JP2013138495A - 弾性表面波共振子、弾性表面波発振器、及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】オイラー角(−1°≦φ≦1°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)の水晶基板30を用い、ストップバンド上端モードのSAWを励振するIDT12と、IDT12を構成する電極指18a、18b間に位置する基板を窪ませた溝32を有するSAW共振子10であって、SAWの波長をλ、溝32の深さをGとした場合に、0.01λ≦G、を満たし、かつ、IDT12のライン占有率をηとした場合に、溝32の深さGと前記ライン占有率ηとが、−2.0000×G/λ+0.7200≦η≦−2.5000×G/λ+0.7775、ただし0.0100λ≦G≦0.0500λ−3.5898×G/λ+0.7995≦η≦−2.5000×G/λ+0.7775、ただし0.0500λ<G≦0.0695λの関係を満たす。
【選択図】図1
Description
[適用例2]適用例1に記載の弾性表面波共振子であって、前記電極指間溝の深さGが、
適用例3における電極膜厚の範囲内において式(8)を満たすようにηを定めることで、二次温度係数を略、±0.01ppm/℃2以内に収めることが可能となる。
電極指間溝の深さGと電極膜厚Hとの和を上式のように定めることで、従来の弾性表面波共振子よりも高いQ値を得ることができる。
このような特徴を有することで、反射器のストップバンドをIDTのストップバンドよりも高域側へ周波数シフトさせることができる。このため、式(32)の関係を実現させることが可能となる。
[適用例10]適用例1または適用例2に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
[適用例11]適用例3に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
[適用例12]適用例4に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
[適用例13]適用例5に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
[適用例14]適用例6に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
[適用例15]適用例7に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
[適用例16]適用例8に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
[適用例17]適用例9に記載の弾性表面波発振器を備えたことを特徴とする電子機器。
まず、図1を参照して、本発明の弾性表面波(SAW)共振子に係る第1の実施形態について説明する。なお図1において、図1(A)はSAW共振子の平面図であり、図1(B)は部分拡大断面図、図1(C)は同図(B)における詳細を説明するための拡大図、図1(D)は図1(C)の部分拡大図に関して、本発明に係るSAW共振子をフォトリソグラフィ技法とエッチング技法とを用いて製造したときに想定しえる断面形状であって、断面形状が矩形ではなく台形状となった場合における、IDT電極指のライン占有率ηの特定方法を説明するための図である。ライン占有率ηは、溝32の底部から、溝32の深さ(台座の高さ)Gと電極膜厚Hとを足した値である(G+H)の1/2となる高さにおける、凸部の幅Lと溝32の幅Sとを足した値(L+S)に対する前記幅Lの占める割合とするのが適切である。
図2は、本発明で用いる水晶基板30の母材となるウェーハ1の方位を示す図である。図2において、X軸は水晶の電気軸、Y軸は水晶の機械軸、Z軸は水晶の光学軸である。ウェーハ1は、Y軸に垂直な面2を、X軸を回転軸として、+Z軸から−Y軸に向かって回転する方向に角度θ´度(ディグリー)回転させた面を有している。この回転した面に垂直な軸がY´軸、回転した面に平行且つX軸に垂直な軸がZ´軸である。さらに、SAW共振子10を構成するIDT12および反射器20は、水晶のX軸を、Y´軸を回転軸とし、+X軸から+Z´軸に向かって回転する方向を正として+ψ度(または−ψ度)回転させたX´軸に沿って配置される。SAW共振子10を構成する水晶基板30は、ウェーハ1から切り出されて個片化されたものである。水晶基板30の平面視形状は特に限定されないが、例えばY´軸を回転軸としてZ´軸を+ψ度回転させたZ´´軸に平行な短辺を有し、X´軸に平行な長辺を有する長方形であってもよい。尚、θ´とオイラー角におけるθとの関係は、θ´=θ―90°となる。
IDT12や反射器20を構成する電極膜の電極の厚みを極力少なくすることにより電極が有する温度特性の影響を最小限としている。更に、水晶基板部の溝の深さを大きく採り、水晶基板部の溝の性能によって、すなわち水晶の良好な温度特性を利用することで、良好な周波数温度特性を引き出している。それによって電極の温度特性がSAW共振子の温度特性に与える影響を小さくすることができ、電極の質量が10%以内の変動であれば良好な温度特性を維持することができる。
なお、上記の理由により電極膜材料として合金を用いる場合、主成分となるAl以外の金属は重量比で10%以下、望ましくは3%以下にすればよい。
Al以外の金属を主体とした電極を用いる場合には、電極の質量がAlを用いた場合の±10%以内となるようにその電極の膜厚を調整すれば良い。このようにすることでAlを用いたときと同等の良好な温度特性が得られる。
上記のような基本構成を有するSAW共振子10における水晶基板30は、IDT12の電極指間や反射器20の導体ストリップ間に溝(電極指間溝)32を設けている。
ところで、一般的に弾性表面波共振子の温度特性は、下式で示される。
Δf=α×(T−T0)+β×(T−T0)2
ここで、Δfは温度Tと頂点温度T0間の周波数変化量(ppm)、αは1次温度係数(ppm/℃)、βは2次温度係数(ppm/℃2)、Tは温度、T0は周波数が最大となる温度(頂点温度)を意味する。
例えば、圧電基板がいわゆるSTカット(オイラー角(φ、θ、ψ)=(0°、120°〜130°、0°))の水晶板で形成されている場合、1次定数α=0.0、2次定数β=−0.034となり、グラフに示すと図6のようになる。図6において、温度特性は上に凸の放物線(2次曲線)を描いている。
図6に示すようなSAW共振子は、温度の変化に対する周波数変動量が極めて大きく、温度変化に対する周波数変化量Δfを抑圧することが必要となる。従って、図6に示す2次温度係数βをより0に近づけて、SAW共振子が実際に使用される際の温度(動作温度)の変化に対する周波数変化量Δfが0に近づくように、弾性表面波共振子を新たな知見に基づいて実現する必要があるのである。
従って、本発明の目的の1つは、上記の如き課題を解消し、弾性表面波デバイスの周波数温度特性を極めて良好なものとし、温度が変化しても周波数が安定して動作する弾性表面波デバイスを実現することである。
これらSTカット水晶基板や面内回転STカット水晶基板を用いたSAW共振子はいずれもレイリー波と呼ばれる弾性表面波を利用しており、LSTカット水晶基板のリーキー波と呼ばれる弾性表面波に比べて水晶基板や電極の加工精度に対する周波数や周波数温度特性のばらつきが極めて小さいため、量産性に優れ、各種のSAW装置に利用されている。しかしながら、従来利用されていたSTカット水晶基板や面内回転STカット水晶基板などを用いたSAW共振子は、前述のとおり、周波数温度特性を示す曲線を二次曲線とした2次温度特性であり、更に、その2次温度特性の2次温度係数の絶対値が大きいので、動作温度範囲における周波数変動量が大きく、周波数の安定性を求める有線通信装置や無線通信装置に使用される共振子や発振器などのSAW装置には利用できなかった。例えば、STカット水晶基板の2次温度係数βの1/3以下、面内回転STカット水晶基板の2次温度係数βの37%以上の改善に相当する2次温度係数βが±0.01(ppm/℃2)以下の2次温度特性を持つ周波数温度特性が得られれば、そのような周波数の安定性を求める装置を実現できる。更に、2次温度係数βがほぼ零であり、周波数温度特性を示す曲線を三次曲線とした3次温度特性が得られれば、動作温度範囲において、より周波数の安定性が高まり、より望ましい。このような3次温度特性では−40℃〜+85℃もの広い動作温度範囲においても±25ppm以下の従来の如きSAWデバイスでは実現し得なかった極めて高い周波数安定度が得られる。
次に発明者は、溝深さGを種々変化させた水晶基板においてストップバンド上端モードのSAWを伝搬させた際におけるライン占有率ηと二次温度係数βとの関係について調べた。
但し、この式(8)は、電極膜厚Hが、0<H≦0.030λの範囲において成立するものである。
つまり、本実施形態に係る効果は、電極膜を除いた水晶基板30単体における弾性表面波の伝播においても奏することができるということが言える。
θと二次温度係数βとの関係を裏付けるシミュレーションデータとして、表17〜19を示す。
・本実施形態に係るSAW共振子10の基本データ
H:0.02λ
G:変化
IDTライン占有率ηi:0.6
反射器ライン占有率ηr:0.8
オイラー角(0°,123°,43.5°)
対数:120
交差幅:40λ(λ=10μm)
反射器本数(片側あたり):60
電極指の傾斜角度なし
・従来のSAW共振子の基本データ
H:変化
G:ゼロ
IDTライン占有率ηi:0.4
反射器ライン占有率ηr:0.3
オイラー角(0°,123°,43.5°)
対数:120
交差幅:40λ(λ=10μm)
反射器本数(片側あたり):60
電極指の傾斜角度なし
・図57に示す例に係るSAW共振子の基本データ
H(材質:アルミ):2000(Å)
G:4700(Å)
(H+G=0.067)
IDTライン占有率ηi:0.6
反射器ライン占有率ηr:0.8
オイラー角(0°,123°,43.5°)の面内回転STカット基板
対数:120
交差幅:40λ(λ=10(μm))
反射器本数(片側あたり):36
電極指の傾斜角度なし
保護膜(アルミナ)の膜厚400(Å)
二次温度係数β=+0.0007(ppm/℃2)
・図58に示す例に係るSAW共振子の基本データ
H(材質:アルミ):2000(Å)
G:4700(Å)
(H+G=0.067)
IDTライン占有率ηi:0.6
反射器ライン占有率ηr:0.8
オイラー角(0°,123°,43.5°)の面内回転STカット基板
対数:120
交差幅:40λ(λ=10(μm))
反射器本数(片側あたり):36
電極指の傾斜角度なし
保護膜(SiO2)の膜厚400(Å)
二次温度係数β=+0.0039(ppm/℃2)
第1の形態は、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)の水晶基板と、前記水晶基板上に設けられ、アルミニウムまたはアルミニウムを主体とした合金により構成された複数の電極指を備え、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するIDTと、平面視で、前記水晶基板の前記電極指の間に位置する部分に設けられた電極指間溝と、を有し、前記弾性表面波の波長をλ、前記電極指間溝の深さをG、前記IDTのライン占有率をηとして、以下の式を満たすことを特徴とする弾性表面波共振子。
第3の形態は、第1または第2の形態に記載の弾性表面波共振子であって、前記IDTの電極膜厚をHが、
第4の形態は、第3の形態に記載の弾性表面波共振子であって、前記ライン占有率ηが、
第5の形態は、第3または第4の形態に記載の弾性表面波共振子であって、前記電極指間溝の深さGと前記電極膜厚Hとの和が、
第6の形態は、第1乃至第5の形態のいずれか1形態に記載の弾性表面波共振子であって、前記ψと前記θが、
第7の形態は、第1乃至第6の形態のいずれか1形態に記載の弾性表面波共振子であって、前記IDTにおけるストップバンド上端モードの周波数をft2、前記IDTを弾性表面波の伝搬方向に挟み込むように配置される反射器におけるストップバンド下端モードの周波数をfr1、前記反射器のストップバンド上端モードの周波数をfr2として、
第8の形態は、第1乃至第7の形態のいずれか1形態に記載の弾性表面波共振子であって、前記反射器を構成する導体ストリップ間に導体ストリップ間溝を設け、前記電極指間溝よりも前記導体ストリップ間溝の深さの方が浅いことを特徴とする弾性表面波共振子。
第9の形態は、第1乃至第8の形態のいずれか1形態に記載の弾性表面波共振子と、前記IDTを駆動するためのICを備えたことを特徴とする弾性表面波発振器。
第10の形態は、第1乃至第8の形態のいずれか1形態に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
Claims (17)
- オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)の水晶基板上に設けられ、ストップバンド上端モードの弾性表面波を励振するIDTと、前記IDTを構成する電極指間に位置する基板を窪ませた電極指間溝を有する弾性表面波共振子であって、
前記弾性表面波の波長をλ、前記電極指間溝の深さをGとした場合に、
かつ、前記IDTのライン占有率をηとした場合に、前記電極指間溝の深さGと前記ライン占有率ηとが
- 請求項1に記載の弾性表面波共振子であって、
前記電極指間溝の深さGが、
- 請求項1または請求項2に記載の弾性表面波共振子であって、
前記IDTの電極膜厚をHとした場合に、
- 請求項3に記載の弾性表面波共振子であって、
前記ライン占有率ηが、
- 請求項3または請求項4に記載の弾性表面波共振子であって、
前記電極指間溝の深さGと前記電極膜厚Hとの和が、
- 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の弾性表面波共振子であって、前記ψと前記θが、
- 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の弾性表面波共振子であって、
前記IDTにおけるストップバンド上端モードの周波数をft2、前記IDTを弾性表面波の伝搬方向に挟み込むように配置される反射器におけるストップバンド下端モードの周波数をfr1、前記反射器のストップバンド上端モードの周波数をfr2としたとき、
- 請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の弾性表面波共振子であって、
前記反射器を構成する導体ストリップ間に導体ストリップ間溝を設け、
前記電極指間溝よりも前記導体ストリップ間溝の深さの方が浅いことを特徴とする弾性表面波共振子。 - 請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の弾性表面波共振子と、前記IDTを駆動するためのICを備えたことを特徴とする弾性表面波発振器。
- 請求項1または請求項2に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項3に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項4に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項5に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項6に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項7に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項8に記載の弾性表面波共振子を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項9に記載の弾性表面波発振器を備えたことを特徴とする電子機器。
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