JP5709226B2 - 広帯域音響結合薄膜bawフィルタ - Google Patents
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Description
圧電板(ウェハ又は薄膜層)に生じるバルク音響厚み振動は板内を横方向に(水平方向に)伝搬し得る。このように横方向に伝搬する波モードは板波モード又はラム波モードと呼ばれる(非特許文献1)。ここでは板波モードという語を使用する。波は横波長λxで伝搬し、横波数kxを有する。
横方向伝搬板波は電極エッジなどの不連続部で反射され得る。従って、横方向に有限の構造においては、横方向定在波共振が生じ得る。横方向定在波共振は、有限構造の横寸法Wが横方向伝搬の波長λxの半分の整数倍(W=Nλx/2)に等しいときに生じる。整数Nは共振の次数を意味する。一次の共振では、構造の横方向長さ内に1半波長が存在する。
横方向伝搬板波の横波数kxと周波数fとの関係は板波の分散と呼ばれ、分散図として表される。分散図において、負のx軸は多くの場合虚波数(エバネッセント波)に対応し、正のx軸は実波数(伝搬波)に対応する。
圧電膜内の機械的振動により電界が発生する。この電界に対して共振器の電極間に電圧を生成するには、電極上の全電荷がゼロにならないようにする必要がある。
機械的振動は一つの共振器構造から別の共振器構造に機械的に結合することができる。機械的結合はエバネッセント波又は伝搬波により起こり得る。
マイクロ音響及び薄膜技術に基づく共振器及びフィルタなどの高周波数(RF)コンポーネントは現在、携帯電話、無線ネットワーク、衛星測位などの無線通信用途に広く使用されている。それらに対応する集中素子を上回るそれらの利点は小型で多量生産性であることにある。RF装置用の2つの主なマイクロ音響技術は、表面音響波(SAW)及びバルク音響波(BAW)技術である。
インターディジタルトランスデューサ(IDT)(金属薄膜ストリップのくし形構造 (図4参照) )が、圧電基板(例えば石英、LiNbO3又はLiTaO3)上にパターン化される。IDTは、電気入力信号Vinを圧電効果により表面伝搬音響波に変換するのみならず、出力ポートの音響信号をピックアップし、電気信号に戻すために使用される。装置の動作周波数は、音響波の速度とIDT電極の寸法とによってf=2p/vで決まり、ここで、fは周波数、pはIDTの周期及びvは表面音響波の速度である。従って、音響波の速度を一定に維持する場合、高い動作周波数ほど小さいpを必要とする。
BAW装置においては、電気入力信号を処理するために圧電ウェハ又は薄膜内部の音響振動が使用される。ソリッドマウントBAW共振器(SMR)においては、高及び低音響インピーダンス(Z)の交互の材料層からなる音響反射器が圧電薄膜内の振動を基板から分離し、音響漏洩を阻止するように作用する。メンブレン装置では、この分離が圧電共振器と基板との間に空隙を形成することによって達成されている。
上述したように、圧電層においては、励振周波数がスイープするにつれて、異なる厚み振動モード、例えば縦振動(厚み伸長振動とも呼ばれるz軸に平行な厚さ方向の振動)及びすべり振動(z軸に直角方向の振動)が生じる。このような厚み振動は板波として横方向に伝搬し得る。板波の音響特性は分散曲線で記述することができ、板波の横方向(z軸に直角方向)の波数kxは周波数fの関数として与えられる。
フィルタは、ワンポート共振器を電気的に接続することによってはしご型又は格子型フィルタを形成することができる。別の可能性として、共振器を1つの共振器から別の共振器へ音響波が互いに結合するよう空間的に十分に近接配置することによって共振器間に機械的(音響)結合を形成することができる。このような装置は結合共振器フィルタ(CRF)と呼ばれる。
音響フィルタに適した材料の積層体を備え、前記積層体は少なくとも一つの圧電層を含み、更に
幅及び間にギャップを有する少なくとも2つの共振器を備え、前記共振器は前記圧電層の異なる面上に電極を備え、前記圧電層の一つの面上の電極が少なくとも2つの共振器領域を形成するように分離され、前記圧電層の反対面上の電極が連続である、音響フィルタにおいて、
前記積層体の材料、幅及び分離された電極間のギャップが、全部で少なくとも2つの横方向定在波共振を有する少なくとも2つの異なる板波モードを当該音響フィルタ内で発生するように構成される。
音響フィルタに適した材料の積層体を備え、前記積層体は少なくとも一つの圧電層を含み、更に
幅及び間にギャップを有する少なくとも2つの共振器を備え、前記共振器は前記圧電層の異なる面上に電極を備え、前記圧電層の両面上の電極が少なくとも2つの共振器領域を形成するように分離されている、音響フィルタにおいて、
前記積層体の材料、前記圧電層の一つの面上の電極の幅及び電極間のギャップ、並びに前記圧電層の反対面上の電極の幅及び電極間のギャップが、全部で少なくとも2つの横方向定在波共振を有する少なくとも2つの異なる板波モードを当該音響フィルタ内で発生するように構成される。
音響広帯域フィルタのための構造設計及び材料を選択するステップ、及び
所望の中心周波数及び帯域幅を指定するステップ、
を備える方法において、
前記選択された構造設計及び材料を幅及び間にギャップを有する一組の共振器と一緒に使用して、全部で少なくとも2つの共振を有する少なくとも2つの異なる横方向伝搬厚み振動板波モードの結合を達成するような積層体を設計するステップ、及び
全部で少なくとも2つの共振を有する前記少なくとも2つの異なる横方向伝搬厚み振動板波モードを結合するように設計された前記フィルタ積層体を製造するステップであって、各モードは当該音響フィルタにおける少なくとも1つの横方向定在波共振に寄与するステップ、
を備える。
Claims (16)
- 音響フィルタに適した材料の積層体を備え、前記積層体は少なくとも2つの圧電層を含み、更に
幅と間にギャップを有する少なくとも2つの共振器を備え、前記共振器は前記圧電層の異なる面上に電極を備え、前記圧電層の少なくとも一つの面上の電極は少なくとも2つの共振器領域を形成するように分離されている、
音響フィルタにおいて、
前記積層体の材料、幅及び分離された電極間のギャップが、少なくとも一つの横方向定在波共振にそれぞれ寄与する少なくとも2つの異なる音響板波モードを当該音響フィルタ内で発生するように構成され、
前記音響フィルタは、積層体構造内に少なくとも2つの圧電層を備える、
ことを特徴とする音響フィルタ。 - 前記圧電層の一つの面上の電極のみが少なくとも2つの共振器領域を形成するように分離され、前記圧電層の反対面上に連続電極が設けられている、請求項1に記載の音響フィルタ。
- 前記圧電層の両面上の電極が少なくとも2つの共振器領域を形成するように分離されている、請求項1に記載の音響フィルタ。
- 前記電極の少なくとも2つは平衡電気ポートを提供するように電気的に接続されている、請求項3に記載の音響フィルタ。
- 前記音響フィルタの構造は、前記音響フィルタ内において全部で少なくとも3つの横方向定在波共振を有する少なくとも2つの異なる板波モードをトラップするように構成されている、請求項1−4のいずれかに記載の音響フィルタ。
- 前記少なくとも3つの横方向定在波共振のうちの少なくとも2つが一つの板波モードに対して生じ、前記少なくとも3つの横方向定在波共振のうちの少なくとも1つが別の板波モードに対して生じる、請求項5に記載の音響フィルタ。
- 前記音響フィルタの構造は、前記音響フィルタ内において全部で少なくとも4つの横方向定在波共振を有する少なくとも2つの異なる板波モードをトラップするように構成されている、請求項1−6のいずれかに記載の音響フィルタ。
- 前記少なくとも2つの異なる音響板波モードは少なくとも1つの縦モード及び少なくとも1つのすべりモードを備える、請求項1−7のいずれかに記載の音響フィルタ。
- 前記圧電層は、それらのc軸が垂直方向にある対称性群6mmから選択される、請求項1−8のいずれかに記載の音響フィルタ。
- 前記圧電層は、それらのc軸が垂直方向に対して傾斜した方向にある対称性群6mmから選択される、請求項1−8のいずれかに記載の音響フィルタ。
- 垂直電界が縦音響波及びすべり波の両方に結合される、請求項10に記載の音響フィルタ。
- 前記圧電層の対称性群及び結晶方向が、縦及びすべり音響厚みモードの両方で垂直電界と固有の結合を形成するように選択されている、請求項1−8のいずれかに記載の音響フィルタ。
- 前記圧電層はAlN又はZnOから形成される、請求項1−12のいずれかに記載の音響フィルタ。
- 音響広帯域フィルタのための構造設計及び材料を選択するステップ、及び
所望の中心周波数及び帯域幅を指定するステップ、
を備える、音響広帯域フィルタを製造する方法において、
前記選択された構造設計及び材料を幅及びそれらの間のギャップを有する一組の共振器と一緒に使用して、全部で少なくとも2つの共振を有する少なくとも2つの異なる横方向伝搬厚み振動板波モードの結合を達成するような積層体を設計するステップ、及び
全部で少なくとも2つの共振を有する前記少なくとも2つの異なる横方向伝搬厚み振動板波モードを結合するように設計された前記フィルタ積層体を製造するステップ、
を備え、
前記音響広帯域フィルタは、前記積層体構造内に少なくとも2つの圧電層を備える、
ことを特徴とする音響広帯域フィルタの製造方法。 - 前記積層体を、前記指定された中心周波数が前記少なくとも2つの異なる板波モードのオンセット周波数の間に位置し、異なる2つの板モードの前記オンセット周波数の周波数差が前記所望の帯域幅の約1/3になるように設計するステップを備える、請求項14に記載の製造方法。
- 請求項14または15に記載の方法で製造されたフィルタ。
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