JP3395298B2 - 表面波装置 - Google Patents
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Description
波装置に関し、特に、圧電基板材料を改良することによ
り、大きな電気機械結合係数及び小さな温度特性(T
c)が実現される表面波装置に関する。
としては、表面波共振子、表面波フィルタあるいはエラ
スチックコンボルバなどの種々の装置が実用化されてい
る。表面波装置において良好な特性を得るためには、用
いる圧電基板の電気機械結合係数Ksが大きく、温度特
性Tcが小さいことが求められる。従って、これらの双
方を満たすために、従来より種々の圧電材料が検討され
ている。
して、YカットX方向伝搬LiNbO3 基板上に、該基
板よりも表面波伝搬速度の遅いAu薄膜やZnO薄膜を
形成してなる圧電基板が知られており、この圧電基板を
用いることによりラブ波を励振し得ることが知られてい
る。例えば、YカットX方向伝搬LiNbO3 基板上に
Au薄膜を形成した圧電基板では、電気機械結合係数K
sは60%程度とかなり大きく、YカットX方向伝搬L
iNbO3 基板上にAl薄膜及びZnO薄膜を積層した
構造では、電気機械結合係数Ksが50%程度であるこ
とが知られている。
前者では120ppm/℃とかなり大きく、後者の圧電
基板においても80ppm/℃と大きく、従って温度特
性Tcのより小さな圧電基板が求められている。
上にZnO薄膜を形成してなる圧電基板では、レイリー
波について大きな電気機械結合係数Ksの得られること
がわかっている。これを、図1を参照して説明する。図
1において、実線Aは、上記LiNbO3 基板の+面上
にZnO薄膜を形成した場合、破線Bは、LiNbO 3
基板の−面上にZnO薄膜を形成した場合のZnO膜厚
と、励振されるレイリー波の電気機械結合係数Ksとの
関係を示す。なお、ZnO膜厚は、ZnO膜厚をH、レ
イリー波の波長λとしたときに、H/λすなわち膜厚の
レイリー波の波長に対する比で表している。
板LiNbO3 基板の+面上にZnO薄膜を形成した場
合、ZnO薄膜の相対的な膜厚H/λを0.20程度に
選ぶことにより、電気機械結合係数Ksを0.38程
度、すなわち38%程度とし得ることがわかる。しかし
ながら、この圧電基板では、やはり温度特性Tcが80
ppm/℃とかなり大きい。
板上に該基板よりも表面波伝搬速度の遅いAuやZnO
薄膜を形成してなる圧電基板では、薄膜の厚みを変える
ことによりリーキー表面波がラブ波に変わることが知ら
れている。図2に、この圧電基板を用いて表面波を励振
した場合の電気機械結合係数Ksと、ZnOの相対的な
膜厚(H/λ)との関係を示す。この圧電基板では、L
iNbO3 基板上に形成されるZnO薄膜の厚みが大き
くなるに連れて、圧電基板の厚み方向に伝搬するリーキ
ー表面波がなくなり、ラブ波が励振される。すなわち、
図2において、実線Cは、リーキー表面波の特性を、実
線Dはラブ波の特性を示す。
用いれば、ZnOの相対的膜厚H/λを0.1前後とす
ることにより、ラブ波の励振に際しての電気機械結合係
数Ksを0.45、すなわち45%程度とし得ることが
わかる。しかしながら、この圧電基板においても、やは
り、温度特性Tcは80ppm/℃とかなり大きかっ
た。しかも、ZnO薄膜をLiNbO3 基板上に厚く成
膜しているため、電気機械結合係数は、実線Cで示され
ているリーキー表面波の場合に比べて小さくなってい
る。
波を利用した表面波装置であって、電気機械結合係数K
sを大きく、しかも温度特性Tcを小さくし得る圧電基
板を用いた表面波装置を提供することにある。
は、36°回転Y板LiTaO3基板と、LiTaO3基
板上に形成されており、かつLiTaO3基板に比べて
表面波の伝搬速度が遅い材料よりなる薄膜とを有する圧
電基板を用いて構成されたラブ波を利用する表面波装置
であって、前記薄膜がZnO薄膜であり、ZnO薄膜の
膜厚をH、励振されるラブ波の波長λとしたときに、H
/λが0.02〜0.13の範囲とされていることを特
徴とする。 また、本願請求項2に記載の発明は、36°
回転Y板LiTaO 3 基板と、前記LiTaO 3 基板上に
形成されており、かつ前記LiTaO 3 基板に比べて表
面波伝搬速度が遅い材料よりなる薄膜とを有する圧電基
板を用いて構成されたラブ波を利用する表面波装置であ
って、前記薄膜が、CdS薄膜であり、前記CdS薄膜
の膜厚をH、励振されるラブ波の波長λとしたときに、
H/λが0.01〜0.10の範囲とされていることを
特徴とする。
LiTaO3基板上に該基板よりも表面波伝搬速度の遅
い薄膜を形成してなる圧電基板を用いて構成されている
が、上記LiTaO3基板よりも音速の遅い薄膜材料と
しては、ZnO、CdS、Ta2O5などが挙げられ、Z
nO薄膜を形成する場合には、請求項1に記載のように
ZnO薄膜の相対的な膜厚H/λは0.02〜0.13
の範囲とされ、CdS薄膜を形成する場合には、請求項
2に記載のように、CdS薄膜の相対的な膜厚H/λは
0.01〜0.10の範囲とされる。
用いる圧電基板材料として種々の材料を検討した。その
結果、温度特性が比較的小さい36°回転Y板LiTa
O3 基板を用い、該基板上にLiTaO3 基板よりも表
面波の音速の遅い薄膜を形成し、さらに該薄膜の膜厚を
上記特定の範囲に選ぶことによりラブ波が励振され、し
かもラブ波の電気機械結合係数が大きく、かつ温度特性
も大きな圧電基板を構成し得ることを見い出し、本発明
を成すに至った。
にかつ実験的に見い出されたものであるが、従来、36
°回転Y板LiTaO3 基板上にZnO、CdSまたは
Ta 2 O5 薄膜などを形成した構造において、ラブ波に
ついての電気機械結合係数を高め、かつ温度特性Tcを
小さくし得ることは知られていなかった。
することにより、本発明を明らかにする。
単にLiTaO3 基板とする。)は、回転Y板のリーキ
ー表面波を計算する過程において、減衰のないカット角
を有する基板として発見されたものであり、SH波用表
面波基板として報告されている(中村、員見、清水「L
iTaO3 におけるSHタイプおよびReyleigh
タイプの弾性表面波」信学会、信学技報超音波研資US
77−42(1977))。また、このLiTaO3 基
板は、温度特性Tcが25〜32ppm/℃程度である
ことが知られている。
3 基板上にZnO薄膜を種々の膜厚で形成してなる圧電
基板を作製し、ラブ波の励振を試みた。なお、LiTa
O3基板の+面上にZnO薄膜を形成した場合、及び−
面上にZnO薄膜を形成した場合の双方についてラブ波
の励振について解析した。
おいて、以下の圧電基本式、運動方程式及びマクスウェ
ルの方程式が成立する。
ZnO薄膜表面及びZnO薄膜とLiTaO3 基板との
境界において、それぞれの境界条件を満たすような音速
を求めればよい。圧電基板上にインターデジタル電極を
形成した場合に、インターデジタル電極が存在する境界
において、電気的に短絡した場合の音速Vm と、開放し
た場合の音速Vf から電気機械結合係数が求められる。
の膜厚でZnO薄膜を形成してなる圧電基板を用いた場
合の上記表面波の音速Vf ,Vm を測定した結果を示
す。なお、図3において、〇及び●は、LiTaO3 基
板の+面上にZnO薄膜を形成した場合のラブ波の音速
を示し、〇は境界がフリーの場合の音速Vf を、●は境
界がメタライズされた場合の音速Vm である。他方、△
及び▲は、LiTaO3基板の−面上にZnO薄膜を形
成した場合のラブ波の音速を示し、△は境界がフリーの
場合の音速Vf を、▲は境界がメタライズされている場
合の音速Vm である。
いずれの側にZnO薄膜を形成した場合でも音速に差が
ないことがわかる。また、図3において、×及び+は、
それぞれ、LiTaO3 基板の+面及び−面上にZnO
薄膜を形成した場合のレイリー波の音速を示す。境界が
フリーの場合の音速Vf と、メタライズされている場合
のVm との差がほとんどなく、電気機械結合係数がゼロ
であり、レイリー波が励振されないことがわかる。しか
も、レイリー波成分は、ラブ波の音速Vf とVm との間
には存在しないため、本圧電基板を用いれば、レイリー
波成分の影響を受け難いことがわかる。
薄膜を種々の膜厚で形成した場合の電気機械結合係数を
示す図である。図4において、〇は、LiTaO3 基板
の+面上にZnO薄膜を形成した場合、△は−面上にZ
nO薄膜を形成した場合の結果を示す。図4から明らか
なように、LiTaO3 基板の+面上にZnO薄膜を形
成した場合には、−面側にZnO薄膜を形成した構造に
比べて電気機械結合係数Ksが若干大きいことがわか
る。
した場合であっても、ZnOの相対的な膜厚H/λを
0.02〜0.13の範囲とすることにより、ZnO薄
膜を形成しない場合に比べて、電気機械結合係数を22
%以上とし得ることがわかる。従って、ZnO薄膜及び
LiTaO3 基板の双方が比較的良好な温度特性Tcを
示すため(ZnO薄膜のTc=30ppm/℃,LiT
aO3 基板のTc=25〜32ppm/℃)、この圧電
基板は25〜32ppm/℃程度の良好な温度特性Tc
を有し、しかもZnO膜厚を上記特定の範囲に選ぶこと
により電気機械結合係数を比較的高くし得ることがわか
る。
aO3 基板の+面上にCdS薄膜を種々の膜厚で作製し
てなる圧電基板を用いた場合のラブ波の電気機械結合係
数を示す。図5から明らかなように、CdS薄膜の膜厚
(H/λ)を、0.01〜0.10の範囲とすることに
より、CdS薄膜を形成しない場合に比べて電気機械結
合係数を24%以上とすることができ、従ってラブ波の
電気機械結合係数の高い圧電基板が得られることがわか
る。また、本圧電基板においても、CdS薄膜及びLi
TaO3 基板が良好な温度特性を有するため(CdSの
Tc≒41ppm/℃)、やはり、25〜32ppm/
℃程度の良好な温度特性Tcを示す。
に該LiTaO3 基板に比べてラブ波の音速の遅い薄膜
を形成してなるものであり、上記薄膜を構成する材料と
しては、ZnOやCdSのほか、Ta2 O5 などの他の
材料を用いてもよい。
面波装置に関し、表面波装置の具体的な構造、すなわち
インターデジタル電極等の形成などについては、従来よ
り公知の方法に従って行い得る。一例を挙げると、例え
ば、図6に示す端面反射型表面波共振子1において、上
記実施例の圧電基板を用いることにより、温度特性が良
好であり、かつ共振特性に優れた共振子を提供すること
が可能となる。なお、図6において、表面波共振子1
は、本発明が適用された圧電基板2の表面に互いに間挿
し合う複数の電極指を有する一対のくし歯電極3a,3
bを形成したものである。
°回転Y板LiTaO3 基板上に、該LiTaO3 基板
よりも表面波の音速の遅い材料からなる薄膜が形成され
た圧電基板を用いて構成されており、しかも、上記薄膜
の膜厚をH、ラブ波の波長λとしたときに、H/λが上
記特定の範囲となるように薄膜の厚みが制御されている
ため、電気機械結合係数が十分な大きさとされる。よっ
て、温度特性に優れ、かつ電気機械結合係数の大きな圧
電基板を用いて表面波装置が構成されているため、温度
特性に優れ、かつ共振特性等の電気的特性に優れた表面
波装置を提供することが可能となる。
膜がZnOからなり、H/λが0.02〜0.13の範
囲とされているため、同様に、請求項2に記載の発明で
は薄膜がCdSからなり、H/λが0.01〜0.10
の範囲とされているため、請求項1に記載の発明の場合
と同様に、温度特性に優れかつ電気的特性に優れた表面
波装置を提供することができる。
薄膜を形成してなる圧電基板におけるZnOの相対的な
膜厚H/λと、レーリー波についての電気機械結合係数
Ksとの関係を示す図。
O薄膜を形成してなる圧電基板において励振されるリー
キー表面波及びラブ波についてのZnO薄膜の相対的な
膜厚H/λと電気機械結合係数Ksとの関係を示す図。
にZnO薄膜を形成してなる圧電基板を用いた場合のZ
nO薄膜の相対的膜厚H/λと表面波の音速との関係を
示す図。
膜を形成した場合のZnO薄膜の膜厚H/λと電気機械
結合係数との関係を示す図。
膜を形成した場合のCdS薄膜の膜厚H/λと電気機械
結合係数との関係を示す図。
視図。
Claims (2)
- 【請求項1】 36°回転Y板LiTaO3基板と、前
記LiTaO3基板上に形成されており、かつ前記Li
TaO3基板に比べて表面波伝搬速度が遅い材料よりな
る薄膜とを有する圧電基板を用いて構成されたラブ波を
利用する表面波装置であって、前記薄膜がZnO薄膜であり、 前記ZnO薄膜の膜厚をH、励振されるラブ波の波長λ
としたときに、H/λが0.02〜0.13の範囲とさ
れていることを特徴とする、表面波装置。 - 【請求項2】 36°回転Y板LiTaO 3 基板と、前
記LiTaO 3 基板上に形成されており、かつ前記Li
TaO 3 基板に比べて表面波伝搬速度が遅い材料よりな
る薄膜とを有する圧電基板を用いて構成されたラブ波を
利用する表面波装置であって、 前記薄膜がCdS薄膜であり、 前記CdS薄膜の膜厚をH、励振されるラブ波の波長λ
としたときに、H/λが0.01〜0.10の範囲とさ
れていることを特徴とする、表面波装置。
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---|---|---|---|
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---|---|---|---|---|
KR100814005B1 (ko) * | 2002-04-15 | 2008-03-14 | 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 | 탄성 표면파 장치 및 이를 이용한 이동통신기기 및 센서 |
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1993
- 1993-11-29 JP JP29800093A patent/JP3395298B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Carlotti,G.;Fioretto,D.;Socino,G.;Palmieri,L.;Petri,A.;Verona,E.,Surface acoustic waves in c−axis inclined ZnO films,IEEE Proceedings of Ultrasonics Symposium,米国,1990年,P.449−453 |
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---|---|
JPH07154192A (ja) | 1995-06-16 |
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