JP4181185B2 - フィルタおよび分波器 - Google Patents
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Description
本発明は、フィルタおよび分波器に関し、特に圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向する部位の形状が楕円形であるフィルタおよび分波器に関する。
携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で軽量な共振器およびこれを組み合わせて構成したフィルタの需要が増大している。これまでは主として誘電体と表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが使用されてきたが、最近では、特に高周波での特性が良好で、かつ小型化とモノリシック化が可能な素子である圧電薄膜共振器およびこれを用いて構成されたフィルタが注目されつつある。
圧電薄膜共振子の中には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプとＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプがある。ＦＢＡＲは、基板上に、主要構成要素として、上部電極／圧電膜／下部電極の構造を有し、上部電極と下部電極が対向する部位（共振部）の下部電極下に空隙が形成されている。ここで、空隙は、Ｓｉ基板表面に設けた犠牲層のウェットエッチングにより、下部電極と基板との間に形成される。または、空隙は、基板裏面からのウェットまたはドライエッチング等により基板に形成される。また、ＳＭＲは上記の空隙の代わりに、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互にλ/４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層し音響反射膜として利用する構造のものである。
ここで、電極としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等を用いることができる。圧電膜としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）等を用いることができる。また、基板としては、シリコン、ガラス等を用いることができる。
ところが、上述した圧電薄膜共振子では厚み縦振動波の他に、電極面に平行に伝搬し、電極又は空隙の端部で反射する横モードの不要な波が励起される。この結果、共振子のインピーダンス特性に不要スプリアスが生じたり、フィルタの通過帯域にリップルが発生したりするため、応用上問題になる。こうした横モードの波による悪影響を抑制するために、特許文献１には、下部電極と上部電極との対向する部位の形状が楕円形であり、その楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとしたとき、１．０＜ａ／＜１．９である圧電薄膜共振子およびこれを用いたフィルタが開示されている。
特許文献１によれば、下部電極と上部電極との対向する部位の形状を楕円形にすることにより、部位の形状が円形の場合に比べ共振子の共振特性に生じるスプリアスを低減することができる。しかしながら、共振子のスプリアスをなくすことはできない。そのため、複数の共振子を用いたフィルタにおいては、フィルタの通過帯域に大きなリップルが生じてしまう。通過帯域にリップルが生じるとフィルタの挿入損失や群遅延特性が劣化してしまう。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、通過帯域に生じるリップルを抑制することが可能なフィルタおよび分波器を提供することを目的とする。
本発明は、基板と、該基板上に設けられた下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電膜と、該圧電膜上に設けられた上部電極とを有する直列腕共振子および並列腕共振子を具備するラダー型フィルタであって、前記並列腕共振子のうち複数の共振子は、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極との対向する部位の形状が楕円形であり、前記複数の共振子のうち１つの共振子の前記楕円形の軸比は、前記複数の共振子のうち他の共振子の前記楕円形の軸比とは異なることを特徴とするフィルタである。本発明によれば、圧電薄膜共振子のスプリアスが重なり合うことを抑制し、通過帯域に生じるリップルを抑制することができる。
本発明は、基板と、該基板上に設けられた下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電膜と、該圧電膜上に設けられた上部電極とを有する直列腕共振子および並列腕共振子を具備し、前記直列腕共振子および並列腕共振子のうち複数の共振子は、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極との対向する部位の形状が楕円形であり、前記複数の共振子のうち１つの共振子の前記楕円形の軸比は、前記複数の共振子のうち他の共振子の前記楕円形の軸比とは異なり、前記複数の共振子は前記直列腕共振子であることを特徴とするフィルタである。本発明は、楕円形の部位を有する複数の共振子のスプリアスが重なり合うことを抑制することができる。よって、フィルタの通過特性に発生するリップルを抑制することができる。
上記構成において、前記複数の共振子の前記楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとしたとき、１＜ａ／ｂ＜１．９である構成とすることができる。この構成によれば、共振子のスプリアスを抑制することができる。よって、フィルタの通過特性のリップルの発生をより抑制することができる。
上記構成において、前記複数の共振子の前記部位は、前記基板に設けられた空隙上に設けられている、または前記基板上に空隙を介し設けられている構成とすることができる。
本発明は、共通端子に接続された送信フィルタと、前記共通端子に接続された受信フィルタと、を具備し、前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方は上記のフィルタであることを特徴とする分波器である。本発明によれば、本発明は、楕円形の部位を有する複数の共振子のスプリアスが重なり合うことを抑制することができる。よって、分波器の通過特性に発生するリップルを抑制することができる。
本発明によれば、通過帯域に生じるリップルを抑制することが可能なフィルタおよび分波器を提供することができる。
まず本発明の原理につき、圧電薄膜共振子の実験結果を用い説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は実験に用いた圧電薄膜共振子を示す図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面図である。なお、図１（ｂ）において、圧電膜１４下の下部電極１２は外周を破線で示している。シリコン基板１０上に下部電極１２としてＲｕ膜とＣｒ膜との２層膜が設けられている。下部電極１２上に圧電膜１４としてＡｌＮ膜が設けられている。圧電膜１４上に上部電極１６としてＲｕ膜が設けられている。下部電極１２上の圧電膜１４には、下部電極１２に電気的に接続するための開口部２０が設けられている。圧電膜１４を挟み上部電極１６と下部電極１２とが対向する部位２２の下の基板１０には空隙１８が設けられている。下部電極１３、圧電膜１４、上部電極１６は、例えばスパッタリング法およびエッチングにより形成される。空隙１８は、シリコン基板１０をＤｅｅｐ−ＲＩＥを用いドライエッチングすることにより略垂直の側壁を有するように形成することができる。
実験では２ＧＨｚ近傍に共振周波数を有する３つの圧電薄膜共振子（共振子１から３）を作製し、上部電極１６と下部電極１２とが対向する部位２２の楕円形の軸比と共振特性に生じるスプリアスとの関係を調べた。作製した共振子１から３の部位２２の楕円形の主軸の寸法ａ、副軸の寸法ｂ、軸比ａ／ｂを表１に示す。共振子１から３の楕円形の面積はほぼ同じ面積とした。
図２（ａ）は共振子１から３の通過特性であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の四角部の拡大図である。図２（ｂ）より、部位２２の楕円形の軸比を異ならせることによりスプリアスが発生する周波数が異なっていることがわかる。共振子を複数組合せてフィルタを形成する場合、同じ周波数にスプリアスが発生する共振子を組み合わせると、これらのスプリアスが重ね合わされて、フィルタの通過特性にリップルが生じる。そこで、以下に説明する実施例１においては、スプリアスが発生する周波数の異なる共振子からフィルタを構成することにより、通過特性に発生するリップルを低減させることができる。
実施例１として、図１（ａ）および図１（ｂ）の共振子を直列腕共振子、並列腕共振子に用いた１９５０ＭＨｚを中心周波数とするラダー型フィルタであるフィルタ１から３を作製した。図３は作製したフィルタ１から３の回路図である。実施例１に係るラダー型フィルタは直列腕共振子Ｓ１からＳ４と並列腕共振子Ｐ１からＰ４とから構成される。表２は作製したラダー型フィルタ（フィルタ１から３）を構成する各共振子の部位２２の楕円形の軸比ａ／ｂ，楕円サイズａ、ｂを示す表である。各フィルタにおいては、Ｓ１からＳ３の楕円形の面積はほぼ同じであり、Ｐ２からＰ４の楕円形の面積はほぼ同じである。図４はフィルタ１の平面図、図５はフィルタ２の平面図、図６はフィルタ３の平面図である。図４から図６において、図１（ａ）と同じ部材は同じ符号を付し説明を省略する。
図４および表２を参照に、フィルタ１においては、直列腕共振子Ｓ１からＳ４は全て部位２２の楕円形の軸比は全て１．４と同じである。並列腕共振子Ｐ１の軸比は１．２であり、並列腕共振子Ｐ２からＰ４の軸比は１．４である。
図５および表２を参照に、フィルタ２においては、直列腕共振子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の部位２２の楕円形の軸比はそれぞれ１．８、１．２、１．４と異なっている。直列腕共振子Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１からＰ４はフィルタ１と同じである。このように、直列腕共振子のうち部位２２の楕円形がほぼ同じ面積の直列腕共振子Ｓ１からＳ３の楕円形の軸比がそれぞれ異なっている。
図６および表２を参照に、フィルタ３においては、直列腕共振子Ｓ１からＳ４および並列腕共振子Ｐ１はフィルタ２と同じである。並列腕共振子Ｐ２からＰ４の楕円形の軸比はそれぞれ１．２、１．４、１．６と異なっている。このように、直列腕共振子に加え、並列腕共振子のうち部位２２の楕円形がほぼ同じ面積の並列腕共振子Ｐ２からＰ４の楕円形の軸比がそれぞれ異なっている。
図７（ａ）から図７（ｃ）はそれぞれフィルタ１から３の通過特性を示す図である。フィルタ１、フィルタ２、フィルタ３に従い、リップルが減少している。これは、複数の共振子の部位２２の楕円形の軸比を異ならせることにより、スプリアスの発生周波数を異ならせることができ、フィルタの通過特性のリップルを抑制することができることを示している。
つまり、フィルタを構成する直列腕共振子および並列腕共振子は実施例１の構成に限られず、直列腕共振子および並列腕共振子の少なくとも１つの圧電薄膜共振子の部位２２の形状が他の圧電薄膜共振子に対しスプリアスの発生周波数が異なる形状とする。これにより、圧電薄膜共振子のスプリアスが重なり合うことを抑制し、フィルタの通過特性に発生するリップルを抑制することができる。
また、直列腕共振子および並列腕共振子のうち複数の共振子の部位２２の形状を楕円形とする。楕円形の部位２２を有する共振子のうち少なくとも１つの共振子の楕円形の軸比ａ／ｂを、楕円形の部位２２を有する複数の共振子のうち他の共振子の楕円形の軸比とは異ならせる。これにより、図７（ａ）から図７(ｃ)のように、楕円形の部位２２を有する複数の共振子のスプリアスが重なり合うことを抑制することができる。よって、フィルタの通過特性に発生するリップルを抑制することができる。
さらに、フィルタ２のように、部位２２の楕円形の軸比ａ／ｂが異なる複数の共振子を直列腕共振子Ｓ１からＳ４とする。直列型共振子Ｓ１からＳ４同士は、スプリアスの発生周波数が一致しやすい。よって、直列腕共振子Ｓ１からＳ４の楕円形の軸比を異ならせることにより、フィルタ１の通過特性（図７（ａ））とフィルタ２の通過特性（図７（ｂ）との比較からわかるように、フィルタの通過特性に発生するリップルを抑制することができる。
さらに、フィルタ２のように、部位２２の楕円形の軸比ａ／ｂが異なる複数の共振子は、部位２２の面積が略同じである直列腕共振子Ｓ２からＳ４とする。部位２２の面積が略同じ場合は、共振子のスプリアスの発生周波数が一致しやすい。よって、部位２２が略同じ共振子の部位２２の楕円形の軸比ａ／ｂを異ならせることにより、特にスプリアスが重なり合うことを抑制し、フィルタの通過特性に発生するリップルを抑制することができる。部位２２の面積が略同じである直列腕共振子は全て楕円形の軸比ａ／ｂを異ならせることが好ましい。これにより、部位２２の面積が略同じである直列腕共振子のスプリアスが発生する周波数を全て異ならせることができ、フィルタの通過特性に発生するリップルを一層抑制することができる。
さらに、フィルタ３のように、部位２２の楕円形の軸比ａ／ｂが異なる複数の共振子を並列腕共振子Ｐ１からＰ４とする。並列型共振子Ｐ１からＰ４同士は、スプリアスの発生周波数が一致しやすい。よって、並列腕共振子Ｐ１からＰ４の楕円形の軸比を異ならせることにより、フィルタ１の通過特性（図７（ｂ））とフィルタ３の通過特性（図７（ｃ））との比較からわかるように、フィルタの通過特性に発生するリップルを抑制することができる。
さらに、フィルタ３のように、部位２２の楕円形の軸比ａ／ｂが異なる複数の共振子は、部位２２の面積が略同じである並列腕共振子Ｐ２からＰ４とする。これにより、フィルタ２で説明した直列腕共振子と同様に、特にスプリアスが重なり合うことを抑制し、フィルタの通過特性に発生するリップルを削減することができる。よって、部位２２の面積が略同じである並列腕共振子は全て楕円形の軸比ａ／ｂを異ならせることが好ましい。これにより、部位２２の面積が略同じである並列腕共振子のスプリアスが発生する周波数を全て異ならせることができ、フィルタの通過特性に発生するリップルを一層抑制することができる。
なお、フィルタ３のように、直列腕共振子および並列腕共振子の部位２２の楕円形の軸比ａ／ｂをそれぞれ異ならせることが好ましい。
部位２２の面積が略同じ共振子はフィルタの設計の目的に応じ任意に設定される。複数の共振子の部位２２の楕円形の面積が略同じとは、部位２２を同じ軸比の楕円形とすると、スプリアスの発生周波数が重なってしまう程度に同じであることを言う。スプリアスの発生周波数が重なってしまう程度に同じとは、フィルタの通過特性のリップルの発生要因となる程度に同じこと言う。例えば、複数の共振子の部位２２の楕円形の面積の差が±２０％以下であるとスプリアスの発生周波数は重なり合い、面積の差が±１０％以下であるとスプリアスの発生周波数はさらに重なり合う。
部位２２の楕円形複数の共振子の部位２２の楕円形の軸比ａ／ｂは１＜ａ／ｂ＜１．９であることが好ましい。これにより、特許文献１に記載のように共振子のスプリアスを抑制することができる。よって、フィルタの通過特性のリップルの発生をより抑制することができる。
実施例２は実施例１に係るフィルタを送信フィルタおよび受信フィルタを用いた分波器の例である。図８を参照に、実施例２に係る分波器は、共通端子３６と送信端子３８との間に接続された送信フィルタ３２と、共通端子３６と受信端子４０との間に接続された受信フィルタ３４と、共通端子３６と送信フィルタ３２および受信フィルタ３４との間に設けられた整合回路３１と、を有している。これにより、通過特性へのリップルの発生を抑制した分波器を提供することができる。なお、実施例１に係るフィルタは送信フィルタ３２および受信フィルタ３４の少なくとも一方に用いることができる。
実施例１および実施例２においては、図１（ａ）および図１（ｂ）に示した圧電薄膜共振子を用いたが、この構成には限られない。例えば、基板１０、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６は、背景技術において例示した材料を用いることができる。空隙１８の形状は、基板１０と下部電極１２との間に空隙を有する形状であってもよい。つまり、部位２２の下部電極１２は基板上に空隙を介し設けられてもよい、また、共振子はＦＢＡＲには限られずＳＭＲであってもよい。さらに、図１（ａ）および図１（ｂ）は共振子の主要部分のみ記載しており、他の部材が設けられていてもよい。例えば、下部電極１２の下に補強または空隙１８のエッチングストップ層として誘電体膜を設けたり、上部電極１６上にパッシベーション膜または周波数調整用の誘電体膜を設けてもよい。また、部位２２の楕円形は、数学的な楕円形を含むが、主軸および副軸に対し対称な円形を潰した形状も含む。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 空隙
２２ 部位
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 直列腕共振子
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 並列腕共振子
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 空隙
２２ 部位
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 直列腕共振子
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 並列腕共振子
Claims (5)
- 基板と、該基板上に設けられた下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電膜と、該圧電膜上に設けられた上部電極とを有する直列腕共振子および並列腕共振子を具備するラダー型フィルタであって、
前記並列腕共振子のうち複数の共振子は、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極との対向する部位の形状が楕円形であり、
前記複数の共振子のうち１つの共振子の前記楕円形の軸比は、前記複数の共振子のうち他の共振子の前記楕円形の軸比とは異なることを特徴とするフィルタ。 - 基板と、該基板上に設けられた下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電膜と、該圧電膜上に設けられた上部電極とを有する直列腕共振子および並列腕共振子を具備し、
前記直列腕共振子および並列腕共振子のうち複数の共振子は、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極との対向する部位の形状が楕円形であり、
前記複数の共振子のうち１つの共振子の前記楕円形の軸比は、前記複数の共振子のうち他の共振子の前記楕円形の軸比とは異なり、
前記複数の共振子は前記直列腕共振子であることを特徴とするフィルタ。 - 前記複数の共振子の前記楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとしたとき、
１＜ａ／ｂ＜１．９であることを特徴とする請求項１または２記載のフィルタ。 - 前記複数の共振子の前記部位は、前記基板に設けられた空隙上に設けられている、または前記基板上に空隙を介し設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のフィルタ。
- 共通端子に接続された送信フィルタと、
前記共通端子に接続された受信フィルタと、を具備し、
前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方は請求項１から４のいずれか一項記載のフィルタであることを特徴とする分波器。
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