JP5128077B2 - 薄膜圧電共振器とそれを用いた薄膜圧電フィルタ - Google Patents
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上部電極の直径が160μm(d/t=72.7)で、緩衝領域の幅w、即ち、上部電極の端部と空隙部の端部との平面方向での距離wを、表1に記載の値とした図1の形態の薄膜圧電共振器を作製した。本実施例での各構成層の厚みは次のように設定した。下部電極をMoで厚み300nm、圧電層をAlNで厚み1700nm、上部電極をMoで厚み200nmとした。即ち、振動領域の圧電共振器スタックの厚みtを、2.2μmとした。図9および表1にこのようにして形成した共振器のQ値とw/tの関係を示す。上部電極が空隙部より小さい場合を、wがプラスとして表記している。0.25<w/t<2の範囲内では、Q値は大きな値となり、良好な共振器特性を示す。図10には上部電極が空隙部より2μm小さい場合(w=2μm、w/t=0.91)のインピーダンス、位相特性を示す。図9および図10より明らかなように、横音響モードによるノイズの発生が抑制されており、良好な薄膜圧電共振器が得られている。
緩衝領域の幅wの値を表1に記載の値にした以外は、実施例1と同様に、図1の形態の圧電薄膜共振器を作製した。結果を図9および表1に示す。図9および表1からわかるように、実施例1と同様の条件にて、W/t≦0.25またはw/t≧2の条件で作製した薄膜圧電共振器のQ値は、小さくなり好ましくない。また、w/t≧2の条件では、横音響モードによるスプリアスが発生するために、好ましくない。
上部電極、即ち振動領域の直径dを100μm(d/t=45.5)と、240μm(d/t=109.1)とした以外は、実施例2と同様な圧電薄膜共振器を作製した。上部電極の端部と空隙部の端部との平面方向での距離、即ち緩衝領域の幅wは2μmであり、w/t=0.91である。結果を表1に示す。表1からわかるように、比較的高いQ値を有するとともに、横音響モードによるスプリアスの発生を抑えた薄膜圧電共振器が得られている。
上部電極、即ち振動領域の直径を80μm(d/t=36.4)で、上部電極の端部と空隙部の端部との平面方向での距離、即ち、緩衝領域の幅wを5μm(w/t=2.27)とした図1の形態の薄膜圧電共振器を作製した。本比較例での各構成層の厚みは実施例1と同様とした。結果を表1に示す。得られた薄膜圧電共振器はインピーダンスが大きくなりすぎるとともに、Q値が低下するため好ましくない。
上部電極、即ち振動領域の直径を300μm(d/t=136.4)で、上部電極の端部と空隙部の端部との平面方向での距離、即ち、緩衝領域の幅wを5μm(w/t=2.27)とした図1の形態の薄膜圧電共振器を作製した。本比較例での各構成層の厚みは実施例1と同様とした。図11にインピーダンス、位相特性を示す。図11より明らかなように、横音響モードによるノイズが発生しており、好ましくない。
上部電極、即ち振動領域の長径を110μm、短径を90μm((a×b)1/2=45.2、実施例7)、長径を180μm、短径を140μm((a×b)1/2=72.2、実施例8)、および長径を260μm、短径を220μm((a×b)1/2=108.7、実施例9)で、上部電極の端部と空隙部の端部との平面方向での距離、即ち、緩衝領域の幅wを2μm(w/t=0.91)とした振動領域が楕円形である図2の形態の薄膜圧電共振器を作製した。本実施例での各構成層の厚みは実施例1と同様とした。結果を表1に示す。表1からわかるように、w/tを適当な範囲にすることにより、高いQ値を有する薄膜圧電共振器が得られている。また、長径が180μm、短径が140μmの条件で作製した薄膜圧電共振器のインピーダンス、位相特性を図12に示す。図12より明らかなように、横音響モードによるノイズの発生が抑制されている。
上部電極、即ち振動領域の長径を90μm、短径を70μm((a×b)1/2=36.1)で、上部電極の端部と空隙部の端部との平面方向での距離、即ち、緩衝領域の幅wを5μm(w/t=2.27)とした図2の形態の薄膜圧電共振器を作製した。本比較例での各構成層の厚みは実施例1と同様とした。結果を表1に示す。得られた薄膜圧電共振器はインピーダンスが大きくなりすぎるとともに、Q値が小さくなり好ましくない。
上部電極、即ち振動領域の長径が320μm、短径が280μm((a×b)1/2=136.1)で、上部電極の端部と空隙部の端部との平面方向での距離、即ち、緩衝領域の幅wを5μm(w/t=2.27)とした図2の形態の薄膜圧電共振器を作製した。本比較例での各構成層の厚みは実施例1と同様とした。結果を表1に示す。表1からわかるように、横音響モードによるノイズが発生するとともに、Q値が小さくなり好ましくない。
特許文献2に示されている平行な辺を持たない多角形で、共振器面積を実施例1と同一となるようにして薄膜圧電共振器を作製した。上部電極の端部と空隙部との端部との平面方向での距離、即ち、緩衝領域の幅wを5μm(w/t=2.27)として作製した。得られた薄膜圧電共振器の横音響モードによるノイズは抑制されていたものの、***振周波数におけるQ値は840と低い値を示した。適切な幅の緩衝領域と、電極形状としては、多角形より円形または楕円形とすることが好ましいことがわかる。
図1に記載のw=2μm(w/t=0.91)の条件とした薄膜圧電共振器を用いて、図6に記載の梯子型回路で1.9GHz帯の薄膜圧電フィルタを構成した。薄膜圧電フィルタの平面方向のレイアウトを図7に記載のものとした。直列共振器の振動領域の直径d1、並列共振器の振動領域の直径d2を、それぞれd1=180μm、d2=140μmとした。図13に薄膜圧電フィルタの通過特性を示す。図13より明らかなように、横音響モードによるスプリアスが抑制され通過帯域内のリップルが小さなフィルタが得られており、60MHzの通過帯域幅とした場合の帯域内の挿入損失は最大1.8dBと非常に小さくなっている。
図1に記載のw=2μm(w/t=0.91)の条件とした薄膜圧電共振器を用いて、図6に記載の梯子型回路で1.9GHz帯の薄膜圧電フィルタを構成した。薄膜圧電フィルタの平面方向のレイアウトは図7に記載のものとした。直列共振器の振動領域の直径d1、並列共振器の振動領域の直径d2を、それぞれd1=140μm、d2=180μmとした。図14に薄膜圧電フィルタの通過特性を示す。図14より明らかなように、図13に比べ挿入損失が大きく、60MHzの通過帯域幅とした場合の帯域内の挿入損失は最大2.8dBである。
図5に記載のw=2μm(w/t=0.91)の条件とした薄膜圧電共振器を用いて、図6に記載の梯子型回路で1.9GHz帯の薄膜圧電フィルタを構成した。薄膜圧電フィルタの平面方向のレイアウトは図8に記載のものとした。直列共振器の振動領域の長径a1および短径b1と、並列共振器の振動領域の長径a2およびb2は、それぞれa1=200μm、b1=160μmと、a2=160μm、b2=120μmした。横音響モードによるスプリアスが抑制され通過帯域内のリップルが小さなフィルタが得られ、60MHzの通過帯域幅とした場合の帯域内の挿入損失は最大1.7dBと非常に小さな薄膜圧電フィルタが得られた。
図5に記載のw=2μm(w/t=0.91)の条件とした薄膜圧電共振器を用いて、図6に記載の梯子型回路で1.9GHz帯の薄膜圧電フィルタを構成した。薄膜圧電フィルタの平面方向のレイアウトは図8に記載のものとした。直列共振器の振動領域の長径a1および短径b1と、並列共振器の振動領域の長径a2およびb2は、それぞれa1=160μm、b1=120μmと、a2=200μm、b2=160μmした。実施例10比べ挿入損失が大きく、60MHzの通過帯域幅とした場合の帯域内の挿入損失は最大2.6dBであった。
4 空隙部
6 基板
8 下部電極
10 上部電極
12 圧電共振器スタック
14 接続導体
16 振動領域
18 支持領域
20 緩衝領域
22 フレーム層
24 下部誘電体層
26 上部誘電体層
30 犠牲層エッチング用貫通孔
100 薄膜圧電フィルタ
110 接地導体
101、102 入出力ポート
111、113、115 直列薄膜圧電共振器
112、114、116 並列薄膜圧電共振器
Claims (7)
- 圧電層と該圧電層を挟んで対向するように形成された上部電極と下部電極とを有する圧電共振器スタックと、該圧電共振器スタックの下に形成された空隙部と、該空隙部を形成するように圧電共振器スタックを支持する基板とからなる1次モードの厚み縦振動を利用した薄膜圧電共振器であり、
前記圧電共振器スタックは、前記基板面に並行な平面方向において、前記上部電極と下部電極とが厚み方向で互いに重なる振動領域と、基板に接する支持領域、および、前記振動領域と前記支持領域の間の緩衝領域とからなり、
前記振動領域と支持領域との距離である前記緩衝領域の幅wが、前記振動領域の圧電共振器スタックの厚みtに対して、0.3≦w/t≦1.9の範囲にあり、
前記振動領域の形が円形であり、前記円の直径dが、前記振動領域の圧電共振器スタックの厚みtに対して、40≦d/t≦120の範囲にあることを特徴とする薄膜圧電共振器。 - 前記円の直径dは、前記振動領域の圧電共振器スタックの厚みtに対して、40≦d/t≦80の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の薄膜圧電共振器。
- 圧電層と該圧電層を挟んで対向するように形成された上部電極と下部電極とを有する圧電共振器スタックと、該圧電共振器スタックの下に形成された空隙部と、該空隙部を形成するように圧電共振器スタックを支持する基板とからなる1次モードの厚み縦振動を利用した薄膜圧電共振器であり、
前記圧電共振器スタックは、前記基板面に並行な平面方向において、前記上部電極と下部電極とが厚み方向で互いに重なる振動領域と、基板に接する支持領域、および、前記振動領域と前記支持領域の間の緩衝領域とからなり、
前記振動領域と支持領域との距離である前記緩衝領域の幅wが、前記振動領域の圧電共振器スタックの厚みtに対して、0.3≦w/t≦1.9の範囲にあり、
前記振動領域の形が楕円形であり、前記楕円の長径aと短径bは、前記振動領域の圧電共振器スタックの厚みtに対して、40≦(a×b)1/2/t≦120の範囲にあることを特徴とする薄膜圧電共振器。 - 前記楕円の長径aと短径bは、前記振動領域の圧電共振器スタックの厚みtに対して、40≦(a×b)1/2/t≦80の範囲にあることを特徴とする請求項3記載の薄膜圧電共振器。
- 請求項1または2記載の薄膜圧電共振器を複数用いた薄膜圧電フィルタであって、互いに直列に接続された複数の直列薄膜圧電共振器と、複数の並列薄膜圧電共振器とを有し、前記直列薄膜圧電共振器は、前記並列薄膜圧電共振器を介して接地されている薄膜圧電フィルタにおいて、前記直列薄膜圧電共振器の振動領域の直径をd1と、前記並列圧電共振器の振動領域の直径をd2としたときに、d1/2≦d2≦d1の範囲にあることを特徴とする薄膜圧電フィルタ。
- 請求項3または4記載の薄膜圧電共振器を複数用いた薄膜圧電フィルタであって、互いに直列に接続された複数の直列薄膜圧電共振器と、複数の並列薄膜圧電共振器とを有し、前記直列薄膜圧電共振器は、前記並列薄膜圧電共振器を介して接地されている薄膜圧電フィルタにおいて、前記直列薄膜圧電共振器の振動領域の長径をa1と短径をb1と、前記並列圧電共振器の振動領域の長径をa2と短径をb2としたときに、(a1×b1)/4≦(a2×b2)≦(a1×b1)の範囲にあることを特徴とする薄膜圧電フィルタ。
- 前記圧電共振器スタックは、前記上部電極の上、および/又は前記下部電極の下に、AlN、AlON、Si3N4、およびSiAlONからなる群より選択される少なくとも1つの誘電体層を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項記載の薄膜圧電共振器。
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