WO2010047113A1 - 弾性表面波共振子、弾性表面波発振器および弾性表面波モジュール装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a surface acoustic wave resonator using a piezoelectric substrate, a surface acoustic wave oscillator, and a surface acoustic wave module device.
- Patent Document 1 a 41 ° rotation Y-axis cut lithium niobate substrate is used, and the ratio between the electrode finger width of the interdigital electrode and the pitch of the electrode fingers (line width ratio or line occupancy) is set.
- a technique is disclosed in which the Q value is improved by decreasing the distance from the central portion of the interdigital electrode toward both ends.
- Patent Document 1 is directed to a lithium niobate substrate as a piezoelectric substrate, and does not disclose a quartz substrate.
- the present invention has been made to solve at least a part of the above problems, and can be realized as the following forms or application examples.
- a surface acoustic wave resonator is a surface acoustic wave resonator in which an IDT having an electrode finger for exciting a surface acoustic wave is provided on a piezoelectric substrate.
- the width of one electrode finger, the center line of the interval between the one electrode finger and the electrode finger adjacent to one side thereof, and the interval between the one electrode finger and the electrode finger adjacent to the other side The value divided by the dimension between the center line and the line occupancy rate is the line occupancy rate, and the IDT sequentially changes the line occupancy rate from the central part to both ends, thereby comparing the frequency of the central part of the IDT, It includes a region formed so that the frequency is sequentially lowered from the central portion toward both ends.
- the line occupancy is sequentially changed from the center portion of the IDT having a large vibration displacement toward the end portion of the IDT having a small vibration displacement so that the frequency is sequentially decreased.
- the frequency can be lowered by setting the line occupancy ratio larger than that of the central portion of the IDT.
- the IDT includes a region having a uniform line occupancy ratio in the center, and the number Nf of electrode finger pairs in the region having a uniform line occupancy rate,
- the ratio Nf / N of the IDT to the total number N of electrode fingers is preferably in the range of 0 ⁇ Nf / N ⁇ 0.59.
- the vibration displacement in the central portion is increased by providing a region with a uniform line occupancy in the central portion of the IDT.
- the IDT end portion is set so that the line occupancy is changed and the frequency is lowered with respect to the center portion of the IDT having a large vibration displacement.
- the effect of confining vibration energy in the IDT can be enhanced, and the ratio Nf / N of the number Nf of electrode finger pairs in a region where the line occupancy is uniform and the total number N of electrode finger pairs of IDTs is set as above. If it is in the range, it is possible to realize a surface acoustic wave resonator having a better Q value than a conventional surface acoustic wave resonator.
- the ratio ⁇ r / ⁇ e between the line occupancy ⁇ r of the reflector and the line occupancy ⁇ e at the end of the IDT is 0.65 ⁇ ⁇ r / ⁇ e. It is desirable to be in the range of ⁇ 1.58.
- the ratio ⁇ r / ⁇ e of the line occupancy ratio between the reflector and the IDT end is in the range of 0.65 ⁇ ⁇ r / ⁇ e ⁇ 1.58, a higher Q value than that of the conventional surface acoustic wave resonator can be obtained. it can.
- the piezoelectric substrate has a Euler angle ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 26.0 ° to 40.7 °, 85 ° to 95 °). It is desirable that
- the surface acoustic wave resonator in which the Q value is improved and the CI value is reduced is mounted, the surface acoustic wave oscillator in which the excitation of the surface acoustic wave is stabilized and the power consumption is reduced can be provided. .
- Application Example 8 A surface acoustic wave module device according to the application example, wherein the surface acoustic wave resonator described above is mounted on a circuit board.
- the surface acoustic wave module device in which the excitation of the surface acoustic wave is stabilized and the power consumption is reduced is provided. it can.
- 1 is a schematic plan view showing a configuration of a surface acoustic wave resonator according to a first embodiment.
- Explanatory drawing which shows the relationship between the electrode finger position and electrode finger space
- Explanatory drawing which shows the relationship between the electrode finger position and line occupation rate in the surface acoustic wave resonator of 1st Embodiment.
- FIG. 6 is a schematic plan view showing a configuration of a surface acoustic wave resonator according to Modification 1.
- FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between electrode finger positions and electrode finger intervals of a surface acoustic wave resonator according to Modification 1;
- FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between electrode finger positions and line occupancy rates of surface acoustic wave resonators in Modification 1;
- the graph which shows the relationship between the value ((eta) e / (eta) c) which divided
- FIG. 10 is an explanatory diagram showing a relationship between electrode finger positions and electrode finger intervals of a surface acoustic wave resonator according to Modification 2.
- FIG. 10 is an explanatory diagram showing a relationship between electrode finger positions and line occupancy rates of surface acoustic wave resonators in Modification 2.
- the graph which shows the relationship between the value ((eta) r / (eta) e) which divided
- FIG. 6 is a schematic plan view illustrating a configuration of a surface acoustic wave resonator according to a second embodiment.
- Explanatory drawing which shows the relationship between the electrode finger position of the surface acoustic wave resonator and electrode finger interval in 2nd Embodiment.
- Explanatory drawing which shows the relationship between the electrode finger position of the surface acoustic wave resonator and line occupation rate in 2nd Embodiment.
- the graph which shows the relationship between the value (Nf / N) which divided
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a surface acoustic wave oscillator according to a third embodiment.
- the circuit block diagram which mounted the surface acoustic wave resonator of 4th Embodiment and comprised the receiver module.
- Explanatory drawing which shows the outline of the conventional surface acoustic wave resonator.
- the schematic diagram explaining a line occupation rate.
- FIG. 22 is an explanatory diagram showing an outline of a general surface acoustic wave resonator.
- the surface acoustic wave resonator 100 includes an IDT 102 made of interdigital electrodes on a quartz substrate 101 and a pair of reflectors 103 formed so as to sandwich the IDT 102 from both sides in a direction (arrow H direction) in which the surface acoustic wave propagates. And have.
- the quartz substrate 101 displays the Euler angles ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 26.0 ° to 40.7 °, 85 ° to 85 °) when the cut surface and the surface acoustic wave propagation direction are represented by Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ). 95 °).
- the IDT 102 is formed by alternately arranging electrode fingers 102a and 102b having different electrical polarities.
- the two electrode fingers 102a and 102b are called a pair of electrode fingers.
- the electrode finger interval PT which is the interval between the centers of the adjacent electrode fingers 102a and 102b, is uniformly formed in the IDT 102.
- the reflector 103 is formed such that a large number of electrode fingers 103a are arranged and become electrically neutral.
- the electrode finger interval PTr that is the interval between the centers of the adjacent electrode fingers 103 a is formed uniformly in the reflector 103.
- the ratio of the electrode fingers in the direction in which the surface acoustic waves propagate in the IDT 102 and the reflector 103 is referred to as a line occupation ratio ⁇ .
- the line occupation ratio ⁇ will be described with reference to FIG.
- the line width of the electrode fingers 102a and 102b is L
- the dimension between adjacent electrode fingers (the space portion where no electrode finger is formed) is S
- the distance between the center line and the center line between the adjacent electrode fingers Is the electrode finger interval PT.
- the dimension between the centerline of the dimension between adjacent electrode fingers is set to H.
- the IDT 102 and the reflector 103 are made of a metal material aluminum (Al) and set to a predetermined film thickness (0.06 ⁇ : ⁇ is the wavelength of the surface acoustic wave).
- the number of pairs of electrode fingers in the IDT 102 is set to 100, and the number of reflectors 103 is set to 25 (total number of pairs 150).
- an SH Shear Horizontal wave is excited in the IDT 102 and a Q value of 5500 is realized as a characteristic.
- FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration of a surface acoustic wave resonator according to this embodiment.
- FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode finger position and the electrode finger interval in the surface acoustic wave resonator according to this embodiment.
- FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode finger position and the line occupancy rate in the surface acoustic wave resonator according to this embodiment.
- FIG. 4 is an explanatory view showing the cutting angle of the quartz substrate and the surface acoustic wave propagation direction.
- FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the line occupation ratio.
- the surface acoustic wave resonator 1 has an IDT 12 composed of interdigital electrodes on a quartz crystal substrate 11 serving as a piezoelectric substrate and sandwiches the IDT 12 from both sides in the direction in which the surface acoustic wave propagates (arrow H direction).
- a pair of reflectors 13 formed as described above.
- the quartz substrate 11 displays the Euler angles ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 26.0 ° to 40.7 °, 85 ° to 85 °) when the cut surface and the surface acoustic wave propagation direction are represented by Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ). 95 °) quartz substrate.
- the crystal axis of quartz is defined by the X axis (electric axis), the Y axis (mechanical axis), and the Z axis (optical axis), and the Euler angles (0 °, 0 °, 0 °) are Z
- the crystal Z plate 8 is perpendicular to the axis.
- the Euler angle ⁇ (not shown) relates to the first rotation of the quartz crystal Z plate 8, and the direction of rotation from the + X axis to the + Y axis is defined as a positive rotation angle with the Z axis as the rotation axis.
- the Euler angle ⁇ relates to the second rotation after the first rotation of the crystal Z plate 8.
- the X axis after the first rotation is the rotation axis, and the + Z axis side from the + Y axis after the first rotation. This is the second rotation angle with the direction of rotation to the positive rotation angle.
- the cut surface of the quartz substrate 11 is determined by the first rotation angle ⁇ and the second rotation angle ⁇ .
- the Euler angle ⁇ relates to the third rotation performed after the second rotation of the quartz crystal Z plate 8.
- the Z axis after the second rotation is the rotation axis
- the second rotation from the + X axis after the second rotation is the second rotation.
- This is the third rotation angle in which the direction of rotation toward the + Y axis after rotation is the positive rotation angle.
- the propagation direction of the surface acoustic wave is represented by a third rotation angle ⁇ with respect to the X axis after the second rotation.
- the surface acoustic wave resonator 1 uses a quartz substrate 11 having a first rotation angle ⁇ of ⁇ 1 ° to + 1 ° and a second rotation angle ⁇ of 26.0 ° to 40.7 °.
- This angle ⁇ is also called an in-plane rotation angle.
- This quartz substrate has a small frequency variation with respect to temperature change and good frequency temperature characteristics.
- the IDT 12 is formed by alternately arranging the electrode fingers 12a and 12b so as to have different electrical polarities.
- the two electrode fingers 12a and 12b are counted as a pair of electrode fingers, and the number of electrode fingers in the IDT 12 is set to 100 pairs.
- the distance between the centers of the adjacent electrode fingers 12a and 12b is defined as the electrode finger interval.
- the electrode finger interval of the IDT 12 is constant at PT as shown in FIG.
- the ratio of the electrode fingers in the direction in which the surface acoustic waves propagate in the IDT 12 and the reflector 13 is referred to as a line occupancy ⁇ .
- the line occupancy is different between the adjacent electrode fingers 12a and 12b, the interval between the adjacent space portions on the both sides is different, so the calculation is performed as follows.
- the line widths of the adjacent electrode fingers are L 0 , L 1 , L 2 , and the dimensions between the adjacent electrode fingers (space portions where no electrode fingers are formed) are S L , S R , and the interval between adjacent electrode fingers is PT.
- the line occupancy ⁇ of the IDT 12 has a relationship of ⁇ c ⁇ e, where ⁇ c is the line occupancy ⁇ at the center of the IDT 12 and ⁇ e is the line occupancy ⁇ at the end of the IDT 12. Further, the line occupancy ⁇ c changes from the center toward both ends of the IDT 12 and gradually increases up to the line occupancy ⁇ e.
- the reflector 13 is formed so that a large number of electrode fingers 13a are arranged and become electrically neutral. However, the reflector 13 may be grounded or connected to one of the electrode fingers 12a and 12b.
- the electrode finger interval which is the interval between the centers of the adjacent electrode fingers 13a, is uniform in PTr as shown in FIG.
- the line occupancy of the reflector 13 is set to the same value as the line occupancy ⁇ c at the center of the IDT 12 as shown in FIG.
- two adjacent electrode fingers 13 a are counted as a pair of electrode fingers. In this embodiment, 25 pairs (50) of electrode fingers 13 a are arranged on the left and right.
- the IDT 12 and the reflector 13 are made of a metal material aluminum (Al), and the predetermined film thickness is set to 0.06 ⁇ ( ⁇ is the wavelength of the surface acoustic wave).
- an SH wave is excited in the IDT 12, and a Q value of 10800 is realized as a characteristic.
- FIG. 6 is a graph showing the relationship between the line occupancy ⁇ and the frequency of the surface acoustic wave resonator.
- the line occupancy ⁇ increases from about 0.4, the frequency decreases, and when the line occupancy ⁇ is about 0.53, the frequency becomes the lowest.
- the line occupancy ⁇ further increases from 0.53, the frequency increases.
- the IDT 12 is compared with the frequency at the center of the IDT 12.
- the frequency at the end of is set low.
- the line occupancy is sequentially changed from the center to the end of the IDT 12 so that the frequency is sequentially lowered.
- the ratio ⁇ e / ⁇ c of the line occupancy ratio between the central portion and the end portion of the IDT 12 is in the range of 1.0 ⁇ e / ⁇ c ⁇ 1.85, it exceeds the Q value (5500) of the conventional surface acoustic wave resonator.
- the surface acoustic wave resonator 1 is set so that the frequency gradually decreases by changing the line occupancy ⁇ sequentially from the center of the IDT 12 having a large vibration displacement toward the end of the IDT 12 having a small vibration displacement.
- the surface acoustic wave resonator 1 having a better Q value than the conventional surface acoustic wave resonator can be realized.
- the surface acoustic wave resonator 1 can be downsized.
- the reflection of the surface acoustic wave caused by the frequency difference is disclosed in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-335966, and the description thereof is omitted here.
- Tables 1 and 2 mainly show the Q values of the surface acoustic wave resonators when the Euler angles of the quartz substrate are variously changed.
- Table 1 shows that the line occupation ratios ⁇ e and ⁇ c are equal to each other in the IDT.
- a comparative example in which the line occupancy is uniform over the whole, Table 2, is based on the first embodiment.
- the IDT 12 and the reflector 13 are made of a metal material aluminum (Al), and the predetermined film thicknesses of the Euler angles of the quartz substrate are ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 26.0 ° to 40.7 °, 85 ° to 95).
- ° is set to 0.06 ⁇ ( ⁇ is the wavelength of the surface acoustic wave), and when the Euler angle of the quartz substrate is (-1 ° to + 1 °, 113 ° to 135 °, ⁇ 5), it is set to 0.1 ⁇ . ing.
- the surface acoustic wave resonator according to the present invention is more preferable than the surface acoustic wave resonator in which the line occupancy is uniform throughout the IDT. It is clear that a high Q value can be realized.
- the Euler angles of the quartz substrate are ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 113 ° to 135 °, ⁇ 5)
- the logarithm of IDT 12 is 30 pairs and the number of reflectors 13 is 5 pairs, although the logarithm is as small as 20000.
- the high Q value as described above is obtained, and the effect is great.
- the energy confinement of the surface acoustic wave becomes weak and the Q value is lowered. Therefore, the surface acoustic wave reflection amount per electrode finger is increased by increasing the film thickness of the IDT 12 and the reflector 13 to increase the energy confinement of the surface acoustic wave.
- the film thickness is increased, a portion of the surface acoustic wave energy is easily converted into a bulk wave when the surface acoustic wave is reflected by the electrode fingers. There were times when I could not get enough. According to the present embodiment, an increase in bulk wave conversion loss accompanying an increase in film thickness is suppressed, and effects of strengthening energy confinement and increasing Q are obtained.
- the line occupancy rate of the reflector is set to be equal to the line occupancy rate of the IDT central portion.
- the line occupancy rate of the reflector is equal to the line occupancy rate of the IDT end portion.
- FIG. 8 is a schematic plan view showing the configuration of the surface acoustic wave resonator according to this modification.
- FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode finger position and the electrode finger interval in the surface acoustic wave resonator according to this modification.
- FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode finger position and the line occupancy rate in the surface acoustic wave resonator according to this modification.
- the surface acoustic wave resonator 2 is formed on the quartz substrate 11 so as to sandwich the IDT 22 composed of interdigital electrodes and the IDT 22 from both sides in the direction in which the surface acoustic wave propagates (arrow H direction). And a pair of reflectors 23.
- the quartz substrate 11 displays the Euler angles ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 26.0 ° to 40.7 °, 85 ° to 85 °) when the cut surface and the surface acoustic wave propagation direction are represented by Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ). 95 °) quartz substrate.
- a quartz substrate having Euler angles of ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 113 ° to 135 °, ⁇ 5) can be used.
- the IDT 22 is formed by alternately arranging the electrode fingers 22a and 22b so as to have different electrical polarities.
- the number of electrode fingers in the IDT 22 is set to 100 pairs.
- the electrode finger interval of the IDT 22 is constant at PT as shown in FIG.
- the line occupancy ⁇ of the IDT 22 has a relationship of ⁇ c ⁇ e where the line occupancy ⁇ at the center of the IDT 22 is ⁇ c and the line occupancy ⁇ at the end of the IDT 22 is ⁇ e. Further, the line occupancy ⁇ c changes from the center toward both ends of the IDT 22 and gradually increases to the line occupancy ⁇ e.
- the reflector 23 is formed such that a large number of electrode fingers 23a are arranged and become electrically neutral. However, the reflector 23 may be grounded or connected to one of the electrode fingers 22a and 22b.
- the electrode finger interval that is the interval between the centers of the adjacent electrode fingers 23a is uniform in PTr.
- the line occupancy of the reflector 23 is set to the same value as the line occupancy ⁇ e at the end of the IDT 22. In this modification, the reflector 23 has 25 pairs of left and right electrode fingers 23a.
- the IDT 22 and the reflector 23 are made of a metal material aluminum (Al), and the predetermined film thickness is set to 0.06 ⁇ ( ⁇ is the wavelength of the surface acoustic wave).
- the SH wave is excited in the IDT 22 and the Q value is realized as 20000.
- the line occupancy of the reflector is set to be equal to the line occupancy of the IDT central portion.
- the line occupancy of the reflector is set larger than the line occupancy of the IDT end. did. Since the configuration of the surface acoustic wave resonator according to this modification is substantially the same as that of Modification 1, a detailed description thereof will be omitted and a brief description will be given.
- FIG. 12 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode finger position and the electrode finger interval in the surface acoustic wave resonator according to this modification.
- FIG. 13 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode finger position and the line occupancy rate in the surface acoustic wave resonator according to this modification.
- the surface acoustic wave resonator has an IDT composed of interdigital electrodes on a quartz substrate and a pair of reflectors.
- the quartz substrate is Euler angles ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 26.0 ° to 40.7 °, 85 ° to 95).
- Quartz substrate In another embodiment, a quartz substrate having Euler angles of ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 113 ° to 135 °, ⁇ 5) can be used.
- the logarithm of IDT is set to 100 pairs, and the electrode finger interval of IDT is constant at PT as shown in FIG.
- the IDT line occupancy ⁇ has a relationship of ⁇ c ⁇ e, where ⁇ c is the line occupancy ⁇ at the center of the IDT and ⁇ e is the line occupancy ⁇ at the end of the IDT. Further, the line occupancy ⁇ c is changed from the central portion toward both ends of the IDT so as to gradually increase up to the line occupancy ⁇ e.
- the electrode finger interval of the reflector is uniform in PTr.
- the line occupancy ⁇ r of the reflector is set to be larger than the line occupancy ⁇ e at the end of the IDT.
- the number of reflectors is 25 pairs of left and right electrode fingers.
- the IDT and the reflector are made of a metal material aluminum (Al), and the predetermined film thickness is set to 0.06 ⁇ ( ⁇ is the surface acoustic wave wavelength).
- the SH wave is excited in the IDT, and a Q value of 20500 is realized as a characteristic.
- FIG. 15 is a schematic plan view showing the configuration of the surface acoustic wave resonator according to this embodiment.
- FIG. 16 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode finger position and the electrode finger interval in the surface acoustic wave resonator according to this embodiment.
- FIG. 17 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrode finger position and the line occupancy rate in the surface acoustic wave resonator according to this embodiment.
- the surface acoustic wave resonator 3 is formed on the quartz substrate 31 so as to sandwich the IDT 32 composed of interdigital electrodes and the IDT 32 from both sides in the direction in which the surface acoustic wave propagates (arrow H direction). And a pair of reflectors 33.
- the quartz substrate 11 displays the Euler angles ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 26.0 ° to 40.7 °, 85 ° to 85 °) when the cut surface and the surface acoustic wave propagation direction are represented by Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ). 95 °) quartz substrate.
- a quartz substrate having Euler angles of ( ⁇ 1 ° to + 1 °, 113 ° to 135 °, ⁇ 5) can be used.
- the IDT 32 is formed by alternately arranging the electrode fingers 32a and 32b so as to have different electrical polarities.
- the electrode finger interval of the IDT 32 is constant at PT as shown in FIG.
- the IDT 32 has a region where the line occupancy is uniform at the center of the IDT 22.
- the line occupancy ⁇ in the region where the line occupancy is uniform is ⁇ c and the line occupancy ⁇ at the end of the IDT 22 is ⁇ e
- the relationship is ⁇ c ⁇ e.
- the line occupancy ⁇ c changes from the central portion toward both ends of the IDT 32 and gradually increases to the line occupancy ⁇ e.
- the logarithm of IDT32 is N, and the logarithm of the central part is Nf. In this embodiment, the logarithm N of IDT32 is set to 100 pairs, and the logarithm Nf of the central part is set to 40 pairs.
- the reflector 33 is formed such that a large number of electrode fingers 33a are arranged and become electrically neutral. However, the reflector 33 may be grounded or connected to one of the electrode fingers 32a and 32b.
- the electrode finger interval which is the interval between the centers of adjacent electrode fingers 33a, is uniform in PTr.
- the line occupancy of the reflector 33 is set to the same value as the line occupancy ⁇ e at the end of the IDT 32. In this embodiment, the reflector 33 has 25 pairs of electrode fingers 33a on the left and right sides.
- the IDT 32 and the reflector 33 are made of a metal material aluminum (Al), and the predetermined film thickness is set to 0.06 ⁇ ( ⁇ is the wavelength of the surface acoustic wave).
- an SH wave is excited in the IDT 32 and a Q value of 22500 is realized as a characteristic.
- the vibration displacement of the central portion is increased by providing a region having a uniform line occupancy in the central portion of the IDT 32.
- the edge part of IDT32 is set so that a frequency may fall by changing a line occupation rate with respect to the center part of IDT32 with large vibration displacement.
- the effect of confining vibration energy in the IDT 32 can be enhanced, and the ratio Nf / N between the logarithm Nf of the region where the line occupancy is uniform and the total logarithm N of the IDT 32 is within the above range.
- the surface acoustic wave resonator 3 having a better Q value can be realized as compared with the conventional surface acoustic wave resonator.
- the surface acoustic wave resonator 3 can be downsized.
- the electrode material of the IDT and reflector is used as the electrode material of the IDT and reflector, but an aluminum alloy has the same effect.
- gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing any of these as a main component may be used. good.
- the film thickness of the IDT electrode is 0.06 ⁇ ( ⁇ is the wavelength of the surface acoustic wave), but it has been confirmed that the same effect can be obtained with other electrode film thicknesses.
- the said embodiment although it was set as the structure which provided the reflector on both sides of IDT, the same effect can be acquired even if it is a structure without a reflector. (Third embodiment)
- a surface acoustic wave oscillator can be configured by mounting the surface acoustic wave resonator described above in a package.
- FIG. 20 is a schematic sectional view showing a surface acoustic wave oscillator in which a surface acoustic wave resonator is mounted in a package.
- the surface acoustic wave oscillator 40 includes a ceramic package 41, an IC chip 42, a surface acoustic wave resonator 1, a lid 47, and the like.
- the ceramic package 41 is formed with a recess 48 opened by laminating ceramic sheets.
- the ceramic package 41 is provided with a seam ring 45 made of a metal material such as Kovar so as to surround the opening.
- an external connection electrode 46 is formed on the outer peripheral surface of the ceramic package 41 so as to be connected to the outside such as a circuit board. Although not shown, a wiring for connecting the external connection electrode 46 and the inside of the recess 48 of the ceramic package 41 is provided.
- An IC chip 42 is fixed as a circuit element on the bottom surface of the recess 48 of the ceramic package 41 and mounted with a metal wire such as a gold wire.
- the IC chip 42 includes an oscillation circuit that excites the surface acoustic wave resonator 1 and may include a temperature compensation circuit, a voltage control circuit, and the like. Further, the surface acoustic wave resonator 1 is fixed to the shelf of the recess 48 of the ceramic package 41 with an adhesive 44. A pad connected to the IDT is connected by a metal wire 43.
- a lid 47 made of a metal material such as Kovar is disposed above the recess 48 of the ceramic package 41, and the lid 47 and the seam ring 45 are seam-welded so that the recess 48 of the ceramic package 41 is hermetically sealed. Is sealed.
- the surface acoustic wave resonator 1 having an improved Q value and a reduced CI value is mounted in the ceramic package 41, the surface acoustic wave is stabilized and the power consumption is reduced.
- the oscillator 40 can be obtained.
- FIG. 21 is a circuit block diagram in which a receiver module is configured by mounting a surface acoustic wave resonator on a circuit board as an example of a surface acoustic wave module device.
- the receiver module 50 includes a receiving antenna 51, a low noise amplifier (LNA) 52, a mixer 53, a local oscillator 54, an intermediate frequency (IF) amplifier 55, and a detector 56.
- the receiving antenna 51 is connected to the input of the mixer 53 via the LNA 52.
- a local oscillator 54 is also connected to the input of the mixer 53.
- the local oscillator 54 includes a surface acoustic wave resonator and an oscillation circuit that excites the surface acoustic wave resonator. As a result, the local oscillator 54 can reliably output the frequency signal to the mixer 53.
- An IF amplifier 55 and a detector 56 are connected in series to the output of the mixer 53.
- a signal transmitted from a transmitter as a counterpart is input to the LNA 52 via the receiving antenna 51, amplified by the LNA 52, and then input to the mixer 53.
- the mixer 53 receives the frequency signal from the local oscillator 54, down-converts the signal input from the LNA 52, and outputs it.
- the down-converted signal is amplified by the IF amplifier 55 and then input to the detector 56 to be detected.
- the receiver module 50 can receive signals transmitted from the transmitter. Further, since the receiver module 50 includes the above-described surface acoustic wave resonator in the local oscillator 54, it is possible to stably receive signals and obtain a receiver module with low power consumption. Note that the above receiver module can be attached to an exterior or the like to be configured as an electronic device.
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Abstract
Description
近年、携帯機器の普及により、これらに使用される弾性表面波共振子の小型化が要求されている。弾性表面波共振子の小型化にあたり、Q値の低下あるいはCI値の増加が起こり、弾性表面波共振子の特性が充分に得られないという問題がある。
この対策として、例えば特許文献1には、41°回転Y軸カットのニオブ酸リチウム基板を用い、すだれ状電極の電極指幅と電極指のピッチとの比(線幅比またはライン占有率)を、すだれ状電極の中央部から両端に近づくに従って小さくして、Q値を向上させる技術が開示されている。
また、特許文献1は圧電基板としてニオブ酸リチウム基板を対象にしており、水晶基板についての開示はない。
このようにIDTにライン占有率で重み付けすることにより、IDT内への振動エネルギーの閉じ込め効果を高めることができ、従来の弾性表面波共振子に比べて、Q値の良好な弾性表面波共振子を実現することができる。このことから、弾性表面波共振子の小型化が可能となる。
最初に、本発明の理解と実施形態との比較のため、比較例としての弾性表面波共振子について説明する。
図22は、一般的な弾性表面波共振子の概略を示す説明図である。
弾性表面波共振子100は、水晶基板101上にすだれ状電極からなるIDT102と、弾性表面波が伝搬する方向(矢印H方向)にIDT102を両側から挟むように形成された1対の反射器103と、を有している。
IDT102は、電気的な極性が異なる電極指102a,102bが交互に配列されて形成されている。この2本の電極指102a,102bを1対の電極指と呼ぶ。
また、隣接する電極指102aと電極指102bの中心と中心との間隔である電極指間隔PTは、IDT102内で一様に形成されている。
反射器103は電極指103aが多数配列され、電気的に中立となるように形成されている。また、隣接する電極指103aの中心と中心との間隔である電極指間隔PTrは、反射器103内で一様に形成されている。
電極指102a,102bの線幅をL、隣接する電極指との間(電極指が形成されていないスペース部分)の寸法をS、隣接する電極指との間隔の中心線と中心線との間の寸法を電極指間隔PTとする。また、隣接する電極指との間の寸法の中心線と中心線との間の寸法をHとする。ライン占有率ηは、η=L/H=L/(L+1/2(S+S))=L/(L+S)、である。なお、このように同じ線幅の電極指が同じ電極指間隔で並んでいるので、電極指間隔PT=L+S=H、である。
なお、IDT102と反射器103は金属材料のアルミニウム(Al)で形成され、所定の膜厚(0.06λ:λは弾性表面波の波長)に設定されている。また、IDT102における電極指の対数は100対、反射器103はそれぞれ25対に設定されている(総対数150対)。
以上のような弾性表面波共振子100において、IDT102にSH(Shear Horizontal)波が励振され、特性としてQ値は5500を実現している。
(第1の実施形態)
図1は本実施形態の弾性表面波共振子の構成を示す模式平面図である。図2は本実施形態の弾性表面波共振子における電極指位置と電極指間隔の関係を示す説明図である。図3は本実施形態の弾性表面波共振子における電極指位置とライン占有率の関係を示す説明図である。図4は水晶基板の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向を示す説明図である。図5はライン占有率を説明する模式図である。
図4に示すように、水晶の結晶軸はX軸(電気軸)、Y軸(機械軸)およびZ軸(光軸)によって定義され、オイラー角(0°,0°,0°)はZ軸に垂直な水晶Z板8となる。ここで、オイラー角のφ(図示せず)は水晶Z板8の第1の回転に関するものであり、Z軸を回転軸とし、+X軸から+Y軸側へ回転する方向を正の回転角度とした第1回転角度である。オイラー角のθは水晶Z板8の第1の回転後に行う第2の回転に関するものであり、第1の回転後のX軸を回転軸とし、第1の回転後の+Y軸から+Z軸側へ回転する方向を正の回転角度とした第2回転角度である。水晶基板11のカット面は第1回転角度φと第2回転角度θとで決定される。オイラー角のψは水晶Z板8の第2の回転後に行う第3の回転に関するものであり、第2の回転後のZ軸を回転軸とし、第2の回転後の+X軸から第2の回転後の+Y軸側へ回転する方向を正の回転角度とした第3回転角度である。弾性表面波の伝搬方向は第2の回転後のX軸に対する第3回転角度ψで表される。弾性表面波共振子1は、第1回転角度φを-1°~+1°とし、第2回転角度θを26.0°~40.7°とした水晶基板11が用いられている。さらに、弾性表面波の伝搬方向がψ=85°~95°の範囲となるようにIDT12が配置されている。この角度ψは面内回転角とも呼ばれている。この水晶基板は温度変化に対する周波数変動が小さく、周波数温度特性が良好である。
ここで、隣接する電極指12aと電極指12bの中心と中心との間隔を電極指間隔とする。IDT12の電極指間隔は、図2に示すようにPTで一定である。
隣接する電極指12a,12bにおいて、ライン占有率が異なる場合は、両側に隣接するスペース部分の間隔が異なるため、次のように算出する。
図5に示すように、隣接する電極指の線幅をそれぞれL0、L1、L2、隣接する電極指との間(電極指が形成されていないスペース部分)の寸法をSL、SR、隣接する電極指間隔をPTとする。電極指間隔PT=SL+1/2(L0+L1)、または、PT=SR+1/2(L1+L2)、であり、中央の電極指におけるライン占有率は、η=L1/(L1+1/2(SL+SR))、となる。
隣接する電極指13aの中心と中心との間隔である電極指間隔は、図2に示すようにPTrで一様である。また、反射器13のライン占有率は、図3に示すようにIDT12の中央部のライン占有率ηcと同じ値に設定されている。
反射器13において、隣接する2本の電極指13aをもって1対の電極指と数え、本実施形態では左右それぞれ25対(50本)の電極指13aが配置されている。
電極指間隔はPT=5.000μm、PTr=5.025μm、である。また、ライン占有率はηc=0.43、ηe=0.53、に設定されている。
以上のような弾性表面波共振子1において、IDT12にSH波が励振され、特性としてQ値は10800を実現している。
図6は弾性表面波共振子のライン占有率ηと周波数の関係を表すグラフである。
ライン占有率ηが約0.4から大きくなると周波数は低下し、およそライン占有率ηが0.53のときに周波数が最低となる。そして、ライン占有率ηが0.53からさらに大きくなると周波数は上昇する。
本実施形態では、IDT12の中央部ではライン占有率ηc=0.43、IDT12の端部ではライン占有率ηe=0.53、を採用しており、IDT12の中央部の周波数に対して、IDT12の端部の周波数が低く設定されている。そして、IDT12の中央部から端部に向かい、ライン占有率を順次変化させることで、周波数が順次低くなるように形成されている。
このグラフから、ηe/ηcが1.0から大きくなるに従い、Q値は大きくなり、ηe/ηc=1.4のときにQ値は最大になる。そして、ηe/ηcが1.4から大きくなるに従い、Q値は小さくなっていく。
IDT12の中央部および端部のライン占有率の比ηe/ηcが、1.0<ηe/ηc<1.85の範囲にあれば、従来の弾性表面波共振子のQ値(5500)を超え、ライン占有率で重み付けを施さない場合(ηe/ηc=1.0)よりもQ値が向上する。
このように、各電極指の端面における弾性表面波の反射だけでなく、周波数差に起因する弾性表面波の反射も多くの箇所で発生するので、IDT12内への振動エネルギーの閉じ込め効果を高めることができ、従来の弾性表面波共振子に比べて、Q値の良好な弾性表面波共振子1を実現することができる。このことから、弾性表面波共振子1の小型化が可能である。なお、周波数差に起因する弾性表面波の反射については、特開平10-335966号公報に詳細に開示されているので、ここでは説明を省略する。
IDT12と反射器13は金属材料のアルミニウム(Al)で形成され、所定の膜厚は水晶基板のオイラー角が(-1°~+1°,26.0°~40.7°,85°~95°)の場合は0.06λ(λは弾性表面波の波長)、水晶基板のオイラー角が(-1°~+1°,113°~135°,±5)の場合は0.1λに設定されている。
特に、水晶基板のオイラー角が(-1°~+1°,113°~135°,±5)の場合は、IDT12の対数が30対、反射器13の対数が5対という少ない対数ながらも20000以上という高いQ値が得られており、効果が絶大である。
IDT12や反射器13の対数を減らして小型化を図ろうとする場合、弾性表面波のエネルギー閉じ込めが弱くなってしまいQ値の低下が生じてしまう。そこで、IDT12や反射器13の膜厚を厚くすることで電極指1本あたりの弾性表面波反射量を大きくし、弾性表面波のエネルギー閉じ込めを強めようとする。ところが、膜厚を厚くすると弾性表面波の電極指での反射の際に、弾性表面波のエネルギーの一部がバルク波へ変換されやすくなってしまって、エネルギー閉じ込めの強化や高Q化の効果が十分にえられないことがあった。本実施形態によれば、膜厚の増加に伴うバルク波変換損失の増大が抑制され、エネルギー閉じ込めの強化や高Q化の効果が得られる。
水晶基板のオイラー角が(-1°~+1°,113°~135°,±5)の場合はレイリー波が励振され、水晶基板のオイラー角が(-1°~+1°,26.0°~40.7°,85°~95°)の場合はSH波が励振されるが、本実施形態の効果は、レイリー波とSH波のいずれにおいても得られることが分かる。
(変形例1)
第1の実施形態では、反射器のライン占有率をIDT中央部のライン占有率と同等に設定したが、本実施形態では、反射器のライン占有率をIDT端部のライン占有率と同等に設定した。
IDT22の電極指間隔は、図9に示すようにPTで一定である。
IDT22のライン占有率ηは、図10に示すように、IDT22の中央部のライン占有率ηをηc、IDT22の端部のライン占有率ηをηeとすると、ηc<ηeという関係にある。また、中央部からライン占有率ηcがIDT22の両方の端部に向かい、ライン占有率ηeまで順次大きくなるように変化している。
隣接する電極指23aの中心と中心との間隔である電極指間隔はPTrで一様である。また、反射器23のライン占有率は、IDT22の端部のライン占有率ηeと同じ値に設定されている。
反射器23の対数は本変形例では左右それぞれ25対の電極指23aが配置されている。
電極指間隔はPT=5.000μm、PTr=5.025μm、である。また、ライン占有率はηc=0.43、ηe=0.56、に設定されている。
以上のような弾性表面波共振子2において、IDT22にSH波が励振され、特性としてQ値は20000を実現している。
このグラフから、ηe/ηcが1.0から大きくなるに従い、Q値は大きくなり、ηe/ηc=1.3のときにQ値は最大になる。そして、ηe/ηcが1.3から大きくなるに従い、Q値は小さくなっていく。
IDTの中央部および端部のライン占有率の比ηe/ηcが、1.0<ηe/ηc<1.79の範囲にあれば、6180以上のQ値を得ることができ、ライン占有率で重み付けを施さない場合(ηe/ηc=1.0)よりもQ値が向上する。
(変形例2)
第1の実施形態では、反射器のライン占有率をIDT中央部のライン占有率と同等に設定したが、本変形例では、反射器のライン占有率をIDT端部のライン占有率より大きく設定した。
本変形例の弾性表面波共振子の構成は、変形例1とほぼ同様のため、詳細な説明を省略し、簡単に説明する。
図12は本変形例の弾性表面波共振子における電極指位置と電極指間隔の関係を示す説明図である。図13は本変形例の弾性表面波共振子における電極指位置とライン占有率の関係を示す説明図である。
水晶基板は、カット面及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角(φ,θ,ψ)で表示すると、オイラー角(-1°~+1°,26.0°~40.7°,85°~95°)の水晶基板である。別の実施形態では、オイラー角が(-1°~+1°,113°~135°,±5)の水晶基板を用いることができる。
IDTのライン占有率ηは、図13に示すように、IDTの中央部のライン占有率ηをηc、IDTの端部のライン占有率ηをηeとすると、ηc<ηeという関係にある。また、中央部からライン占有率ηcがIDTの両方の端部に向かい、ライン占有率ηeまで順次大きくなるように変化している。
反射器の対数は本変形例では左右それぞれ25対の電極指が配置されている。
電極指間隔はPT=5.000μm、PTr=5.025μm、である。また、ライン占有率はηc=0.43、ηe=0.53、ηr=0.58に設定されている。
以上のような弾性表面波共振子において、IDTにSH波が励振され、特性としてQ値は20500を実現している。
このグラフから、ηr/ηeが0.6から大きくなるに従い、Q値は大きくなり、ηr/ηe=1.1のときにQ値は最大になる。そして、ηr/ηeが1.1から大きくなるに従い、Q値は小さくなっていく。
反射器およびIDT端部のライン占有率の比ηr/ηeが、0.65≦ηr/ηe≦1.58の範囲にあれば、7450以上のQ値を得ることができる。
(第2の実施形態)
本実施形態では、IDTの中央部にライン占有率が一様な領域を備えている。
図15は本実施形態の弾性表面波共振子の構成を示す模式平面図である。図16は本実施形態の弾性表面波共振子における電極指位置と電極指間隔の関係を示す説明図である。図17は本実施形態の弾性表面波共振子における電極指位置とライン占有率の関係を示す説明図である。
IDT32の電極指間隔は、図16に示すようにPTで一定である。
IDT32は、図17に示すように、IDT22の中央部はライン占有率が一様な領域を有している。このライン占有率が一様な領域のライン占有率ηをηc、IDT22の端部のライン占有率ηをηeとすると、ηc<ηeという関係にある。また、中央部からライン占有率ηcがIDT32の両方の端部に向かい、ライン占有率ηeまで順次大きくなるように変化している。
IDT32の対数をN、中央部の対数をNfとし、本実施形態では、IDT32の対数Nは100対、中央部の対数Nfは40対に設定されている。
隣接する電極指33aの中心と中心との間隔である電極指間隔はPTrで一様である。また、反射器33のライン占有率は、IDT32の端部のライン占有率ηeと同じ値に設定されている。
反射器33の対数は本実施形態では左右それぞれ25対の電極指33aが配置されている。
電極指間隔はPT=5.000μm、PTr=5.025μm、である。また、ライン占有率はηc=0.43、ηe=0.645、に設定されている。
以上のような弾性表面波共振子3において、IDT32にSH波が励振され、特性としてQ値22500を実現している。
このグラフからNf/Nが0から大きくなるに従い、Q値は大きくなり、Nf/N=0.4のときQ値は最大になる。つまり、中央部のライン占有率が一様な領域における電極指の対数が、IDT対数の40%のときにQ値が最大になる。そして、Nf/Nが0.4から大きくなるに従い、Q値は小さくなっていく。
Nf/Nが0<Nf/N<0.59の範囲にあれば、20000以上のQ値を得ることができ、IDTの中央部にライン占有率の一様な領域を設けない場合(ηe/ηc=1.0)よりもQ値が向上する。
このグラフから、ηe/ηcが1.0から大きくなるに従い、Q値は大きくなり、ηe/ηc=1.5のときにQ値は最大になる。そして、ηe/ηcが1.5から大きくなるに従い、Q値は小さくなっていく。
IDTの中央部および端部のライン占有率の比ηe/ηcが、1.0<ηe/ηc<2.1の範囲にあれば、5800以上のQ値を得ることができ、IDTの中央部にライン占有率の一様な領域を設けない場合(ηe/ηc=1.0)よりもQ値が向上する。
さらに、上記実施形態では、IDTの電極の膜厚をそれぞれ0.06λ(λは弾性表面波の波長)としたが、これ以外の電極膜厚でも、同様な効果が得られることを確認した。
また、上記実施形態では、IDTの両側に反射器を設けた構成としたが、反射器のない構成としても、同様な効果を得ることができる。
(第3の実施形態)
図20は弾性表面波共振子をパッケージ内に搭載した弾性表面波発振器を示す概略断面図である。
弾性表面波発振器40は、セラミックパッケージ41、ICチップ42、弾性表面波共振子1、蓋体47などを備えている。
セラミックパッケージ41は、セラミックシートを積層して開口された凹部48が形成されている。また、セラミックパッケージ41には開口を囲むようにコバールなどの金属材料で形成されたシームリング45が設けられている。さらに、セラミックパッケージ41の外周面には、回路基板などの外部との接続を果たす外部接続電極46が形成されている。なお、図示しないが外部接続電極46とセラミックパッケージ41の凹部48内とを接続する配線が設けられている。
このように、Q値が向上しCI値が低減した弾性表面波共振子1をセラミックパッケージ41内に搭載していることから、弾性表面波の励振が安定し、消費電力が低下した弾性表面波発振器40を得ることができる。
(第4の実施形態)
図21は弾性表面波モジュール装置の一例として、回路基板に弾性表面波共振子を搭載して受信機モジュールを構成した回路ブロック図である。
受信アンテナ51はLNA52を介して混合器53の入力に接続している。また、局部発振器54も混合器53の入力に接続している。この局部発振器54は、弾性表面波共振子と弾性表面波共振子を励振させる発振回路を備えている。これにより、局部発振器54は、周波数信号を混合器53に確実に出力できる。そして、混合器53の出力には、IF増幅器55と検波器56が直列に接続している。
なお、上記の受信機モジュールを外装などに取り付けて、電子機器として構成することも可能である。
Claims (8)
- 圧電基板上に弾性表面波を励振する電極指を有するIDTが設けられた弾性表面波共振子であって、
前記電極指のうちの一つの電極指の幅を、前記一つの電極指とその一方の側に隣接する電極指との間隔の中心線と、前記一つの電極指とその他方の側に隣接する電極指との間隔の中心線との間の寸法で除した値をライン占有率とし、
前記IDTは、中央部から両端部に向かいライン占有率を順次変化させることで、前記IDTの中央部の周波数に比べて、中央部から両端部に向かい周波数が順次低くなるように形成された領域を含むことを特徴とする弾性表面波共振子。 - 請求項1に記載の弾性表面波共振子において、
前記IDTの中央部から両端部に向かい周波数が順次低くなる領域は、
前記IDTの中央部と比べて大きいライン占有率を有することを特徴とする弾性表面波共振子。 - 請求項1または2に記載の弾性表面波共振子において、
前記IDTの中央部にライン占有率が一様な領域を備え、
ライン占有率が一様な領域の電極指対数Nfと、前記IDTの電極指総対数Nとの比Nf/Nが、0<Nf/N<0.59、の範囲にあることを特徴とする弾性表面波共振子。 - 請求項1または2のいずれか一項に記載の弾性表面波共振子において、
前記IDTの端部のライン占有率ηeと前記IDTの中央部のライン占有率ηcとの比ηe/ηcが、1<ηe/ηc<1.79、の範囲にあることを特徴とする弾性表面波共振子。 - 請求項1または2のいずれか一項に記載の弾性表面波共振子において、
反射器のライン占有率ηrと前記IDTの端部のライン占有率ηeとの比ηr/ηeが、0.65≦ηr/ηe≦1.58、の範囲にあることを特徴とする弾性表面波共振子。 - 請求項1または2のいずれか一項に記載の弾性表面波共振子において、
前記圧電基板がオイラー角(-1°~+1°,26.0°~40.7°,85°~95°)の水晶基板であることを特徴とする弾性表面波共振子。 - 請求項1または2のいずれか一項に記載の弾性表面波共振子と回路素子とをパッケージに搭載したことを特徴とする弾性表面波発振器。
- 請求項1または2のいずれか一項に記載の弾性表面波共振子を回路基板に搭載したことを特徴とする弾性表面波モジュール装置。
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