JP4158289B2

JP4158289B2 - Method for manufacturing surface acoustic wave device

Info

Publication number: JP4158289B2
Application number: JP24674099A
Authority: JP
Inventors: 明裕豊後
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP2001077654A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信機器等に用いられる表面弾性波素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、携帯電話・携帯端末などの移動体通信分野では、表面弾性波（ＳＡＷ）共振子、表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが用いられている。表面弾性波を利用した表面弾性波共振子の基本構成は、図１０に示すように、電気音響変換を行うインターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）１と、その両側に配置された格子構造のグレーディング反射器２ａ，２ｂとからなる。動作原理は、ＩＤＴ１から励振された表面弾性波が両側に伝搬し、両側の対向する反射器２ａ，２ｂによって反射されて共振する。この反射エネルギがＩＤＴ１で電気エネルギに再変換され、共振器として動作する。
【０００３】
この表面弾性波共振子の電極構造パラメータには、ＩＤＴ１のすだれ状電極の対数、左右の反射器２ａ，２ｂの電極指本数、ＩＤＴ１と左右の反射器２ａ，２ｂとの距離、電極指の重なり幅などがある。表面弾性波素子として用いられる代表的な圧電結晶と、その切断方位・伝搬方向は、ＳＴ水晶、Ｘ-112°ＹＬｉＮｂＯ₃等である。これらの基板を用いたときに、共振子として最適な特性を示すＩＤＴ１と反射器２ａ，２ｂ間の距離ｄ１，ｄ２は、左右ともに同じで（等距離）、その値は、反射器２ａ，２ｂが短絡電極のときには、３λ／８＋ｎλ／２、開放電極のときには、λ／８＋ｎλ／２（ｎは「０」および正の整数）である。
【０００４】
表面弾性波共振子の評価基準としては、いくつか挙げられるが、最も重要な特性がＱ値である。一般的に共振器の共振尖鋭度は、次式で定義される。
Ｑ＝ω₀・（共振回路に蓄えられる蓄積エネルギ／１秒間に共振回路により失われるエネルギ）
ここで、ω₀は共振角周波数である。表面弾性波共振子において、Ｑは、対向する反射器２ａ，２ｂ間を伝搬中に生じる損失によって決定される。Ｑの大きな共振子は、共振周波数が安定しており、損失も少ないという利点がある。その他に、表面弾性波共振子を評価する指標として容量比ｒがある。表面弾性波共振子は、図１１に示すような電気的等価回路で表現される。容量比ｒは、この等価回路の構成要素を用いて、ｒ＝Ｃ_T／Ｃ₁で表される。この容量比ｒは、小さな値となることがデバイスとしては望ましく、実効的な電気機械結合係数ｋ²の逆数に比例する。
【０００５】
表面弾性波素子の特性は、用いられる圧電結晶の特性に依存する。圧電結晶の特性として電気機械結合係数が大きいということと、周波数温度特性が良好であることが重要となる。現在、この２つの特性を同時に満足する結晶として、ランガサイトが注目されている。オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイトは、電気機械結合係数が０．３％〜０．４％であり、周波数温度特性は、２次の依存性を示し、室温付近に頂点温度が存在する。電気機械結合係数は、ＳＴ水晶の約３倍であり、周波数温度特性における２次温度係数は、水晶の２倍程度と非常に良好な特性をもち、表面弾性波共振子もしくは表面弾性波フィルタへの応用が期待される結晶である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、表面弾性波共振子は、高周波の発信回路や表面弾性波共振子を多段縦続接続したラダー型フィルタなどに応用されている。また、現在、表面弾性波共振子、表面弾性波フィルタは共に、携帯電話・携帯端末などの移動体通信分野で主に用いられている。このようなことから、携帯電話・携帯端末に用いられるデバイスは、小型化、高周波化、低損失化となる傾向がある。ゆえに、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイトは、電気機械結合係数が大きく、同時に優れた周波数温度特性を示すために、前述した、デバイスの小型化、高周波化、低損失化を実現するには、最適な結晶であると考えられる。
【０００７】
しかしながら、従来からの設計手法と同じように、ランガサイト基板を用いて、ＩＤＴ１とその左右に等間隔で離して配置した反射器２ａ，２ｂとからなる表面弾性波共振子を作成し、その特性を評価したときに、Ｑ値および容量比ｒに関して、その基板材料特性から予測されるような良好な特性が得られないという問題があった。その原因は、ランガサイト基板結晶特有の反射特性にある。
【０００８】
オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイトは、電極指によって弾性表面波が反射されるときに、ある大きさで弾性表面波の位相が回転してしまう特性がある。これは、前述した圧電結晶よりも結晶の対称性が低いことに起因する特性である。このときの位相の回転量は、切断方位・伝搬方向と金属電極厚みに依存する。このため、共振子の反射器２ａ，２ｂ間で定在波を励振させるには、表面弾性波の反射時の位相ずれを考慮に入れて、ＩＤＴ１と反射器２ａ，２ｂ間の距離ｄ１，ｄ２を最適化させて位相整合する必要がある。このように、ランガサイト基板を表面弾性波素子に用いる場合、従来の設計思想をそのまま適用しても、ランガサイト基板により得られるはずの良好な特性を得ることができないという問題があった。
【０００９】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、基板材料が本来有する優れた特性を生かすことができ、素子の小型化、高周波化、低損失化を実現することができる表面弾性波素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、請求項１記載の発明では、基板方位および表面弾性波伝搬方向が所定の範囲内にある単結晶基板と、前記単結晶基板上に形成され、表面弾性波および電気信号間の変換を行う１つのトランスデューサと、表面弾性波の伝搬方向に沿って、前記トランスデューサの両側に対向配置された２つの反射器とを具備した表面弾性波素子の製造方法であって、基本表面弾性波の波長をλとし、前記単結晶基板は、基板方位および表面弾性波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあること、またはこれと等価な方位であるランガサイトとし、このランガサイトの反射特性から規格化された電極膜厚に対する反射位相角２αを求め、前記ランガサイトにおけるモード間結合係数κ _１２＝｜κ _１２｜λｅｘｐ〔ｊ２α〕から反射時の位相ずれに相当する反射位置のずれδ＝｛α／（２π）｝λを算出するとともに、前記トランスデューサと前記２つの反射器との距離関係が、前記トランスデューサに対してＸ方向のプラス側に位置する反射器との距離をｄ１、前記トランスデューサに対してＸ方向のマイナス側に位置する反射器との距離をｄ２としたとき、ｄ１−ｄ２＝２δとなるように、前記トランスデューサと前記２つの反射器とを配置することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の表面弾性波素子の製造方法において、前記単結晶基板の規格化電極膜厚を０．００５〜０．０４の範囲の範囲とし、前記反射位置のずれδを０．１λ≦δ≦０．１７λの範囲に設定したことを特徴とする。
【００１４】
この発明では、基板方位および表面弾性波伝搬方向が所定の範囲内にある単結晶基板上に、表面弾性波および電気信号間の変換を行う１つのトランスデューサを形成し、表面弾性波の伝搬方向に沿って、２つの反射器を、前記トランスデューサの両側に、異なる距離で対向配置して非対称とする。トランスデューサと共振器との距離を適切な値にすることで、共振特性が最適となり、基板材料が本来有する優れた特性を生かすことが可能となり、素子の小型化、高周波化、低損失化を実現することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
Ａ．発明の原理
表面弾性波共振子の周波数特性の解析には、モード結合理論を適用することが可能である。モード結合理論においては、自己結合係数κ₁₁、モード間結合係数κ₁₂、励振係数ζ、静電容量Ｃの４つのパラメータが分かれば、表面弾性波デバイスの特性が解析可能となる。これらモード結合パラメータは、基板結晶の切断方位・伝搬方向、電極構造、電極厚みに依存する。
【００１６】
圧電結晶上に形成された電極指によって反射される表面弾性波の反射係数は、モード間結合係数κ₁₂を用いて、
ｒ＋＝−ｊκ₁₂*λ＝κ₁₂*λexp〔−π/2〕
ｒ−＝−ｊκ₁₂λ＝κ₁₂λexp〔−π/2〕 …………（１）
で表される。ｒ＋とｒ−とは、それぞれ＋Ｘ方向と−Ｘ方向とを見たときの反射係数である。
【００１７】
λ／４幅のグレーディングによって反射器を構成したときに、結晶の対称性が高いＳＴ水晶、Ｘ-112°ＹＬｉＮｂＯ₃等においては、モード間結合係数 κ₁₂は、実数となるため、
ｒ＋＝ｒ−＝κ₁₂λexp〔−π/2〕
となる。
【００１８】
しかしながら、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイトにおいては、κ₁₂が複素数となり、
κ₁₂＝｜κ₁₂｜λexp〔ｊ２α〕 ………………（２）
と表され、この２αが反射時の位相ずれに相当する。そこで、数式（２）を数式（１）に代入すると、
ｒ＋＝｜κ₁₂｜λexp〔−ｊ２α−π/2〕
ｒ−＝｜κ₁₂｜λexp〔＋ｊ２α−π/2〕 …………（３）
となり、結晶の＋Ｘ方向に存在する電極指によって表面弾性波が反射されるときには（ｒ＋に対応）、反射により位相が２αだけ遅れ、結晶の−Ｘ方向に存在する電極指によって表面弾性波が反射されるときには（ｒ−に対応）、反射により位相が２αだけ進む。つまり、いずれの場合においても、反射位置が電極指の中心から＋Ｘ方向にδ＝{α／（２π）}λだけずれたとみなすことができる。このため、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイト基板を用いて表面弾性波共振子を構成する場合には、ＩＤＴと両側の反射器との距離を次のプロセスで決定する。
【００１９】
Ｂ．実施形態の構成
まず、ＩＤＴとその両側に等距離ｄだけ離れて反射器を配置する。次に、図１に示すように、＋Ｘ側（右側）に存在する反射器の位置を、反射時の位相ずれが相殺するように、δ＝{α／（２π）}λだけ−Ｘ方向にずらす（ＩＤＴに近づける）。逆に、−Ｘ側（左側）に存在する反射器の位置は、図２に示すように、反射時の位相ずれが相殺するように、δ＝{α／（２π）}λだけ＋Ｘ方向にずらせばよい（ＩＤＴから遠ざける）。ここで、図３は、本発明の実施形態による表面弾性波共振子の構成を示す概念図である。すなわち、上述したように、ランガサイト基板５上に形成されたＩＤＴ１０の右側に存在する反射器２０ｂの位置を、反射時の位相ずれが相殺するように、δ＝{α／（２π）}λだけＩＤＴ１０に近づけ、左側に存在する反射器２０ａの位置を、δ＝{α／（２π）}λだけＩＤＴ１０から遠ざけるように配置すればよい。このとき、ＩＤＴ１０とその両側に配置した反射器２０ａ，２０ｂとの距離の差は、ｄ１−ｄ２＝２δとなる。
【００２０】
Ｃ．表面弾性波素子の特性
次に、オイラー角表示で（０゜，１４０゜，２５゜）となるランガサイト基板の反射特性の規格化電極膜厚依存性を、図４および図５に示す。図４は、規格化された電極膜厚に対する反射位相角を示す概念図である。この図から、表面弾性波共振子として有効な電極膜厚（Ｈ：アルミニウム電極の膜厚）である、０．００５から０．０４までの間のαの値は、４０°から６０°の間で変化する。したがって、δ＝（α／３６０°）λを用いると、α≒４０°のときδ≒０．１λ、α≒６０°のときδ≒０．１７λとなる。また、図５は、規格化された電極膜厚に対する反射率の絶対値を示す概念図である。この図から、膜厚が大きいほど、反射率が大きくなることが分かる。Ｑ値は、反射器２０ａ，２０ｂの反射率に依存し、反射率が大きくなると、Ｑ値が向上することが分かる。
【００２１】
Ｄ．実験例
上述したランガサイト基板（０°，１４０°，２５°）５を用いて、表面弾性波共振子を作成し、ＩＤＴ１０と反射器２０ａ，２０ｂ間の距離と共振特性とを実測した。表面弾性波共振子の電極構造パラメータは、ＩＤＴ１０における対数を５０．５対（Ｌ＝５０．５λ）、ＩＤＴ１０の電極指周期λ＝１４．４μｍ、ＩＤＴ１０の電極指幅ｗｉ＝３．６μｍ、ＩＤＴ１０の両側に配置した反射器２０ａ，２０ｂの電極指本数３００本（Ｌｒ１＝Ｌｒ２＝１５０λ）、反射器２０ａ，２０ｂの電極指周期ｐ＝λ／２＝７．２μｍ、反射器２０ａ，２０ｂの電極指幅ｗｒ＝３．６μｍ、ＩＤＴ１０の電極指交差幅Ｗ＝５０λ、Ａｌ電極の膜厚Ｈ＝１５００Åである。ＩＤＴ１０とその右側に配置した反射器２０ｂとの距離ｄ２＝ｄ−δ、ＩＤＴ１０とその左側に配置した反射器２０ａとの距離ｄ１＝ｄ＋δとする。δは、反射率の位相角に対応した反射位置のずれに相当する。実験では、上記ｄ＝７／８λとし、δの値が０，０．１λ，０．１４λ，０．２λとなる４つの共振子を作成し、共振特性を調べた。共振特性としては、共振Ｑ、容量比ｒを評価した。
【００２２】
ここで、図６は、インピーダンス特性によるＱ値および容量比ｒを定義する特性図である。共振Ｑ、容量比ｒの値は、共振子のインピーダンス特性から図６で定義される周波数点を用いて、
Ｑ＝ｆ_s／（ｆ1−ｆ2）
および
ｒ＝ｆ_p／（２（ｆ_p／ｆ_s−１））
で与えられる。
【００２３】
ここで、実験的にパラメータを変えて作成した４つの表面弾性波共振子のＱ値と容量比ｒを図７に示す。図７において、４つの表面弾性波共振子のなかで、Ｑ値が最大、容量比ｒが最小となるのは、δ＝０．１４λの表面弾性波共振子である。これら４つの表面弾性波共振子の規格化電極膜厚Ｈ／λの値は、約０．０１であり、このときの反射位相角αの値は、０．８６radian（４９．２７°）である。したがって、δ＝（α／２π）λを用いてδを計算すると、δ＝０．１３７λとなり、δ＝０．１４λ付近で共振特性が最適となる実験結果を裏付けるものである。
【００２４】
ここで、図８は、本実施形態による設計方式による表面弾性波共振子（ランガサイト使用）のコンダクタンスおよびサセプタンスを示す特性図であり、図９は、従来の設計方式による表面弾性波共振子（ランガサイト使用）のコンダクタンスおよびサセプタンスを示す特性図である。図において、各々、δ＝０．１４λとδ＝０のときの、１ポート共振子のアドミタンス特性が示されている。図８に示すように、反射器２０ａ，２０ｂの位置を０．１４λだけシフトすることにより、図９に示す従来技術による設計方式に比べて、共振特性が改善されることが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板方位および表面弾性波伝搬方向が所定の範囲内にある単結晶基板上に、表面弾性波および電気信号間の変換を行う１つのトランスデューサを形成し、表面弾性波の伝搬方向に沿って、２つの反射器を、前記トランスデューサの両側に、異なる距離で対向配置して非対称とするようにしたので、トランスデューサと両側の共振器とのそれぞれの距離を適切な値にすることで、共振特性が最適となり、基板材料が本来有する優れた特性を生かすことができ、素子の小型化、高周波化、低損失化を実現することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の設計原理として、ＩＤＴとその右側に位置する反射器間との最適距離の関係を説明するための概念図である。
【図２】本発明の設計原理として、ＩＤＴとその左側に位置する反射器間との最適距離の関係を説明するための概念図である。
【図３】本発明の設計原理を適用して形成したランガサイト基板を用いた表面弾性波共振子の構成を示す概念図である。
【図４】規格化された電極膜厚に対する反射位相角を示す概念図である。
【図５】規格化された電極膜厚に対する反射率の絶対値を示す概念図である。
【図６】インピーダンス特性によるＱ値および容量比ｒを定義する特性図である。
【図７】実験的に作成した４つの表面弾性波共振子のＱ値と容量比ｒを示す表図である。
【図８】本実施形態による表面弾性波共振子（ランガサイト）のコンダクタンスおよびサセプタンスを示す特性図である。
【図９】従来の設計方式による表面弾性波共振子（ランガサイト）のコンダクタンスおよびサセプタンスを示す特性図である。
【図１０】従来からの設計方式による表面弾性波共振子の基本構成を示す概念図である。
【図１１】電従来からの設計方式による表面弾性波共振子の気的等価回路を示す回路図である。
【符号の説明】
５ランガサイト基板（単結晶基板）
１０ＩＤＴ（トランスデューサ）
２０ａ，２０ｂ反射器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface acoustic wave device used for mobile communication devices and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, surface acoustic wave (SAW) resonators and surface acoustic wave (SAW) filters have been used in the field of mobile communications such as cellular phones and portable terminals. As shown in FIG. 10, the basic structure of a surface acoustic wave resonator using surface acoustic waves includes an interdigital transducer (IDT) 1 that performs electroacoustic conversion, and a grading reflector 2a having a lattice structure disposed on both sides thereof. , 2b. The principle of operation is that the surface acoustic wave excited from the IDT 1 propagates to both sides, and is reflected by the opposing reflectors 2a and 2b on both sides to resonate. This reflected energy is converted back to electrical energy by the IDT 1 and operates as a resonator.
[0003]
The electrode structure parameters of the surface acoustic wave resonator include the number of interdigital electrodes of IDT1, the number of electrode fingers of left and right reflectors 2a and 2b, the distance between IDT1 and left and right reflectors 2a and 2b, and the overlap of electrode fingers. There are widths. A typical piezoelectric crystal used as a surface acoustic wave element, and its cutting direction and propagation direction are ST crystal, X-112 ° Y LiNbO _{3, and the} like. When these substrates are used, the distances d1 and d2 between the IDT1 and the reflectors 2a and 2b, which exhibit optimum characteristics as resonators, are the same on both the left and right sides (equal distance), and the values thereof are the reflectors 2a and 2b. When λ is a short-circuit electrode, it is 3λ / 8 + nλ / 2, and when it is an open electrode, λ / 8 + nλ / 2 (n is “0” and a positive integer).
[0004]
There are several evaluation criteria for surface acoustic wave resonators, but the most important characteristic is the Q value. Generally, the resonance sharpness of a resonator is defined by the following equation.
Q = ω ₀ · (accumulated energy stored in the resonant circuit / energy lost by the resonant circuit per second)
Here, ω ₀ is the resonance angular frequency. In the surface acoustic wave resonator, Q is determined by a loss generated during propagation between the opposing reflectors 2a and 2b. A resonator having a large Q is advantageous in that the resonance frequency is stable and the loss is small. In addition, there is a capacity ratio r as an index for evaluating the surface acoustic wave resonator. The surface acoustic wave resonator is expressed by an electrical equivalent circuit as shown in FIG. The capacitance ratio r is expressed by r = C _T / C ₁ using the components of this equivalent circuit. The capacitance ratio r is that a small value is desirable as the device is proportional to the reciprocal of the effective electromechanical coupling coefficient k ^2.
[0005]
The characteristics of the surface acoustic wave device depend on the characteristics of the piezoelectric crystal used. It is important that the piezoelectric crystal has a large electromechanical coupling coefficient and good frequency temperature characteristics. Currently, Langasite is attracting attention as a crystal that satisfies these two characteristics simultaneously. Langasite in the range of −5 ° ≦ φ ≦ 5 °, 135 ° ≦ θ ≦ 145 °, 20 ° ≦ ψ ≦ 30 ° when (φ, θ, ψ) in the Euler angle display is The mechanical coupling coefficient is 0.3% to 0.4%, the frequency temperature characteristic shows a second-order dependence, and the apex temperature exists near room temperature. The electromechanical coupling coefficient is about three times that of ST quartz, and the second-order temperature coefficient in the frequency temperature characteristic is about twice that of quartz and has a very good characteristic, so that the surface acoustic wave resonator or surface acoustic wave filter can be obtained. It is a crystal that is expected to be applied.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the surface acoustic wave resonator is applied to a high frequency transmission circuit, a ladder type filter in which surface acoustic wave resonators are cascade-connected, and the like. At present, both surface acoustic wave resonators and surface acoustic wave filters are mainly used in the field of mobile communications such as mobile phones and mobile terminals. For these reasons, devices used in mobile phones and mobile terminals tend to be smaller, higher in frequency, and lower in loss. Therefore, Langasite in the range of −5 ° ≦ φ ≦ 5 °, 135 ° ≦ θ ≦ 145 °, and 20 ° ≦ ψ ≦ 30 ° when (φ, θ, ψ) is expressed in Euler angle display. Since it has a large electromechanical coupling coefficient and at the same time exhibits excellent frequency temperature characteristics, it is considered to be an optimum crystal for realizing the above-described miniaturization, high frequency, and low loss of the device.
[0007]
However, as in the conventional design method, a surface acoustic wave resonator including IDT 1 and reflectors 2a and 2b arranged at equal intervals on the right and left sides is created using a langasite substrate, and its characteristics are obtained. As a result, there was a problem that good characteristics predicted from the substrate material characteristics could not be obtained with respect to the Q value and the capacity ratio r. The cause is the reflection characteristic peculiar to the Langasite substrate crystal.
[0008]
Langasite in the range of −5 ° ≦ φ ≦ 5 °, 135 ° ≦ θ ≦ 145 °, and 20 ° ≦ ψ ≦ 30 ° when (φ, θ, ψ) in the Euler angle display is an electrode When a surface acoustic wave is reflected by a finger, there is a characteristic that the phase of the surface acoustic wave rotates with a certain magnitude. This is a characteristic resulting from the lower symmetry of the crystal than the piezoelectric crystal described above. The amount of phase rotation at this time depends on the cutting direction / propagation direction and the metal electrode thickness. Therefore, in order to excite the standing wave between the reflectors 2a and 2b of the resonator, the distances d1 and d2 between the IDT1 and the reflectors 2a and 2b are taken into account in consideration of the phase shift at the time of reflection of the surface acoustic wave. Needs to be optimized and phase matched. As described above, when the Langasite substrate is used for the surface acoustic wave device, there is a problem that even if the conventional design concept is applied as it is, it is not possible to obtain good characteristics that should be obtained by the Langasite substrate.
[0009]
The present invention has been made in view of the circumstances described above, and provides a surface acoustic wave device that can make use of the excellent characteristics inherent in the substrate material and can realize downsizing, high frequency, and low loss of the device. The purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, according to the first aspect of the present invention, there is provided a single crystal substrate having a substrate orientation and a surface acoustic wave propagation direction within a predetermined range, and formed on the single crystal substrate. And a method of manufacturing a surface acoustic wave device, comprising: one transducer for converting between electrical signals; and two reflectors disposed opposite to both sides of the transducer along the propagation direction of the surface acoustic wave. The wavelength of the fundamental surface acoustic wave is λ, and the single crystal substrate has −5 ° ≦ φ ≦ 5 when the substrate orientation and the surface acoustic wave propagation direction are (φ, θ, ψ) in terms of Euler angles. °, 135 ° ≤ θ ≤ 145 °, 20 ° ≤ ψ ≤ 30 °, or an equivalent orientation of langasite, and the electrode film thickness normalized from the reflection characteristics of this langasite The reflection phase angle 2α with respect to , The reflection position shift δ = {α / (2π)} λ corresponding to the phase shift at the time of reflection is calculated from the inter - mode coupling coefficient κ ₁₂ = | κ ₁₂ | λexp [j2α] in the Langasite, and the transducer The distance between the reflector and the two reflectors is the distance between the reflector located on the plus side in the X direction with respect to the transducer and the reflector located on the minus side in the X direction with respect to the transducer. When the distance is d2, the transducer and the two reflectors are arranged so that d1−d2 = 2δ.
[0011]
Further, in the invention of claim 2, wherein, in the method of manufacturing a surface acoustic wave device according to claim 1, the normalized electrode film thickness of the single crystal substrate and the scope of 0.005 to 0.04, the The reflection position deviation δ is set in a range of 0.1λ ≦ δ ≦ 0.17λ.
[0014]
In the present invention, a single transducer that converts between a surface acoustic wave and an electric signal is formed on a single crystal substrate whose substrate orientation and surface acoustic wave propagation direction are within a predetermined range, and the surface acoustic wave propagates in the propagation direction of the surface acoustic wave. Along the two reflectors, the two reflectors are arranged opposite each other at different distances to be asymmetric. By setting the distance between the transducer and the resonator to an appropriate value, the resonance characteristics are optimized, and it is possible to take advantage of the excellent characteristics inherent in the substrate material, realizing smaller elements, higher frequencies, and lower loss. It becomes possible to do.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
A. Principle of the Invention It is possible to apply a mode coupling theory to the analysis of the frequency characteristics of the surface acoustic wave resonator. In the mode coupling theory, if the four parameters of the self-coupling coefficient κ ₁₁ , the inter-mode coupling coefficient κ ₁₂ , the excitation coefficient ζ, and the capacitance C are known, the characteristics of the surface acoustic wave device can be analyzed. These mode coupling parameters depend on the cutting direction and propagation direction of the substrate crystal, the electrode structure, and the electrode thickness.
[0016]
The reflection coefficient of the surface acoustic wave reflected by the electrode fingers formed on the piezoelectric crystal is determined using the inter-mode coupling coefficient κ ₁₂
r + = − jκ ₁₂ * λ = κ ₁₂ * λexp [−π / 2]
r − = − jκ ₁₂ λ = κ ₁₂ λexp [−π / 2] (1)
It is represented by r + and r− are reflection coefficients when viewing the + X direction and the −X direction, respectively.
[0017]
When the reflector is configured by λ / 4 width grading, the inter-mode coupling coefficient κ ₁₂ is a real number in an ST crystal having high crystal symmetry, such as X-112 ° Y LiNbO ₃ ,
r + = r− = κ ₁₂ λexp [−π / 2]
It becomes.
[0018]
However, in the Langasite in the range of −5 ° ≦ φ ≦ 5 °, 135 ° ≦ θ ≦ 145 °, 20 ° ≦ ψ ≦ 30 ° when (φ, θ, ψ) in the Euler angle display Κ ₁₂ is complex,
κ ₁₂ = | κ ₁₂ | λexp [j2α] (2)
This 2α corresponds to the phase shift at the time of reflection. Therefore, when formula (2) is substituted into formula (1),
r + = | κ ₁₂ | λexp [−j2α−π / 2]
r− = | κ ₁₂ | λexp [+ j2α−π / 2] (3)
When the surface acoustic wave is reflected by the electrode finger existing in the + X direction of the crystal (corresponding to r +), the phase is delayed by 2α due to the reflection, and the surface acoustic wave is reflected by the electrode finger existing in the −X direction of the crystal. When done (corresponding to r-), the phase advances by 2α due to reflection. That is, in any case, it can be considered that the reflection position is shifted by δ = {α / (2π)} λ in the + X direction from the center of the electrode finger. Therefore, Langasite in the range of −5 ° ≦ φ ≦ 5 °, 135 ° ≦ θ ≦ 145 °, 20 ° ≦ ψ ≦ 30 ° when (φ, θ, ψ) is displayed in the Euler angle display. When a surface acoustic wave resonator is configured using a substrate, the distance between the IDT and the reflectors on both sides is determined by the following process.
[0019]
B. Configuration of Embodiment First, reflectors are arranged at an equal distance d on both sides of the IDT. Next, as shown in FIG. 1, the position of the reflector existing on the + X side (right side) is set in the −X direction by δ = {α / (2π)} λ so that the phase shift at the time of reflection cancels. Shift (close to IDT). Conversely, as shown in FIG. 2, the position of the reflector existing on the −X side (left side) is δ = {α / (2π)} λ in the + X direction so that the phase shift at the time of reflection cancels. Just shift it (keep away from IDT). Here, FIG. 3 is a conceptual diagram showing the configuration of the surface acoustic wave resonator according to the embodiment of the present invention. That is, as described above, δ = {α / (2π)} λ so that the position of the reflector 20b existing on the right side of the IDT 10 formed on the langasite substrate 5 is offset by the phase shift at the time of reflection. The position of the reflector 20a existing on the left side may be arranged so as to be away from the IDT 10 by δ = {α / (2π)} λ. At this time, a difference in distance between the IDT 10 and the reflectors 20a and 20b arranged on both sides thereof is d1−d2 = 2δ.
[0020]
C. Characteristics of Surface Acoustic Wave Device Next, the dependence of the reflection characteristics of the Langasite substrate on the Euler angle display (0 °, 140 °, 25 °) on the normalized electrode film thickness is shown in FIG. 4 and FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram showing the reflection phase angle with respect to the normalized electrode film thickness. From this figure, the value of α between 0.005 and 0.04, which is an effective electrode thickness (H: thickness of aluminum electrode) as a surface acoustic wave resonator, is between 40 ° and 60 °. It changes with. Therefore, using δ = (α / 360 °) λ, δ≈0.1λ when α≈40 °, and δ≈0.17λ when α≈60 °. FIG. 5 is a conceptual diagram showing the absolute value of the reflectance with respect to the normalized electrode film thickness. From this figure, it can be seen that the greater the film thickness, the greater the reflectivity. It can be seen that the Q value depends on the reflectivity of the reflectors 20a and 20b, and the Q value improves as the reflectivity increases.
[0021]
D. Experimental Example A surface acoustic wave resonator was prepared using the Langasite substrate (0 °, 140 °, 25 °) 5 described above, and the distance between the IDT 10 and the reflectors 20a, 20b and the resonance characteristics were measured. The electrode structure parameters of the surface acoustic wave resonator are as follows: IDT 10 has a logarithm of 50.5 pairs (L = 50.5λ), IDT 10 electrode finger period λ = 14.4 μm, IDT 10 electrode finger width wi = 3.6 μm, IDT 10 300 electrode fingers of the reflectors 20a and 20b (Lr1 = Lr2 = 150λ), electrode finger periods p = λ / 2 = 7.2 μm of the reflectors 20a and 20b, and electrodes of the reflectors 20a and 20b. The finger width wr = 3.6 μm, the electrode finger crossing width W = 50λ of the IDT 10, and the thickness H of the Al electrode H = 1500 mm. It is assumed that the distance d2 = d−δ between the IDT 10 and the reflector 20b arranged on the right side thereof, and the distance d1 = d + δ between the IDT 10 and the reflector 20a arranged on the left side thereof. δ corresponds to a shift in the reflection position corresponding to the phase angle of the reflectance. In the experiment, d = 7 / 8λ was set, four resonators having δ values of 0, 0.1λ, 0.14λ, and 0.2λ were created, and the resonance characteristics were examined. As resonance characteristics, resonance Q and capacitance ratio r were evaluated.
[0022]
Here, FIG. 6 is a characteristic diagram that defines the Q value and the capacitance ratio r based on the impedance characteristics. The values of the resonance Q and the capacitance ratio r are obtained by using the frequency points defined in FIG. 6 from the impedance characteristics of the resonator.
_{Q = f s / (f1-} f2)
And _{r = f p / (2 (} f p / f s -1))
Given in.
[0023]
Here, Q values and capacitance ratios r of four surface acoustic wave resonators created by experimentally changing parameters are shown in FIG. In FIG. 7, among the four surface acoustic wave resonators, the surface acoustic wave resonator having δ = 0.14λ has the highest Q value and the smallest capacitance ratio r. The value of the normalized electrode film thickness H / λ of these four surface acoustic wave resonators is about 0.01, and the value of the reflection phase angle α at this time is 0.86 radian (49.27 °). . Therefore, if δ is calculated using δ = (α / 2π) λ, then δ = 0.137λ, confirming the experimental result that the resonance characteristics are optimum in the vicinity of δ = 0.14λ.
[0024]
Here, FIG. 8 is a characteristic diagram showing conductance and susceptance of the surface acoustic wave resonator (using Langasite) by the design method according to the present embodiment, and FIG. 9 is a surface acoustic wave resonator (by the conventional design method). It is a characteristic view which shows the conductance and susceptance of Langasite use. In the figure, the admittance characteristics of the one-port resonator when δ = 0.14λ and δ = 0 are shown. As shown in FIG. 8, it is understood that the resonance characteristics are improved by shifting the positions of the reflectors 20a and 20b by 0.14λ as compared with the conventional design method shown in FIG.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a single transducer for converting between surface acoustic waves and electrical signals is formed on a single crystal substrate whose substrate orientation and surface acoustic wave propagation direction are within a predetermined range. Since the two reflectors are arranged opposite each other at different distances along the direction of propagation of the surface acoustic wave at different distances, the distance between the transducer and the resonators on both sides is set to be asymmetric. By setting it to an appropriate value, the resonance characteristics are optimized, the excellent characteristics inherent in the substrate material can be utilized, and the advantage that the element can be reduced in size, increased in frequency, and reduced in loss can be obtained. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining an optimum distance relationship between an IDT and a reflector located on the right side as a design principle of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining an optimum distance relationship between an IDT and a reflector located on the left side as a design principle of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration of a surface acoustic wave resonator using a langasite substrate formed by applying the design principle of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a reflection phase angle with respect to a normalized electrode film thickness.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an absolute value of reflectance with respect to a normalized electrode film thickness.
FIG. 6 is a characteristic diagram that defines a Q value and a capacitance ratio r based on impedance characteristics.
FIG. 7 is a table showing Q values and capacitance ratios r of four surface acoustic wave resonators created experimentally.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing conductance and susceptance of a surface acoustic wave resonator (Langasite) according to the present embodiment.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing conductance and susceptance of a surface acoustic wave resonator (Langasite) according to a conventional design method.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a surface acoustic wave resonator according to a conventional design method.
FIG. 11 is a circuit diagram showing a gas equivalent circuit of a surface acoustic wave resonator according to a conventional design method.
[Explanation of symbols]
5 Langasite substrate (single crystal substrate)
10 IDT (Transducer)
20a, 20b reflector

Claims

基板方位および表面弾性波伝搬方向が所定の範囲内にある単結晶基板と、前記単結晶基板上に形成され、表面弾性波および電気信号間の変換を行う１つのトランスデューサと、表面弾性波の伝搬方向に沿って、前記トランスデューサの両側に対向配置された２つの反射器とを具備した表面弾性波素子の製造方法であって、
基本表面弾性波の波長をλとし、前記単結晶基板は、基板方位および表面弾性波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあること、またはこれと等価な方位であるランガサイトとし、このランガサイトの反射特性から規格化された電極膜厚に対する反射位相角２αを求め、前記ランガサイトにおけるモード間結合係数κ _１２＝｜κ _１２｜λｅｘｐ〔ｊ２α〕から反射時の位相ずれに相当する反射位置のずれδ＝｛α／（２π）｝λを算出するとともに、前記トランスデューサと前記２つの反射器との距離関係が、前記トランスデューサに対してＸ方向のプラス側に位置する反射器との距離をｄ１、前記トランスデューサに対してＸ方向のマイナス側に位置する反射器との距離をｄ２としたとき、ｄ１−ｄ２＝２δとなるように、前記トランスデューサと前記２つの反射器とを配置することを特徴とする表面弾性波素子の製造方法。A single crystal substrate having a substrate orientation and a surface acoustic wave propagation direction within a predetermined range, one transducer formed on the single crystal substrate for converting between the surface acoustic wave and the electric signal, and propagation of the surface acoustic wave A method of manufacturing a surface acoustic wave device comprising two reflectors arranged opposite to each other on both sides of the transducer along a direction,
The wavelength of the fundamental surface acoustic wave is λ, and the single crystal substrate has −5 ° ≦ φ ≦ 5 ° when the substrate orientation and the surface acoustic wave propagation direction are (φ, θ, ψ) in Euler angle display. , 135 ° ≦ θ ≦ 145 °, 20 ° ≦ ψ ≦ 30 °, or a langasite having an equivalent orientation, and with respect to the electrode film thickness normalized from the reflection characteristics of the langasite The reflection phase angle 2α is obtained, and the reflection position shift δ = {α / (2π)} λ corresponding to the phase shift at the time of reflection is calculated from the inter - mode coupling coefficient κ ₁₂ = | κ ₁₂ | λexp [j2α] in the Langasite. As well as calculating , the distance relationship between the transducer and the two reflectors is the distance between the reflector located on the plus side in the X direction with respect to the transducer and the minus side in the X direction with respect to the transducer. position When the distance between the reflectors by d2 that, d1-d2 = 2.delta. As a method of manufacturing a surface acoustic wave device characterized by placing said two reflectors and the transducer.

前記単結晶基板の規格化電極膜厚を０．００５〜０．０４の範囲とし、前記反射位置のずれδを０．１λ≦δ≦０．１７λの範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子の製造方法。 Claims, characterized in that the normalized electrode thickness of the single crystal substrate in the range of 0.005 to 0.04, and sets the displacement [delta] of the reflection position in the range of 0.1λ ≦ δ ≦ 0.17λ 2. A method for producing a surface acoustic wave device according to 1 .