JP4471474B2 - 弾性表面波素子及びそれを用いた弾性表面波装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車電話および携帯電話等の移動体無線機器等に内蔵される周波数帯域フィルタなどの弾性表面波装置に関し、特に、不平衡入力−平衡出力型あるいは平衡入力−不平衡出力型の弾性表面波素子およびそれを用いた弾性表面波装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、移動体通信機器等の小型・軽量化および低コスト化のため、使用部品の削減が進められ、弾性表面波(Surface Acoustic Wave、以下、SAWともいう)装置に新たな機能の付加が要求されてきている。その1つに不平衡入力−平衡出力型あるいは平衡入力−不平衡出力型、つまり不平衡線路から平衡線路に変換できるようにとの要求がある。ここで、平衡入力あるいは平衡出力とは、信号が2つの信号線路間の電位差として入力あるいは出力するものをいい、各信号線路の信号は振幅が等しく位相が互いに逆になっている。これに対して、不平衡入力あるいは不平衡出力とは、信号がグランド電位に対する1本の線路の電位として入力あるいは出力するものをいう。
【0003】
従来のSAWフィルタは、一般的に不平衡入力−不平衡出力型SAWフィルタ(以下、不平衡型SAWフィルタと略す)であるため、SAWフィルタ後段の回路や電子部品が平衡入力型となっている場合は、SAWフィルタと後段との間に、不平衡−平衡変換器(以下、バランともいう)を挿入した回路構成を採用していた。同様にSAWフィルタ前段の回路や電子部品が平衡出力型となっている場合は、前段とSAWフィルタとの間にバランを挿入した回路構成としていた。
【0004】
現在、回路部品の点数の削減によりコスト削減・性能改善を行うことを目的にバランを削除することを考え、SAWフィルタに不平衡−平衡変換機能あるいは平衡−不平衡変換機能を持たせた、不平衡入力−平衡出力型SAWフィルタあるいは平衡入力−不平衡出力型SAWフィルタ(以下、平衡型SAWフィルタと略す)の実用化が進められている。
【0005】
従来の平衡型SAW素子の基本構成を図8に示す(特開平6−204781号公報等参照)。42°Yカット−X伝搬のLiTaO3単結晶などからなる圧電基板18上に、AlやAl−Cuなどの材質からなる一対の櫛歯状電極であるIDT(Inter Digital Transducer)電極16が複数個(図8では3個)形成されており、IDT電極16のSAW伝搬路の両端にはSAWを効率よく共振させるための反射器17が設けられる。このような電極パターンは、一般的に共振器型電極パターン15と呼ばれている。なお、IDT電極および反射器の電極指の本数は数本〜数100本にも及ぶため、その形状を簡略化して描いてある。3個のIDT電極のうち、中央に配置されたIDT電極は不平衡入力または不平衡出力用IDT電極であり、その両端のIDT電極はそれぞれ平衡入力または平衡出力用IDT電極である。出力用IDT電極を形成している1対の電極のうち、一方を出力Aとすると、他方が出力Aに対して振幅が同じ大きさで位相が逆相になっている出力Bとなり、平衡出力動作を行っている。
【0006】
このようなSAW素子を用いたSAW装置には、その駆動周波数や通過帯域が数100MHz〜数GHzと高周波化すると同時に、通過帯域内の低挿入損失化と通過帯域外の高減衰量化が要求されてきている。特に、低挿入損失、高帯域外減衰量を確保するために、SAW素子は図8の共振器型パターンを複数段接続にした図9に示すように段数は2段程度のものが望まれる。この理由は、1段構成では、低挿入損失の電気性能をもつが、減衰量が悪く、3段以上の構成では逆に、高減衰量であるが、挿入損失が悪い。図9中の11は不平衡入力または不平衡出力端子(以下、不平衡入出力用端子ともいう)、12は平衡出力または平衡入力用端子(以下、平衡入出力用端子ともいう)、13は平衡出力または平衡入力用端子(以下、平衡入出力用端子ともいう)、14は接地端子である。
【0007】
また、図10に示すようにSAW素子はセラミック基板などから形成される外部筐体にSi系樹脂などにより載置、固定され、AuやAl−Si合金などから形成されるワイヤ線でSAW素子の電極端子と外部筐体の電極端子が接続され、つぎに、コバールなどから形成されるキャップを外部筐体に被せて封止することによりワイヤボンディング配線のSAW装置が構成される。
【0008】
または、図11に示すようにSAW素子の電極端子上にAuなどからなるバンプを形成し、つぎに、SAW素子を、バンプが形成されSAWが伝搬する面を下面にしてセラミック基板などからなる外部筐体にフリップチップ実装法により載置固定され、キャップを外部筐体に被せて封止することによりフリップチップ実装のSAW装置が構成される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のSAW素子の構成では、平衡入出力用端子Aは1段目のSAW素子と2段目のSAW素子の間に形成され、平衡入出力用端子Bは2段目のSAW素子の平衡入出力用端子Aと反対側に形成される。上記従来のSAW素子を用いたワイヤボンディング配線のSAW装置では、図10に示すように平衡入出力用端子12と外部筐体平衡入出力用端子22とを配線するワイヤ25と、平衡入出力用端子13と外部筐体平衡入出力用端子23とを配線するワイヤ26ではワイヤの長さや周辺の電極パターンの形状が異なり、それぞれの入力および出力電気長が非対称になる。
【0010】
または、上記従来のSAW素子を用いたフリップチップ実装のSAW装置でも、図11に示すように平衡入出力用端子12に接続された外部筐体の電極パターン23と平衡入出力用端子13に接続された外部筐体の電極パターン22の形状が異なり、それぞれの入力および出力電気長が非対称になる。
【0011】
このように平衡入出力12と平衡入出力13の接続を行うワイヤや電極パターンが非対称になると、SAW装置の電気特性はワイヤや電極パターンなどで発生するインダクタ成分や容量成分により影響を受け、平衡端子での平衡出力Aおよび平衡出力Bでそれぞれ異なった電気特性になる。これにより、振幅が等しく、位相が逆相であるという平衡型SAW装置の条件を満足せず、フィルタ特性が著しく劣化してしまうという問題が発生する。
【0012】
また、上記の従来のSAW素子では、中央に配置されたIDT電極の信号線と出力AのIDT電極の信号線の伝搬方向の間隔d1と、中央に配置されたIDT電極の信号線と出力BのIDT電極の信号線の伝搬方向の間隔d2が異なる値となってしまう。d1、d2はそれぞれ平衡出力A,Bの電気特性に影響を与える設計パラメータであり、d1、d2の値が異なると平衡出力A,Bの振幅特性が異なってしまう。つまり、平衡型の動作が良好でない特性になるという問題があった。
【0013】
そこで本発明は、上記事情に鑑みて案出されたのであって、不平衡−平衡変換として動作し、フィルタ特性が良好である、高品質な弾性表面波装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る弾性表面波素子は、圧電基板上に、3以上のIDT電極を弾性表面波の伝搬方向に沿って並設してなる共振器型電極パターンを複数段に配設し、初段及び最終段の共振器型電極パターンの一方を平衡入力部または不平衡入力部とし、他方を不平衡出力部または平衡出力部とし、不平衡入力部または不平衡出力部とした共振器型電極パターンは、該共振器型電極パターンの段間接続用の第1中央部IDT電極の両側に配設したIDT電極が互いに同位相となるように形成されており、かつ平衡入力部または平衡出力部が形成された共振器型電極パターンは、本数が等しい一対の櫛歯状電極から成る段間接続用の第2中央部IDT電極の両側に、位相が互いに逆となるIDT電極を配設して形成されていることを特徴とする。
【0015】
また、本発明に係る弾性表面波装置は、前記弾性表面波素子を外部筐体に収容し、該外部筐体の電極端子に接続してなることとする。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明に係るSAW装置の実施形態を模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【0017】
本発明の電極構成の一例を図1に示す。図1のSAW素子はIDT電極16,16´を3つSAW伝搬方向に沿って並設し、IDT電極16,16´を挟むように反射器17を配置した共振器型と呼ばれる電極パターン15,15´を2段接続したものである。本発明の特徴は2段に接続した共振器型のSAW素子であっても2つの出力端子の形状を対称な形にすることができる電極構造になっているところにある。
【0018】
すなわち、まず、不平衡入力用および出力用電極パターン15が形成された電極パターンの両端のIDT電極は、同位相になるように形成する。また、中央のIDT電極(第1中央部IDT電極)は対向する1対の櫛歯状電極の本数が異なり、IDT電極の両端が同じ電位の電極になるように形成されている。つぎに、平衡入力用および出力用電極パターン15´の中央のIDT電極16´(第2中央部IDT電極)は不平衡入力用および出力用電極パターンが形成された電極パターン15と異なり、対向する1対の櫛歯状電極の本数が等しくなるように形成され、IDT電極の両端が異なる電位の電極になるように形成され、かつ、前記第2中央部IDT電極16´の両側に配設されるIDT電極16が、逆位相となるように配設されていることが特徴である。
【0019】
これにより、中央に配置されたIDT電極の信号線と出力AのIDT電極の信号線の間隔d1と、中央に配置されたIDT電極の信号線と出力BのIDT電極の信号線の間隔d2が等しい値にできるため、振幅特性を等しくできる。よって、平衡型の動作が良好である電気特性が得られる。
【0020】
また、本発明の電極パターンの接続構成方法については、まず、不平衡入力用および出力用電極端子11を不平衡入出力用電極パターン15が形成された電極パターンの両端に配置されたIDT電極に接続する。つぎに、中央に形成されたIDT電極と平衡入力用および出力用電極パターン15´が形成された電極パターンの中央のIDT電極16´を電極パターンで接続する。つぎに、平衡入力用および出力用電極パターン15´が形成された電極パターンの両側の2つのIDT電極16をそれぞれ平衡入力用および出力用端子12,13に接続する。
【0021】
これにより、平衡入力用および出力用電極パターンが形成された電極パターンの出力用IDT電極は、同じ方向へ出力端子を形成できるため、2つの出力用の電極端子を対称な形で形成できる。
【0022】
上記のような構造のSAW素子を用いれば、図4に示すように、外部筐体30に実装し、ワイヤボンディングにより配線を行っても外部筐体の出力端子まで対称な構造にすることができる。また、図5に示すように、フリップチップ実装にしても外部筐体の出力端子まで対称な構造にすることができる。
【0023】
上記のような構造のSAW装置であれば、不平衡入出力端子から平衡入出力端子Aと平衡入出力端子Bまでの電極構造が対称な形状になっているため、電極構造に含まれるインダクタ成分や容量成分が各出力で等しくなり、その結果、平衡動作に優れたフィルタを作製することができる。
【0024】
また、実際に作製したSAW装置のIDT電極16電極間ギャップ(図1のdに示す長さ)を変化させ、IDT電極16どうしのギャップ長を横軸にとり、縦軸に電気特性である3.5dBでの帯域幅を取ったグラフを図7に示す。実験に用いたSAW装置はIDT電極を3つ併設した共振器型パターンを2段接続したものである。グラフ上から、約20MHz程度の帯域確保がなされていれば良好な挿入損失のフィルタであると判断されるため、0.75+n×λ/2〜0.87+n×λ/2(nは0,1,2・・・の0を含む正の整数、λはIDT電極の周期長である)の範囲が良好な帯域を示すことがわかる。なお、良好な範囲が周期性を持つことは、弾性表面波が対称な共振器型パターン上を伝搬し、共振状態となっていることから妥当であることが明白である。
【0025】
また、本発明の別の実施例を図2に示す。この図に示すように、初段に不平衡信号の共振器型パターン15を図1の入力側に接続することにより、フィルタ減衰量を大きく取れるように構成しても構わない。
【0026】
また、本発明の別の実施例を図3に示す。この図に示すように、IDT電極16を伝搬方向に複数併設しても構わない。
【0027】
また、SAW装置用の圧電基板として、36°±3°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶、42°±3°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶、64°±3°YカットX伝搬ニオブ酸リチウム単結晶、41°±3°YカットX伝搬リチウム単結晶、45°±3°XカットZ伝搬四ホウ酸リチウム単結晶は電気機械結合係数が大きく、かつ、周波数温度係数が小さいため圧電基板として好ましい。圧電基板の厚みは0.1mm〜0.5mm程度がよく、0.1mm未満では圧電基板がもろくなり、0.5mm超では材料コストと部品寸法が大きくなり、使用できない。
【0028】
また、IDT電極および反射器は、AlもしくはAl合金(Al−Cu系、Al−Ti系)からなり、蒸着法、スパッタ法、またはCVD法などの薄膜形成法により形成する。電極厚みは0.1μm〜0.5μm程度とすることがSAW装置としての特性を得るうえで好適である。
【0029】
また、本発明に係るSAW装置の電極および圧電基板上のSAW伝搬部にSi、SiO2、SiNx、Al2O3を保護膜として形成して、導電性異物による通電防止や耐電力向上を行ってもかまわない。
【0030】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更は何ら差し支えない。
【0031】
【実施例】
本発明に係る実施例を以下に説明する。
【0032】
まず、900MHz帯に中心周波数を持つSAW素子を作製した。42°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶からなる圧電基板上に、図1に示す構造の電極パターンを形成することにより作製した。
【0033】
まず、洗浄した基板にスパッタリング法によりAl−Cu電極を成膜した。膜厚は約0.4μmである。つぎに、レジストを約1μmの膜厚で塗布し、N2雰囲気中でベークを行った。つぎに紫外線を用いた縮小投影露光装置によるフォトリソグラフィー法により基板上に多数のSAWフィルタのレジストポジパターンを形成した。最小線幅は約1.0μmである。つぎに、RIE(Reactive Ion Etching)装置によるドライエッチングを行い、電極パターンを形成した。つぎに、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置により、電極パターンおよび圧電基板上にSiO2を約0.02μm形成した。
【0034】
つぎに、レジストを約1μmの膜厚で塗布し、N2雰囲気中でベークを行った。
【0035】
つぎに紫外線を用いた縮小投影露光装置によるフォトリソグラフィー法によりSAW共振子上SiO2の保護膜が形成できるようレジストパターンを形成した。
【0036】
つぎに、RIE(Reactive Ion Etching)装置によるドライエッチングを行い、SiO2による保護膜パターンを形成した。
【0037】
つぎに、ダイシングにより、SAW素子を個々に切り出した。つぎに、3mm角のセラミックパッケージにシリコン樹脂を塗布し、個々に切り出したSAW素子を1つ、セラミックパッケージ内に接着し、N2雰囲気中でベークを行った。
【0038】
つぎに、ワイヤボンディングにより30μm径のAu線を配線することにより、SAW装置を作製した。
【0039】
その後、SAW装置をネットワークアナライザに接続し、各出力の挿入損失の周波数特性を測定した。従来品の図9に示すような電極パターンのSAW素子を載置したSAW装置も作製し、挿入損失の周波数特性の評価を行い、通過帯域近傍の各出力の周波数特性を解析したところ(その結果を図12に示す)、従来品の各平衡出力の特性は通過帯域内で異なる特性を示し、良好な平衡の動作を示さず各出力の挿入損失の最大差異は約1.8dBに達した。
【0040】
一方、本発明の電極パターンによるSAW装置の通過帯域近傍の各出力の周波数特性を重ね書きしたグラフを図6に示す。本発明品の各出力の特性は非常によく一致し、平衡の動作をしていることが確認できた。各平衡出力の挿入損失の差は約0.5dB以下に収まった。
【0041】
この結果から、本発明品が従来に比べ、各出力の挿入損失の差が1.3dB向上していることが判り、本発明品のフィルタ特性が従来品に比べ改善されていることが確認された。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、平衡入力部または平衡出力部が形成された共振器型電極パターン15は、中央部IDT電極において、対向する1対の櫛歯状電極の本数が等しくなるように形成され、かつ、中央部IDT電極の両側に配設されるIDT電極が、中央部IDT電極に対して等距離にすることができるので、これにより、弾性表面波素子の平衡動作を良好とすることができ、本発明の弾性表面波素子を用いた回路では、平衡信号が良好となるため、基板回路によるノイズに強い回路構成が可能となり、信号選択度が向上する。
【0043】
さらに、不平衡入力用および出力用電極端子を不平衡入出力用電極パターンが形成された電極パターンの両端に配置されたIDT電極に接続し、上記中央部IDT電極と、平衡入力用および出力用電極パターンが形成された電極パターンの中央部IDT電極を電極パターンで接続し、平衡入力用および出力用電極パターンが形成された電極パターンの両側の2つのIDT電極をそれぞれ平衡入力用および出力用端子に接続することにより、平衡入力用および出力用電極パターンが形成された電極パターンの出力用IDT電極は、同じ方向へ出力端子を形成できるため、2つの出力用の電極端子を対称な形で形成できる。
【0044】
これにより、本発明の弾性表面波素子を外部筐体に収容した際、接続方法が対称になることで、平衡動作の良好なフィルタ特性が作製でき、より高品質な弾性表面波装置を提供することができるため、なおいっそう基板回路によるノイズに強い回路構成が可能となり、信号選択度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る2段接続のSAW素子の概略平面図である。
【図2】本発明に係るSAW素子の概略平面図である。
【図3】本発明に係るSAW素子の概略平面図である。
【図4】本発明のワイヤボンディングにより配線したSAW装置の上面図(平面図)および断面図である。
【図5】本発明のフリップチップ実装したSAW装置の上面図(平面図)および断面図である。
【図6】本発明のSAW装置における通過帯域近傍の周波数特性を示すグラフである。
【図7】最適なギャップ長を示すグラフである。
【図8】従来の1段接続のSAW素子の概略平面図である。
【図9】従来の2段接続のSAW素子の概略平面図である。
【図10】従来のワイヤボンディングにより配線したSAW装置の上面図である。
【図11】従来のフリップチップ実装したSAW装置の上面図である。
【図12】従来のSAW装置における通過帯域近傍の周波数特性を示すグラフである。
【符号の説明】
11:不平衡入出力端子
12:平衡入出力端子A
13:平衡入出力端子B
14:接地端子
15:共振器型電極パターン
16:IDT電極
17:反射器
18:圧電基板
21:外部筐体の不平衡入出力端子
22:外部筐体の平衡入出力端子A
23:外部筐体の平衡入出力端子B
24:外部筐体の接地端子
25:平衡入出力端子の接続用ワイヤ
26:平衡入出力端子の接続用ワイヤ
27:バンプ
28:ワイヤ
30:外部筐体
S1:本発明に係るSAW素子
S2:本発明に係る別形態のSAW素子
S3:本発明に係る別形態のSAW素子
S4:本発明に係るワイヤボンディング配線のSAW装置
S5:本発明に係るフリップチップ実装のSAW装置
J1:従来のSAW素子
J2:従来のワイヤボンディング配線のSAW装置
J3:従来のフリップチップ実装のSAW装置
Claims (4)
- 圧電基板上に、3以上の奇数個のIDT電極を弾性表面波の伝搬方向に沿って並設してなる共振器型電極パターンを2段に配設してなる弾性表面波素子であって、
1段目に配された前記共振器型電極パターンは、奇数個のIDT電極のうち中央に位置する第1中央部IDT電極と、前記第1中央部IDT電極の両側に配設され、互いに同位相となるように形成された2つのIDT電極と、を有し、
前記第1中央部IDT電極は、本数が異なる一対の櫛歯状電極から成るとともに両端の櫛歯状電極同士の電位は同電位とされ、
前記同位相となるように形成された2つのIDT電極は、それぞれ不平衡入出力端子と接続され、
2段目に配された前記共振器型電極パターンは、奇数個のIDT電極のうち中央に位置する第2中央部IDT電極と、前記第2中央IDT電極の両側に配され、互いに逆位相となるように形成された2つのIDT電極と、を有し、
前記第2中央部IDT電極は、本数が等しい一対の櫛歯状電極から成るとともに両端の櫛歯状電極同士の電位が異なる電位とされ、
前記逆位相となるように形成された2つのIDT電極の一方には平衡入出力端子Aが、他方には平衡入出力端子Bがそれぞれ接続され、
前記第1中央部IDT電極と前記第2中央部IDT電極とは、前記2つの共振器型電極パターンの間に配された直線状の浮き電極パターンを介して互いに接続され、
前記同位相となるように形成された2つのIDT電極の一方と前記逆位相となるように形成された2つのIDT電極の一方とが、接地端子に接続された第1の接地用電極パターンを介して互いに接続され、
前記同位相となるように形成された2つのIDT電極の他方と前記逆位相となるように形成された2つのIDT電極の他方とが、接地端子に接続された第2の接地用電極パターンを介して互いに接続されていることを特徴とする弾性表面波素子。 - 前記平衡入出力端子Aと前記平衡入出力端子Bとが対称な形で形成されている請求項1に記載の弾性表面波素子。
- 前記平衡入出力端子Aと前記平衡入出力端子Bとが互いに離れる方向に引き出されている請求項2に記載の弾性表面波素子。
- 請求項1乃至3に記載の弾性表面波素子をセラミック基板に固定するとともに、該セラミック基板に形成した電極端子に接続して成る弾性表面波装置。
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