JP5041004B2 - 弾性境界波装置 - Google Patents
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Description
本発明は、携帯電話等に用いられる弾性境界波装置に関する。
図４は特許文献１に記載されている従来の弾性境界波装置５０１の断面図である。ＬｉＮｂＯ３からなる媒質層１と、第１の媒質層１上に積層されてＳｉＯ２からなる媒質層２と、媒質層１、２との界面５０１Ａに設けられてＡｕからなるインターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）電極３とを備える。弾性境界波装置５０１では、メインモードとしてＳＨ型の弾性境界波が媒質層１、２の界面５０１Ａに沿って伝播する。
弾性境界波の伝播に伴って媒質層１、２が変位する。弾性境界波装置５０１では、ＳｉＯ２よりなる媒質層２の変位する範囲はＬｉＮｂＯ３よりなる媒質層１の変位する範囲より著しく広くなる。このように、弾性境界波は界面５０１Ａに集中せずに、媒質層１のＬｉＮｂＯ３が有する優れた圧電特性を十分発揮させることができず、電気機械結合係数を十分大きくできない。
弾性境界波装置は、圧電材料よりなる第１の媒質層と、第１の媒質層上に設けられた第２の媒質層と、第２の媒質層上に設けられた第３の媒質層と、第２の媒質と第３の媒質層との間の界面に設けられた電極とを備える。電極は第３の媒質層を駆動して横波を発生させる。第３の媒質層における横波の伝播速度は第１の媒質層における横波の伝播速度より小さい。第２の媒質層における横波の伝播速度が第１の媒質層における横波の伝播速度よりも小さく、第２の媒質層の主成分は第１の媒質層の主成分である圧電材料と同じである。
この弾性境界波装置は、大きな電気機械結合係数が得られる。
図１は本発明の実施の形態における弾性境界波装置１００１の断面図である。弾性境界波装置１００１は、圧電材料よりなる媒質層１１と、媒質層１１上に設けられた媒質層１３と、媒質層１３上に設けられた電極１４と、媒質層１３上でかつ電極１４上に設けられた媒質層１２とを備えている。媒質層１１はＬｉＮｂＯ３等の圧電材料よりなる。媒質層１２はＳｉＯ２等の絶縁材料よりなる。電極１４は、媒質層１２、１３間の界面１００１Ａに設けられている。媒質層１１の上面１１Ａは媒質層１３の下面１３Ｂに当接している。媒質層１３の上面１３Ａは媒質層１２の下面１２Ｂと電極１４の下面１４Ｂに当接する。電極１４の上面１４Ａと媒質層１３の上面１３Ａは媒質層１２の下面１２Ｂに当接する。媒質層１３は、媒質層１１となる圧電材料の基材の表面にＮｂ等の元素をドープして形成する。実施の形態では、電極１４はインターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）電極であり、媒質層１１〜１３を駆動して弾性波を発生させる。この弾性波のメインモードは横波である。すなわち、電極１４は媒質層１１〜１３を駆動して横波を発生させ、この横波は媒質層１１〜１３を伝播する。
弾性境界波装置１００１では、媒質層１２でのこの弾性波（横波）の伝播速度が媒質層１１でのこの弾性波（横波）の伝播速度より小さく、かつ媒質層１３でのこの弾性波（横波）の伝播速度が媒質層１１でのこの弾性波（横波）の伝播速度より小さい。これにより、電極１４の上面１４Ａの上方に設けられた媒質層１２における横波の伝播速度と、電極１４の下面１４Ｂの下方に設けられた媒質層１１、１３における横波の伝播速度との差を小さくすることができる。これにより、弾性波のメインモードである横波による媒質層１１〜１３の変位を媒質層１２、１３間の界面に集中させることができ、電気機械結合係数を大きくさせることができる。
媒質層１３は、媒質層１１となる圧電材料の基材の表面にＮｂ等の元素をドープして形成されるので、媒質層１３の主成分は媒質層１１の主成分と同じＬｉＮｂＯ３である。これにより、媒質層１１、１３が同等の圧電特性を有するので、より大きな電気機械結合係数が得られる。
なお、媒質層１３は媒質層１１となる圧電材料の基材の表面にＮｂをドープすることで形成することができるが、媒質層１１となる圧電材料の基材の表面にＷ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、希土類元素の中から選ばれる元素をドープすることで形成することができる。
また、プロトン交換により媒質層１１からＬｉ原子を離脱させて、Ｎｂの割合を増加させることで媒質層１３を形成してもよい。
電極１４は、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇなどを主に含有する導電材料で形成することができる。電極１４がＡｕを主成分として含有することで、大きな密度と小さい電気抵抗を有することができ望ましい。また、耐電力性を必要とするデュプレクサ等の装置には、電極１４はＣｕを主に含有することが望ましい。
なお、媒質層１２における横波の伝播速度が、媒質層１１における横波の伝播速度よりも大きい場合には、媒質層１３における横波の伝播速度が媒質層１１における横波の伝播速度よりも大きくする。これにより、電極１４の上面１４Ａの上方に設けられた媒質層１２における横波の伝播速度と、電極１４の下面１４Ｂの下方に設けられた媒質層１１、１３における横波の伝播速度との差を小さくすることができる。すなわち、媒質層１３における横波の伝播速度は、媒質層１１における横波の伝播速度と媒質層１２における横波の伝播速度との間の速度である。これにより、弾性波のメインモードである横波による媒質層１１〜１３の変位を媒質層１２、１３間の界面に集中させることができ、電気機械結合係数を大きくさせることができる。
この場合では、媒質層１１はＬｉＮｂＯ３よりなり、媒質層１２は酸化アルミニウムと酸化ケイ素を主に含有する混合酸化物よりなる。これにより、媒質層１２における横波の伝播速度を媒質層１１における横波の伝播速度よりも大きくすることができる。媒質層１３は、媒質層１１となる圧電材料の基材の表面にＬｉをドープして形成する。これにより、媒質層１３における横波の伝播速度を媒質層１１における横波の伝播速度よりも大きくすることができる。
媒質層１３は、媒質層１１となる圧電材料の基材の表面に上記の元素をドープして形成されるので、媒質層１３の主成分は媒質層１１の主成分と同じＬｉＮｂＯ３である。これにより、媒質層１１、１３が同等の圧電特性を有するので、より大きな電気機械結合係数が得られる。
なお、媒質層１１はＬｉＮｂＯ３に限るわけでなく、ドープする元素や離脱させる元素を適宜選ぶことによって、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、水晶など他の圧電材料で形成することができる。
図２は実施の形態における弾性境界波装置１００１の試料１〜３の特性を示し、電気機械結合係数と媒質層１３の厚みとの関係を示す。媒質層１１、１３はカット角１５度の回転Ｙ板のＬｉＮｂＯ３よりなる。媒質層１１〜１３を伝播する弾性境界波のメインモードの横波は波長λを有する。媒質層１２はＳｉＯ２よりなり、０．３λの膜厚を有する。電極１４はＣｕよりなり、０．０５λの膜厚を有する。上記の材料と方法で弾性境界波装置１００１の試料１〜３を作製した。試料１〜３について、媒質層１１における横波の伝播速度に対して媒質層１３における横波の伝播速度の低下率を測定し、試料１、２、３の低下率はそれぞれ１．５％、１．０％、０．５％である。ＬｉＮｂＯ３よりなる媒質層１１となる基材の表面にＭｇを５ｍｏｌ％ドープして媒質層１３を形成した場合、媒質層１１における横波の伝播速度に対して媒質層１３における横波の伝播速度をおよそ１％低下させることができる。
図２に示すように、試料１〜３のいずれでも、媒質層１３の膜厚が０．２λ以上０．８λ以下であるときに、弾性境界波装置１００１の電気機械結合係数を大きくすることができ、特に、媒質層１３の膜厚が０．５λであるときに弾性境界波装置１００１の電気機械結合係数を最大にすることができる。
ＬｉＴａＯ３を主に含有する媒質層１１、１３を備えた実施の形態における他の弾性境界波装置は、ＬｉＮｂＯ３を主に含有する媒質層１１、１３を備えた弾性境界波装置１００１とほぼ同じ特性を有する。この弾性境界波装置では、媒質層１１の組成比Ｌｉ２Ｏ：Ｔａ２Ｏ５は４８．５：５１．５であり、媒質層１３の組成比Ｌｉ２Ｏ：Ｔａ２Ｏ５は４７．５：５２．５である場合に、媒質層１１における横波の伝播速度に対して媒質層１３における横波の伝播速度をおよそ１％低下させることができる。
図３は、実施の形態における弾性境界波装置１００１を備えた電子機器２００１の概略図である。電子機器２００１は携帯電話であり、弾性境界波装置１００１と、弾性境界波装置１００１に結合する高周波回路５１とを備える。弾性境界波装置１００１により電子機器２００１の消費電流が抑えられ、受信感度を向上させることができる。
なお、実施の形態において、「上面」、「下面」、「上方」、「下方」等の方向を示す用語は、媒質層１１〜１３や電極１４の相対的な位置関係に依存する相対的な方向を示しているに過ぎず、上下方向等の絶対的な方向を示すものではない。
本発明の弾性境界波装置は電気機械結合係数を大きくすることができ、携帯電話等の各種機器に有用である。
１１ 媒質層（第１の媒質層）
１２ 媒質層（第３の媒質層）
１３ 媒質層（第２の媒質層）
１４ 電極
５１ 高周波回路
１００１ 弾性境界波装置
１００１Ａ 界面
２００１ 電子機器
１２ 媒質層（第３の媒質層）
１３ 媒質層（第２の媒質層）
１４ 電極
５１ 高周波回路
１００１ 弾性境界波装置
１００１Ａ 界面
２００１ 電子機器
Claims (8)
- 圧電材料よりなる第１の媒質層と、
前記第１の媒質層上に設けられた第２の媒質層と、
前記第２の媒質層上に設けられた第３の媒質層と、
前記第２の媒質と前記第３の媒質層との間の界面に設けられ、前記第３の媒質層を駆動して横波を発生させる電極と、
を備え、
前記第３の媒質層における横波の伝播速度は前記第１の媒質層における横波の伝播速度より小さく、
前記第２の媒質層における横波の伝播速度が前記第１の媒質層における横波の伝播速度よりも小さく、
前記第２の媒質層の主成分は前記第１の媒質層の主成分である前記圧電材料と同じである請求項１に記載の弾性境界波装置。 - 前記第１の媒質層はＬｉＮｂＯ3を主に含有する、請求項１に記載の弾性境界波装置。
- 前記第３の媒質層はＳｉＯ2を主に含有する、請求項２に記載の弾性境界波装置。
- 圧電材料よりなる第１の媒質層と、
前記第１の媒質層上に設けられた第２の媒質層と、
前記第２の媒質層上に設けられた第３の媒質層と、
前記第２の媒質と前記第３の媒質層との間の界面に設けられ、前記第３の媒質層を駆動して横波を発生させる電極と、
を備え、
前記第３の媒質層における横波の伝播速度は前記第１の媒質層における横波の伝播速度より大きく、
前記第２の媒質層における横波の伝播速度が前記第１の媒質層における横波の伝播速度よりも大きい、
弾性境界波装置。 - 前記第１の媒質層はＬｉＮｂＯ3を主に含有する、請求項４に記載の弾性境界波装置。
- 前記第３の媒質層が酸化アルミニウムと酸化ケイ素とを主に含有する混合酸化物よりなる、請求項５に記載の弾性境界波装置。
- 前記第２の媒質層の主成分は前記第１の媒質層の主成分と同じである、請求項４に記載の弾性境界波装置。
- 請求項１から７のいずれか１つに記載の弾性境界波装置と、
前記弾性境界波装置が結合する高周波回路と、
を備えた電子機器。
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