JP2005191717A - 圧電共振素子、圧電共振子及びフィルタ並びに複合基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電基板を薄層化できるとともに、スプリアスを低減した圧電共振素子、圧電共振子及びこれを使用したフィルタ並びに複合基板を提供する。
【解決手段】一対の櫛歯電極を備えたインターデジタルトランスデューサ(IDT)を圧電基板の一主面に設けてなるSH波タイプの表面波を利用した圧電共振素子において、前記IDTを構成する複数の電極指のうち、隣設する3本以上の電極指が同電位である同電位電極指群からなる同電位部を具備することを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】一対の櫛歯電極を備えたインターデジタルトランスデューサ(IDT)を圧電基板の一主面に設けてなるSH波タイプの表面波を利用した圧電共振素子において、前記IDTを構成する複数の電極指のうち、隣設する3本以上の電極指が同電位である同電位電極指群からなる同電位部を具備することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、レゾネータやフィルタなどに適用されるSH波の表面波を利用した端面反射型の圧電共振素子、圧電共振子及びこれを使用したフィルタ並びに複合基板に関するものである。
従来から、通信機器、電子機器にはマイクロコンピュータなどが多用されており、このようなマイクロコンピュータにはクロック発振回路などが接続されていた。
ここで、発振回路は、図11に示す等価回路のように、圧電共振素子501の両端と接地電位との間に2つの負荷容量成分515a(C1)、515b(C2)が接続され、さらに、圧電共振素子501の両端間に帰還抵抗513、インバータ514がそれぞれ接続されていた。
一般的に、安定な発振を得る為には、圧電共振素子のメイン振動のP/V値を大きくすることが必要である。尚、P/V値は20×log(Ra/R0)で表されるもので、Raは***振インピーダンス、R0は共振インピーダンスとして定義される。
従来から、圧電素子の厚み縦3倍波振動や厚み滑り基本波振動を適用した表面実装型の圧電共振子、即ち、例えば、図12に示したようなレゾネータにおいては、圧電振動素子と負荷容量を形成したベース基板とを物理的且つ電気的に接続させた圧電振動子を、振動動作を妨げないように外装ケースで被覆し、圧電振動子のP/V値を55dB以上に大きく保ちながら、いかに小型化と薄型化を達成するかが重要になっていた(例えば、特許文献1参照)。
ところが、上記のような従来の表面実装型の圧電共振子では、負荷容量を形成した誘電体などのベース基板と圧電振動素子とを導電性ペーストを介して接続・固定して圧電振動子としており、さらに圧電振動子を被覆するための蓋体が必要となり、しかも、導電性ペーストの拡がりを避けて蓋体を被覆するために、圧電振動子の周辺と蓋体との間の間隙を充分に確保しなくてはならかった。
さらに、近年においては電子機器の薄型化が進み、例えば携帯電話やHDDやメモリーカード等に使用されるため、圧電共振素子の小型化、特に薄型化が要求されているが、上記の表面実装型圧電共振子では小型化には限界があった。
そこで、発振子となる圧電振動素子の小型化を図るために、表面波を利用した端面反射型の表面波共振子やその表面波共振子を外装樹脂で覆ったリード付きタイプの表面波装置などの構造が提案されている。この構造は、圧電基板の表面にIDTを形成し、励振部の表面には空洞が形成されるように、外装樹脂層で圧電基板を覆ったものである(例えば、特許文献2参照)。
一方、表面波共振素子を適用した圧電共振素子の場合、小型化を図るに従ってバルク振動に起因したスプリアスが発生し易く、表面波振動にバルク波のスプリアスが重畳する問題があった。
そこで、このようなバルク波に対しては、SAW基板の裏面の特定箇所にダイサーカット加工による溝を形成し、バルク波の悪影響を低減することが提案されている。また、SAW基板の裏面をブラスト加工して粗面を形成し、これによってバルク波を散乱させてその悪影響を低減することが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
さらに、櫛歯電極を2本のスプリット電極からなるダブル電極型の電極指を用いて構成させることによって、表面波装置に発生する不要なスプリアスを低減することが提案されている(例えば、特許文献4参照)。
実開昭62−70453号公報参照
特開平8−195644号公報
特開2002−246876号公報
特開2000−59175号公報
しかしながら、特許文献3に記載のバルク波に起因するスプリアスの低減方法も、特許文献1の場合と同様に、機械的な加工を施すため、圧電基板自体の強度が低いため、破壊やクラックが発生し、小型化や薄型化が図れないという問題があった。
また、特許文献4に記載の表面波装置は、共振周波数と***振周波数との間に生じるリップルを低減することはできないという問題があった。
そこで、本発明は、圧電基板の薄型化が可能で、スプリアスを低減した圧電共振素子、圧電共振子及びこれを使用したフィルタ並びに複合基板を提供することを目的とする。
本発明の圧電共振素子は、一対の櫛歯電極を備えたインターデジタルトランスデューサ(IDT)を圧電基板の一主面に設けてなるSH波タイプの表面波を利用した圧電共振素子において、前記IDTを構成する複数の電極指のうち、隣設する3本以上の電極指が同電位である同電位電極指群からなる同電位部を具備することを特徴とする。
前記同電位電極指群が奇数本の電極指からなり、該奇数本の電極指をいずれも一方の櫛歯電極に電気的に接続してなることが好ましい。
前記IDTを構成する電極指のうち、前記同電位電極指の数が残部の電極指の数よりも少ないことが好ましい。
前記圧電基板の厚みが320μm以下であり、補強基板が、前記圧電基板の他主面に、接着層を介して設けられていることが好ましい。
前記接着層を構成する接着剤のヤング率が1×1010Pa以下であることが好ましい。
前記補強基板が、Al2O3、MgO、ZrO2、AlN、Si3N4、SiCの少なくとも1種を主成分とすることが好ましい。
前記IDTの単位面積当りの荷重が2×10−5g/cm2以上であることが好ましい。
前記IDTの電極指のうちで最も外側に位置する電極指が、前記圧電基板の側面からなる反射端面と接していることが好ましい。
前記反射端面は、前記圧電基板の一方側端面から他方側端面まで連続して形成されていることが好ましい。
前記反射端面の外側に、該反射端面との間に溝を形成するように反射堤部が設けられていることが好ましい。
本発明の圧電共振子は、圧電共振素子を構成する圧電基板の上方に、ベース基板を配置するとともに、該ベース基板と前記IDTとの間に励振空間を形成し、前記ベース基板と、前記補強基板及び/又は前記圧電基板と、を接着してなることを特徴とする。
前記ベース基板に、容量を形成する電極が形成されていることが好ましい。
本発明のフィルタは、上記の圧電共振素子を複数電気的に接続してなることを特徴とする。
本発明の複合基板は、上記の圧電共振素子と、マイクロコンピュータICチップと、をベース基板に実装したことを特徴とする。
本発明の圧電共振素子は、隣設する3本以上の電極指が同電位である同電位電極指群からなる同電位部を設けることによって、バルク波振動を散乱させ、バルク波振動に伴うスプリアスの発生を抑制することが可能となる。そのため、表面波を適用した圧電共振子の小型化においてもバルク波に起因したスプリアス振動が重畳しにくく安定した振動特性を得る事ができる。
前記同電位電極指群が奇数本の電極指からなり、該奇数本の電極指をいずれも一方の櫛歯電極に電気的に接続してなる場合、バルク波振動の散乱を促進し、スプリアス振動をより小さくするとともに、小型化に寄与する。
前記IDTを構成する電極指のうち、前記同電位電極指の数が残部の電極指の数よりも少ない場合、SH波タイプの表面波の伝播には殆ど影響を与えずに、前記同電位部に発生したバルク波振動のみを散乱させる効果がある。
前記圧電基板の厚みが320μm以下と薄いと、SH波の表面波とバルク波振動とを分離することができ、レゾネータとして適用する場合、安定した発振を得ることが可能になる。また、前記圧電基板の一主面の他主面に補強基板を設けていると、圧電共振素子の破損を防止でき、しかも、補強基板を圧電基板に接合したとしても、表面波を用いるため、共振特性には殆ど影響を与えることがなく、圧電基板を薄くして、バルク波振動を分離してスプリアスの発生を防止できることから、圧電基板を薄層化できるとともに、圧電共振素子の割れを防止でき、良好な共振特性を得ることができる。さらに、本発明は、圧電基板の一主面に部分的に櫛歯電極からなるIDTを備えたSHタイプの表面波を利用することから、振動部を圧電基板の片側のみに集約することができ、補強基板を圧電基板に接着したとしても、共振特性に影響を与えない。
前記接着層を構成する接着剤のヤング率が1×1010Pa以下であると、バルク波をダンピングさせ、バルク波のP/V値を小さくすることが可能である。
前記補強基板が、Al2O3、MgO、ZrO2、AlN、Si3N4、SiCの少なくとも1種を主成分とする場合、補強基板の強度が高いため、補強基板の厚みを薄くでき、圧電共振素子の厚みを薄くできる。補強基板は、製品厚みを薄くしても高い強度を得るという点から、補強基板の厚みを薄くしても、圧電磁器より十分高い強度と高い靭性が得られる材料であることが望ましく、具体的にはアルミナAl2O3、部分安定化ジルコニアZrO2、安定化ジルコニアZrO2、マグネシアMgO、窒化珪素Si3N4、炭化珪素SiC等を主成分とした材料が望ましい。
前記IDTの単位面積当りの荷重が2×10−5g/cm2以上であると、電極基板に加わる電極荷重の質量負荷効果が大きくなり、SH波タイプの表面波振動が電極近傍に集中する、いわゆるエネルギー閉じ込め効果が大きくなり、P/V値を大きくすることができる。
前記IDTの電極指のうちで最も外側に位置する電極指が、前記圧電基板の側面からなる反射端面と接していると、IDTで発生したSH波の振動の波が端面で反射し、IDTに定在波が形成されることから、大きなP/V値が得られる効果がある。
前記反射端面は、前記圧電基板の一方側端面から他方側端面まで連続して形成されていると、SHタイプの表面波を反射させるための反射端面を構成する溝の長さは、櫛歯電極の電極指の交差長より長くすると、SHタイプの表面波の反射をより向上でき、スプリアス発生をより効果的に抑えることができる。すなわち、共振及び***振の近傍におけるスプリアスの発生を押さえる事が出来ると共に、大きなP/V値が得られる。また、このような圧電共振素子では、作製時において溝の形成を容易に行うことができる。
前記反射端面の外側に、該反射端面との間に溝を形成するように反射堤部が設けられていると、圧電共振素子をベース基板に容易に、かつ安定して接着することができ、しかも気密性を高める効果がある。
本発明の圧電共振子は、上記の圧電共振素子を構成する圧電基板の上方に、ベース基板を配置するとともに、該ベース基板と前記IDTとの間に励振空間を形成し、前記ベース基板と、前記補強基板及び/又は前記圧電基板と、を接着してなるため、内部にIDTと励振空間を有し、外部から封止されているため、特に圧電共振素子を筐体で覆う必要がなく、圧電共振子として薄型化が可能であり、且つスプリアスを低減した圧電共振素子の優れた特性を利用することができる。
前記ベース基板に、容量を形成する電極が形成されている場合、ベース基板に誘電体磁器を用い、容量を形成する電極を形成し、負荷容量を内蔵したレゾネータに適した圧電共振子を得る事ができる。
本発明のフィルタは、上記の圧電共振素子を複数電気的に接続してなるため、フィルタとしての減衰特性を有したバンドパスフィルタの機能を得ることができる。
本発明の複合基板は、上記の圧電共振素子と、マイクロコンピュータICチップと、をベース基板に実装したため、部品の集積度を高め、低背化を図ることが容易になる。
本発明を、図を用いて説明する。
図1は、本発明の圧電共振素子の一実施様態を示すもので、図1(a)は斜視図、図1(b)は平面図である。
図1(a)によれば、本発明の圧電共振素子1は、圧電基板1aの一主面2aの一部に一対の櫛歯電極(以下、IDTと言う)3が噛合うように形成されおり、各IDT3は複数の電極指3a、3bを圧電基板の一辺1cに平行になるように、即ち、分極方向と平行になるように構成され、一対のIDT3の電極指3a、3bが交互に配置され、一対のIDT3の電極指3a、3bが圧電基板1aの一主面2aの中央部で交差している。
なお、電極指3a、3bは、接続部6a、6bを介して接続用電極7a、7bにそれぞれ電気的に接続されている。接続用電極7a、7bには、外部回路への接続のために設けられており、また、バンプ8を設けることも可能である。
本発明は、図1(b)に示したように、IDT3が、隣設する3本以上の電極指が同電位である同電位電極指群からなる同電位部5bを具備することが重要である。これにより、SH表面波の振動に重畳していたバルク振動を減衰させ、著しく小さくすることが可能となる。なお、同電位部5b以外の部位は、2つの隣接電極指のうち少なくとも一方が異電位である異電位部5aから構成される。
即ち、バルク波振動に起因したスプリアスを散乱させ、スプリアス振動を小さくするため、SHタイプの表面波のfr、fa間及びその近傍のバルク波振動のスプリアスレベルを小さくすることができる。よって、SHタイプの表面波のfr、fa間及びその近傍にスプリアスが重畳しなくなり、大きなP/V値が得られることから、安定した発振を得ることが可能になり、レゾネータとして好適に適用することができる。
特に、同電位部5bからなる同電位電極指群を構成する電極指の数は奇数、即ち、同電位部を構成する電極指である同電位電極指の数が、3、5、7、・・・と3以上の奇数であることが好ましい。これは、同電位電極指の数が偶数本である場合、バルク波振動を散乱させる効果は得られるものの、同時にSHタイプの表面波も散乱させてしまい、安定した定在波の形成を阻害してしまうという理由による。
これらの同電位電極指群を構成する電極指は、いずれも櫛歯電極の一方に電気的に接続していることが好ましい。これにより、装置の小型化をより推進することができる。
また、IDT3を構成する電極指3a、3bのうち、同電位部5bの電極指の数が残部の電極指の数よりも少ないことが好ましい。即ち、SHタイプの表面波を励起する効果の高い異電位部5aの異電位電極指の数NSを、バルク波を散乱させる効果のある同電位部の同電位電極指の数Ndよりも多くすること、即ちNS<Ndを満たすようにすることが、安定した定在波を形成する点で、望ましい。
圧電基板1aの厚みは320μm以下、特に250μm以下、更には150μm以下であることが好ましい。これは、圧電磁器を薄くし、SHタイプの表面波のfr、fa間およびその近傍にスプリアスが重畳しないようにするという理由による。
このように圧電素子1aが薄い場合、衝撃等による破壊を防止するため、他主面2bの表面に、補強基板1bを接着することが好ましい。このように、補強基板1bを設けると、補強基板1bにより圧電共振素子1の強度向上を図ることができ、例えば、一主面2aに形成されたIDT3の加工が容易になる。
また、圧電基板1aと補強基板1bとを接着固定することで、強度は補強基板1bによって確保できることから、圧電基板1aの厚みを薄くすることが可能となり、SHタイプの表面波とバルク波に起因したスプリアスとを分離することが容易になり、より大きなP/V値を得ることができる。また、圧電基板1aと補強基板1bとを接着することで、IDTの最外側の電極指に隣接して並行に磁器端面まで溝加工した場合においても、補強基板1bにより圧電共振素子1の強度向上が図れる。
補強基板1bの厚さは、200μm、特に150μm、更には100μmであることが好ましい。その理由は、電子部品の低背化を可能にする観点からである。
補強基板1bとしては、圧電基板1aを構成する圧電磁器より強度や靭性の高いアルミナ(Al2O3を主成分にした磁器)、ジルコニア(ZrO2を主成分にした磁器)、マグネシア(MgOを主成分にした磁器)、窒化アルミニウム(AlNを主成分にした磁器)、窒化珪素(Si3N4を主成分にした磁器)、炭化珪素(SiCを主成分にした磁器)を用いることができるが、これらの中でも、原価が安く生産性に優れる観点から、アルミナが望ましい。
圧電基板1aは、PT(チタン酸鉛)、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)やニオブ酸ナトリウムNaNbO3等の圧電セラミック材料、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四棚酸リチウムなどの単結晶材料から形成されているものである。望ましくは、電気機械結合係数の大きな、チタン酸鉛PbTiO3やチタン酸ジルコン酸鉛PbZrTiO3及びニオブ酸ナトリウムNaNbO3を主成分とした圧電セラミックス等であると大きなP/V値を得やすい。さらには、レゾネータ用途の場合、比誘電率が300以下となるチタン酸鉛PbTiO3及びニオブ酸ナトリウムNaNbO3を主成分とした圧電セラミックスであること望ましい。
圧電基板1aと補強基板1bとを接着する際に接着剤として用いる合成樹脂のヤング率は1×1010Pa以下であることが望ましい。このようなヤング率の低い合成樹脂で接着することにより、バルク波に起因したスプリアスを効果的に抑制できる。このような合成樹脂としては、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂が例示できるがこれらに限定されるものではない。
また、櫛歯電極の材質はAlやCr、Ag、Au、Pt、Niなどが好適に使用できる。
IDT3を構成する電極指3a、3bの単位面積当りの荷重は、電極厚み×電極密度で書き表され、2×10−5g/cm2以上であることが望ましい。櫛歯電極の荷重をこのように重くすることで、表面波の伝播をより表面近くに制限することができ、スプリアスの重畳をより効果的に防止することができるとともに、P/Vを大きくすることができる。
例えば、IDT3を形成するためには、Al電極の場合、厚みが0.08μm以上であり、Au電極の場合は厚みが0.01μm以上にすることが好ましい。これにより、2×10−5g/cm2以上の荷重を加えることができ、圧電基板と補強基板とを合成樹脂で接着した場合においても、ダンピングによるSHタイプ表面波の振動を抑制する効果が小さいことから、大きなP/Vを得る事ができる。
IDT3の電極指、圧電基板1aの長手方向に平行な圧電基板の側面1d、即ち、圧電基板の一辺1cを含む側面1dは、IDT3で発生した表面波を効率良く反射するため、一主面1aに対して垂直であることが望ましい。
図2は、端面反射を効率良く行うために、図1の圧電共振素子に反射堤部を設けたもので、(a)は平面図、(b)は側面図である。なお、図1との共通部分については同じ符号を付与し、その説明を省略する。
図2(a)及び(b)によれば、反射堤部14を設け、圧電基板1aと反射堤部14との間に、反射堤部14の側面が圧電共振素子1の側面1dと平行となるように、SHタイプの表面波を反射させるための反射溝14を形成することが好ましい。
このような反射端面(1d)、反射溝16及び反射堤部14は、圧電基板1aを補強基板1bに接合後に、スライサー加工機やレーザー加工機などにより、圧電共振素子の一方の端面から他の端面まで溝加工することによって形成することができる。
この場合、SH波からなる表面波は圧電基板の深さ方向にも振動することから、深さ方向に発生した振動に対しても端面反射を効果的にし、スプリアス発生レベルを押さえられる点からも反射溝16の深さは圧電基板1aの高さより大きいことが望ましい。例えば、上記の加工の際に、反射溝16が圧電基板1aにとどまらず、補強基板1bの一部に及ぶように加工することが望ましい。
このようにIDT3の最外側の電極指に隣接して並行に磁器端面まで溝加工した場合においても、圧電共振素子1を補強基板1bに接着していると、補強基板1bにより圧電共振素子1の強度向上が図れ、破壊を防止することが容易になる。
また、本発明の圧電共振子は、図3に示したように、本発明の圧電共振素子101(例えば図2に記載の圧電共振素子1)を、入力電極PIN、グランド電極PGND、及び出力電極POUTをベース基板109の表面に設け、入力電極PINに接続された電極CINと電極PGND間、及び出力電極POUTに接続された電極COUTと電極PGND間に、ベース基板の誘電率に基づいてそれぞれコンデンサが形成される。このようにコンデンサ形成用電極を配置し、ベース基板に誘電体磁器を用いることで容量(コンデンサ)を2個形成することが可能になり、負荷容量を内蔵したレゾネータに適した圧電共振子を得る事ができる。
図4(a)は、ベース基板109に圧電共振子101を接合した圧電共振子の斜視図、図4(b)はそのX−X’の断面図である。
本発明によれば、圧電基板101aの上方に、ベース基板109を、IDT103とベース基板109との間に励振空間106を形成するように配置し、ベース基板109と、圧電基板101aと、を接着してなることが重要である。即ち、圧電基板101aのIDT103が設けられた一主面をベース基板109に接着する。接着にあたっては、圧電共振素子101とベース基板109によってIDT103を収容する空間106を形成するように配置することが重要である。このような配置にすれば、空間106が形成されているので、圧電基板101a表面のIDT103によって励振されたSHタイプの表面波の振動を妨げることがなく、特性の優れた圧電共振子を実現できる。
この合成樹脂からなる接着剤Bは、圧電共振素子101とベース基板109とを接着する際に、反射溝104の内部に充填されても良い。なお、予め反射溝104内に合成樹脂を充填した後、圧電共振素子101とベース基板109を接着しても良い。その接着領域は、例えば、図2(b)の圧電共振素子の平面図における破線Aの外側の領域を選ぶことができる。この場合、反射溝104のバンプ108側は破線Aの外側であり、その部分には合成樹脂が充填され、破線Aの内側の溝には合成樹脂が充填されてないのが好ましい。
なお、合成樹脂のヤング率が十分小さく、共振特性の低下が顕著ではない場合には、反射溝104の破線Aの内側部分に合成樹脂を充填しても差し支えない。また、図4においては圧電基板101aは支持基板101bの主面に接着されている。
図4(b)において、圧電共振素子101の端面部まで加工された反射溝104の反射端面107の端面近傍(図2(b)の領域C参照)は、合成樹脂の充填、又は絶縁性接着剤の塗布により塞ぐことができ、さらには外部端子形成によっても塞ぐことができるため、櫛歯電極からなるインターデジタルトランスデユーサ(IDT)の駆動部は完全に気密封止することが可能である。
この場合、反射溝104に接着剤が充填されているものの、空間106のIDT103が設けられた中部付近には接着剤が充填されていないことが望ましい。これによって、IDT103の振動を阻害せず、特性の低下を抑制することができる。なお、充填する場合にはヤング率の低い接着剤を用いることが好ましい。
ベース基板109を構成する絶縁基板109aは、絶縁性を有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、チタン酸バリウムを含有した誘電体材料やアルミナ基板等のセラミックス、あるいはポリイミドや液晶ポリマー等の耐熱性に優れた樹脂材などから構成されることが望ましい。
反射端面107に充填する合成樹脂は、ヤング率が1×1010Pa以下のものがバルク波に起因したスプリアスを効果的に抑制できる。このような合成樹脂としては、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂が例示できるがこれらに限定されるものではない。
本発明のフィルタは、上記の圧電共振素子を複数電気的に接続してなるものであり、例えば、一実施様態であるラダー型フィルタを図5に示す。
このフィルタは、直列共振子201と並列共振子202からなり、直列共振子201は入力端子205aと出力端子205bを直列に電気的配置をさせて直列共振子201を形成する。また、並列共振子202は、直列共振子201の出力側端子205bを出力端子215bと結線させ、グランド側端子215gをグランドに接地させており、このような回路構成でフィルタ回路を形成することができる。
直列共振子201と並列共振子202はそれぞれ、反射端面部206を介して、独立した櫛歯電極を形成し電気的接続を図る事でフィルタを得ることができる。例えば、ラダー型フィルタとする場合、直列に配置される圧電共振素子の共振周波数と並列に配置される***振周波数とを合わせてフィルタの中心周波数を決定し、保証減衰量を直列列に配置した容量より並列に配置した容量より大きくすることでフィルタとしての所望の減衰量を得ることができる。即ち、並列に配置した共振子のIDT203Bの数を直列に配置した共振子のIDT203aより多くすることで減衰量を大きくすることができる。
本発明の複合基板は、例えば図6に示すように、回路母基板301にキャビティ302が形成され、このキャビティ302内に、圧電共振素子303のIDT形成面をキャビティ底面202bに対向するように、且つIDT形成面とキャビティ底面202bとに空間を設けるように、本発明の圧電共振素子303を収容し、キャビティ302を覆うようにキャビティ上にICチップ304を配置したものである。
圧電共振素子303及びICチップ304は接着剤を用いて接着するが、圧電共振子303に用いる接着剤は、図2(b)に破線で示した接着領域Aとなるように、ヤング率が1×1010Pa以下の合成樹脂からなる接着を用いるのが好ましい。また、ICチップ304はキャビティ302を密封するための蓋の役割をも果たすことができ、接着剤やろう材を用いて、キャビティ302を封止するように接着するのが好ましい。
なお、ICチップ304は、ベアチップでも、また、ICをパッケージの内部に封入したものでも、いずれでも良い。
また、回路母基板301中にはコンデンサを内蔵していることが望ましい。例えば、図6に示したように、回路母基板301が内部に誘電体層305を具備し、誘電体層305を挟持するように、且つ対向するように一対の電極306a、306bをそれぞれ設けてコンデンサ307a、307bを形成している。この場合、2個のコンデンサを形成し、これらのコンデンサ307a、307bが、圧電共振素子303に電気的に接続されている。
このように、マイクロコンピュータ用等のICチップ304を、キャビティ302内の圧電共振子303を封止するように実装することにより、厚みの薄い、いわゆる低背な複合基板を提供することができ、電子機器の小型化に寄与することができる。
PT系圧電磁器ウエーハ(L=21mm、W=40mm、t=0.15mm)をL方向に分極し、鏡面出した磁器の主面上にAl電極を蒸着した。フォトリソグラフ工程を用いて櫛歯電極からなるIDTと、IDTと電気的に導通する引き出し電極とを複数形成した。
なお、IDTを個々の圧電共振素子の中央部に相当する領域に配置し、IDTの電極指の長手方向と分極方向を一致させた。電極交差部の長さL(図2)は330μmとした。また、IDTにおける異電位部の異電位電極指の数は30本、同電位部の同電位電極指の数は0、3、5、7、9、11本としてそれぞれ圧電共振素子を作製した。
ここで、IDT電極の幅は15μm、電極指と電極指との間隔は15μm、メタライゼーション比(IDT電極幅/電極間の無電極の幅)を1に設定した。櫛歯電極の単位面積当りの荷重は2×10−3g/cm2であった。
IDTの形成された主面と反対の他主面にアルミナを主成分とした補強基板(L=21mm、W=40mm、t=0.1mm)を接着した。接着にはヤング率が2×109Paのエポキシ樹脂を用いた。
次に、最外側の電極指の電極幅がλ/8(約7.5μm)になるように、SHタイプの表面波を反射させるための端面を形成するための溝加工を行って、図2に示した圧電共振素子を作製した。
図2に示された反射溝を得るため、圧電基板を貫通するように、さらに圧電基板の端面まで延出するように圧電基板ウエーハをダイシング加工機で加工を施した。反射溝の両端部に、図2(b)に示す破線Aの外側の領域に、ヤング率が1×109Paのエポキシ樹脂を充填した。その後、IDTと電気的に導通が図れた引き出し電極部の一部に導電性のバンプを印刷した。
このときのインピーダンス特性を測定した。同電位電極指が3、5、7、9、11本の場合、メイン周波数帯域内にスプリアスは発生せず、P/V値は61dB以上と大きな値が得られた。なお、同電位電極指が3本の場合のインピーダンス特性を代表例として図7に示した。
(比較例1)
一方、図13に示すような、異電位電極指が30本、同電位電極指が0、即ち従来の異電位電極指のみからなる本発明の範囲外の圧電共振子において、インピーダンス特性を測定した。その結果を図8に示す。このとき、メイン周波数帯域内にスプリアスが発生し、P/V値は44dBであった。なお、図13に記載の圧電共振子を構成する圧電共振素子621は、圧電基板621aの一主面に一対の櫛歯電極(以下、IDTと言う)623が形成されおり、各IDT623は複数の電極指623a、623bを平行に並べ、一対のIDT623の電極指623a、623bが交互に配置され、一対の櫛歯電極の電極指623a、623bが圧電基板621aの中央部付近で重なっている。
一方、図13に示すような、異電位電極指が30本、同電位電極指が0、即ち従来の異電位電極指のみからなる本発明の範囲外の圧電共振子において、インピーダンス特性を測定した。その結果を図8に示す。このとき、メイン周波数帯域内にスプリアスが発生し、P/V値は44dBであった。なお、図13に記載の圧電共振子を構成する圧電共振素子621は、圧電基板621aの一主面に一対の櫛歯電極(以下、IDTと言う)623が形成されおり、各IDT623は複数の電極指623a、623bを平行に並べ、一対のIDT623の電極指623a、623bが交互に配置され、一対の櫛歯電極の電極指623a、623bが圧電基板621aの中央部付近で重なっている。
次ぎに、実施例1において、IDTを形成する為のAu電極を厚さ2μm蒸着したとき(櫛歯電極の単位面積当りの荷重は4×10−3g/cm2)のインピーダンス特性から、SHタイプの表面波の周波数帯域内にはスプリアスが発生せず、P/V値は68dBと大きな値が得られた。この現象は、単位面積当りの電極荷重を大きくする事で、SHタイプの表面波の振動が電極近傍に閉じこもる、いわゆるエネルギー閉じ込め効果が大きくなったことに起因すると理解される。
次ぎに、実施例1において、圧電磁器厚みを変化させた場合の、表面波の共振周波数fr及び***振周波数faとバルク振動のスプリアスの周波数との関係を測定し、図9に記示した。圧電磁器厚みが320μm以下の時、表面波振動のfr及びfa間にバルク波に起因したスプリアス振動が重畳しなかった。特に、150μm以下の場合には、SHタイプの表面波の振動とバルク波振動とを完全に分離することが出来るとともに、形状的にも薄くできる。
実施例1の圧電共振素子と2個の負荷容量(10〜50pF/個)が内蔵された誘電体からなるベース基板とを、ベース基板上にエポキシ系樹脂をIDTに対向しない領域に環状に印刷し(図2(b)の破線Aの外側領域)、圧電磁器ウエーハのIDTが形成された面と対向するように、ヤング率が3×109Pa(1×1010Pa以下)のエポキシ樹脂を介して貼り合わせ固着した。
その後、個々の圧電共振子の形状にダイシング加工機で切断した。その後、外部端子をAgスパッタで形成し、IDTと外部端子との電気的導通を行った。その後、図11で示すインバータ発振回路にて発振評価を行った。
その結果、基本波でありながら、約50MHzの高周波で安定した発振挙動を示し、発振開始電圧は2Vの低電圧であった。一方、従来の厚み縦3倍波振動を用いた圧電共振子(図12参照)を同様に評価すると3倍波発振の発振開始電圧は3.5Vであり、本発明の圧電共振子は、従来の圧電共振子に比べて約1/2の低電圧で発振するという特徴を備えていることがわかった。
このように、本発明に依れば、SH波の表面波においても従来の圧電共振素子と同等の高いP/V値を維持しながら、著しく薄い低背な圧電共振子を得ることができる。
(比較例2)
特許文献3に記載されたようなダブル電極型の圧電共振素子を作成した。圧電基板の主面上に、各スプリット電極の幅がλ/8(=7.5μm)となるようにダブル電極型のIDTを形成し、最外側の電極指の幅は(3/16)λ(=11.25μm)とした。このようなダブル電極型の圧電共振素子のインピーダンス特性を測定した結果を図10に示す。共振周波数と***振周波数との間にリップルが生じていることがわかる。このようなメイン周波数帯域内のリップルは、圧電共振素子をレゾネータとして使用する際に、発振周波数のとびの要因となってしまうため、発振周波数の安定性が著しく低下する。
特許文献3に記載されたようなダブル電極型の圧電共振素子を作成した。圧電基板の主面上に、各スプリット電極の幅がλ/8(=7.5μm)となるようにダブル電極型のIDTを形成し、最外側の電極指の幅は(3/16)λ(=11.25μm)とした。このようなダブル電極型の圧電共振素子のインピーダンス特性を測定した結果を図10に示す。共振周波数と***振周波数との間にリップルが生じていることがわかる。このようなメイン周波数帯域内のリップルは、圧電共振素子をレゾネータとして使用する際に、発振周波数のとびの要因となってしまうため、発振周波数の安定性が著しく低下する。
1・・・圧電共振素子
1a・・・圧電基板
1b・・・補強基板
1c・・・圧電基板の一辺
1c・・・圧電基板の側面
2a・・・一主面
2b・・・他主面
3・・・櫛歯電極(IDT)
3a、3b・・・電極指
3c・・・電極指交差部
5a・・・異電位電極指
5b・・・同電位電極指
6a、6b・・・架橋部
7a、7b・・・接続用電極
8・・・バンプ
14・・・反射堤部
15・・・反射堤反の側面
A・・・接着領域の境界
L・・・電極指交差部の長さ
d・・・最外電極指の電極幅
1a・・・圧電基板
1b・・・補強基板
1c・・・圧電基板の一辺
1c・・・圧電基板の側面
2a・・・一主面
2b・・・他主面
3・・・櫛歯電極(IDT)
3a、3b・・・電極指
3c・・・電極指交差部
5a・・・異電位電極指
5b・・・同電位電極指
6a、6b・・・架橋部
7a、7b・・・接続用電極
8・・・バンプ
14・・・反射堤部
15・・・反射堤反の側面
A・・・接着領域の境界
L・・・電極指交差部の長さ
d・・・最外電極指の電極幅
Claims (14)
- 一対の櫛歯電極を備えたインターデジタルトランスデューサ(IDT)を圧電基板の一主面に設けてなるSH波タイプの表面波を利用した圧電共振素子において、前記IDTを構成する複数の電極指のうち、隣設する3本以上の同電位電極指群からなる同電位部を具備することを特徴とする圧電共振素子。
- 前記同電位電極指群が奇数本の電極指からなり、該奇数本の電極指をいずれも一方の櫛歯電極に電気的に接続してなることを特徴とする請求項1記載の圧電共振素子。
- 前記IDTを構成する電極指のうち、前記同電位電極指の数が残部の電極指の数よりも少ないことを特徴とする請求項1又は2記載の圧電共振素子。
- 前記圧電基板の厚みが320μm以下であり、補強基板が、前記圧電基板の他主面に、接着層を介して設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧電共振素子。
- 前記接着層のヤング率が1×1010Pa以下であることを特徴とする請求項4記載の圧電共振素子。
- 前記補強基板が、Al2O3、MgO、ZrO2、AlN、Si3N4、SiCの少なくとも1種を主成分とすることを特徴とする請求項4又は5記載の圧電共振素子。
- 前記IDTの単位面積当りの荷重が2×10−5g/cm2以上であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の圧電共振素子。
- 前記IDTの電極指のうちで最も外側に位置する電極指が、前記圧電基板の側面からなる反射端面と接していることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の圧電共振素子。
- 前記反射端面は、前記圧電基板の一方側端面から他方側端面まで連続して形成されていることを特徴とする請求項8記載の圧電共振素子。
- 前記反射端面の外側に、該反射端面との間に溝を形成するように反射堤部が設けられていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の圧電共振素子。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の圧電共振素子を構成する圧電基板の上方に、ベース基板を配置するとともに、該ベース基板と前記IDTとの間に励振空間を形成し、前記ベース基板と、前記補強基板及び/又は前記圧電基板と、を接着してなることを特徴とする圧電共振子。
- 前記ベース基板に、容量を形成する電極が形成されていることを特徴とする請求項11記載の圧電共振子。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の圧電共振素子を複数電気的に接続してなることを特徴とするフィルタ。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の圧電共振素子と、マイクロコンピュータICチップと、をベース基板に実装したことを特徴とする複合基板。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003427985A JP2005191717A (ja) | 2003-12-24 | 2003-12-24 | 圧電共振素子、圧電共振子及びフィルタ並びに複合基板 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007119302A (ja) * | 2005-10-28 | 2007-05-17 | Shin Etsu Chem Co Ltd | 酸化物単結晶ウエーハおよび酸化物単結晶ウエーハの製造方法ならびにsawデバイスの製造方法 |
JP2011071967A (ja) * | 2009-08-24 | 2011-04-07 | Ngk Insulators Ltd | 複合基板の製造方法 |
WO2017038679A1 (ja) * | 2015-08-31 | 2017-03-09 | 京セラ株式会社 | 弾性表面波素子 |
-
2003
- 2003-12-24 JP JP2003427985A patent/JP2005191717A/ja active Pending
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