JP2007019975A - Surface acoustic wave device, module apparatus, and oscillation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスに関わり、特に小型でＱ値を高く、周波数温度特性に優れた弾性表面波デバイスに好適なものである。 The present invention relates to a surface acoustic wave device using a quartz substrate, and is particularly suitable for a surface acoustic wave device that is small in size, has a high Q value, and is excellent in frequency temperature characteristics.
近年、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷ）デバイスは移動体通信用端末や車載用機器等の部品として幅広く利用され、小型であること、Ｑ値が高いこと、周波数安定性が優れていることが強く要求されている。
これらの要求を実現するＳＡＷデバイスとして、ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスがある。ＳＴカット水晶基板は結晶Ｘ軸を回転軸としてＸＺ面を結晶Ｚ軸より反時計方向に４２．７５°回転した面（ＸＺ’面）を持つ水晶板のカット名であり、結晶Ｘ軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる（Ｐ＋ＳＶ）波であるＳＡＷ（以下、ＳＴカット水晶ＳＡＷと称す）を利用する。ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスの用途は、発振素子として用いられるＳＡＷ共振子や、移動体通信端末のＲＦ段とＩＣ間に配置されるＩＦ用フィルタなど幅広く存在する。
ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスが小型でＱ値の高いデバイスを実現できる理由として、ＳＡＷの反射を効率良く利用できる点が挙げられる。
以下、図１２に示すＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子を例に説明する。
この図１２に示すＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子は、ＳＴカット水晶基板１０１上にそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有するくし形電極（以下、ＩＤＴと称す）１０２を配置し、このＩＤＴ１０２の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂを配置した構造である。
ＳＴカット水晶ＳＡＷは、圧電基板の表面に沿って伝搬する波であるので、グレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂにより効率良く反射され、ＳＡＷのエネルギーをＩＤＴ１０２内に十分閉じ込めることができ、小型で且つＱ値の高いデバイスが得られる。
更に、ＳＡＷデバイスを使用する上で重要な要素に周波数温度特性がある。上述のＳＴカット水晶ＳＡＷにおいては、周波数温度特性の１次温度係数が零であり、その特性は２次曲線で表され、頂点温度を使用温度範囲の中心に位置するように調整すると周波数変動量が格段に小さくなるので周波数安定性に優れていることが一般的に知られている。
しかしながら、前記ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは、１次温度係数は零であるが、２次温度係数は−０．０３４（ｐｐｍ／℃2）と比較的大きいので、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が極端に大きくなってしまうという問題があった。
前記問題を解決する手法として、Meirion Lewis, “Surface Skimming Bulk Wave, SSBW”, IEEE Ultrasonics Symp. Proc., pp.744〜752 (1977)及び特公昭６２−０１６０５０号に開示されたＳＡＷデバイスがある。このＳＡＷデバイスは、図１３に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−５０°回転した付近に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して垂直方向（Ｚ’軸方向）にしたことが特徴である。なお、前述のカット角をオイラー角で表示する場合は（０°，θ＋９０°，９０°）＝（０°，４０°，９０°）となる。このＳＡＷデバイスは、圧電基板の表面直下を伝搬するＳＨ波をＩＤＴによって励起し、その振動エネルギーを電極直下に閉じ込めることを特徴としていて、周波数温度特性が３次曲線となり、使用温度範囲における周波数変動量が極めて少なくなるので良好な周波数温度特性が得られる。
In recent years, surface acoustic wave (SAW) devices have been widely used as parts for mobile communication terminals and in-vehicle devices, and are small in size, high in Q value, and excellent in frequency stability. There is a strong demand to be.
As a SAW device that realizes these requirements, there is a SAW device using an ST cut quartz substrate. The ST cut quartz substrate is a cut name of a quartz plate having a plane (XZ ′ plane) obtained by rotating the XZ plane by 42.75 ° counterclockwise from the crystal Z axis with the crystal X axis as the rotation axis. A SAW which is a (P + SV) wave called a propagating Rayleigh wave (hereinafter referred to as ST cut quartz SAW) is used. ST-cut quartz SAW devices have a wide range of applications, such as SAW resonators used as oscillation elements and IF filters arranged between the RF stage and the IC of mobile communication terminals.
The reason why the ST-cut quartz SAW device can realize a small device with a high Q value is that SAW reflection can be used efficiently.
Hereinafter, the ST cut quartz SAW resonator shown in FIG. 12 will be described as an example.
The ST-cut quartz SAW resonator shown in FIG. 12 has comb-shaped electrodes (hereinafter referred to as IDTs) 102 each having a plurality of electrode fingers interleaved with each other on an ST-
Since the ST cut quartz SAW is a wave propagating along the surface of the piezoelectric substrate, the ST cut quartz SAW is efficiently reflected by the
Further, an important factor in using the SAW device is a frequency temperature characteristic. In the above-described ST-cut quartz SAW, the first-order temperature coefficient of the frequency temperature characteristic is zero, the characteristic is represented by a quadratic curve, and the frequency fluctuation amount is obtained by adjusting the apex temperature to be located at the center of the operating temperature range. Is generally known to be excellent in frequency stability.
However, the ST-cut quartz SAW device has a primary temperature coefficient of zero, but the secondary temperature coefficient is relatively large, -0.034 (ppm / ° C. 2 ). There was a problem that would become extremely large.
As a technique for solving the above problem, there is a SAW device disclosed in Meirion Lewis, “Surface Skimming Bulk Wave, SSBW”, IEEE Ultrasonics Symp. Proc. . In this SAW device, as shown in FIG. 13, the cut angle θ of the rotated Y-cut quartz substrate is set in the vicinity of −50 ° rotated counterclockwise from the crystal Z axis, and the SAW propagation direction is set to the crystal X axis. In contrast, the vertical direction (Z′-axis direction) is characteristic. When the above cut angle is displayed in Euler angle, (0 °, θ + 90 °, 90 °) = (0 °, 40 °, 90 °). This SAW device is characterized in that the SH wave propagating directly below the surface of the piezoelectric substrate is excited by IDT and the vibration energy is confined immediately below the electrode. The frequency-temperature characteristic becomes a cubic curve, and the frequency fluctuation in the operating temperature range Since the amount is extremely small, good frequency temperature characteristics can be obtained.
しかしながら、前記ＳＨ波は基本的に基板内部に潜って進んでいく波である為、圧電基板表面に沿って伝搬するＳＴカット水晶ＳＡＷと比較してグレーティング反射器によるＳＡＷの反射効率が悪い。従って、小型で高ＱなＳＡＷデバイスを実現し難いという問題がある。また、前述の先行文献においてもＳＡＷの反射を利用しない遅延線としての応用については開示されているものの、ＳＡＷの反射を利用する手段は提案されておらず実用は困難であると言われていた。
この問題を解決すべく、特公平０１−０３４４１１号では、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを−５０°付近に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し垂直方向（Ｚ’軸方向）にした圧電基板１１１上に８００±２００対もの多対のＩＤＴ１１２を形成することにより、図１４に示すようにグレーティング反射器を利用せずＩＤＴ１１２自体の反射だけでＳＡＷエネルギーを閉じ込め高Ｑ化を図った所謂多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子が開示されている。
しかしながら、前記多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子はグレーティング反射器を設けたＳＡＷ共振子と比較して効率的なエネルギー閉じ込め効果が得られず、高いＱ値を得るのに必要なＩＤＴ対数が８００±２００対と非常に多くなってしまうので、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりもデバイスサイズが大きくなってしまい、近年の小型化の要求に応えることができないという問題があった。
また、前記特公平０１−０３４４１１号に開示されているＳＡＷ共振子においては、ＩＤＴにて励振されたＳＡＷの波長をλとした時、電極膜厚を２％λ以上、好ましくは４％λ以下にすることによりＱ値を高めることができるとされており、共振周波数２００ＭＨｚの場合、４％λ付近でＱ値が飽和に達するが、その時のＱ値は２００００程度しか得られずＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較してもほぼ同等のＱ値しか得られない。この原因として、膜厚が２％λ以上４％λ以下の範囲ではＳＡＷが圧電基板表面に十分集まっていないので反射が効率良く利用できないことが考えられる。
In order to solve this problem, in Japanese Patent Publication No. 01-034411, the cut angle θ of the rotated Y-cut quartz substrate is set to around −50 °, and the SAW propagation direction is perpendicular to the crystal X axis (Z ′ axis direction). By forming 800 ± 200 pairs of
However, the multi-pair IDT SAW resonator does not provide an efficient energy confinement effect as compared with a SAW resonator provided with a grating reflector, and the IDT logarithm necessary to obtain a high Q value is 800 ± 200. Since the number of the pair becomes very large, the device size becomes larger than that of the ST cut quartz SAW resonator, and there has been a problem that the recent demand for miniaturization cannot be met.
In the SAW resonator disclosed in Japanese Patent Publication No. 01-034411, when the wavelength of the SAW excited by the IDT is λ, the electrode film thickness is 2% λ or more, preferably 4% λ or less. It is said that the Q value can be increased by setting the Q value to reach saturation when the resonance frequency is 200 MHz, and the Q value reaches only about 20000 at that time. Even when compared with the resonator, only a substantially equivalent Q value can be obtained. As a cause of this, it is considered that the SAW is not sufficiently collected on the surface of the piezoelectric substrate when the film thickness is in the range of 2% λ to 4% λ, so that reflection cannot be used efficiently.
しかしながら、圧電基板にＳＴカット水晶基板を用いると周波数温度特性の２次温度係数が−０．０３４（ｐｐｍ／℃2）と大きいので実用上の周波数変動量が極端に大きくなってしまう問題点があった。また特公平０１−０３４４１１号に開示されているＳＡＷデバイスの構造では、ＩＤＴの対数を非常に多くしなければならないのでデバイスサイズが大型になってしまうという問題点があった。
そこで、本出願人らは上記したような問題を解決するために、特願２００４−３１０４５２で、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°とした水晶基板を用いて、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して垂直方向とし、励振されるＳＡＷは前記水晶基板の表面付近を伝搬するＳＨ波であるＳＡＷデバイスを構成し、そのＩＤＴはＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなり、ＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とすることで、従来から一般的に使用されているＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりも高いＱ値と良好な周波数温度特性が得られる小型のＳＡＷデバイスを実現する手法を提案した。
しかしながら、本出願人が先に提案したＳＡＷデバイスは横高次モードスプリアスレベルが大きいため、ＳＡＷ共振子を構成した場合は複共振特性になるという問題点があった。またＳＡＷフィルタを構成した場合は通過帯域の高域側の減衰量が劣化するという問題があった。
However, when an ST-cut quartz substrate is used as the piezoelectric substrate, the second-order temperature coefficient of the frequency temperature characteristic is as large as −0.034 (ppm / ° C. 2 ), so that there is a problem that the practical frequency fluctuation amount becomes extremely large. there were. Further, the structure of the SAW device disclosed in Japanese Patent Publication No. 01-034411 has a problem that the device size becomes large because the logarithm of the IDT must be very large.
Therefore, in order to solve the above-described problems, the applicants of Japanese Patent Application No. 2004-310452 set the cut angle θ of the rotated Y-cut quartz substrate in the counterclockwise direction from the crystal Z axis to −64.0 ° <θ. Using a quartz substrate with <−49.3 °, preferably −61.4 ° <θ <−51.1 °, the SAW propagation direction is perpendicular to the crystal X axis, and the excited SAW is A SAW device that is an SH wave propagating in the vicinity of the surface of the quartz substrate is formed, and the IDT is made of Al or an alloy containing Al as a main component, and the electrode film thickness H / λ normalized by the SAW wavelength is set to 0. By making 04 <H / λ <0.12, preferably 0.05 <H / λ <0.10, a higher Q value and better performance than ST-cut quartz SAW devices generally used in the past. Realize small SAW device with frequency temperature characteristics We proposed a method to.
However, since the SAW device previously proposed by the present applicant has a high lateral high-order mode spurious level, there is a problem in that when a SAW resonator is configured, double resonance characteristics are obtained. Further, when the SAW filter is configured, there is a problem that the attenuation amount on the high frequency side of the pass band is deteriorated.
そこで、本発明は上記したような問題点を鑑みてなされたものであり、請求項１に記載の発明は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定した水晶基板と、該水晶基板上に形成されたＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して直交方向、励振される弾性表面波を前記水晶基板の表面付近を伝搬するＳＨ波とし、前記弾性表面波の波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定した弾性表面波デバイスであって、前記ＩＤＴにダミー電極を設けたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、前記水晶基板の前記回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定したことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、前記電極膜厚Ｈ／λを０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０に設定したことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記ＩＤＴの交差幅をＷ、前記ダミー電極の電極長をＤとしたときに、前記交差幅Ｗに対する前記ダミー電極長Ｄの割合Ｄ／Ｗを、０．０２≦Ｄ／Ｗ≦０．２０とすることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の弾性表面波デバイスを用いたモジュール装置であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の弾性表面波デバイスを用いた発振回路であることを特徴とする。
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and the invention according to
In the invention according to
The invention according to claim 3 is characterized in that the electrode film thickness H / λ is set to 0.05 <H / λ <0.10.
According to a fourth aspect of the present invention, in the surface acoustic wave device according to any one of the first to third aspects, the intersection width of the IDT is W and the electrode length of the dummy electrode is D. The ratio D / W of the dummy electrode length D to the intersection width W is 0.02 ≦ D / W ≦ 0.20.
The invention according to claim 5 is a module device using the surface acoustic wave device according to any one of
The invention according to claim 6 is an oscillation circuit using the surface acoustic wave device according to any one of
本発明のＳＡＷデバイスは、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定した水晶基板と、この水晶基板上に形成されたＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して直交方向、励振される弾性表面波を水晶基板の表面付近を伝搬するＳＨ波とし、弾性表面波の波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とすることで、従来から一般的に使用されているＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりも高いＱ値と良好な周波数温度特性を得られる小型のＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴにダミー電極を設け、交差幅Ｗに対するダミー電極長Ｄの割合Ｄ／Ｗを０．０２≦Ｄ／Ｗ≦０．２０とした。このように構成されるＳＡＷデバイスをＳＡＷ共振子に適用すれば複共振特性の問題を解決することができる。またＳＡＷフィルタに適用すれば通過帯域の高域側において発生していた減衰量の劣化を防止することができる。 In the SAW device of the present invention, the cut angle θ of the rotated Y-cut quartz substrate is −64.0 ° <θ <−49.3 ° counterclockwise from the crystal Z axis, preferably −61.4 ° <θ <−. A quartz substrate set in a range of 51.1 ° and an IDT formed on the quartz substrate and made of Al or an alloy containing Al as a main component, the propagation direction of the surface acoustic wave with respect to the crystal X axis The surface acoustic wave excited in the orthogonal direction is an SH wave propagating near the surface of the quartz substrate, and the electrode film thickness H / λ normalized by the wavelength λ of the surface acoustic wave is 0.04 <H / λ <0.12. In addition, it is preferable that 0.05 <H / λ <0.10 so that a small SAW that can obtain a higher Q value and better frequency-temperature characteristics than ST-cut quartz SAW devices generally used conventionally. In the device, a dummy electrode is provided on the IDT, and the crossing width W The ratio D / W of the dummy electrode length D was set to 0.02 ≦ D / W ≦ 0.20. If the SAW device configured as described above is applied to a SAW resonator, the problem of multiple resonance characteristics can be solved. If applied to a SAW filter, it is possible to prevent the deterioration of the attenuation that has occurred on the high frequency side of the passband.
先ず、図１〜図８を参照して本出願人が特願２００４−３１０４５２で提案した弾性表面波フィルタについて説明する。
図１（ａ）は本出願人が先に提案したＳＡＷデバイスの一例であるＳＡＷ共振子の平面図を示しており、圧電基板１上に正電極指と負電極指とがそれぞれ互いに間挿し合うＩＤＴ２（くし形電極）と、このＩＤＴ２の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器３ａ、３ｂとを配置する。そして、前記ＩＤＴ２の入出力パッド４ａ、４ｂとパッケージ６の入出力用端子とを金属ワイヤ５ａ、５ｂにより電気的に導通し、パッケージ６の開口部を蓋（リッド）で気密封止する。圧電基板１は、図１３に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−５０°回転した付近に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ垂直方向（９０°±５°）にした水晶平板であって、励振するＳＡＷはＳＨ波である。なお、ＩＤＴ２及びグレーティング反射器３ａ、３ｂの電極材料はＡｌ又はＡｌを主成分とする合金である。また、図１（ｂ）はＩＤＴ２の断面図を示しており、ここではＩＤＴ２上を励振するＳＡＷの波長をλとした時に電極膜厚を波長で基準化した値Ｈ／λで表し、ＩＤＴ２を構成する電極指の電極指幅Ｌ／（電極指幅Ｌ＋電極指間のスペースＳ）をライン占有率ｍｒとした時にｍｒ＝０．６０としている。
上記のＳＡＷデバイスにおいては、電極膜厚Ｈ／λを従来より大きく設定することで、ＳＡＷを圧電基板表面に集中させて、グレーティング反射器によりＳＡＷの反射を効率良く利用できるようにし、少ないＩＤＴ対数やグレーティング反射器本数でもＳＡＷエネルギーをＩＤＴ内に閉じ込めるようにしてデバイスサイズの小型化を図った。
一般的にＳＡＷ共振子における最適設計とは、周波数温度特性が優れており、Ｑが高く且つ容量比γの小さいもの、即ちfigure of merit（Ｑ／γ）が大きいことが重要である。ここで、図１に示したＳＡＷ共振子の諸特性について調べた。図２は、図１に示すＳＡＷ共振子において、圧電基板１に−５１°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板（オイラー角表示では（０°，３９°，９０°））を用い、共振周波数を３１５ＭＨｚ、電極膜厚Ｈ／λを０．０６、ＩＤＴ２の対数を１００対、グレーティング反射器３ａ、３ｂの本数を各々１００本とした場合の共振子の諸特性を表している。図２（ａ）にＱ値、figure of merit、２次温度係数を、図２（ｂ）に周波数温度特性を実際の試作結果に基づき示している。また、比較の為に、圧電基板のサイズを同じにしたＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の諸特性を従来品として併記した。
First, a surface acoustic wave filter proposed by the present applicant in Japanese Patent Application No. 2004-310452 will be described with reference to FIGS.
FIG. 1A shows a plan view of a SAW resonator which is an example of a SAW device previously proposed by the present applicant, and a positive electrode finger and a negative electrode finger are respectively inserted on the
In the above SAW device, the electrode film thickness H / λ is set larger than the conventional one so that the SAW is concentrated on the surface of the piezoelectric substrate so that the SAW reflection can be efficiently used by the grating reflector, and the IDT logarithm is small. The device size was reduced by confining the SAW energy in the IDT even with the number of grating reflectors.
In general, the optimum design of a SAW resonator is important in that it has excellent frequency temperature characteristics, a high Q and a small capacitance ratio γ, that is, a large figure of merit (Q / γ). Here, various characteristics of the SAW resonator shown in FIG. 1 were examined. FIG. 2 shows a resonance frequency of the SAW resonator shown in FIG. 1 using a -51 ° rotated Y-cut 90 ° X propagation quartz substrate (Euler angle display (0 °, 39 °, 90 °)) as the
図２より図１に示したＳＡＷ共振子と従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子とを比較すると、Ｑ値が１．８倍強、figure of meritが約２倍と大きい値が得られている。また、周波数温度特性については、頂点温度Ｔｐは約＋２５℃が得られ、温度による周波数変動量は従来の約０．６倍程度に小さくなるという非常に優れた効果が確認された。
更に、図１に示したＳＡＷ共振子はＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも良好なＱ値を保ちながら圧電基板のサイズを小型化できる。これは、図１に示したＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λの増加に対するＩＤＴ又はグレーティング反射器でのＳＡＷの反射量の増加分が、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較して著しく大きいことに起因する。即ち、図１に示したＳＡＷ共振子は電極膜厚Ｈ／λを大きくすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも少ないＩＤＴ対数又はグレーティング反射器本数で高いＱ値を実現可能である。
図３は図１に示したＳＡＷ共振子における電極膜厚Ｈ／λとＱ値の関係を示したものであり、共振子設計条件は前述と同等である。同図より、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲においてＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子のＱ値（＝１５０００）を上回る値が得られることが分かる。更に、０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定することにより２００００以上もの高いＱ値が得られる。
また、特公平０１−０３４４１１号にある多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子と図１に示したＳＡＷ共振子のＱ値を比較すると、特公平０１−０３４４１１号で得られているＱ値は共振周波数が２０７．５６１（ＭＨｚ）における値であり、これを共振周波数３１５（ＭＨｚ）に変換すると、Ｑ値は１５０００程度となり、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子とほぼ同等である。また、共振子のサイズを比較すると、特公平０１−０３４４１１号の多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子は８００±２００対もの対数が必要なのに対し、図１に示したＳＡＷ共振子ではＩＤＴとグレーティング反射器の両方で２００対分の大きさで十分であるので格段に小型化できる。従って、電極膜厚を０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定し、グレーティング反射器を設けて効率良くＳＡＷを反射することで、特公平０１−０３４４１１号に開示されている多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子よりも小型で且つＱ値が高いＳＡＷデバイスを実現できる。
When comparing the SAW resonator shown in FIG. 1 with the conventional ST-cut quartz crystal SAW resonator as shown in FIG. 2, the Q value is slightly over 1.8 times and the figure of merit is about twice as large. As for the frequency temperature characteristics, it was confirmed that the apex temperature Tp was about + 25 ° C., and the frequency fluctuation amount due to temperature was reduced to about 0.6 times that of the prior art.
Furthermore, the SAW resonator shown in FIG. 1 can reduce the size of the piezoelectric substrate while maintaining a better Q value than the ST cut quartz SAW resonator. This is because the increase in the SAW reflection amount at the IDT or grating reflector with respect to the increase in the electrode film thickness H / λ of the SAW resonator shown in FIG. 1 is significantly larger than that of the ST cut quartz SAW resonator. caused by. That is, by increasing the electrode film thickness H / λ, the SAW resonator shown in FIG. 1 can realize a high Q value with a smaller IDT logarithm or number of grating reflectors than the ST cut quartz SAW resonator.
FIG. 3 shows the relationship between the electrode film thickness H / λ and the Q value in the SAW resonator shown in FIG. 1, and the resonator design conditions are the same as described above. From the figure, it can be seen that a value exceeding the Q value (= 15000) of the ST cut quartz SAW resonator can be obtained in the range of 0.04 <H / λ <0.12. Furthermore, a Q value as high as 20000 or more can be obtained by setting the range of 0.05 <H / λ <0.10.
Further, when comparing the Q values of the many-pair IDT type SAW resonator in Japanese Patent Publication No. 01-034411 and the SAW resonator shown in FIG. 1, the Q value obtained in Japanese Patent Publication No. 01-034411 has a resonance frequency. It is a value at 207.561 (MHz), and when this is converted to a resonance frequency of 315 (MHz), the Q value becomes about 15000, which is almost equivalent to the ST cut quartz SAW resonator. Further, comparing the size of the resonator, the multi-pair IDT type SAW resonator of Japanese Patent Publication No. 01-034411 requires 800 ± 200 pairs of logarithms, whereas the SAW resonator shown in FIG. 1 has IDT and grating reflector. In both cases, the size of 200 pairs is sufficient, so that the size can be greatly reduced. Therefore, the electrode film thickness is set in a range of 0.04 <H / λ <0.12, and a grating reflector is provided to efficiently reflect SAW, which is disclosed in Japanese Patent Publication No. 01-034411. A SAW device that is smaller than the IDT-type SAW resonator and has a high Q value can be realized.
次に、図４は図１に示したＳＡＷ共振子における電極膜厚Ｈ／λと２次温度係数の関係を示したものであり、共振子設計条件は前述と同等である。同図より、高いＱ値が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲においてＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の２次温度係数−０．０３４（ｐｐｍ／℃2）よりも良好な値が得られることが分かる。
以上より、電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定することで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイス及び特公平０１−０３４４１１号に開示されているＳＡＷデバイスよりも小型でＱ値が高く、且つ周波数安定性に優れたＳＡＷデバイスを提供できる。
また、これまでカット角θを−５１°とした場合についてのみ示してきたが、図１に示したＳＡＷ共振子においては、カット角θを変えても膜厚依存性は大きく変化せず、−５１°から数度ずれたカット角においても電極膜厚を０.０４＜Ｈ／λ＜０.１２の範囲に設定することで、良好なＱ値と２次温度係数が得られる。
ところで、図１に示したＳＡＷ共振子は、非常に広い温度範囲では３次的な温度特性となるが、特定の狭い温度範囲では２次特性と見なすことができ、その頂点温度Ｔｐは電極膜厚やカット角によって変化する。従って、いくら周波数温度特性が優れていても頂点温度Ｔｐが使用温度範囲外となってしまうと周波数安定性は著しく劣化してしまうので、実用的な使用温度範囲（−５０℃〜＋１２５℃）において優れた周波数安定性を実現するには、２次温度係数だけでなく頂点温度Ｔｐについても詳細に検討する必要がある。
Next, FIG. 4 shows the relationship between the electrode film thickness H / λ and the secondary temperature coefficient in the SAW resonator shown in FIG. 1, and the resonator design conditions are the same as described above. From the figure, in the range of 0.04 <H / λ <0.12 where a high Q value can be obtained, a value better than the secondary temperature coefficient of the ST-cut quartz SAW resonator −0.034 (ppm / ° C. 2 ). It can be seen that
From the above, by setting the electrode film thickness H / λ in the range of 0.04 <H / λ <0.12, than the ST-cut quartz SAW device and the SAW device disclosed in Japanese Patent Publication No. 01-034411. A SAW device having a small size, a high Q value, and excellent frequency stability can be provided.
Further, only the case where the cut angle θ is set to −51 ° has been shown so far, but in the SAW resonator shown in FIG. 1, the film thickness dependency does not change greatly even when the cut angle θ is changed. By setting the electrode film thickness within the range of 0.04 <H / λ <0.12 even at a cut angle shifted by several degrees from 51 °, a good Q value and secondary temperature coefficient can be obtained.
The SAW resonator shown in FIG. 1 has a third-order temperature characteristic in a very wide temperature range, but can be regarded as a second-order characteristic in a specific narrow temperature range. Varies with thickness and cut angle. Therefore, no matter how excellent the frequency temperature characteristics, if the apex temperature Tp falls outside the operating temperature range, the frequency stability will be significantly deteriorated. Therefore, in the practical operating temperature range (-50 ° C to + 125 ° C). In order to realize excellent frequency stability, it is necessary to examine not only the secondary temperature coefficient but also the apex temperature Tp in detail.
図５（ａ）は、図１に示したＳＡＷ共振子においてカット角θを−５０．５°とした時の電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係を示している。同図から明らかなように、電極膜厚Ｈ／λを大きくすると頂点温度Ｔｐは下がり、電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係は次の近似式で表わされる。
Ｔｐ（Ｈ／λ）＝−４１８２５×（Ｈ／λ）2＋２８５５．４×（Ｈ／λ）−２６．４２ ・・・（１）
また、−５０°近傍のカット角においても切片を除けばおおよそ式（１）が適用できる。
また、図５（ｂ）は、図１に示したＳＡＷ共振子において電極膜厚Ｈ／λを０．０６とした時のカット角θと頂点温度Ｔｐの関係を示している。同図から明らかなように、カット角θの絶対値を小さくすると頂点温度Ｔｐは下がり、カット角θと頂点温度Ｔｐの関係は次の近似式で表わされる。
Ｔｐ（θ）＝−４３．５３７２×θ−２１９７．１４ ・・・（２）
式（１）及び式（２）から電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とした時に頂点温度Ｔｐを実用的な使用温度範囲（−５０〜＋１２５℃）に設定するには、カット角θを−５９．９°≦θ≦−４８．９°の範囲に設定すれば良いことが分かる。
また、電極膜厚Ｈ／λとカット角θの双方を考慮する場合、頂点温度Ｔｐは式（１）及び式（２）から次の近似式で表わされる。
Ｔｐ（Ｈ／λ，θ）＝Ｔｐ（Ｈ／λ）＋Ｔｐ（θ）＝−４１８２５×（Ｈ／λ）2＋２８５５．４×（Ｈ／λ）−４３．５３７２×θ−２２２３．５６ ・・・（３）
式（３）より、頂点温度Ｔｐを使用温度範囲（−５０〜＋１２５℃）に設定するには、次式で表される範囲に電極膜厚Ｈ／λ及びカット角θを設定すれば良い。
０．９６１３≦−１８．４９８×（Ｈ／λ）2＋１．２６２９×（Ｈ／λ）−０．０１９２５５×θ≦１．０３８７ ・・・（４）
FIG. 5A shows the relationship between the electrode film thickness H / λ and the apex temperature Tp when the cut angle θ is −50.5 ° in the SAW resonator shown in FIG. As can be seen from the figure, when the electrode film thickness H / λ is increased, the vertex temperature Tp decreases, and the relationship between the electrode film thickness H / λ and the vertex temperature Tp is expressed by the following approximate expression.
Tp (H / λ) = − 41825 × (H / λ) 2 + 2855.4 × (H / λ) −26.42 (1)
Further, the expression (1) can be roughly applied even when the intercept is removed even at a cut angle in the vicinity of −50 °.
FIG. 5B shows the relationship between the cut angle θ and the apex temperature Tp when the electrode film thickness H / λ is 0.06 in the SAW resonator shown in FIG. As can be seen from the figure, when the absolute value of the cut angle θ is decreased, the vertex temperature Tp decreases, and the relationship between the cut angle θ and the vertex temperature Tp is expressed by the following approximate expression.
Tp (θ) =-43.5372 × θ-2197.14 (2)
From Equation (1) and Equation (2), when the electrode film thickness H / λ is 0.04 <H / λ <0.12, the apex temperature Tp is set to a practical operating temperature range (−50 to + 125 ° C.). For this purpose, it is understood that the cut angle θ should be set in the range of −59.9 ° ≦ θ ≦ −48.9 °.
When considering both the electrode film thickness H / λ and the cut angle θ, the apex temperature Tp is expressed by the following approximate expression from the expressions (1) and (2).
Tp (H / λ, θ) = Tp (H / λ) + Tp (θ) = − 41825 × (H / λ) 2 + 2855.4 × (H / λ) −43.5372 × θ−2223.56・ (3)
From equation (3), in order to set the apex temperature Tp within the operating temperature range (−50 to + 125 ° C.), the electrode film thickness H / λ and the cut angle θ may be set within the range represented by the following equation.
0.9613 ≦ −18.498 × (H / λ) 2 + 1.2629 × (H / λ) −0.019255 × θ ≦ 1.0387 (4)
このように、本出願人が先に提案したＳＡＷデバイスではカット角θが−５９．９°≦θ≦−４８．９°の範囲にある回転Ｙカット水晶基板を用い、ＳＡＷの伝搬方向がＸ軸に対してほぼ垂直方向（直交方向）として励振されるＳＨ波を用い、ＩＤＴやグレーティング反射器の電極材料をＡｌまたはＡｌを主とした合金にて構成し、その電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスより小型で、且つＱ値が大きく、且つ周波数安定性の優れているＳＡＷデバイスを実現できる。
ここで、より最適な条件について検討すると、電極膜厚Ｈ／λは図３よりＱ値が２００００以上得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定するのが好ましい。また、頂点温度Ｔｐをより実用的な使用温度範囲（０〜＋７０℃）に設定する為には、カット角θは−５５．７°≦θ≦−５０．２°の範囲に設定するのが好ましく、更には、式（３）より得られる次式の範囲にカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定するのが好ましい。
０．９８４５≦−１８．５１８×（Ｈ／λ）2＋１．２６４３×（Ｈ／λ）−０．０１９２７７×θ≦１．０１５５ ・・・（５）
以上では、図５（ａ）のカット角θを−５０．５°とした時の電極膜厚H／λと頂点温度Ｔｐの関係、及び図５（ｂ）の電極膜厚Ｈ／λを０．０６とした時のカット角θと頂点温度Ｔｐの関係から、頂点温度Ｔｐが実用的な使用温度範囲に入るような電極膜厚Ｈ／λとカット角θの関係式を導き出したが、更にカット角θの範囲を広げて実験を行ったところ、より詳細な条件を見出すことができたので以下説明する。
Thus, the SAW device previously proposed by the present applicant uses a rotating Y-cut quartz substrate having a cut angle θ in the range of −59.9 ° ≦ θ ≦ −48.9 °, and the SAW propagation direction is X The SH wave excited in a direction substantially perpendicular to the axis (orthogonal direction) is used, and the electrode material of the IDT or grating reflector is made of Al or an alloy mainly containing Al, and the electrode film thickness H / λ is By setting 0.04 <H / λ <0.12, it is possible to realize a SAW device that is smaller than the ST-cut quartz SAW device, has a large Q value, and is excellent in frequency stability.
Here, considering more optimal conditions, the electrode film thickness H / λ is preferably set in a range of 0.05 <H / λ <0.10 in which a Q value of 20000 or more can be obtained from FIG. Further, in order to set the vertex temperature Tp to a more practical use temperature range (0 to + 70 ° C.), the cut angle θ should be set to a range of −55.7 ° ≦ θ ≦ −50.2 °. More preferably, the cut angle θ and the electrode film thickness H / λ are preferably set within the range of the following formula obtained from the formula (3).
0.9845 ≦ −18.518 × (H / λ) 2 + 1.2643 × (H / λ) −0.019277 × θ ≦ 1.0155 (5)
The relationship between the electrode film thickness H / λ and the apex temperature Tp when the cut angle θ in FIG. 5A is −50.5 ° and the electrode film thickness H / λ in FIG. From the relationship between the cut angle θ and the apex temperature Tp when .06 was set, a relational expression between the electrode film thickness H / λ and the cut angle θ that led the apex temperature Tp to fall within the practical operating temperature range was derived. When the experiment was conducted with the range of the cut angle θ widened, more detailed conditions could be found and will be described below.
図６は、前記ＳＡＷ共振子において頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５である時の水晶基板のカット角θと電極膜厚Ｈ／λの関係を示しており、各Ｔｐ特性の近似式は以下の通りである。
Ｔｐ＝−５０（℃）：Ｈ／λ≒−１．０２５８６×１０-4×θ3−１．７３２３８×１０-2×θ2−０．９７７６０７×θ−１８．３４２０
Ｔｐ＝０（℃）：Ｈ／λ≒−９．８７５９１×１０-5×θ3−１．７０３０４×１０-2×θ2−０．９８１１７３×θ−１８．７９４６
Ｔｐ＝＋７０（℃）：Ｈ／λ≒−１．４４６０５×１０-4×θ3−２．５０６９０×１０-2×θ2−１．４５０８６×θ−２７．９４６４
Ｔｐ＝＋１２５（℃）：Ｈ／λ≒−１．３４０８２×１０-4×θ3−２．３４９６９×１０-2×θ2−１．３７５０６×θ−２６．７８９５
図６から、頂点温度Ｔｐ（℃）を実用的な範囲である−５０≦Ｔｐ≦＋１２５に設定するには、Ｔｐ＝−５０℃及びＴｐ＝＋１２５℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−１．３４０８２×１０-4×θ3−２．３４９６９×１０-2×θ2−１．３７５０６×θ−２６．７８９５＜Ｈ／λ＜−１．０２５８６×１０-4×θ3−１．７３２３８×１０-2×θ2−０．９７７６０７×θ−１８．３４２０となるようにカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定すれば良いことが分かる。また、この時の電極膜厚Ｈ／λの範囲は、従来のＳＴカット水晶デバイスより優れた特性が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、カット角θの範囲は図６の点Ａから点Ｂに示す範囲の−６４．０°＜θ＜−４９．３°とする必要がある。
更に、より最適な条件について検討すると、頂点温度Ｔｐ（℃）はより実用的な使用温度範囲である０≦Ｔｐ≦＋７０に設定するのが望ましい。Ｔｐ（℃）を前述の範囲に設定するには、図６に示すＴｐ＝０℃及びＴｐ＝＋７０℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−１．４４６０５×１０-4×θ3−２．５０６９０×１０-2×θ2−１．４５０８６×θ−２７．９４６４＜Ｈ／λ＜−９．８７５９１×１０-5×θ3−１．７０３０４×１０-2×θ2−０．９８１１７３×θ−１８．７９４６となるようにカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定すれば良い。また、電極膜厚Ｈ／λはＱ値が２００００以上得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲にするのが望ましく、電極膜厚を前述の範囲とし、頂点温度Ｔｐ（℃）を０≦Ｔｐ≦＋７０の範囲内に設定するには、カット角θを図６（ａ）の点Ｃから点Ｄに示す範囲の−６１．４°＜θ＜−５１．１°に設定する必要がある。
以上、詳細に検討した結果、カット角θが−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲にある回転Ｙカット水晶基板を用い、ＳＡＷの伝搬方向がＸ軸に対してほぼ垂直方向（直交方向）として励振されるＳＨ波を用い、ＩＤＴやグレーティング反射器の電極材料をＡｌまたはＡｌを主とした合金にて構成し、その電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりＱ値が大きく優れた温度特性が得られると共に、頂点温度Ｔpを実用的な使用温度範囲内に設定できることを見出した。
ところで、これまでＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．６０と固定した時の例について説明してきたが、以下ではライン占有率を変数に含めた場合のＴｐ特性について検討した。
図７は、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒと頂点温度Ｔｐの関係を示している。なお、縦軸は頂点温度Ｔｐ（℃）を、横軸は電極膜厚とライン占有率との積Ｈ／λ×ｍｒを示しており、この時の水晶基板のカット角θは−５１．５°としている。同図に示すように、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの値を大きくする程、頂点温度Ｔｐは下がることが分かる。
FIG. 6 shows the relationship between the crystal substrate cut angle θ and the electrode film thickness H / λ when the apex temperature Tp (° C.) is Tp = −50, 0, +70, +125 in the SAW resonator. The approximate expression of each Tp characteristic is as follows.
Tp = −50 (° C.): H / λ≈−1.02586 × 10 −4 × θ 3 −173238 × 10 −2 × θ 2 −0.977607 × θ−18.3420
Tp = 0 (° C.): H / λ≈−9.887591 × 10 −5 × θ 3 −1.70304 × 10 −2 × θ 2 −0.981173 × θ−18.7946
Tp = + 70 (° C.): H / λ≈−1.44605 × 10 −4 × θ 3 −2.50690 × 10 −2 × θ 2 −1.45086 × θ−27.9464
Tp = + 125 (° C.): H / λ≈−1.34082 × 10 −4 × θ 3 −2.334969 × 10 −2 × θ 2 −1.37506 × θ−26.7895
From FIG. 6, in order to set the apex temperature Tp (° C.) to a practical range of −50 ≦ Tp ≦ + 125, the region surrounded by the curves of Tp = −50 ° C. and Tp = + 125 ° C., that is, − 1.40882 × 10 −4 × θ 3 −2.34969 × 10 −2 × θ 2 −1.37506 × θ−26.7895 <H / λ <−1.02586 × 10 −4 × θ 3 -1. It can be seen that the cut angle θ and the electrode film thickness H / λ may be set so as to be 73238 × 10 −2 × θ 2 −0.977607 × θ−18.3420. Further, the range of the electrode film thickness H / λ at this time is 0.04 <H / λ <0.12 in which characteristics superior to those of the conventional ST-cut quartz crystal device can be obtained, and the range of the cut angle θ is shown in FIG. It is necessary to satisfy −64.0 ° <θ <−49.3 ° in the range shown from the point A to the point B.
Further, considering more optimal conditions, it is desirable to set the vertex temperature Tp (° C.) to 0 ≦ Tp ≦ + 70, which is a more practical use temperature range. In order to set Tp (° C.) within the above-mentioned range, the region surrounded by the curves of Tp = 0 ° C. and Tp = + 70 ° C. shown in FIG. 6, ie, −1.44605 × 10 −4 × θ 3 −2 50690 × 10 −2 × θ 2 −1.45086 × θ−27.9464 <H / λ <−9.875991 × 10 −5 × θ 3 −1.70304 × 10 −2 × θ 2 −0.981173 The cut angle θ and the electrode film thickness H / λ may be set so that × θ−18.7946. The electrode film thickness H / λ is preferably in the range of 0.05 <H / λ <0.10 where a Q value of 20000 or more can be obtained. The electrode film thickness is in the above range, and the apex temperature Tp (° C.). Is set within the range of 0 ≦ Tp ≦ + 70, the cut angle θ is set to −61.4 ° <θ <−51.1 ° in the range indicated by the point C to the point D in FIG. There is a need.
As a result of detailed examination, the rotated Y-cut quartz substrate having a cut angle θ in the range of −64.0 ° <θ <−49.3 °, preferably −61.4 ° <θ <−51.1 °. The electrode material of the IDT and the grating reflector is made of Al or an alloy mainly composed of Al, using SH waves that are excited with the SAW propagation direction almost perpendicular to the X axis (orthogonal direction). By setting the electrode film thickness H / λ to 0.04 <H / λ <0.12, preferably 0.05 <H / λ <0.10, the Q value is significantly superior to that of ST-cut quartz SAW devices. It was found that the temperature characteristics can be obtained and the apex temperature Tp can be set within a practical use temperature range.
By the way, although the example when the line occupation rate mr of IDT is fixed to 0.60 has been described so far, the Tp characteristic in the case where the line occupation rate is included in the variable is examined below.
FIG. 7 shows the relationship between the product H / λ × mr of the electrode film thickness and the line occupation ratio, and the apex temperature Tp. The vertical axis indicates the apex temperature Tp (° C.), and the horizontal axis indicates the product H / λ × mr of the electrode film thickness and the line occupancy. At this time, the cut angle θ of the quartz substrate is −51.5. °. As shown in the figure, it is understood that the vertex temperature Tp decreases as the value of the product H / λ × mr of the electrode film thickness and the line occupation ratio increases.
次に、図８は頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５である時の水晶基板のカット角θと電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの関係を示している。なお、各Ｔｐ特性の近似式は以下の通りである。
Ｔｐ＝−５０（℃）：Ｈ／λ×ｍｒ≒−６．１５５１７×１０-5×θ3−１．０３９４３×１０-2×θ2−０．５８６５６４×θ−１１．００５２
Ｔｐ＝０（℃）：Ｈ／λ×ｍｒ≒−５．９２５５４×１０-5×θ3−１．０２１８３×１０-2×θ2−０．５８８７０４×θ−１１．２７６８
Ｔｐ＝＋７０（℃）：Ｈ／λ×ｍｒ≒−８．６７６３２×１０-5×θ3−１．５０４１４×１０-2×θ2−０．８７０５１４×θ−１６．７６７８
Ｔｐ＝＋１２５（℃）：Ｈ／λ×ｍｒ≒−８．０４４８９×１０-5×θ3−１．４０９８１×１０-2×θ2−０．８２５０３８×θ−１６．０７３７
図８から、頂点温度Ｔｐ（℃）を実用的な範囲である−５０≦Ｔｐ≦＋１２５に設定するには、Ｔｐ＝−５０℃及びＴｐ＝＋１２５℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−８．０４４８９×１０-5×θ3−１．４０９８１×１０-2×θ2−０．８２５０３８×θ−１６．０７３７＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−６．１５５１７×１０-5×θ3−１．０３９４３×１０-2×θ2−０．５８６５６４×θ−１１．００５２となるようにカット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒを設定すれば良いことが分かる。また、この時の電極膜厚Ｈ／λの範囲は従来のＳＴカット水晶デバイスより優れた特性が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、カット角θの範囲は−６４．０°＜θ＜−４９．３°とする必要がある。
また、頂点温度Ｔｐ（℃）をより実用的な使用温度範囲である０≦Ｔｐ≦＋７０に設定するには、図８に示すＴｐ＝０℃及びＴｐ＝＋７０℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−８．６７６３２×１０-5×θ3−１．５０４１４×１０-2×θ2−０．８７０５１４×θ−１６．７６７８＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−５．９２５５４×１０-5×θ3−１．０２１８３×１０-2×θ2−０．５８８７０４×θ−１１．２７６８となるようにカット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒを設定すれば良い。また、この時の電極膜厚Ｈ／λはＱ値が２００００以上得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とするのが望ましく、電極膜厚を前述の範囲とし、且つ、頂点温度Ｔｐ（℃）を０≦Ｔｐ≦＋７０の範囲内に設定するには、カット角θは−６１．４°＜θ＜−５１．１°とするのが望ましい。
Next, FIG. 8 shows the relationship of the product H / λ × mr of the crystal substrate cut angle θ, electrode film thickness, and line occupancy when the apex temperature Tp (° C.) is Tp = −50, 0, +70, +125. Is shown. The approximate expression of each Tp characteristic is as follows.
Tp = −50 (° C.): H / λ × mr≈−6.15517 × 10 −5 × θ 3 −1.03943 × 10 −2 × θ 2 −0.586564 × θ-11.0052
Tp = 0 (° C.): H / λ × mr≈−5.99254 × 10 −5 × θ 3 −1.02183 × 10 −2 × θ 2 −0.588704 × θ−11.2768
Tp = + 70 (° C.): H / λ × mr≈−8.67632 × 10 −5 × θ 3 −1.50414 × 10 −2 × θ 2 −0.870514 × θ−16.7678
Tp = + 125 (° C.): H / λ × mr≈−8.04489 × 10 −5 × θ 3 −1.40981 × 10 −2 × θ 2 −0.825038 × θ−16.0737
From FIG. 8, in order to set the apex temperature Tp (° C.) to a practical range of −50 ≦ Tp ≦ + 125, the region surrounded by the curves of Tp = −50 ° C. and Tp = + 125 ° C., that is, − 8.04489 × 10 −5 × θ 3 −1.40981 × 10 −2 × θ 2 −0.825038 × θ−16.0737 <H / λ × mr <−6.15517 × 10 −5 × θ 3 − It can be seen that the cut angle θ and the product H / λ × mr of the electrode film thickness and the line occupancy should be set so that 1.03943 × 10 −2 × θ 2 −0.586564 × θ-11.0052. . In this case, the range of the electrode film thickness H / λ is 0.04 <H / λ <0.12 in which characteristics superior to those of the conventional ST-cut quartz crystal device are obtained, and the range of the cut angle θ is −64.0. It is necessary to make it <° <θ <−49.3 °.
Further, in order to set the apex temperature Tp (° C.) to 0 ≦ Tp ≦ + 70 which is a more practical use temperature range, a region surrounded by curves of Tp = 0 ° C. and Tp = + 70 ° C. shown in FIG. That is, −8.66762 × 10 −5 × θ 3 −1.50414 × 10 −2 × θ 2 −0.870514 × θ−16.7678 <H / λ × mr <−5.992554 × 10 −5 × The cut angle θ and the product of the electrode film thickness and the line occupation ratio H / λ × mr may be set so that θ 3 −1.02183 × 10 −2 × θ 2 −0.588704 × θ−11.2768. . Further, the electrode film thickness H / λ at this time is desirably 0.05 <H / λ <0.10, which can obtain a Q value of 20000 or more, the electrode film thickness is in the above range, and the apex temperature Tp. In order to set (° C.) within the range of 0 ≦ Tp ≦ + 70, the cut angle θ is desirably −61.4 ° <θ <−51.1 °.
以下、本発明のＳＡＷデバイスの実施形態について説明する。
ところで、上記したような本出願人が先に提案したＳＡＷデバイスは、横高次モードスプリアスレベルが大きいため、ＳＡＷ共振子を構成した場合は複共振特性になるという問題があった。またＳＡＷフィルタを構成した場合は通過帯域の高域側の減衰量が劣化するという問題があった。
そこで、本出願人らはＳＡＷデバイスにおいて横高次モードスプリアスレベルを抑制するために各種実験を行った結果、ＳＡＷフィルタのＩＤＴ２にダミー電極１１を形成すると効果的であることがわかった。以下、具体例を挙げて説明する。
図９は本実施形態のＳＡＷ共振子の構成を示した平面図である。
この図９に示すＳＡＷ共振子では、横高次モードスプリアスを抑制するために、図示するようにＩＤＴ２にダミー電極１１を形成するようにしている。
即ち、本実施形態のＳＡＷ共振子では、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定した水晶基板１と、この水晶基板１上に形成されたＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴ２とを備え、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して直交方向、励振されるＳＡＷを水晶基板１の表面付近を伝搬するＳＨ波とし、ＳＡＷの波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０としたＳＡＷデバイスのＩＤＴ２にダミー電極１１を形成するようにした。
Hereinafter, embodiments of the SAW device of the present invention will be described.
By the way, since the SAW device previously proposed by the applicant as described above has a high lateral high-order mode spurious level, there is a problem that when a SAW resonator is formed, a double resonance characteristic is obtained. Further, when the SAW filter is configured, there is a problem that the attenuation amount on the high frequency side of the pass band is deteriorated.
Therefore, the present applicants conducted various experiments to suppress the lateral higher-order mode spurious level in the SAW device, and as a result, it has been found that it is effective to form the
FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the SAW resonator of this embodiment.
In the SAW resonator shown in FIG. 9, a
That is, in the SAW resonator of this embodiment, the cut angle θ of the rotated Y-cut quartz substrate is −64.0 ° <θ <−49.3 °, preferably −61.4 °, counterclockwise from the crystal Z axis. <Θ <−51.1 ° and includes a
図１０は、ＩＤＴ２の電極指の交差幅をＷ、ダミー電極１１の電極長をＤとしたときの交差幅Ｗに対するダミー電極長Ｄの割合Ｄ／Ｗと、横３次モードスプリアスレベルの関係を示した図である。
この図１０から交差幅Ｗに対するダミー電極長Ｄの割合Ｄ／Ｗを、０．０２≦Ｄ／Ｗにすると、ダミー電極１１が無い場合（Ｄ／Ｗ＝０．００）に比べて横３次モードスプリアスが抑圧され、ダミー電極長Ｄの割合が増加するのに伴いスプリアスレベルが抑圧されていることがわかる。これは横３次モードの界分布の交差部Ｗに占める割合が低下したことに起因するものである。
一方、０．２０＜Ｄ／Ｗでは横モードスプリアスレベルが一度元に戻る現象が見られる。これは交差部Ｗとダミー電極１１の全体の長さが大きくなり、界分布が横５次モードのようになることに起因するものであると考えられる。
ここで、交差幅Ｗに対するダミー電極長Ｄの割合Ｄ／Ｗが０．２０より大きいＳＡＷ共振子と、ダミー電極１１無し（Ｄ／Ｗ＝０．００）のＳＡＷ共振子を比較すると、Ｄ／Ｗが０．２０より大きいＳＡＷ共振子のほうがスプリアスは抑圧されているという利点があるものの、その効果が小さく、逆にチップサイズが大きくなるため本来の小型であるという長所に悪影響を与える。
従って、ＩＤＴ２の交差幅Ｗに対するダミー電極１１の電極長Ｄの割合Ｄ／Ｗは、０．０２≦Ｄ／Ｗ≦０．２０に設定することが好適であることが分かった。
なお、ＩＤＴ２の電極指端とダミー電極１１との間のギャップは小さい方がよく、本実施形態では０．２５λとした。
また本実施形態では、本発明のＳＡＷデバイスをＳＡＷ共振子に適用した場合を例に挙げたが、これはあくまでも一例であり、ＳＡＷフィルタに適用した場合も同様、高次横モードスプリアスを抑制することができる。
FIG. 10 shows the relationship between the ratio D / W of the dummy electrode length D to the intersection width W, where the intersection width of the electrode fingers of the
From FIG. 10, when the ratio D / W of the dummy electrode length D to the intersection width W is 0.02 ≦ D / W, the horizontal tertiary is compared with the case where there is no dummy electrode 11 (D / W = 0.00). It can be seen that the spurious level is suppressed as the mode spurious is suppressed and the ratio of the dummy electrode length D is increased. This is because the ratio of the transverse tertiary mode field distribution to the intersecting portion W is reduced.
On the other hand, when 0.20 <D / W, there is a phenomenon that the transverse mode spurious level is once restored. This is considered to be caused by the fact that the entire length of the intersection W and the
Here, comparing a SAW resonator in which the ratio D / W of the dummy electrode length D to the intersection width W is greater than 0.20 and a SAW resonator without the dummy electrode 11 (D / W = 0.00), Although the SAW resonator with W greater than 0.20 has the advantage that spurious is suppressed, the effect is small, and conversely, the chip size is increased, which adversely affects the original small size.
Therefore, it was found that the ratio D / W of the electrode length D of the
The gap between the electrode finger end of the
In this embodiment, the case where the SAW device of the present invention is applied to a SAW resonator is taken as an example. However, this is only an example, and high-order transverse mode spurious is suppressed similarly when applied to a SAW filter. be able to.
図１１は本発明ＳＡＷデバイス（ダミー電極有り）を適用したＳＡＷフィルタと、従来のＳＡＷデバイス（ダミー電極無し）を適用したＳＡＷフィルタの周波数特性を示した図である。なお、ここではＳＡＷデバイスの交差幅Ｗに対するダミー電極長Ｄの割合Ｄ／Ｗを０．１３３とした。
この図１１から、本発明のＳＡＷデバイスを適用したＳＡＷフィルタのほうが、従来のＳＡＷデバイスを適用したＳＡＷフィルタに比べて、通過帯域における高域側の減衰量が大きいことが分かる。つまり、本発明のＳＡＷデバイスをＳＡＷフィルタに適用すれば通過帯域の高域側において発生していた減衰量の劣化を防止することができる。
なお、これまで説明したＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴやグレーティング反射器上にＳｉＯ2等の保護膜やＡｌを陽極酸化した保護膜等を形成したり、Ａｌ電極の上部あるいは下部に密着層あるいは耐電力向上等の目的で別の金属薄膜を形成した場合においても、本発明と同様の効果を得られることは明らかである。また、センサ装置やモジュール装置、発振回路等に本発明のＳＡＷデバイスが適用できることは言うまでもない。また、電圧制御ＳＡＷ発振器（ＶＣＳＯ）等に本発明のＳＡＷデバイスを用いれば、容量比γを小さくできるので周波数可変幅を大きくとれる。
また、本発明のＳＡＷデバイスは、図１に示すようなＳＡＷチップとパッケージをワイヤボンディングした構造以外でも良く、ＳＡＷチップの電極パッドとパッケージの端子とを金属バンプで接続したフリップチップボンディング（ＦＣＢ）構造や、配線基板上にＳＡＷチップをフリップチップボンディングしＳＡＷチップの周囲を樹脂封止したＣＳＰ（Chip Size Package）構造、或いは、ＳＡＷチップ上に金属膜や樹脂層を形成することによりパッケージや配線基板を不要としたＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）構造等にしても良い。更には、水晶デバイスを水晶又はガラス基板で挟んで積層封止したＡＱＰ（All Quartz Package）構造としても良い。前記ＡＱＰ構造は、水晶又はガラス基板で挟んだだけの構造であるのでパッケージが不要で薄型化が可能であり、低融点ガラス封止や直接接合とすれば接着剤によるアウトガスが少なくなりエージング特性に優れた効果を奏する。
FIG. 11 is a diagram showing frequency characteristics of a SAW filter to which the SAW device of the present invention (with dummy electrodes) is applied and a SAW filter to which a conventional SAW device (without dummy electrodes) is applied. Here, the ratio D / W of the dummy electrode length D to the intersection width W of the SAW device was set to 0.133.
From FIG. 11, it can be seen that the SAW filter to which the SAW device of the present invention is applied has a higher attenuation amount on the high band side in the pass band than the SAW filter to which the conventional SAW device is applied. That is, if the SAW device of the present invention is applied to a SAW filter, it is possible to prevent the attenuation amount that has been generated on the high frequency side of the pass band.
In the SAW device described so far, a protective film such as SiO 2 or anodized Al is formed on the IDT or the grating reflector, or an adhesion layer or an improvement in power resistance is formed above or below the Al electrode. Even when another metal thin film is formed for such purposes, it is obvious that the same effect as the present invention can be obtained. Needless to say, the SAW device of the present invention can be applied to a sensor device, a module device, an oscillation circuit, and the like. Further, if the SAW device of the present invention is used for a voltage controlled SAW oscillator (VCSO) or the like, the capacitance ratio γ can be reduced, so that the frequency variable width can be increased.
Further, the SAW device of the present invention may have a structure other than the structure in which the SAW chip and the package are wire bonded as shown in FIG. 1, and flip chip bonding (FCB) in which the electrode pad of the SAW chip and the terminal of the package are connected by metal bumps. Structure, CSP (Chip Size Package) structure in which a SAW chip is flip-chip bonded on a wiring board and the periphery of the SAW chip is resin-sealed, or a metal film or resin layer is formed on the SAW chip to form a package or wiring A WLCSP (Wafer Level Chip Size Package) structure that does not require a substrate may be used. Furthermore, an AQP (All Quartz Package) structure in which a quartz crystal device is sandwiched between quartz or glass substrates and sealed. Since the AQP structure is simply sandwiched between crystal or glass substrates, a package is not required and the thickness can be reduced. If it is sealed with a low melting point glass or directly joined, outgas due to the adhesive is reduced and aging characteristics are achieved. Excellent effect.
１ 圧電基板、２ ＩＤＴ、３ａ、３ｂ グレーティング反射器、４ａ、４ｂ 入出力用パッド、５ａ、５ｂ 金属ワイヤ、６ パッケージ、１１ ダミー電極
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- 2005-07-08 JP JP2005200475A patent/JP2007019975A/en active Pending
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