JP4148220B2 - 弾性表面波デバイス、複合デバイス、発振回路およびモジュール - Google Patents

Description

本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスにおいて、広帯域で優れた周波数温度特性を得ることを目的とした弾性表面波デバイスに関する。

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、広帯域で周波数温度特性が優れていることが強く要求されている。

従来の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。図６はＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の構造を示しており、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、該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を配置している。ＩＤＴ１０２やグレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂの電極材料はＡｌ、又はＡｌを主成分とする合金で形成される。

前記ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは、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。
特許第３３５３７４２号 Michio Kadota,"Small-sized resonator IF filter using shear horizontal wave on heavy metal film/quartz substrate", IEEE International Frequency Control Symp. Proc.,pp.50〜54 (2002)

しかしながら、前述の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−３．４（１０^−８／℃^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。また、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは電気機械結合係数ｋ^２が小さく、フィルタを構成する際には広帯域な特性を実現するのが困難であった。

また、広帯域化を図るべくＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７のように電気機械結合係数ｋ^２の大きい圧電基板を用いると周波数温度特性が劣化し、動作温度範囲における挿入損失や通過帯域近傍の減衰量等の保障規格のマージンを大きく確保しなければならず、製造歩留まりが悪化してしまうという問題があった。

これに対し、特許文献１及び非特許文献１では、ＳＴカット水晶ＳＡＷの伝搬方向に対して９０°面内回転した方向に伝搬するＳＨ波を利用し、且つ電極材料を圧電基板よりも比重の大きな金属、例えばＷ、Ｔａ等を用いることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷよりも大きな電気機械結合係数が得られ、フィルタを構成した場合に広帯域な特性を実現できるとされている。

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に開示されているＳＡＷデバイスにおいては、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりも広帯域な特性を実現できるものの、周波数温度特性の２次温度係数についてはＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスとほぼ同等であり、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が大きくなってしまうという問題は解決されないままであった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、圧電基板に水晶基板を用いＳＨ波を利用したＳＡＷデバイスにおいて、広帯域で且つ優れた周波数温度特性を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係るＳＡＷデバイスは、圧電基板と、該圧電基板上に形成したＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波としたＳＡＷデバイスであって、前記圧電基板は、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−６５°≦θ≦−５１°の範囲に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、前記ＩＤＴがＴａ又はＴａを主成分とする合金にて形成されていることを特徴としている。
本発明によれば、圧電基板上にＩＤＴを形成し励振波をＳＨ波としたＳＡＷデバイスにおいて、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−６５°≦θ≦−５１°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板を圧電基板に用い、前記ＩＤＴをＴａ又はＴａを主成分とする合金で形成することにより、広帯域で且つ優れた周波数温度特性を実現できる。

また本発明は、励振するＳＡＷの波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≧０．０１とすることを特徴としている。
本発明によれば、励振するＳＡＷの波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≧０．０１とすることにより、ＳＴカット水晶基板上にＡｌ膜を形成した従来品よりも電気機械結合係数ｋ ^２ が大きくなるので、広帯域な特性を実現できる。

また本発明は、前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記電極膜厚Ｈ／λとライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒを０．００４≦Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０１９とすることを特徴としている。
本発明によれば、前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記電極膜厚H／λとライン占有率ｍｒの積Ｈ／λ・ｍｒを０．００４≦Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０１９とすることにより、従来品より２次温度係数を小さくでき、頂点温度を常温付近に容易に設定できる。

また本発明は、前記本発明によるＳＡＷデバイスのいずれかを用いた発振回路、モジュール等の複合デバイスであることを特徴とする。
本発明によれば、前記ＳＡＷデバイスをモジュール装置、又は発振回路に用いることにより、高性能なモジュール装置、又は発振回路を提供することができる。

以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図1（ａ）は本発明に係る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と、該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１（ｂ）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−５２°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（９０°±５°）のＺ'軸方向にした水晶平板であって、励振するＳＡＷはＳＨ波である。なお、前記カット角をオイラー角で表示すると（０°，３８°，９０°±５°）となる。また、ＩＤＴ２及びグレーティング反射器３ａ、３ｂの電極材料をＴａ、又はＴａを主成分とする合金としている。図１（ｃ）はＩＤＴ２の断面図を示しており、以下に示す実施例においてはＩＤＴ２上を励振するＳＡＷの波長をλとした時に電極膜厚Ｈを波長λで基準化した値Ｈ／λで表し、ライン占有率ｍｒを電極指幅Ｌ／（電極指幅Ｌ＋電極指間スペースＳ）で表す。

まず、本発明のＳＡＷデバイスにおける電極膜厚Ｈ／λと電気機械結合係数ｋ^２の関係について調べた。図２は、本発明品のカット角θを−５２°付近に設定しＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ９０°にした水晶基板上にＴａ膜を形成した場合と、従来のＳＴカット水晶基板上にＡｌ膜を形成した場合との電気機械結合係数ｋ^２の比較を示している。同図に示すように、ＳＴカット水晶基板上にＡｌ膜を形成した従来品は、電極膜厚Ｈ／λを増加させると電気機械結合係数ｋ^２は単調減少し、ｋ^２の最大値は高々０．００１４程度であるのに対し、本発明品では電極膜厚Ｈ／λを増加させると大幅にｋ^２が増加し、H／λ≧０．０１とした時に従来品よりもｋ^２が大きくなる。

図３は、カット角θと電気機械結合係数ｋ^２の関係を示しており、カット角θを−５１°〜−６５°とし、電極膜厚Ｈ／λを０．０１〜０．０５と変化させた時の電気機械結合係数ｋ^２の値を示している。同図に示すように、カット角θを−６５°≦θ≦−５１°とし、電極膜厚Ｈ／λを０．０１≦Ｈ／λ≦０．０５とすることにより、従来のＳＴカット水晶基板上にＡｌ膜を形成したものと比較して電気機械結合係数ｋ^２が大きくなることが分かる。

以上より、カット角θを−６５°≦θ≦−５１°の範囲に設定しＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ９０°にした水晶基板を用い、該水晶基板上にＴａ膜で電極を形成し、その電極膜厚Ｈ／λを０．０１≦Ｈ／λ、好ましくは０．０１≦Ｈ／λ≦０．０５とすることにより、ＳＴカット水晶基板上にＡｌ膜を形成した従来品よりも電気機械結合係数ｋ^２が大きくなり、フィルタを構成した際に広帯域な特性を得ることができる。

次に、本発明のＳＡＷデバイスの周波数温度特性について調べた。図４は、カット角θを−５１°〜−６５°とした時の電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒと頂点温度Ｔｐの関係を計算により求めたものである。同図より、カット角θを−６５°≦θ≦−５１°とし、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒを０．００４≦Ｈ／λ・ｍｒ≦０．０２１とした時に、頂点温度Ｔｐを常温（２５℃）付近に設定できることが分かる。ここで、電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≧０．０１とすれば、電気機械結合係数ｋ^２を従来品より大きくできるので、フィルタを構成した際に広帯域な特性を得ることができる。また、カット角θを−５１°より大きくすると頂点温度Ｔｐを常温付近に設定できず、カット角θを−６５°より小さくすると電極膜厚H／λに対する頂点温度Ｔｐの感度が著しく高くなり、頂点温度を制御するのが非常に困難となる。従って、カット角θをθ＞−５１°及びθ＜−６５°とするのは実用的ではない。

図５は、本発明に係るＳＡＷデバイスのカット角θを−５１°〜−６５°とした時の電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒと２次温度係数ｂの関係を計算により求めたものである。同図より、カット角θを−６５°≦θ≦−５１°とした時に、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒをＨ／λ・ｍｒ＜０．０１９とすることにより、２次温度係数を従来のＳＴカット水晶デバイスや特許文献１及び非特許文献１に開示されているＳＡＷデバイスの２次温度係数ｂ＝−３．４（１０^−８／℃^２）よりも小さくできることが分かる。

以上より、カット角θを−６５°≦θ≦−５１°に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ９０°にした回転Yカット水晶基板上にＴａ膜で電極を形成したＳＡＷデバイスにおいて、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒを０．００４≦Ｈ／λ・ｍｒ≦０．０２１とすることにより頂点温度を常温付近に容易に設定でき、Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０１９とすることにより従来品より２次温度係数を小さくできる。更に、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒを０．００４≦Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０１９に設定すれば、頂点温度を常温付近に容易に設定でき、且つ、従来品よりも２次温度係数を小さくできる。

これまで、図１に示すような１ポートのＳＡＷ共振子についてのみ言及してきたが、２ポートＳＡＷ共振子、ＳＡＷ共振子の音響結合を利用した２重モードＳＡＷ（ＤＭＳ）フィルタ、ＳＡＷ共振子を直列腕と並列腕に梯子状に配置したラダー型ＳＡＷフィルタ、入力用ＩＤＴと出力用ＩＤＴを所定の間隙をあけて配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタ等の種々の方式のＳＡＷデバイスにおいても、本発明を適用すれば同様の効果が得られるのは言うまでもない。

また、電極材料についてはこれまでＴａ又はＴａを主成分とする合金としてきたが、Ｔａに限らずＷ、Ａｇ、Ａｕ等のＡｌより十分に重い金属、又はそれらの合金で電極を形成した場合についても同様の効果が得られるのは明らかである。

更に、上述のＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴやグレーティング反射器上にＳｉＯ_２等の保護膜を施したり、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。

本発明のＳＡＷ共振子を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は圧電基板のカット角の説明図、（ｂ）はＩＤＴの断面図である。 本発明のＳＡＷ共振子と従来品の電極膜厚Ｈ／λと電気機械結合係数ｋ^２の関係を示す。 本発明のＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λを０．０１〜０．０５とした時のカット角θと電気機械結合係数ｋ^２の関係を示す。 本発明のＳＡＷ共振子のカット角θを−５１°〜−６５°とした時の電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒと頂点温度Ｔｐの関係を示す。 本発明のＳＡＷ共振子のカット角θを−５１°〜−６５°とした時の電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒと２次温度係数ｂの関係を示す。 従来のＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスを説明する図である。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 圧電基板と、該圧電基板上に形成したＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
   前記圧電基板は、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−６５°≦θ≦−５１°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、前記ＩＤＴがＴａ又はＴａを主成分とする合金にて形成されており、
   前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とし、励振する弾性表面波の波長をλとして前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚をＨ／λとした時に、電極膜厚Ｈ／λとライン占有率ｍｒの積Ｈ／λ・ｍｒを０．００４≦Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０１９とすることを特徴とした弾性表面波デバイス。
2. 前記電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≧０．０１とすることを特徴とした請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
3. 請求項１または２に記載の弾性表面波デバイスを用いた複合デバイス。
4. 請求項１または２に記載の弾性表面波デバイスを用いた発振回路。
5. 請求項１または２に記載の弾性表面波デバイスを用いたモジュール。

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