弾性表面波デバイス、電子機器及びセンサー装置
【課題】動作温度範囲に極大値と極小値とそれらの間に変曲点とを有する曲線の周波数温度特性を有するSAWデバイスにおいて、製造ばらつきにより個体間に生じ得る周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制する。
【解決手段】SAWデバイス1は、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,|ψ|≠90°×n(但し、n=0,1,2,3))の水晶基板2の主面に、ストップバンド上端モードのレイリー波(波長:λ)を励振するIDT3と、IDTの電極指間に凹設した電極指間溝8とを有し、電極指間溝の深さGが0.01λ≦G≦0.07λであり、電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとが所定の関係を満足することにより、周波数温度特性が常に動作温度範囲内で極大値と極小値との間に変曲点を有し、かつIDTライン占有率ηの製造ばらつきによる変曲点温度の変動を抑制する。
【解決手段】SAWデバイス1は、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,|ψ|≠90°×n(但し、n=0,1,2,3))の水晶基板2の主面に、ストップバンド上端モードのレイリー波(波長:λ)を励振するIDT3と、IDTの電極指間に凹設した電極指間溝8とを有し、電極指間溝の深さGが0.01λ≦G≦0.07λであり、電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとが所定の関係を満足することにより、周波数温度特性が常に動作温度範囲内で極大値と極小値との間に変曲点を有し、かつIDTライン占有率ηの製造ばらつきによる変曲点温度の変動を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、弾性表面波(surface acoustic wave:SAW)を利用した共振子、発振器等の弾性表面波デバイス、並びにそれを備えた電子機器及びセンサー装置に関する。
【背景技術】
【0002】
SAWデバイスは、例えば携帯電話、ハードディスク、パーソナルコンピューター、BS及びCS放送の受信チューナー、同軸ケーブルまたは光ケーブル中を伝播する高周波信号や光信号の処理機器、広い温度範囲で高周波・高精度クロック(低ジッタ、低位相雑音)を必要とするサーバー・ネットワーク機器、無線通信用機器等の電子機器や、圧力センサー、加速度センサー、回転速度センサー等の各種センサー装置に広く利用されている。これらの機器・装置は、特に最近の情報通信の高速化によるリファレンスクロックの高周波化や装置筐体の小型化に伴い、装置内部での発熱の影響が大きくなっている。そのため、装置内部に搭載される電子デバイスは、動作温度範囲の拡大や高精度化が要求され、例えば屋外に設置される無線基地局のように低温から高温まで温度変化の激しい環境下で長期に亘って安定した動作が必要となっている。
【0003】
一般にSAW共振子等のSAWデバイスにおいて、周波数温度特性の変化には、SAWのストップバンドや使用する水晶基板のカット角、基板上に形成されるIDT(interdigital transducer:すだれ状トランスデューサ)の形態等が大きい影響を及ぼす。例えば、SAWの1波長当たり3本の電極指で構成される単位区間を圧電基板上に繰り返し配列したIDTを有し、SAWのストップバンドの上端モード、下端モードのそれぞれを励起させる反射反転型SAW変換器が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。この反射反転型SAW変換器によりSAWフィルタを構成すれば、通過帯域近傍の高域側阻止域において高減衰量が実現できるとされている。
【0004】
また、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°、123°、0°)の所謂STカット水晶基板を用いた反射反転型SAW変換器が知られている(例えば、特許文献2を参照)。同特許文献には、ストップバンドの上端の共振を励振させることができ、ストップバンドの下端の共振を用いる場合よりも周波数温度特性が向上すると記載されている。更に、SAWにおけるストップバンドの上端モードの方が、ストップバンドの下端モードよりも周波数温度特性が良好であると報告されている(例えば、特許文献3〜6を参照)。
【0005】
特に特許文献3、4には、レイリー波を利用したSAW装置において良好な周波数温度特性を得るために、水晶基板のカット角を調整すると共に、IDT電極の基準化膜厚(H/λ)を0.1程度まで厚くすることが記載されている。特許文献3に記載のSAW共振子は、オイラー角(φ,θ,ψ)=(φ=0°、0°≦θ≦180°、0°<|ψ|<90°)の水晶基板上に、SAWの1波長当たり2本の電極指で構成される単位区間を繰り返し配列したシングル型IDT電極を有する。これにより、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させ、それを利用してSAW共振子の高周波化と良好な周波数温度特性を実現することができる。
【0006】
特許文献4には、前記シングル型IDT電極を有するSAW装置において、水晶基板をオイラー角(φ,θ,ψ)=(φ=0°、110°≦θ≦140°、38°≦|ψ|≦44°)に設定し、IDT電極の厚みH、IDT電極における電極指の幅d、IDT電極における電極指間のピッチP、及びSAWの波長λにより規定される基準化電極膜厚(H/λ)と基準化電極幅η(=d/P)との関係を、
H/λ≧0.1796η3−0.4303η2+0.2071η+0.0682
に設定することが開示されている。これによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで強く励振させることができる。
【0007】
特許文献5には、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°,θ,9°<|ψ|<46°)、好ましくは(0°,95°<θ<155°,33°<|ψ|<46°)の水晶基板上にシングル型IDT電極を配置し、基準化電極膜厚(H/λ)を0.045≦H/λ≦0.085としたSAW素子が開示されている。これによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させ、良好な周波数温度特性を実現することができる。
【0008】
特許文献6には、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°123°,43.2°)の面内回転STカット水晶基板上に前記シングル型IDT電極を配置し、その基準化電極膜厚(H/λ)をH/λ=0.06、所謂6%λとすることによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させるSAW素子が開示されている。更にこのSAW素子は、IDT電極の電極指幅Ltと電極指ピッチPtとにより規定される標準化電極幅η(=Lt/Pt)を、0.5≦η≦0.7に設定することによって、常温(25℃)において最大830ppmの周波数偏差を実現することができる。
【0009】
他方、IDTを構成する電極指間及び反射器を構成する導体ストリップ間の水晶基板表面にグルーブ即ち溝を形成したSAW共振器が知られている(例えば、特許文献7及び非特許文献1を参照)。特許文献7には、STカットX伝搬水晶基板にIDT及び反射器をアルミ電極で構成しかつIDTを構成する電極指間及び反射器を構成する導体ストリップ(電極指)間に対応する領域の水晶基板に溝を形成することにより、Q値が高く容量比が低くなり、共振抵抗の低いSAW共振器を実現できることが開示されている。更に同特許文献には、IDTの溝と反射器の溝とを同じ深さにした構造、及び反射器の溝をIDTの溝より深くした構造が記載されている。
【0010】
非特許文献1には、STカット水晶基板を用いたグループ型SAW共振器の特性が記載されている。その周波数温度特性は、SAW伝搬基板の電極で覆われていない水晶面に形成した溝の深さにより変化すること、及び、溝が深くなるに従って、上向き凸の2次曲線の頂点温度Tpが低くなっていくことが報告されている。
【0011】
このように水晶等の圧電基板に溝を形成して実効膜厚を調整することによって周波数を調整する方法は、当業者によく知られている(例えば、特許文献8乃至11を参照)。特許文献8記載のSAWデバイスは、IDTを形成した圧電基板の表面を、該圧電基板のエッチングレートがIDTのエッチングレートより大きくなる条件でエッチングし、その周波数を下降させるように微調整する。特許文献9乃至11においても、同様に圧電基板の表面をその上に形成したIDTをマスクとしてドライエッチングすることにより、SAWデバイスの周波数を低域側へシフトさせている。
【0012】
更に、トランスバーサル型SAWフィルタにおいて、IDT電極の電極指間の圧電基板表面をエッチング加工して溝を形成することにより見かけ上伝搬速度を小さくすることが知られている(例えば、特許文献12を参照)。これによって、SAWフィルタの基本設計を変更せずに、IDT電極の電極指ピッチを小さくでき、チップの小型化を実現することができる。
【0013】
また、SSBW(Surface Skimming Bulk Wave)と呼ばれるすべり波を励振するSAW共振器において、回転Yカット、カットアングル−43°乃至−52°、すべり波伝搬方向をZ’軸方向(オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°,38≦θ≦47,90°))の水晶基板に、基準化電極膜厚(H/λ)が2.0≦H/λ≦4.0%のIDT電極をアルミで形成することにより、三次曲線の周波数温度特性を実現し得ることが知られている(例えば、特許文献13を参照)。すべり波(SH波)はその振動エネルギーを電極直下に閉じ込めて圧電基板の表面直下を伝搬するので、SAWが基板表面に沿って伝搬するSTカット水晶SAWデバイスと比較して、反射器によるSAWの反射効率が悪く、小型化及び高いQ値を実現し難いという問題がある。
【0014】
この問題を解決するために、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°,−64°<θ<−49.3°,85°≦ψ≦95°)の回転Yカット水晶基板の表面にIDTとグレーティング反射器とを形成し、SH波を励振するSAWデバイスが提案されている(例えば、特許文献14を参照)。このSAWデバイスは、SAWの波長λで基準化される電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12に設定することによって、小型化、高いQ値及び優れた周波数安定性を実現している。
【0015】
更に、かかるSAWデバイスにおいて、電極膜厚が厚いことに起因して発生するストレスマイグレーションが原因となってQ値や周波数安定性が劣化するという問題を解決するために、IDTの電極指間の水晶基板に溝を形成することが提案されている(例えば、特許文献15を参照)。この溝の深さをHp、IDTの金属膜の膜厚をHmとしたとき、SAWの波長λで基準化した電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12(ただし、H=Hp+Hm)の範囲と設定することにより、金属膜の見掛け上の膜厚を薄くできるので、通電時のストレスマイグレーションによる周波数変動を抑圧し、Q値が高く、周波数安定性の優れたSAWデバイスを実現できる。
【0016】
SAWデバイスの量産過程では、水晶基板の表面にエッチングでIDTの電極指を形成する際に、電極指の膜厚が厚いと、それに起因したサイドエッチングによりIDTのライン占有率(ラインスペース比)ηにばらつきを生じ易い。その結果、SAWデバイスの温度変化による周波数の変動量にばらつきが生じると、製品の信頼性、品質が損なわれる。この問題を解消するために、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°、95°≦θ≦155°、33°≦|ψ|≦46°)の面内回転STカット水晶基板を採用し、SAWのストップバンドの上限モードを励振させ、IDTの電極指間の水晶基板表面に電極指間溝を形成したSAWデバイスが知られている(例えば、特許文献16を参照)。
【0017】
また、SAWデバイスの周波数温度特性が動作温度範囲において二次曲線の場合、周波数変動幅の極小化や変曲点を実現することは困難である。そこで、三次曲線の周波数温度特性を得るために、LSTカットの水晶基板に空隙層と誘電体膜とを介してIDT電極を形成し、漏洩型SAWを励振させるようにしたSAW装置が提案されている(例えば、特許文献17を参照)。同特許文献には、レイリー波を用いたSAW装置において、三次曲線で示されるような周波数温度特性を実現するカット角の水晶基板は発見できなかったことが記載されている。
【0018】
更に、STカット水晶SAW共振子等において、その優れた周波数温度特性を劣化させることなくQ値を高くするために、水晶基板の表面にIDTと反射器とをSAWの位相速度の方向に対してパワーフロー角PFA±3°傾斜させた方向に沿って配置した傾斜型IDTが知られている(例えば、特許文献18,19を参照)。この傾斜型IDTからなるSAWデバイスは、SAWの位相の進行方向とその振動エネルギーの進行方向とをカバーするようにIDT及び反射器を配置することによって、SAWを反射器で効率良く反射できるので、エネルギーの閉じ込めを効率良く行い、Q値をより高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0019】
【特許文献1】特許第3266846号公報
【特許文献2】特開2002−100959号公報
【特許文献3】特開2006−148622号公報
【特許文献4】特開2007−208871号公報
【特許文献5】特開2007−267033号公報
【特許文献6】特開2007−300287号公報
【特許文献7】特公平2−7207号(特開昭57−5418号)公報
【特許文献8】特開平2−189011号公報
【特許文献9】特開平5−90865号公報
【特許文献10】特開平1−231412号公報
【特許文献11】特開昭61−92011号公報
【特許文献12】特開平10−270974号公報
【特許文献13】特公平1−34411号公報
【特許文献14】再公表WO2005/099089A1公報
【特許文献15】特開2006−203408号公報
【特許文献16】特開2009−225420号公報
【特許文献17】特許第3851336号公報
【特許文献18】特許第3216137号公報
【特許文献19】特開2005−204275号公報
【非特許文献】
【0020】
【非特許文献1】グルーブ形SAW共振器の製造条件と特性(電子通信学会技術研究報告MW82−59(1982))
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0021】
上述したように、SAWデバイスの周波数温度特性には多くの要素が関係しており、その改善を図るために様々な工夫が行われている。特に、レイリー波を用いたSAWデバイスは、IDTを構成する電極指の膜厚を厚くすることが周波数温度特性の向上に寄与すると考えられている。単にIDTの電極膜厚を厚くするだけでは、通電時のストレスマイグレーションや、IDT形成時のサイドエッチングに起因したライン占有率の変動による周波数安定性の劣化等の問題が生じる。その対応策としては、水晶基板表面のIDTの電極指間に溝を形成することにより、電極膜厚を薄くしながらその実効膜厚を大きくして周波数の変動を抑制することが有効である。
【0022】
しかしながら、上述したSAWデバイスは、漏洩型SAWを励振させる特許文献13のSAW装置を除いて、いずれも動作温度範囲における周波数温度特性が二次曲線で示されるので、周波数変動幅を十分に小さくしたり変曲点を実現し得るまでは至っていない。そのため、最近のSAWデバイスに対する動作温度範囲の拡大や高精度化、温度変化の激しい環境下における長期の動作安定性等の要求に十分に対応することができない。
【0023】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、動作温度範囲において周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性を発揮し、温度が大きく変動するような環境下でも安定して動作する優れた耐環境特性を有し、高いQ値を実現し得る、共振子、発振器等のSAWデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0024】
本願発明者は、上記目的を達成するために、面内回転STカット水晶基板を採用し、その表面にストップバンドの上端モードでSAWを励振するIDTを形成し、かつIDTを構成する電極指間の水晶基板表面を凹設して溝を形成したSAW共振子において、SAWの波長λ、溝の深さG、IDTの電極膜厚H、その電極指のライン占有率η等のパラメーターと周波数温度特性との関係を検証した。その結果、動作温度範囲において、周波数変動幅の極小化及び変曲点を実現し得る新規なSAW共振子を案出した。
【0025】
この新規な実施形態のSAW共振子(以下、本実施形態のSAW共振子という)は、その第1の態様において、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)の水晶基板上に設けられ、ストップバンド上端モードのSAWを励振するIDTと、該IDTを構成する電極指間に位置する水晶基板を窪ませた電極指間溝を有し、
SAWの波長をλ、電極指間溝の深さをGとした場合に、0.01λ≦Gの関係を満たし、
かつ、IDTのライン占有率をηとした場合に、電極指間溝の深さGとライン占有率ηとが
【数1】
…(1)、及び
【数2】
…(2)
の関係を満たすことを特徴とする。
【0026】
本実施形態のSAW共振子は、第2の態様において、前記第1の態様に加えて、電極指間溝の深さGが、0.01λ≦G≦0.0695λの関係を満たすことを特徴とする。電極指間溝の深さGをこの範囲に設定することによって、動作温度範囲内(例えば、−40℃〜+85℃)における周波数変動量を小さく抑制でき、かつ電極指間溝の深さに製造上のばらつきが生じても、個々のSAW共振子間における共振周波数のシフト量を補正可能な範囲に抑えることができる。
【0027】
更に本実施形態のSAW共振子は、第3の態様において、前記第1又は第2の態様に加えて、IDTの電極膜厚をHとした場合に、0<H≦0.035λの関係を満たすことを特徴とする。これにより、動作温度範囲内で良好な周波数温度特性が実現され、電極膜厚を大きくしたときに生じ得る耐環境特性の劣化が予め防止される。
【0028】
また、本実施形態のSAW共振子は、第4の態様において、前記第3の態様に加えて、ライン占有率ηが、
【数3】
…(3)
の関係を満たすことを特徴とする。これにより、周波数温度特性の二次温度係数を小さく抑制することができる。
【0029】
更にまた、本実施形態のSAW共振子は、第5の態様において、前記第3又は第4の態様に加えて、電極指間溝の深さGと電極膜厚Hとの和が、0.0407λ≦G+Hの関係を満たすことを特徴とする。これにより、電極指間に溝を設けずにストップバンドの下端モードの共振を用いた従来の場合よりも高いQ値が得られる。
【0030】
図1は、本実施形態のSAW共振子の典型例を示している。図1(A)に示すように、本実施形態のSAW共振子1は、矩形の水晶基板2と、該水晶基板の主面にそれぞれ形成されたIDT3と1対の反射器4,4とを有する。
【0031】
水晶基板2には、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)で表される面内回転STカット水晶基板を使用する。ここで、オイラー角について説明する。オイラー角(0°,0°,0°)で表される基板は、Z軸に垂直な主面を有するZカット基板となる。ここで、オイラー角(φ,θ,ψ)のφはZカット基板の第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Zカット基板の第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軸へ回転する方向を正の回転角度とした第2の回転角度である。圧電基板のカット面は、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Zカット基板の第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。SAW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。
【0032】
面内回転STカット水晶基板は、図2に示すように、水晶の直交する3つの結晶軸、即ち電気軸、機械軸及び光学軸をそれぞれX軸、Y軸及びZ軸で表したとき、Y軸に垂直なXZ面5aを、X軸を回転軸として+Z軸から−Y軸方向に角度θ´(°)回転させた、座標軸(X,Y´,Z´)のY´軸に垂直なXZ´面を有するウエーハ5から切り出される。水晶基板2は、更にY´軸を回転軸として+X軸から+Z´軸方向を正として角度+ψ(又は−ψ)(°)回転させた新たな座標軸(X´,Y´,Z”)に沿ってウエーハ5から切り出して個片化される。このとき、水晶基板2はその長辺(又は短辺)をX´軸方向又はZ”軸方向のいずれに沿って配置してもよい。尚、角度θ´とオイラー角におけるθとは、θ´=θ−90°の関係にある。
【0033】
IDT3は、それぞれ複数の電極指6a、6bからなり、かつそれらの基端部をバスバー7a,7bで接続した1対の櫛歯状電極3a,3bを有する。各電極指6a、6bは、その延長方向が前記IDTにより励振されるSAWの伝搬方向X´と直交する向きに配置されている。一方の櫛歯状電極3aの電極指6aと他方の櫛歯状電極3bの電極指6bとは、交互にかつ所定の間隔を開けて一定のピッチで配列されている。図1(B)に示すように、電極指6a、6b間に露出する水晶基板2の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの電極指間溝8が凹設されている。
【0034】
1対の反射器4,4は、SAWの伝搬方向X´に沿ってIDT3の外側に該IDTを両側から挟むように配置されている。各反射器4は、それぞれSAWの伝搬方向X´に一定のピッチで配列された複数の導体ストリップ4a,4aを有する。前記各導体ストリップは、IDT3の前記各電極指と同様に、その延長方向がSAWの伝搬方向X´と直交する向きに配置されている。図1(B)に示すように、導体ストリップ4a,4a間に露出する水晶基板2の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの導体ストリップ間溝9が凹設されている。
【0035】
本実施形態において、電極指6a、6b及び導体ストリップ4a,4aは、例えばAlやAlを主体とする合金を用いた金属膜で同じ膜厚Hに形成され、総称して電極指ということもできる。電極指間溝8と導体ストリップ間溝9とは、同じ深さGに形成される。IDT3の最も外側の電極指6a(又は6b)とそれに隣り合う反射器4,4の前記導体ストリップとの間も、同様に水晶基板表面を削除して、前記導体ストリップ間溝と同じ深さの溝が凹設されている。
【0036】
このように構成したSAW共振子1は、水晶基板2のX´軸方向及びY´軸方向の両方に振動変位成分を有するRayleigh型(レイリー型)のSAWを励起する。上述したオイラー角の水晶基板2は、SAWの伝播方向が水晶の結晶軸であるX軸からずれているので、ストップバンド上端モードのSAWを励起することが可能である。
【0037】
尚、上述した水晶基板2のオイラー角(φ,θ,ψ)は、次のようにして選択した。一般にSAW共振子の周波数温度特性は、次式で表される。
Δf=α×(T−T0)+β×(T−T0)2
ここで、Δfは温度Tと頂点温度T0間の周波数変化量(ppm)、αは1次温度係数(ppm/℃)、βは2次温度係数(ppm/℃2)、Tは温度、T0は周波数が最大となる温度(頂点温度)である。2次温度係数βの絶対値を最小に、好ましくは0.01(ppm/℃2)以下に、より好ましくは略零になるように設定して、周波数温度特性が三次曲線を示すようにすれば、広い動作温度範囲でも周波数変動量を小さくして高い周波数安定性が得られる。
【0038】
先ず、水晶基板2のオイラー角を(0°,123°,ψ)とし、β=±0.01(ppm/℃2)となるライン占有率ηが得られるときのオイラー角ψと電極指間溝の深さGとの関係をシミュレーションした。ここで、オイラー角ψは、二次温度係数βの絶対値が0.01(ppm/℃2)となるように適宜選択した。その結果、上記条件下で二次温度係数βを−0.01≦β≦+0.01にし得るオイラー角ψの範囲を43°<ψ<45°と定めることができた。
【0039】
尚、IDT3のライン占有率ηは、図1(C)に示すように、電極指幅Lを電極指ピッチλ/2(=L+S)で除した値である。また、図1(D)は、IDT3の電極指6a、6b及び電極指間溝8をフォトリソグラフィ技法とエッチング技法とにより製造したときに形成されるであろう台形状の断面において、IDT3のライン占有率ηを特定する方法を説明するためのものである。この場合、ライン占有率ηは、電極指間溝8の底部から該電極指間溝の深さGと電極膜厚Hとの合計値(G+H)の1/2となる高さにおいて測定した電極指幅Lと電極指間溝幅Sとに基づいて算出する。
【0040】
次に、水晶基板2をカット角及びSAW伝搬方向をオイラー角表示で(0,θ,ψ)とし、電極指間溝の深さGを0.04λ、電極指の膜厚Hを0.02λ、ライン占有率ηを上記(3)式に従って0.6383として、オイラー角θに関する二次温度係数βの変化をシミュレーションした。ここで、オイラー角ψは上述した43°<ψ<45°の範囲内で、角度θの設定角度に基づいて二次温度係数βの絶対値を最小とするように適宜選択した。その結果、オイラー角θが117°≦θ≦142°の範囲内にあれば、電極指の膜厚H、電極指間溝の深さG、及びライン占有率ηを変化させても、二次温度係数βの絶対値が0.01(ppm/℃2)の範囲内にあることを確認した。
【0041】
次に、水晶基板2をオイラー角表示で(φ,123°,43.77°)とし、電極指間溝の深さGを0.04λ、電極指の膜厚Hを0.02λ、ライン占有率ηを0.65として、オイラー角φに関する二次温度係数βの変化をシミュレーションした。その結果、オイラー角φが−1.5°≦φ≦+1.5°の範囲内にあれば、二次温度係数βの絶対値が0.01(ppm/℃2)の範囲内にあることを確認した。
【0042】
更に、動作温度範囲(−40℃〜+85℃)における周波数変動量が最小となる非常に望ましいオイラー角θとψとの関係をシミュレーションにより求めた。この場合も、電極指間溝の深さG及び電極指の膜厚Hは、それぞれG=0.04λ、H=0.02λとした。その結果、オイラー角ψは、上述したオイラー角θの範囲でその増加と共に三次曲線を描くように増加した。この関係は、次式で近似することができる。
【数4】
【0043】
これにより、オイラー角ψは、オイラー角θの下限値θ=117°においてψ=42.79°となり、上限値θ=142°においてψ=49.57°となる。従って、オイラー角ψは、117°≦θ≦142°の範囲で、42.79°≦ψ≦49.57°に設定することができる。
【0044】
このように水晶基板2のオイラー角を設定することによって、本実施形態のSAW共振子1は、2次温度係数βの絶対値が0.01(ppm/℃2)以下の優れた周波数温度特性を実現することができる。
【0045】
本実施形態のSAW共振子1について、以下の条件で周波数温度特性をシミュレーションした。
−本実施形態のSAW共振子1の基本データ
H:0.02λ
G:変化
IDTライン占有率η:0.6
反射器ライン占有率ηr:0.8
オイラー角:(0°,123°,43.5°)
IDT対数:120
電極指交差幅:40λ(λ=10μm)
反射器本数(片側あたり):60
電極指の傾斜角度:なし
【0046】
このシミュレーション結果を図3に示す。同図から分かるように、周波数温度特性は動作温度範囲(−40〜+85℃)において略3次曲線を示しており、周波数変動幅を20ppm以内という極めて小さな変動量に抑圧することできた。
【0047】
図3の周波数温度特性を示すSAW共振子1について、周波数、等価回路定数、及び静特性をまとめると、以下の表1になる。
【表1】
ここで、Fは周波数、QはQ値、γは容量比、CIはCI(クリスタルインピーダンス:Crystal Impedance)値、Mは性能指数(フィギュアオブメリット:Figure of Merit)である。
【0048】
SAW共振子1は、IDT3のストップバンド上端の周波数ft2と、反射器4のストップバンド下端の周波数fr1及びストップバンド上端の周波数fr2とが、fr1<ft2<fr2の関係を満たすように設定するのが好ましい。図4は、周波数に関するIDT3及び反射器4のSAW反射特性を示している。同図のように、周波数ft2を周波数fr1と周波数fr2との間に設定すると、周波数ft2において反射器4の反射係数がIDT3の反射係数よりも大きくなる。その結果、IDT3から励振されたストップバンド上端モードのSAWは、反射器4からIDT3側により高い反射係数で反射されることになる。従って、SAWの振動エネルギーを効率良く閉じ込めることができ、低損失なSAW共振子1を実現できる。
【0049】
また、SAW共振子1のQ値について、電極指6a、6bの高さ即ち膜厚Hと電極指間溝8の深さGとにより形成される段差の大きさ(G+H)との関係をシミュレーションにより検証した。比較のため、電極指間に溝を設けずかつストップバンド上端モードの共振を用いる従来のSAW共振子について、以下の条件でQ値と電極指の高さ即ち膜厚との関係をシミュレーションした。
【0050】
−従来のSAW共振子の基本データ
H:変化
G:ゼロ(無し)
IDTライン占有率η:0.4
反射器ライン占有率ηr:0.3
オイラー角(0°,123°,43.5°)
IDT対数:120
電極指交差幅:40λ(λ=10μm)
反射器本数(片側あたり):60
電極指の傾斜角度:なし
【0051】
このシミュレーション結果を図5に示す。同図において、太線は本実施形態のSAW共振子1を、細線は従来のSAW共振子を示している。同図から分かるように、本実施形態のSAW共振子1は、段差(G+H)が0.0407λ(4.07%λ)以上の領域において、従来のSAW共振子よりも高いQ値を得ることができる。
【0052】
ところが、本実施形態のSAW共振子は、個体間で周波数温度特性にばらつきを生じる場合があることが判明した。上述したように本実施形態では、SAWの波長λ、電極指間溝の深さG、IDTのライン占有率η、及び電極指膜厚Hをパラメーターとして、三次曲線の優れた周波数温度特性を実現している。そこで、本願発明者らは、これらパラメーターの製造誤差が周波数温度特性のばらつきに影響しているのではないかと考え、それらの関係を検証した。
【0053】
SAWデバイスを量産する場合、一般にIDTの電極指は電極膜のフォトエッチングにより形成されるが、その線幅Lは通常0.5%程度の製造誤差が想定される。この場合、IDTライン占有率ηにも、同程度の製造ばらつきが生じると考えられる。このような仮定に基づいて、図1のSAW共振子1において、電極指膜厚H=2%λ、溝深さG=3.5%λとし、IDTライン占有率をη=0.63(=63%)の場合と、それから±0.005(=±0.5%)ずれた場合とについて、それぞれシミュレーションにより周波数温度特性を算出した。図6は、その結果を示している。
【0054】
いずれの場合も、周波数温度特性が、使用温度範囲において極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線で表されている。η=0.63(実線)の場合、使用温度範囲(−40℃〜+85℃)において周波数変動量が±5ppm以内であり、変曲点の位置即ち変曲点温度が使用温度範囲の概ね中心にあって略左右対称をなす、非常に優れた周波数温度特性を示した。これに対し、η=0.625(細かい破線)及び0.635(大きい破線)の場合、周波数温度特性は、使用温度範囲で周波数変動量が±5ppm以上に大きくなり、変曲点温度が低温側又は高温側に大きくずれて左右非対称となって劣化していることが分かる。
【0055】
次に、本願発明者らは、周波数温度特性における変曲点温度のずれがその周波数変動量に及ぼす影響を検証した。図7は、図6のη=0.63の場合について、変曲点温度の変化量と周波数変動量の偏差との関係を示している。同図から、変曲点温度にばらつきが生じると、周波数変動量偏差が大きくなって、周波数温度特性が劣化することが分かる。
【0056】
更に本願発明者らは、電極指膜厚Hに関する電極指間溝の深さGの変化が、IDTライン占有率ηのずれ(±0.005)により生じる変曲点温度の変化量、即ち周波数温度特性に及ぼす影響を検証した。尚、本明細書中、このIDTライン占有率ηのずれにより生じる変曲点温度の変化量を、周波数温度特性の劣化程度を示す指標として変曲点感度と称することとする。
【0057】
先ず、図1のSAW共振子1において、水晶基板2のオイラー角を(0°,123°,ψ)とし、電極指膜厚Hを1%λに固定し、電極指間溝深さGを2%λ〜7%λの範囲で1%λ毎に変化させた場合に、周波数温度特性の二次温度係数βが0.01以下となるIDTライン占有率ηと、そのη値の±0.005のずれによる変曲点感度との関係をシミュレーションにより算出した。図8にその結果を示す。同図から分かるように、いずれの場合も、ηが大きくなるに連れて、変曲点感度が小さくなり、周波数温度特性が良化している。
【0058】
次に、図8と同じ条件で、電極指膜厚Hを1.5%λに固定し、同様に溝深さGを2%λ〜7%λの範囲で1%λ毎に変化させた場合に、周波数温度特性の二次温度係数βが0.01以下となるIDTライン占有率ηと、そのη値の±0.005のずれによる変曲点感度との関係をシミュレーションにより算出した。図9にその結果を示す。同図から、いずれの場合も、ηが大きくなるに連れて、変曲点感度が小さくなり、周波数温度特性が良化していることが分かる。
【0059】
また、図10は、図8のシミュレーション結果について、IDTライン占有率ηに関する変曲点温度の変化をプロットしたものである。同図は、ηが大きくなるほど、変曲点温度の変化率が大きくなることを示している。
【0060】
そこで、本願発明者らは更に、本実施形態のSAW共振子1について、IDTライン占有率ηのずれによる変曲点感度を良化し得るようなIDT3の電極膜厚Hと、電極指間溝深さGと、IDTライン占有率ηとの関係を検証した。その結果、電極指間溝深さGとIDTライン占有率ηとの間には、周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制し得る特定の関係が存在することを見出した。本願発明者らは、これらの知見に基づいて本発明を想到したものである。
【0061】
本発明のSAWデバイスは、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,|ψ|≠90°×n(但し、n=0,1,2,3))の圧電基板と、
該圧電基板の主面に設けられた複数の電極指からなり、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するIDTと、
該IDTの隣り合う電極指間の圧電基板の表面に凹設した電極指間溝とを有し、
レイリー波の波長λと電極指間溝の深さGとが、0.01λ≦G≦0.07λの関係を満足し、
IDTのライン占有率ηと電極指間溝の深さGとが、
【数5】
及び、
【数6】
の関係を満足し、
電極指の膜厚HとIDTのライン占有率ηとが、
(1)0.010λ≦H≦0.015λ、かつ0.575≦η≦0.741
(2)0.015λ≦H≦0.020λ、かつ0.605≦η≦0.744
(3)0.020λ≦H≦0.025λ、かつ0.605≦η≦0.745
(4)0.025λ≦H≦0.030λ、かつ0.575≦η≦0.745
のいずれかを満足することを特徴とする。
【0062】
このように電極指間溝深さGと電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとの関係を規定することによって、SAWデバイスは、常に動作温度範囲内に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表される良好な周波数温度特性を有し、製造ばらつきによるIDTライン占有率ηのずれに起因して個体間に生じ得る変曲点温度の変動、それによる周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制することができる。
【0063】
或る実施例では、圧電基板のオイラー角ψが、42.79°≦|ψ|≦49.57°の範囲内にあり、それによって広い動作温度範囲内で周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性が得られる。
【0064】
更に或る実施例では、圧電基板のオイラー角ψが|ψ|=45°であることによって、変曲点温度のばらつきをより小さくすることができる。
【0065】
別の実施例では、IDTのライン占有率ηが、該ライン占有率η(%)を縦軸、前記電極指間溝の深さG(%λ)を横軸とした直交座標において、
(1)電極指膜厚Hが1.0〜1.5%λのとき、各点(0.74,1)、(0.75,2)、(0.74,3)、(0.735,4)、(0.741,5)、(0.73,6)、(0.73,7)、(0.575,7)、(0.615,6)、(0.64,5)、(0.66,4)、(0.675,3)、(0.703,2)、(0.725,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(2)電極指膜厚Hが1.5〜2.0%λのとき、各点(0.702,1)、(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.63,5)、(0.655,4)、(0.675,3)、(0.7,2)、(0.687,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(3)電極指膜厚Hが2.0〜2.5%λのとき、各点(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.62,5)、(0.645,4)、(0.669,3)、(0.695,2)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(4)電極指膜厚Hが2.5〜3.0%λのとき、各点(0.745,1)、(0.74,2)、(0.74,3)、(0.745,4)、(0.725,5)、(0.725,6)、(0.725,7)、(0.575,7)、(0.575,6)、(0.605,5)、(0.635,4)、(0.66,3)、(0.695,2)、(0.715,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあることを特徴とする。
【0066】
このようにIDTのライン占有率ηと電極指膜厚Hとを特定することによって、製造ばらつきによるIDTライン占有率ηのずれに起因して個体間に生じ得る、周波数温度特性の変曲点温度の変動を良化し、周波数温度特性のばらつき及び劣化をより小さくすることができる。
【0067】
別の実施例では、IDTのライン占有率ηが、
【数7】
を満足することにより、周波数温度特性の二次温度係数をより小さく抑制できるので、周波数変動量をより小さくしかつより優れた三次曲線の周波数温度特性が得られる。
【0068】
また別の実施例では、電極指間溝の深さGと電極指の膜厚Hとの和が、0.0407λ≦G+Hを満足することが好ましい。これにより、ストップバンド上端モードの共振を用いる本発明は、IDTの電極指間に溝を設けずにストップバンド下端モードの共振を用いる従来のSAW共振子よりも高いQ値が得られる。
【0069】
更にまた別の実施例では、それぞれに水晶基板の主面に設けられた複数の導体ストリップからなり、かつSAWの伝播方向に沿ってIDTを挟むようにその両側に配置した一対の反射器と、該反射器の隣り合う導体ストリップ間の水晶基板の表面に凹設した導体ストリップ間溝とを更に有し、電極指及び導体ストリップに直交する第1の方向と水晶基板の電機軸とのなす角度が水晶基板のオイラー角ψであり、IDT及び反射器の少なくとも一部が、第1の方向と角度δをもって交差する第2の方向に配置され、角度δが水晶基板のパワーフロー角±1°の範囲内に設定されることにより、更にQ値の向上を図ることができる。
【0070】
また、別の実施例では、IDTを駆動するための発振回路を更に有することにより、広い動作温度範囲で周波数変動量が極めて小さく、CI値が低く、かつ発振安定性に優れたSAW発振器を得ることができる。
【0071】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明のSAWデバイスを備えることにより、広い動作温度範囲で安定して良好な性能を発揮しかつ信頼性の高い電子機器、センサー装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】(A)図は本実施形態のSAW共振子の構成を示す平面図、(B)図はその部分拡大縦断面図、(C)図は(B)図の部分拡大図、(D)図はフォトリソグラフィ及びエッチング技術により形成される電極指間溝の形状を示す(C)図と同様の部分拡大断面図。
【図2】本実施形態の水晶基板を模式的に示す説明図。
【図3】本実施形態の周波数温度特性を示す線図。
【図4】本実施形態のIDT及び反射器のSAW反射特性を示す線図。
【図5】本実施形態の電極指間の段差とQ値との関係を示す線図。
【図6】本実施形態のIDTライン占有率ηの変動による周波数温度特性のばらつきを示す線図。
【図7】本実施形態の周波数温度特性における変曲点温度の変化量と周波数変動量の偏差との関係を示す線図。
【図8】電極指膜厚H=1%λの場合に周波数温度特性におけるIDTライン占有率ηと変曲点感度との関係を示す線図。
【図9】電極指膜厚H=1.5%λの場合に周波数温度特性におけるIDTライン占有率ηと変曲点感度との関係を示す線図。
【図10】電極指膜厚H=1%λの場合に周波数温度特性におけるIDTライン占有率ηと変曲点温度との関係を示す線図。
【図11】(A)〜(E)図は、電極指膜厚H=1%λ,1.5%λ,2%λ,2.5%λ,3%λの場合に、変曲点感度を良化し得る電極指間溝の深さGとIDTのライン占有率ηとの関係をそれぞれ示す線図。
【図12】(A)〜(D)図は、電極指膜厚H=1〜1.5%λ,1.5〜2%λ,2〜2.5%λ,2.5〜3.0%λの範囲において、変曲点感度を良化し得る電極指間溝の深さGとIDTのライン占有率ηとの関係をそれぞれ示す線図。
【図13】本発明によるSAW共振子の、IDTライン占有率ηの変動による周波数温度特性のばらつきの改善を示す線図。
【図14】(A)、(B)図は、それぞれ異なる構造の傾斜型IDTを有する本発明の第2実施例のSAW共振子を示す平面図。
【図15】(A)図は本発明によるSAW発振器を示す平面図、(B)図はそのA−A線における縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【0073】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、添付図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付して示す。
【0074】
本発明によるSAWデバイスの第1実施例であるSAW共振子は、その基本的な構成が図1に示すSAW共振子1と同一であるので、同図を用いて説明する。即ち、本実施例のSAW共振子1は、矩形の水晶基板2と、該水晶基板の主面にそれぞれ形成したIDT3と1対の反射器4,4とを有する。水晶基板2は、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,ψ)の水晶基板を使用する。ここで、オイラー角ψは、|ψ|≠90°×n、(n=0,1,2,3)を満足するように設定する。
【0075】
IDT3は、それぞれ複数の電極指6a、6bからなり、かつそれらの基端部をバスバー7a,7bで接続した1対の櫛歯状電極3a,3bを有する。各電極指6a、6bは、その延長方向が前記IDTにより励振されるSAWの伝搬方向と直交する向きに配置されている。一方の櫛歯状電極3aの電極指6aと他方の櫛歯状電極3bの電極指6bとは、交互にかつ所定の間隔を開けて一定のピッチで配列されている。電極指6a、6b間に露出する水晶基板2の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの電極指間溝8が凹設されている。
【0076】
1対の反射器4,4は、SAWの伝搬方向に沿ってIDT3の外側に該IDTを両側から挟むように配置されている。各反射器4は、それぞれSAWの伝搬方向に一定のピッチで配列された複数の導体ストリップ(電極指)4a,4aを有する。前記各導体ストリップは、その延長方向がSAWの伝搬方向と直交する向きに配置されている。導体ストリップ4a,4a間に露出する水晶基板2の表面には、該表面をエッチング等で削除することにより一定深さの導体ストリップ間溝9が凹設されている。
【0077】
前記電極指及び導体ストリップは、例えばAlやAlを主体とする合金を用いた金属膜で同じ膜厚Hに形成される。前記電極指間溝及び導体ストリップ間溝は、同じ深さGに形成される。各反射器4,4の最も内側の前記導体ストリップとそれに所定の間隔を置いて配置したIDT3の最も外側の電極指6a(又は6b)との間も、同様に水晶基板表面を削除して、前記電極指間溝と同じ深さの溝が凹設されている。
【0078】
このように構成することによって、SAW共振子1は、水晶基板2のX´軸方向及びY´軸方向の両方に振動変位成分を有するRayleigh型(レイリー型)のSAWを励起する。上述したオイラー角の水晶基板2を用いることによって、SAWの伝播方向が水晶の結晶軸であるX軸からずれているので、ストップバンド上端モードのSAWを励起することができる。
【0079】
SAWデバイスの量産時に電極指の線幅Lの製造誤差が0.5%であると想定すれば、IDTライン占有率ηにも同程度の製造ばらつきが生じると考えられる。本実施例では、設計したIDTライン占有率のη値に±0.005の製造ばらつきが生じると仮定する。この仮定に基づいて、SAW共振子1は、周波数温度特性が常に動作温度範囲内に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表されるように、電極指間溝の深さGと電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとを設定する。
【0080】
本実施例のSAW共振子1において、変曲点感度を良化し得る電極指間溝の深さGとIDTのライン占有率ηとの関係を検討した。変曲点感度は、IDTライン占有率ηの設計値に対する±0.005のずれによる変曲点温度の変動量が小さくなった場合に、良化したと判定する。水晶基板2のオイラー角を(0°,123°,ψ)とし、電極指膜厚Hを1%λ、1.5%λ、2%λ、2.5%λ、3%λとした場合に、周波数温度特性の二次温度係数βが0.01以下となる電極指間溝深さGとIDTライン占有率ηとの関係をシミュレーションにより算出した。
【0081】
ここで、電極指間溝深さGは、例えば−40℃〜+85℃の広い動作温度範囲内において周波数変動量を小さく抑制でき、かつ溝深さGに製造上のばらつきが生じてもSAW共振子個体間の共振周波数のシフト量を補正可能な範囲に抑制し得る、1%λ〜7%λの範囲に設定した。また、電極指膜厚Hは、動作温度範囲内で良好な周波数温度特性を実現しかつ電極指膜厚を大きくしたときに生じ得る耐環境特性の劣化を防止し得る、1%λ〜3%λの範囲を選択した。
【0082】
このシミュレーション結果を図11(A)〜(E)に示す。図11(A)は、ライン占有率η(%)を縦軸、電極指間溝の深さG(%λ)を横軸とした直交座標において、電極指膜厚H=1.0%λの場合に周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。図11(B)〜(E)は、図11(A)と同じ直交座標において、電極指膜厚H=1.5%λ、2.0%λ、2.5%λ、3.0%λの場合に、それぞれ周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。
【0083】
同図から分かるように、いずれの場合にも、電極指間溝深さGと電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとの間に、周波数温度特性の二次温度係数βが0.01以下となる範囲が存在する。図11(A)〜(E)において、それぞれプロットした各点を結ぶ多角形で囲まれる範囲内では、変曲点感度が良化されるので、IDTライン占有率ηに設計値からのずれが生じても、周波数温度特性のばらつきが抑制される。
【0084】
図11(A)〜(E)のシミュレーション結果は、次の表2〜表5のようにまとめることができる。
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【0085】
表2は、図11(A)の多角形と図11(B)の多角形とが重複する範囲である。同様に、表3〜表5は、それぞれ図11(B)の多角形と図11(C)の多角形とが重複する範囲、図11(C)の多角形と図11(D)の多角形とが重複する範囲、図11(D)の多角形と図11(E)の多角形とが重複する範囲である。
【0086】
本実施例では、表2〜表5から、電極指の膜厚HとIDTのライン占有率ηとを、
(1)0.010λ≦H≦0.015λ、かつ0.575≦η≦0.741
(2)0.015λ≦H≦0.020λ、かつ0.605≦η≦0.744
(3)0.020λ≦H≦0.025λ、かつ0.605≦η≦0.745
(4)0.025λ≦H≦0.030λ、かつ0.575≦η≦0.745
のいずれかを満足するように設定する。
【0087】
これにより、製造ばらつきによるIDTライン占有率ηのずれに対する変曲点感度を良化することができる。従って、常に動作温度範囲内に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表される良好な周波数温度特性を有し、かつ個体間でIDTライン占有率ηのずれにより生じ得る周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制したSAWデバイスが得られる。
【0088】
図12(A)〜(D)は、図11と同様に、ライン占有率η(%)を縦軸、前記電極指間溝の深さG(%λ)を横軸とした直交座標において、表2〜表5の各点をそれぞれプロットしたものである。即ち、図12(A)は、電極指膜厚H=1.0〜1.5%λの範囲において周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。これらの各点(0.74,1)、(0.75,2)、(0.74,3)、(0.735,4)、(0.741,5)、(0.73,6)、(0.73,7)、(0.575,7)、(0.615,6)、(0.64,5)、(0.66,4)、(0.675,3)、(0.703,2)、(0.725,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲で、変曲点感度が良化される。
【0089】
図12(B)は、電極指膜厚H=1.5〜2.0%λの範囲において周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。これらの各点(0.702,1)、(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.63,5)、(0.655,4)、(0.675,3)、(0.7,2)、(0.687,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲で、変曲点感度が良化される。
【0090】
図12(C)は、電極指膜厚H=2.0〜2.5%λの範囲において周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。これらの各点(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.62,5)、(0.645,4)、(0.669,3)、(0.695,2)を結ぶ多角形で囲まれる範囲で、変曲点感度が良化される。
【0091】
図12(D)は、電極指膜厚H=2.5〜3.0%λの範囲において周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。これらの各点(0.745,1)、(0.74,2)、(0.74,3)、(0.745,4)、(0.725,5)、(0.725,6)、(0.725,7)、(0.575,7)、(0.575,6)、(0.605,5)、(0.635,4)、(0.66,3)、(0.695,2)、(0.715,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲で、変曲点感度が良化される。
【0092】
このように図12(A)〜(D)に示す多角形の範囲に電極指間溝深さGと電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとを特定することによって、本発明のSAW共振子は、常に動作温度範囲内に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線の良好な周波数温度特性を発揮すると同時に、製造ばらつきによるIDTライン占有率ηのずれに起因して個体間に生じ得る周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制することができる。
【0093】
本実施例のSAW共振子1について、−10℃〜+125℃の広い動作温度範囲で周波数温度特性をシミュレーションにより評価した。水晶基板2のオイラー角(φ,θ,ψ)を(0°,123°,|45゜|)とした。電極指膜厚、電極指間溝深さ、及びIDTライン占有率は、それぞれ上記表2及び図12(A)に規定される範囲から、H=1%λ、G=3%λ、η=0.71(=71%)とした。更にIDTライン占有率は、前記η値から±0.005(=±0.5%)ずらしたη=0.705(=70.5%)及びη=0.715(=71.5%)の場合とについても、それぞれ周波数温度特性をシミュレーションした。その結果を図13に示す。
【0094】
図13において、η=0.71の周波数温度特性(実線)は、動作温度範囲において極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線で表されている。その周波数変動量は約−7ppm〜+5ppmの範囲内であり、変曲点温度は60℃付近で動作温度範囲の概ね中心にあり、全体として略左右対称をなし、極めて優れた周波数温度特性を示している。
【0095】
η=0.625(細かい破線)及び0.635(大きい破線)の周波数温度特性も、動作温度範囲において極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線で表されている。いずれの場合も、周波数変動量は約−7ppm〜+5ppmの範囲内であり、変曲点温度は60℃付近で動作温度範囲の概ね中心にあり、全体として略左右対称をなし、極めて非常に優れた周波数温度特性を示している。図13から容易に分かるように、本実施例によれば、IDTライン占有率ηに±0.005程度のずれが生じても、周波数温度特性のばらつきや劣化がほとんど発生しないことを確認できた。
【0096】
本実施例のSAW共振子についても、本実施形態のSAW共振子と同様に、IDT3のライン占有率ηが更に、
【数8】
を満足するように設定することが好ましい。これにより、周波数温度特性の二次温度係数をより小さく抑制できるので、周波数変動量をより小さくし、より優れた三次曲線の周波数温度特性が得られる。
【0097】
本実施例のSAW共振子は更に、同じく本実施形態のSAW共振子と同様に、電極指間溝8の深さGと電極指6a,6bの膜厚Hとの和が、0.0407λ≦G+Hを満足するように設定することが好ましい。これにより、ストップバンド上端モードの共振を用いる本実施例では、IDTの電極指間に溝を設けずにストップバンド下端モードの共振を用いる従来のSAW共振子よりも高いQ値が得られる。
【0098】
図14(A)、(B)は、傾斜型IDTを有する本発明によるSAW共振子の第2実施例をそれぞれ示している。図14(A)のSAW共振子211は、第1実施例と同様にオイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)で表される水晶基板221の主面に、傾斜型IDT231と1対の反射器241,241とを有する。水晶基板221は、その長手方向が、IDT231により励振されるSAWの位相速度の伝搬方向であるX’軸に対してエネルギーの伝搬方向であるパワーフロー角(PFA)δ°だけ傾けた向きに沿って配向されている。
【0099】
IDT231は、それぞれ複数の電極指25a1,25b1からなりかつそれらの基端部をバスバー26a1,26b1で接続した1対の櫛歯状電極23a1,23b1を有する。1対の反射器241,241は、SAWの伝搬方向に沿ってIDT231の両側に該IDTを挟むように配置され、それぞれSAWの伝搬方向に配列された複数の導体ストリップ24a1,24a1を有する。電極指25a1、25b1及び導体ストリップ24a1は、その延長方向がパワーフロー角(PFA)δ°だけ傾いたX’軸に直交する向きに配置されている。
【0100】
水晶基板221の電極指25a1、25b1間に露出する表面には、第1実施例と同様に電極指間溝が凹設されている。導体ストリップ24a1,24a1間の水晶基板221の表面にも、同様に導体ストリップ間溝が凹設されている。
【0101】
このようにIDT及び反射器の少なくとも一部が、X’軸方向とパワーフロー角δをもって交差する方向に配置されることによって、SAWデバイス211は第1実施例と同様の作用効果を奏すると共に、Q値を更に高めることができる。これにより、より低損失なSAW共振子が実現される。
【0102】
図14(B)のSAW共振子212は、図14(A)とは異なる構成の傾斜型IDT232と1対の反射器242,242とを水晶基板222の主面に有する。水晶基板222は、その長手方向が、IDT232により励振されるSAWの位相速度の伝搬方向であるX’軸に沿って配向されている。
【0103】
IDT232は、それぞれ複数の電極指25a2,25b2からなりかつそれらの基端部をバスバー26a2,26b2で接続した1対の櫛歯状電極23a2,23b2を有する。1対の反射器242,242は、SAWの伝搬方向に沿ってIDT232の両側に該IDTを挟むように配置され、それぞれSAWの伝搬方向に配列された複数の導体ストリップ24a2,24a2を有する。電極指25a2、25b2及び導体ストリップ24a2は、その延長方向がX’軸に直交する向きに配置されると共に、バスバー26a2,26b2が、X’軸からパワーフロー角(PFA)δ°だけ傾けた向きに配向されている。
【0104】
水晶基板222の電極指25a2、25b2間に露出する表面には、第1実施例と同様に電極指間溝が凹設されている。導体ストリップ24a2,24a2間の水晶基板222の表面にも、同様に導体ストリップ間溝が凹設されている。
【0105】
本実施例のSAW共振子212も、このようにIDT及び反射器の少なくとも一部が、X’軸方向とパワーフロー角δをもって交差する方向に配置されることによって、良好な周波数温度特性及び高いQ値を実現する作用効果を奏すると共に、Q値を更に高めることができる。これにより、より低損失なSAW共振子が実現される。
【0106】
本発明は、上述した本発明のSAW共振子と発振回路とを組み合わせて構成される発振器にも適用することができる。図15(A)、(B)は、そのような本発明によるSAWデバイスの第2実施例であるSAW発振器の典型例の構成を示している。本実施例のSAW発振器31は、本発明によるSAW共振子32と、該SAW共振子を駆動制御する発振回路としてIC(integrated circuit)33と、これらを収容するパッケージ34とを備える。SAW共振子32及びIC33は、パッケージ34の底板34a上に表面実装されている。
【0107】
SAW共振子32は、第1実施例のSAW共振子11と同様の構成を有し、第1実施例と同じオイラー角で表示される水晶基板35と、その表面に形成された1対の櫛歯状電極36a,36bからなるIDTと1対の反射器37,37とを有する。IC33の上面には、電極パッド38a〜38fが設けられている。パッケージ34の底板34a上には、電極パターン39a〜39gが形成されている。SAW共振子32の櫛歯状電極36a,36b及びIC33の電極パッド38a〜38fは、それぞれボンディングワイヤ40,41により対応する電極パターン39a〜39gと電気的に接続されている。このようにSAW共振子32及びIC33を搭載したパッケージ34は、その上部に接合されたリッド42により気密に封止されている。
【0108】
本実施例のSAW発振器31は、本発明のSAW共振子を備えることによって、広い動作温度範囲で周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性を有すると共に、高いQ値を有するので、安定した発振動作が可能であり、更に低インピーダンス化による消費電力の低減を実現することができる。その結果、近年の情報通信の高速化に基づく高周波化及び高精度化の要求に対応し、低温から高温まで温度が大きく変動するような環境下でも長期に安定して動作する優れた耐環境特性を備えたSAW発振器が得られる。
【0109】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、第1実施例のSAW共振子は、IDTの両側に反射器を有する構成としたが、本発明は、反射器を有しない構成のSAW共振子についても同様に適用することができる。また、上記実施例では、圧電基板として水晶基板を用いたが、水晶以外の圧電材料からなる圧電基板を用いた場合にも、同様の作用効果が得られる。IDTの電極構造についても、上記実施例以外に、公知の様々な構成を採用することができる。
【0110】
また、本発明は、上述したSAW共振子、SAW発振器以外のSAWデバイスにも適用することができる。更に本発明のSAWデバイスは、例えば携帯電話、ハードディスク、パーソナルコンピューター、BS及びCS放送用の受信チューナー、同軸ケーブルや光ケーブル中を伝搬する高周波信号や光信号用の各種処理装置、広い温度範囲で高周波・高精度クロック(低ジッタ、低位相雑音)を必要とするサーバー・ネットワーク機器、無線通信用機器等の様々な電子機器、各種モジュール装置や、圧力センサー、加速度センサー、回転速度センサー等の各種センサー装置にも広く適用することができる。
【符号の説明】
【0111】
1,211,212,32…SAW共振子、2,221,222,35…水晶基板、3,231,232…IDT、3a,3b,23a1,23b1,23a2,23b2,36a,36b…櫛歯状電極、4,241,242,37…反射器、4a,4a,24a1,24a2…導体ストリップ、5…ウエーハ、5a…面、6a,6b,25a1,25b1,25a2,25b2…電極指、7a,7b,26a1,26b1,26a2,26b2…バスバー、8…電極指間溝、9…導体ストリップ間溝、31…SAW発振器、33…IC、34…パッケージ、34a…底板、38a〜38f…電極パッド、39a〜39g…電極パターン、40,41…ボンディングワイヤ、42…リッド。
【技術分野】
【0001】
本発明は、弾性表面波(surface acoustic wave:SAW)を利用した共振子、発振器等の弾性表面波デバイス、並びにそれを備えた電子機器及びセンサー装置に関する。
【背景技術】
【0002】
SAWデバイスは、例えば携帯電話、ハードディスク、パーソナルコンピューター、BS及びCS放送の受信チューナー、同軸ケーブルまたは光ケーブル中を伝播する高周波信号や光信号の処理機器、広い温度範囲で高周波・高精度クロック(低ジッタ、低位相雑音)を必要とするサーバー・ネットワーク機器、無線通信用機器等の電子機器や、圧力センサー、加速度センサー、回転速度センサー等の各種センサー装置に広く利用されている。これらの機器・装置は、特に最近の情報通信の高速化によるリファレンスクロックの高周波化や装置筐体の小型化に伴い、装置内部での発熱の影響が大きくなっている。そのため、装置内部に搭載される電子デバイスは、動作温度範囲の拡大や高精度化が要求され、例えば屋外に設置される無線基地局のように低温から高温まで温度変化の激しい環境下で長期に亘って安定した動作が必要となっている。
【0003】
一般にSAW共振子等のSAWデバイスにおいて、周波数温度特性の変化には、SAWのストップバンドや使用する水晶基板のカット角、基板上に形成されるIDT(interdigital transducer:すだれ状トランスデューサ)の形態等が大きい影響を及ぼす。例えば、SAWの1波長当たり3本の電極指で構成される単位区間を圧電基板上に繰り返し配列したIDTを有し、SAWのストップバンドの上端モード、下端モードのそれぞれを励起させる反射反転型SAW変換器が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。この反射反転型SAW変換器によりSAWフィルタを構成すれば、通過帯域近傍の高域側阻止域において高減衰量が実現できるとされている。
【0004】
また、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°、123°、0°)の所謂STカット水晶基板を用いた反射反転型SAW変換器が知られている(例えば、特許文献2を参照)。同特許文献には、ストップバンドの上端の共振を励振させることができ、ストップバンドの下端の共振を用いる場合よりも周波数温度特性が向上すると記載されている。更に、SAWにおけるストップバンドの上端モードの方が、ストップバンドの下端モードよりも周波数温度特性が良好であると報告されている(例えば、特許文献3〜6を参照)。
【0005】
特に特許文献3、4には、レイリー波を利用したSAW装置において良好な周波数温度特性を得るために、水晶基板のカット角を調整すると共に、IDT電極の基準化膜厚(H/λ)を0.1程度まで厚くすることが記載されている。特許文献3に記載のSAW共振子は、オイラー角(φ,θ,ψ)=(φ=0°、0°≦θ≦180°、0°<|ψ|<90°)の水晶基板上に、SAWの1波長当たり2本の電極指で構成される単位区間を繰り返し配列したシングル型IDT電極を有する。これにより、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させ、それを利用してSAW共振子の高周波化と良好な周波数温度特性を実現することができる。
【0006】
特許文献4には、前記シングル型IDT電極を有するSAW装置において、水晶基板をオイラー角(φ,θ,ψ)=(φ=0°、110°≦θ≦140°、38°≦|ψ|≦44°)に設定し、IDT電極の厚みH、IDT電極における電極指の幅d、IDT電極における電極指間のピッチP、及びSAWの波長λにより規定される基準化電極膜厚(H/λ)と基準化電極幅η(=d/P)との関係を、
H/λ≧0.1796η3−0.4303η2+0.2071η+0.0682
に設定することが開示されている。これによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで強く励振させることができる。
【0007】
特許文献5には、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°,θ,9°<|ψ|<46°)、好ましくは(0°,95°<θ<155°,33°<|ψ|<46°)の水晶基板上にシングル型IDT電極を配置し、基準化電極膜厚(H/λ)を0.045≦H/λ≦0.085としたSAW素子が開示されている。これによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させ、良好な周波数温度特性を実現することができる。
【0008】
特許文献6には、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°123°,43.2°)の面内回転STカット水晶基板上に前記シングル型IDT電極を配置し、その基準化電極膜厚(H/λ)をH/λ=0.06、所謂6%λとすることによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させるSAW素子が開示されている。更にこのSAW素子は、IDT電極の電極指幅Ltと電極指ピッチPtとにより規定される標準化電極幅η(=Lt/Pt)を、0.5≦η≦0.7に設定することによって、常温(25℃)において最大830ppmの周波数偏差を実現することができる。
【0009】
他方、IDTを構成する電極指間及び反射器を構成する導体ストリップ間の水晶基板表面にグルーブ即ち溝を形成したSAW共振器が知られている(例えば、特許文献7及び非特許文献1を参照)。特許文献7には、STカットX伝搬水晶基板にIDT及び反射器をアルミ電極で構成しかつIDTを構成する電極指間及び反射器を構成する導体ストリップ(電極指)間に対応する領域の水晶基板に溝を形成することにより、Q値が高く容量比が低くなり、共振抵抗の低いSAW共振器を実現できることが開示されている。更に同特許文献には、IDTの溝と反射器の溝とを同じ深さにした構造、及び反射器の溝をIDTの溝より深くした構造が記載されている。
【0010】
非特許文献1には、STカット水晶基板を用いたグループ型SAW共振器の特性が記載されている。その周波数温度特性は、SAW伝搬基板の電極で覆われていない水晶面に形成した溝の深さにより変化すること、及び、溝が深くなるに従って、上向き凸の2次曲線の頂点温度Tpが低くなっていくことが報告されている。
【0011】
このように水晶等の圧電基板に溝を形成して実効膜厚を調整することによって周波数を調整する方法は、当業者によく知られている(例えば、特許文献8乃至11を参照)。特許文献8記載のSAWデバイスは、IDTを形成した圧電基板の表面を、該圧電基板のエッチングレートがIDTのエッチングレートより大きくなる条件でエッチングし、その周波数を下降させるように微調整する。特許文献9乃至11においても、同様に圧電基板の表面をその上に形成したIDTをマスクとしてドライエッチングすることにより、SAWデバイスの周波数を低域側へシフトさせている。
【0012】
更に、トランスバーサル型SAWフィルタにおいて、IDT電極の電極指間の圧電基板表面をエッチング加工して溝を形成することにより見かけ上伝搬速度を小さくすることが知られている(例えば、特許文献12を参照)。これによって、SAWフィルタの基本設計を変更せずに、IDT電極の電極指ピッチを小さくでき、チップの小型化を実現することができる。
【0013】
また、SSBW(Surface Skimming Bulk Wave)と呼ばれるすべり波を励振するSAW共振器において、回転Yカット、カットアングル−43°乃至−52°、すべり波伝搬方向をZ’軸方向(オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°,38≦θ≦47,90°))の水晶基板に、基準化電極膜厚(H/λ)が2.0≦H/λ≦4.0%のIDT電極をアルミで形成することにより、三次曲線の周波数温度特性を実現し得ることが知られている(例えば、特許文献13を参照)。すべり波(SH波)はその振動エネルギーを電極直下に閉じ込めて圧電基板の表面直下を伝搬するので、SAWが基板表面に沿って伝搬するSTカット水晶SAWデバイスと比較して、反射器によるSAWの反射効率が悪く、小型化及び高いQ値を実現し難いという問題がある。
【0014】
この問題を解決するために、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°,−64°<θ<−49.3°,85°≦ψ≦95°)の回転Yカット水晶基板の表面にIDTとグレーティング反射器とを形成し、SH波を励振するSAWデバイスが提案されている(例えば、特許文献14を参照)。このSAWデバイスは、SAWの波長λで基準化される電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12に設定することによって、小型化、高いQ値及び優れた周波数安定性を実現している。
【0015】
更に、かかるSAWデバイスにおいて、電極膜厚が厚いことに起因して発生するストレスマイグレーションが原因となってQ値や周波数安定性が劣化するという問題を解決するために、IDTの電極指間の水晶基板に溝を形成することが提案されている(例えば、特許文献15を参照)。この溝の深さをHp、IDTの金属膜の膜厚をHmとしたとき、SAWの波長λで基準化した電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12(ただし、H=Hp+Hm)の範囲と設定することにより、金属膜の見掛け上の膜厚を薄くできるので、通電時のストレスマイグレーションによる周波数変動を抑圧し、Q値が高く、周波数安定性の優れたSAWデバイスを実現できる。
【0016】
SAWデバイスの量産過程では、水晶基板の表面にエッチングでIDTの電極指を形成する際に、電極指の膜厚が厚いと、それに起因したサイドエッチングによりIDTのライン占有率(ラインスペース比)ηにばらつきを生じ易い。その結果、SAWデバイスの温度変化による周波数の変動量にばらつきが生じると、製品の信頼性、品質が損なわれる。この問題を解消するために、オイラー角(φ,θ,ψ)=(0°、95°≦θ≦155°、33°≦|ψ|≦46°)の面内回転STカット水晶基板を採用し、SAWのストップバンドの上限モードを励振させ、IDTの電極指間の水晶基板表面に電極指間溝を形成したSAWデバイスが知られている(例えば、特許文献16を参照)。
【0017】
また、SAWデバイスの周波数温度特性が動作温度範囲において二次曲線の場合、周波数変動幅の極小化や変曲点を実現することは困難である。そこで、三次曲線の周波数温度特性を得るために、LSTカットの水晶基板に空隙層と誘電体膜とを介してIDT電極を形成し、漏洩型SAWを励振させるようにしたSAW装置が提案されている(例えば、特許文献17を参照)。同特許文献には、レイリー波を用いたSAW装置において、三次曲線で示されるような周波数温度特性を実現するカット角の水晶基板は発見できなかったことが記載されている。
【0018】
更に、STカット水晶SAW共振子等において、その優れた周波数温度特性を劣化させることなくQ値を高くするために、水晶基板の表面にIDTと反射器とをSAWの位相速度の方向に対してパワーフロー角PFA±3°傾斜させた方向に沿って配置した傾斜型IDTが知られている(例えば、特許文献18,19を参照)。この傾斜型IDTからなるSAWデバイスは、SAWの位相の進行方向とその振動エネルギーの進行方向とをカバーするようにIDT及び反射器を配置することによって、SAWを反射器で効率良く反射できるので、エネルギーの閉じ込めを効率良く行い、Q値をより高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0019】
【特許文献1】特許第3266846号公報
【特許文献2】特開2002−100959号公報
【特許文献3】特開2006−148622号公報
【特許文献4】特開2007−208871号公報
【特許文献5】特開2007−267033号公報
【特許文献6】特開2007−300287号公報
【特許文献7】特公平2−7207号(特開昭57−5418号)公報
【特許文献8】特開平2−189011号公報
【特許文献9】特開平5−90865号公報
【特許文献10】特開平1−231412号公報
【特許文献11】特開昭61−92011号公報
【特許文献12】特開平10−270974号公報
【特許文献13】特公平1−34411号公報
【特許文献14】再公表WO2005/099089A1公報
【特許文献15】特開2006−203408号公報
【特許文献16】特開2009−225420号公報
【特許文献17】特許第3851336号公報
【特許文献18】特許第3216137号公報
【特許文献19】特開2005−204275号公報
【非特許文献】
【0020】
【非特許文献1】グルーブ形SAW共振器の製造条件と特性(電子通信学会技術研究報告MW82−59(1982))
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0021】
上述したように、SAWデバイスの周波数温度特性には多くの要素が関係しており、その改善を図るために様々な工夫が行われている。特に、レイリー波を用いたSAWデバイスは、IDTを構成する電極指の膜厚を厚くすることが周波数温度特性の向上に寄与すると考えられている。単にIDTの電極膜厚を厚くするだけでは、通電時のストレスマイグレーションや、IDT形成時のサイドエッチングに起因したライン占有率の変動による周波数安定性の劣化等の問題が生じる。その対応策としては、水晶基板表面のIDTの電極指間に溝を形成することにより、電極膜厚を薄くしながらその実効膜厚を大きくして周波数の変動を抑制することが有効である。
【0022】
しかしながら、上述したSAWデバイスは、漏洩型SAWを励振させる特許文献13のSAW装置を除いて、いずれも動作温度範囲における周波数温度特性が二次曲線で示されるので、周波数変動幅を十分に小さくしたり変曲点を実現し得るまでは至っていない。そのため、最近のSAWデバイスに対する動作温度範囲の拡大や高精度化、温度変化の激しい環境下における長期の動作安定性等の要求に十分に対応することができない。
【0023】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、動作温度範囲において周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性を発揮し、温度が大きく変動するような環境下でも安定して動作する優れた耐環境特性を有し、高いQ値を実現し得る、共振子、発振器等のSAWデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0024】
本願発明者は、上記目的を達成するために、面内回転STカット水晶基板を採用し、その表面にストップバンドの上端モードでSAWを励振するIDTを形成し、かつIDTを構成する電極指間の水晶基板表面を凹設して溝を形成したSAW共振子において、SAWの波長λ、溝の深さG、IDTの電極膜厚H、その電極指のライン占有率η等のパラメーターと周波数温度特性との関係を検証した。その結果、動作温度範囲において、周波数変動幅の極小化及び変曲点を実現し得る新規なSAW共振子を案出した。
【0025】
この新規な実施形態のSAW共振子(以下、本実施形態のSAW共振子という)は、その第1の態様において、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)の水晶基板上に設けられ、ストップバンド上端モードのSAWを励振するIDTと、該IDTを構成する電極指間に位置する水晶基板を窪ませた電極指間溝を有し、
SAWの波長をλ、電極指間溝の深さをGとした場合に、0.01λ≦Gの関係を満たし、
かつ、IDTのライン占有率をηとした場合に、電極指間溝の深さGとライン占有率ηとが
【数1】
…(1)、及び
【数2】
…(2)
の関係を満たすことを特徴とする。
【0026】
本実施形態のSAW共振子は、第2の態様において、前記第1の態様に加えて、電極指間溝の深さGが、0.01λ≦G≦0.0695λの関係を満たすことを特徴とする。電極指間溝の深さGをこの範囲に設定することによって、動作温度範囲内(例えば、−40℃〜+85℃)における周波数変動量を小さく抑制でき、かつ電極指間溝の深さに製造上のばらつきが生じても、個々のSAW共振子間における共振周波数のシフト量を補正可能な範囲に抑えることができる。
【0027】
更に本実施形態のSAW共振子は、第3の態様において、前記第1又は第2の態様に加えて、IDTの電極膜厚をHとした場合に、0<H≦0.035λの関係を満たすことを特徴とする。これにより、動作温度範囲内で良好な周波数温度特性が実現され、電極膜厚を大きくしたときに生じ得る耐環境特性の劣化が予め防止される。
【0028】
また、本実施形態のSAW共振子は、第4の態様において、前記第3の態様に加えて、ライン占有率ηが、
【数3】
…(3)
の関係を満たすことを特徴とする。これにより、周波数温度特性の二次温度係数を小さく抑制することができる。
【0029】
更にまた、本実施形態のSAW共振子は、第5の態様において、前記第3又は第4の態様に加えて、電極指間溝の深さGと電極膜厚Hとの和が、0.0407λ≦G+Hの関係を満たすことを特徴とする。これにより、電極指間に溝を設けずにストップバンドの下端モードの共振を用いた従来の場合よりも高いQ値が得られる。
【0030】
図1は、本実施形態のSAW共振子の典型例を示している。図1(A)に示すように、本実施形態のSAW共振子1は、矩形の水晶基板2と、該水晶基板の主面にそれぞれ形成されたIDT3と1対の反射器4,4とを有する。
【0031】
水晶基板2には、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)で表される面内回転STカット水晶基板を使用する。ここで、オイラー角について説明する。オイラー角(0°,0°,0°)で表される基板は、Z軸に垂直な主面を有するZカット基板となる。ここで、オイラー角(φ,θ,ψ)のφはZカット基板の第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Zカット基板の第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軸へ回転する方向を正の回転角度とした第2の回転角度である。圧電基板のカット面は、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Zカット基板の第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。SAW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。
【0032】
面内回転STカット水晶基板は、図2に示すように、水晶の直交する3つの結晶軸、即ち電気軸、機械軸及び光学軸をそれぞれX軸、Y軸及びZ軸で表したとき、Y軸に垂直なXZ面5aを、X軸を回転軸として+Z軸から−Y軸方向に角度θ´(°)回転させた、座標軸(X,Y´,Z´)のY´軸に垂直なXZ´面を有するウエーハ5から切り出される。水晶基板2は、更にY´軸を回転軸として+X軸から+Z´軸方向を正として角度+ψ(又は−ψ)(°)回転させた新たな座標軸(X´,Y´,Z”)に沿ってウエーハ5から切り出して個片化される。このとき、水晶基板2はその長辺(又は短辺)をX´軸方向又はZ”軸方向のいずれに沿って配置してもよい。尚、角度θ´とオイラー角におけるθとは、θ´=θ−90°の関係にある。
【0033】
IDT3は、それぞれ複数の電極指6a、6bからなり、かつそれらの基端部をバスバー7a,7bで接続した1対の櫛歯状電極3a,3bを有する。各電極指6a、6bは、その延長方向が前記IDTにより励振されるSAWの伝搬方向X´と直交する向きに配置されている。一方の櫛歯状電極3aの電極指6aと他方の櫛歯状電極3bの電極指6bとは、交互にかつ所定の間隔を開けて一定のピッチで配列されている。図1(B)に示すように、電極指6a、6b間に露出する水晶基板2の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの電極指間溝8が凹設されている。
【0034】
1対の反射器4,4は、SAWの伝搬方向X´に沿ってIDT3の外側に該IDTを両側から挟むように配置されている。各反射器4は、それぞれSAWの伝搬方向X´に一定のピッチで配列された複数の導体ストリップ4a,4aを有する。前記各導体ストリップは、IDT3の前記各電極指と同様に、その延長方向がSAWの伝搬方向X´と直交する向きに配置されている。図1(B)に示すように、導体ストリップ4a,4a間に露出する水晶基板2の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの導体ストリップ間溝9が凹設されている。
【0035】
本実施形態において、電極指6a、6b及び導体ストリップ4a,4aは、例えばAlやAlを主体とする合金を用いた金属膜で同じ膜厚Hに形成され、総称して電極指ということもできる。電極指間溝8と導体ストリップ間溝9とは、同じ深さGに形成される。IDT3の最も外側の電極指6a(又は6b)とそれに隣り合う反射器4,4の前記導体ストリップとの間も、同様に水晶基板表面を削除して、前記導体ストリップ間溝と同じ深さの溝が凹設されている。
【0036】
このように構成したSAW共振子1は、水晶基板2のX´軸方向及びY´軸方向の両方に振動変位成分を有するRayleigh型(レイリー型)のSAWを励起する。上述したオイラー角の水晶基板2は、SAWの伝播方向が水晶の結晶軸であるX軸からずれているので、ストップバンド上端モードのSAWを励起することが可能である。
【0037】
尚、上述した水晶基板2のオイラー角(φ,θ,ψ)は、次のようにして選択した。一般にSAW共振子の周波数温度特性は、次式で表される。
Δf=α×(T−T0)+β×(T−T0)2
ここで、Δfは温度Tと頂点温度T0間の周波数変化量(ppm)、αは1次温度係数(ppm/℃)、βは2次温度係数(ppm/℃2)、Tは温度、T0は周波数が最大となる温度(頂点温度)である。2次温度係数βの絶対値を最小に、好ましくは0.01(ppm/℃2)以下に、より好ましくは略零になるように設定して、周波数温度特性が三次曲線を示すようにすれば、広い動作温度範囲でも周波数変動量を小さくして高い周波数安定性が得られる。
【0038】
先ず、水晶基板2のオイラー角を(0°,123°,ψ)とし、β=±0.01(ppm/℃2)となるライン占有率ηが得られるときのオイラー角ψと電極指間溝の深さGとの関係をシミュレーションした。ここで、オイラー角ψは、二次温度係数βの絶対値が0.01(ppm/℃2)となるように適宜選択した。その結果、上記条件下で二次温度係数βを−0.01≦β≦+0.01にし得るオイラー角ψの範囲を43°<ψ<45°と定めることができた。
【0039】
尚、IDT3のライン占有率ηは、図1(C)に示すように、電極指幅Lを電極指ピッチλ/2(=L+S)で除した値である。また、図1(D)は、IDT3の電極指6a、6b及び電極指間溝8をフォトリソグラフィ技法とエッチング技法とにより製造したときに形成されるであろう台形状の断面において、IDT3のライン占有率ηを特定する方法を説明するためのものである。この場合、ライン占有率ηは、電極指間溝8の底部から該電極指間溝の深さGと電極膜厚Hとの合計値(G+H)の1/2となる高さにおいて測定した電極指幅Lと電極指間溝幅Sとに基づいて算出する。
【0040】
次に、水晶基板2をカット角及びSAW伝搬方向をオイラー角表示で(0,θ,ψ)とし、電極指間溝の深さGを0.04λ、電極指の膜厚Hを0.02λ、ライン占有率ηを上記(3)式に従って0.6383として、オイラー角θに関する二次温度係数βの変化をシミュレーションした。ここで、オイラー角ψは上述した43°<ψ<45°の範囲内で、角度θの設定角度に基づいて二次温度係数βの絶対値を最小とするように適宜選択した。その結果、オイラー角θが117°≦θ≦142°の範囲内にあれば、電極指の膜厚H、電極指間溝の深さG、及びライン占有率ηを変化させても、二次温度係数βの絶対値が0.01(ppm/℃2)の範囲内にあることを確認した。
【0041】
次に、水晶基板2をオイラー角表示で(φ,123°,43.77°)とし、電極指間溝の深さGを0.04λ、電極指の膜厚Hを0.02λ、ライン占有率ηを0.65として、オイラー角φに関する二次温度係数βの変化をシミュレーションした。その結果、オイラー角φが−1.5°≦φ≦+1.5°の範囲内にあれば、二次温度係数βの絶対値が0.01(ppm/℃2)の範囲内にあることを確認した。
【0042】
更に、動作温度範囲(−40℃〜+85℃)における周波数変動量が最小となる非常に望ましいオイラー角θとψとの関係をシミュレーションにより求めた。この場合も、電極指間溝の深さG及び電極指の膜厚Hは、それぞれG=0.04λ、H=0.02λとした。その結果、オイラー角ψは、上述したオイラー角θの範囲でその増加と共に三次曲線を描くように増加した。この関係は、次式で近似することができる。
【数4】
【0043】
これにより、オイラー角ψは、オイラー角θの下限値θ=117°においてψ=42.79°となり、上限値θ=142°においてψ=49.57°となる。従って、オイラー角ψは、117°≦θ≦142°の範囲で、42.79°≦ψ≦49.57°に設定することができる。
【0044】
このように水晶基板2のオイラー角を設定することによって、本実施形態のSAW共振子1は、2次温度係数βの絶対値が0.01(ppm/℃2)以下の優れた周波数温度特性を実現することができる。
【0045】
本実施形態のSAW共振子1について、以下の条件で周波数温度特性をシミュレーションした。
−本実施形態のSAW共振子1の基本データ
H:0.02λ
G:変化
IDTライン占有率η:0.6
反射器ライン占有率ηr:0.8
オイラー角:(0°,123°,43.5°)
IDT対数:120
電極指交差幅:40λ(λ=10μm)
反射器本数(片側あたり):60
電極指の傾斜角度:なし
【0046】
このシミュレーション結果を図3に示す。同図から分かるように、周波数温度特性は動作温度範囲(−40〜+85℃)において略3次曲線を示しており、周波数変動幅を20ppm以内という極めて小さな変動量に抑圧することできた。
【0047】
図3の周波数温度特性を示すSAW共振子1について、周波数、等価回路定数、及び静特性をまとめると、以下の表1になる。
【表1】
ここで、Fは周波数、QはQ値、γは容量比、CIはCI(クリスタルインピーダンス:Crystal Impedance)値、Mは性能指数(フィギュアオブメリット:Figure of Merit)である。
【0048】
SAW共振子1は、IDT3のストップバンド上端の周波数ft2と、反射器4のストップバンド下端の周波数fr1及びストップバンド上端の周波数fr2とが、fr1<ft2<fr2の関係を満たすように設定するのが好ましい。図4は、周波数に関するIDT3及び反射器4のSAW反射特性を示している。同図のように、周波数ft2を周波数fr1と周波数fr2との間に設定すると、周波数ft2において反射器4の反射係数がIDT3の反射係数よりも大きくなる。その結果、IDT3から励振されたストップバンド上端モードのSAWは、反射器4からIDT3側により高い反射係数で反射されることになる。従って、SAWの振動エネルギーを効率良く閉じ込めることができ、低損失なSAW共振子1を実現できる。
【0049】
また、SAW共振子1のQ値について、電極指6a、6bの高さ即ち膜厚Hと電極指間溝8の深さGとにより形成される段差の大きさ(G+H)との関係をシミュレーションにより検証した。比較のため、電極指間に溝を設けずかつストップバンド上端モードの共振を用いる従来のSAW共振子について、以下の条件でQ値と電極指の高さ即ち膜厚との関係をシミュレーションした。
【0050】
−従来のSAW共振子の基本データ
H:変化
G:ゼロ(無し)
IDTライン占有率η:0.4
反射器ライン占有率ηr:0.3
オイラー角(0°,123°,43.5°)
IDT対数:120
電極指交差幅:40λ(λ=10μm)
反射器本数(片側あたり):60
電極指の傾斜角度:なし
【0051】
このシミュレーション結果を図5に示す。同図において、太線は本実施形態のSAW共振子1を、細線は従来のSAW共振子を示している。同図から分かるように、本実施形態のSAW共振子1は、段差(G+H)が0.0407λ(4.07%λ)以上の領域において、従来のSAW共振子よりも高いQ値を得ることができる。
【0052】
ところが、本実施形態のSAW共振子は、個体間で周波数温度特性にばらつきを生じる場合があることが判明した。上述したように本実施形態では、SAWの波長λ、電極指間溝の深さG、IDTのライン占有率η、及び電極指膜厚Hをパラメーターとして、三次曲線の優れた周波数温度特性を実現している。そこで、本願発明者らは、これらパラメーターの製造誤差が周波数温度特性のばらつきに影響しているのではないかと考え、それらの関係を検証した。
【0053】
SAWデバイスを量産する場合、一般にIDTの電極指は電極膜のフォトエッチングにより形成されるが、その線幅Lは通常0.5%程度の製造誤差が想定される。この場合、IDTライン占有率ηにも、同程度の製造ばらつきが生じると考えられる。このような仮定に基づいて、図1のSAW共振子1において、電極指膜厚H=2%λ、溝深さG=3.5%λとし、IDTライン占有率をη=0.63(=63%)の場合と、それから±0.005(=±0.5%)ずれた場合とについて、それぞれシミュレーションにより周波数温度特性を算出した。図6は、その結果を示している。
【0054】
いずれの場合も、周波数温度特性が、使用温度範囲において極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線で表されている。η=0.63(実線)の場合、使用温度範囲(−40℃〜+85℃)において周波数変動量が±5ppm以内であり、変曲点の位置即ち変曲点温度が使用温度範囲の概ね中心にあって略左右対称をなす、非常に優れた周波数温度特性を示した。これに対し、η=0.625(細かい破線)及び0.635(大きい破線)の場合、周波数温度特性は、使用温度範囲で周波数変動量が±5ppm以上に大きくなり、変曲点温度が低温側又は高温側に大きくずれて左右非対称となって劣化していることが分かる。
【0055】
次に、本願発明者らは、周波数温度特性における変曲点温度のずれがその周波数変動量に及ぼす影響を検証した。図7は、図6のη=0.63の場合について、変曲点温度の変化量と周波数変動量の偏差との関係を示している。同図から、変曲点温度にばらつきが生じると、周波数変動量偏差が大きくなって、周波数温度特性が劣化することが分かる。
【0056】
更に本願発明者らは、電極指膜厚Hに関する電極指間溝の深さGの変化が、IDTライン占有率ηのずれ(±0.005)により生じる変曲点温度の変化量、即ち周波数温度特性に及ぼす影響を検証した。尚、本明細書中、このIDTライン占有率ηのずれにより生じる変曲点温度の変化量を、周波数温度特性の劣化程度を示す指標として変曲点感度と称することとする。
【0057】
先ず、図1のSAW共振子1において、水晶基板2のオイラー角を(0°,123°,ψ)とし、電極指膜厚Hを1%λに固定し、電極指間溝深さGを2%λ〜7%λの範囲で1%λ毎に変化させた場合に、周波数温度特性の二次温度係数βが0.01以下となるIDTライン占有率ηと、そのη値の±0.005のずれによる変曲点感度との関係をシミュレーションにより算出した。図8にその結果を示す。同図から分かるように、いずれの場合も、ηが大きくなるに連れて、変曲点感度が小さくなり、周波数温度特性が良化している。
【0058】
次に、図8と同じ条件で、電極指膜厚Hを1.5%λに固定し、同様に溝深さGを2%λ〜7%λの範囲で1%λ毎に変化させた場合に、周波数温度特性の二次温度係数βが0.01以下となるIDTライン占有率ηと、そのη値の±0.005のずれによる変曲点感度との関係をシミュレーションにより算出した。図9にその結果を示す。同図から、いずれの場合も、ηが大きくなるに連れて、変曲点感度が小さくなり、周波数温度特性が良化していることが分かる。
【0059】
また、図10は、図8のシミュレーション結果について、IDTライン占有率ηに関する変曲点温度の変化をプロットしたものである。同図は、ηが大きくなるほど、変曲点温度の変化率が大きくなることを示している。
【0060】
そこで、本願発明者らは更に、本実施形態のSAW共振子1について、IDTライン占有率ηのずれによる変曲点感度を良化し得るようなIDT3の電極膜厚Hと、電極指間溝深さGと、IDTライン占有率ηとの関係を検証した。その結果、電極指間溝深さGとIDTライン占有率ηとの間には、周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制し得る特定の関係が存在することを見出した。本願発明者らは、これらの知見に基づいて本発明を想到したものである。
【0061】
本発明のSAWデバイスは、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,|ψ|≠90°×n(但し、n=0,1,2,3))の圧電基板と、
該圧電基板の主面に設けられた複数の電極指からなり、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するIDTと、
該IDTの隣り合う電極指間の圧電基板の表面に凹設した電極指間溝とを有し、
レイリー波の波長λと電極指間溝の深さGとが、0.01λ≦G≦0.07λの関係を満足し、
IDTのライン占有率ηと電極指間溝の深さGとが、
【数5】
及び、
【数6】
の関係を満足し、
電極指の膜厚HとIDTのライン占有率ηとが、
(1)0.010λ≦H≦0.015λ、かつ0.575≦η≦0.741
(2)0.015λ≦H≦0.020λ、かつ0.605≦η≦0.744
(3)0.020λ≦H≦0.025λ、かつ0.605≦η≦0.745
(4)0.025λ≦H≦0.030λ、かつ0.575≦η≦0.745
のいずれかを満足することを特徴とする。
【0062】
このように電極指間溝深さGと電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとの関係を規定することによって、SAWデバイスは、常に動作温度範囲内に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表される良好な周波数温度特性を有し、製造ばらつきによるIDTライン占有率ηのずれに起因して個体間に生じ得る変曲点温度の変動、それによる周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制することができる。
【0063】
或る実施例では、圧電基板のオイラー角ψが、42.79°≦|ψ|≦49.57°の範囲内にあり、それによって広い動作温度範囲内で周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性が得られる。
【0064】
更に或る実施例では、圧電基板のオイラー角ψが|ψ|=45°であることによって、変曲点温度のばらつきをより小さくすることができる。
【0065】
別の実施例では、IDTのライン占有率ηが、該ライン占有率η(%)を縦軸、前記電極指間溝の深さG(%λ)を横軸とした直交座標において、
(1)電極指膜厚Hが1.0〜1.5%λのとき、各点(0.74,1)、(0.75,2)、(0.74,3)、(0.735,4)、(0.741,5)、(0.73,6)、(0.73,7)、(0.575,7)、(0.615,6)、(0.64,5)、(0.66,4)、(0.675,3)、(0.703,2)、(0.725,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(2)電極指膜厚Hが1.5〜2.0%λのとき、各点(0.702,1)、(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.63,5)、(0.655,4)、(0.675,3)、(0.7,2)、(0.687,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(3)電極指膜厚Hが2.0〜2.5%λのとき、各点(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.62,5)、(0.645,4)、(0.669,3)、(0.695,2)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(4)電極指膜厚Hが2.5〜3.0%λのとき、各点(0.745,1)、(0.74,2)、(0.74,3)、(0.745,4)、(0.725,5)、(0.725,6)、(0.725,7)、(0.575,7)、(0.575,6)、(0.605,5)、(0.635,4)、(0.66,3)、(0.695,2)、(0.715,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあることを特徴とする。
【0066】
このようにIDTのライン占有率ηと電極指膜厚Hとを特定することによって、製造ばらつきによるIDTライン占有率ηのずれに起因して個体間に生じ得る、周波数温度特性の変曲点温度の変動を良化し、周波数温度特性のばらつき及び劣化をより小さくすることができる。
【0067】
別の実施例では、IDTのライン占有率ηが、
【数7】
を満足することにより、周波数温度特性の二次温度係数をより小さく抑制できるので、周波数変動量をより小さくしかつより優れた三次曲線の周波数温度特性が得られる。
【0068】
また別の実施例では、電極指間溝の深さGと電極指の膜厚Hとの和が、0.0407λ≦G+Hを満足することが好ましい。これにより、ストップバンド上端モードの共振を用いる本発明は、IDTの電極指間に溝を設けずにストップバンド下端モードの共振を用いる従来のSAW共振子よりも高いQ値が得られる。
【0069】
更にまた別の実施例では、それぞれに水晶基板の主面に設けられた複数の導体ストリップからなり、かつSAWの伝播方向に沿ってIDTを挟むようにその両側に配置した一対の反射器と、該反射器の隣り合う導体ストリップ間の水晶基板の表面に凹設した導体ストリップ間溝とを更に有し、電極指及び導体ストリップに直交する第1の方向と水晶基板の電機軸とのなす角度が水晶基板のオイラー角ψであり、IDT及び反射器の少なくとも一部が、第1の方向と角度δをもって交差する第2の方向に配置され、角度δが水晶基板のパワーフロー角±1°の範囲内に設定されることにより、更にQ値の向上を図ることができる。
【0070】
また、別の実施例では、IDTを駆動するための発振回路を更に有することにより、広い動作温度範囲で周波数変動量が極めて小さく、CI値が低く、かつ発振安定性に優れたSAW発振器を得ることができる。
【0071】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明のSAWデバイスを備えることにより、広い動作温度範囲で安定して良好な性能を発揮しかつ信頼性の高い電子機器、センサー装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】(A)図は本実施形態のSAW共振子の構成を示す平面図、(B)図はその部分拡大縦断面図、(C)図は(B)図の部分拡大図、(D)図はフォトリソグラフィ及びエッチング技術により形成される電極指間溝の形状を示す(C)図と同様の部分拡大断面図。
【図2】本実施形態の水晶基板を模式的に示す説明図。
【図3】本実施形態の周波数温度特性を示す線図。
【図4】本実施形態のIDT及び反射器のSAW反射特性を示す線図。
【図5】本実施形態の電極指間の段差とQ値との関係を示す線図。
【図6】本実施形態のIDTライン占有率ηの変動による周波数温度特性のばらつきを示す線図。
【図7】本実施形態の周波数温度特性における変曲点温度の変化量と周波数変動量の偏差との関係を示す線図。
【図8】電極指膜厚H=1%λの場合に周波数温度特性におけるIDTライン占有率ηと変曲点感度との関係を示す線図。
【図9】電極指膜厚H=1.5%λの場合に周波数温度特性におけるIDTライン占有率ηと変曲点感度との関係を示す線図。
【図10】電極指膜厚H=1%λの場合に周波数温度特性におけるIDTライン占有率ηと変曲点温度との関係を示す線図。
【図11】(A)〜(E)図は、電極指膜厚H=1%λ,1.5%λ,2%λ,2.5%λ,3%λの場合に、変曲点感度を良化し得る電極指間溝の深さGとIDTのライン占有率ηとの関係をそれぞれ示す線図。
【図12】(A)〜(D)図は、電極指膜厚H=1〜1.5%λ,1.5〜2%λ,2〜2.5%λ,2.5〜3.0%λの範囲において、変曲点感度を良化し得る電極指間溝の深さGとIDTのライン占有率ηとの関係をそれぞれ示す線図。
【図13】本発明によるSAW共振子の、IDTライン占有率ηの変動による周波数温度特性のばらつきの改善を示す線図。
【図14】(A)、(B)図は、それぞれ異なる構造の傾斜型IDTを有する本発明の第2実施例のSAW共振子を示す平面図。
【図15】(A)図は本発明によるSAW発振器を示す平面図、(B)図はそのA−A線における縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【0073】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、添付図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付して示す。
【0074】
本発明によるSAWデバイスの第1実施例であるSAW共振子は、その基本的な構成が図1に示すSAW共振子1と同一であるので、同図を用いて説明する。即ち、本実施例のSAW共振子1は、矩形の水晶基板2と、該水晶基板の主面にそれぞれ形成したIDT3と1対の反射器4,4とを有する。水晶基板2は、オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,ψ)の水晶基板を使用する。ここで、オイラー角ψは、|ψ|≠90°×n、(n=0,1,2,3)を満足するように設定する。
【0075】
IDT3は、それぞれ複数の電極指6a、6bからなり、かつそれらの基端部をバスバー7a,7bで接続した1対の櫛歯状電極3a,3bを有する。各電極指6a、6bは、その延長方向が前記IDTにより励振されるSAWの伝搬方向と直交する向きに配置されている。一方の櫛歯状電極3aの電極指6aと他方の櫛歯状電極3bの電極指6bとは、交互にかつ所定の間隔を開けて一定のピッチで配列されている。電極指6a、6b間に露出する水晶基板2の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの電極指間溝8が凹設されている。
【0076】
1対の反射器4,4は、SAWの伝搬方向に沿ってIDT3の外側に該IDTを両側から挟むように配置されている。各反射器4は、それぞれSAWの伝搬方向に一定のピッチで配列された複数の導体ストリップ(電極指)4a,4aを有する。前記各導体ストリップは、その延長方向がSAWの伝搬方向と直交する向きに配置されている。導体ストリップ4a,4a間に露出する水晶基板2の表面には、該表面をエッチング等で削除することにより一定深さの導体ストリップ間溝9が凹設されている。
【0077】
前記電極指及び導体ストリップは、例えばAlやAlを主体とする合金を用いた金属膜で同じ膜厚Hに形成される。前記電極指間溝及び導体ストリップ間溝は、同じ深さGに形成される。各反射器4,4の最も内側の前記導体ストリップとそれに所定の間隔を置いて配置したIDT3の最も外側の電極指6a(又は6b)との間も、同様に水晶基板表面を削除して、前記電極指間溝と同じ深さの溝が凹設されている。
【0078】
このように構成することによって、SAW共振子1は、水晶基板2のX´軸方向及びY´軸方向の両方に振動変位成分を有するRayleigh型(レイリー型)のSAWを励起する。上述したオイラー角の水晶基板2を用いることによって、SAWの伝播方向が水晶の結晶軸であるX軸からずれているので、ストップバンド上端モードのSAWを励起することができる。
【0079】
SAWデバイスの量産時に電極指の線幅Lの製造誤差が0.5%であると想定すれば、IDTライン占有率ηにも同程度の製造ばらつきが生じると考えられる。本実施例では、設計したIDTライン占有率のη値に±0.005の製造ばらつきが生じると仮定する。この仮定に基づいて、SAW共振子1は、周波数温度特性が常に動作温度範囲内に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表されるように、電極指間溝の深さGと電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとを設定する。
【0080】
本実施例のSAW共振子1において、変曲点感度を良化し得る電極指間溝の深さGとIDTのライン占有率ηとの関係を検討した。変曲点感度は、IDTライン占有率ηの設計値に対する±0.005のずれによる変曲点温度の変動量が小さくなった場合に、良化したと判定する。水晶基板2のオイラー角を(0°,123°,ψ)とし、電極指膜厚Hを1%λ、1.5%λ、2%λ、2.5%λ、3%λとした場合に、周波数温度特性の二次温度係数βが0.01以下となる電極指間溝深さGとIDTライン占有率ηとの関係をシミュレーションにより算出した。
【0081】
ここで、電極指間溝深さGは、例えば−40℃〜+85℃の広い動作温度範囲内において周波数変動量を小さく抑制でき、かつ溝深さGに製造上のばらつきが生じてもSAW共振子個体間の共振周波数のシフト量を補正可能な範囲に抑制し得る、1%λ〜7%λの範囲に設定した。また、電極指膜厚Hは、動作温度範囲内で良好な周波数温度特性を実現しかつ電極指膜厚を大きくしたときに生じ得る耐環境特性の劣化を防止し得る、1%λ〜3%λの範囲を選択した。
【0082】
このシミュレーション結果を図11(A)〜(E)に示す。図11(A)は、ライン占有率η(%)を縦軸、電極指間溝の深さG(%λ)を横軸とした直交座標において、電極指膜厚H=1.0%λの場合に周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。図11(B)〜(E)は、図11(A)と同じ直交座標において、電極指膜厚H=1.5%λ、2.0%λ、2.5%λ、3.0%λの場合に、それぞれ周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。
【0083】
同図から分かるように、いずれの場合にも、電極指間溝深さGと電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとの間に、周波数温度特性の二次温度係数βが0.01以下となる範囲が存在する。図11(A)〜(E)において、それぞれプロットした各点を結ぶ多角形で囲まれる範囲内では、変曲点感度が良化されるので、IDTライン占有率ηに設計値からのずれが生じても、周波数温度特性のばらつきが抑制される。
【0084】
図11(A)〜(E)のシミュレーション結果は、次の表2〜表5のようにまとめることができる。
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【0085】
表2は、図11(A)の多角形と図11(B)の多角形とが重複する範囲である。同様に、表3〜表5は、それぞれ図11(B)の多角形と図11(C)の多角形とが重複する範囲、図11(C)の多角形と図11(D)の多角形とが重複する範囲、図11(D)の多角形と図11(E)の多角形とが重複する範囲である。
【0086】
本実施例では、表2〜表5から、電極指の膜厚HとIDTのライン占有率ηとを、
(1)0.010λ≦H≦0.015λ、かつ0.575≦η≦0.741
(2)0.015λ≦H≦0.020λ、かつ0.605≦η≦0.744
(3)0.020λ≦H≦0.025λ、かつ0.605≦η≦0.745
(4)0.025λ≦H≦0.030λ、かつ0.575≦η≦0.745
のいずれかを満足するように設定する。
【0087】
これにより、製造ばらつきによるIDTライン占有率ηのずれに対する変曲点感度を良化することができる。従って、常に動作温度範囲内に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表される良好な周波数温度特性を有し、かつ個体間でIDTライン占有率ηのずれにより生じ得る周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制したSAWデバイスが得られる。
【0088】
図12(A)〜(D)は、図11と同様に、ライン占有率η(%)を縦軸、前記電極指間溝の深さG(%λ)を横軸とした直交座標において、表2〜表5の各点をそれぞれプロットしたものである。即ち、図12(A)は、電極指膜厚H=1.0〜1.5%λの範囲において周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。これらの各点(0.74,1)、(0.75,2)、(0.74,3)、(0.735,4)、(0.741,5)、(0.73,6)、(0.73,7)、(0.575,7)、(0.615,6)、(0.64,5)、(0.66,4)、(0.675,3)、(0.703,2)、(0.725,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲で、変曲点感度が良化される。
【0089】
図12(B)は、電極指膜厚H=1.5〜2.0%λの範囲において周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。これらの各点(0.702,1)、(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.63,5)、(0.655,4)、(0.675,3)、(0.7,2)、(0.687,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲で、変曲点感度が良化される。
【0090】
図12(C)は、電極指膜厚H=2.0〜2.5%λの範囲において周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。これらの各点(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.62,5)、(0.645,4)、(0.669,3)、(0.695,2)を結ぶ多角形で囲まれる範囲で、変曲点感度が良化される。
【0091】
図12(D)は、電極指膜厚H=2.5〜3.0%λの範囲において周波数温度特性の二次温度係数β=0.01となる、電極指間溝深さG(%λ)及びIDTライン占有率ηの各点をプロットしたものである。これらの各点(0.745,1)、(0.74,2)、(0.74,3)、(0.745,4)、(0.725,5)、(0.725,6)、(0.725,7)、(0.575,7)、(0.575,6)、(0.605,5)、(0.635,4)、(0.66,3)、(0.695,2)、(0.715,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲で、変曲点感度が良化される。
【0092】
このように図12(A)〜(D)に示す多角形の範囲に電極指間溝深さGと電極指膜厚HとIDTライン占有率ηとを特定することによって、本発明のSAW共振子は、常に動作温度範囲内に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線の良好な周波数温度特性を発揮すると同時に、製造ばらつきによるIDTライン占有率ηのずれに起因して個体間に生じ得る周波数温度特性のばらつき及び劣化を抑制することができる。
【0093】
本実施例のSAW共振子1について、−10℃〜+125℃の広い動作温度範囲で周波数温度特性をシミュレーションにより評価した。水晶基板2のオイラー角(φ,θ,ψ)を(0°,123°,|45゜|)とした。電極指膜厚、電極指間溝深さ、及びIDTライン占有率は、それぞれ上記表2及び図12(A)に規定される範囲から、H=1%λ、G=3%λ、η=0.71(=71%)とした。更にIDTライン占有率は、前記η値から±0.005(=±0.5%)ずらしたη=0.705(=70.5%)及びη=0.715(=71.5%)の場合とについても、それぞれ周波数温度特性をシミュレーションした。その結果を図13に示す。
【0094】
図13において、η=0.71の周波数温度特性(実線)は、動作温度範囲において極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線で表されている。その周波数変動量は約−7ppm〜+5ppmの範囲内であり、変曲点温度は60℃付近で動作温度範囲の概ね中心にあり、全体として略左右対称をなし、極めて優れた周波数温度特性を示している。
【0095】
η=0.625(細かい破線)及び0.635(大きい破線)の周波数温度特性も、動作温度範囲において極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線で表されている。いずれの場合も、周波数変動量は約−7ppm〜+5ppmの範囲内であり、変曲点温度は60℃付近で動作温度範囲の概ね中心にあり、全体として略左右対称をなし、極めて非常に優れた周波数温度特性を示している。図13から容易に分かるように、本実施例によれば、IDTライン占有率ηに±0.005程度のずれが生じても、周波数温度特性のばらつきや劣化がほとんど発生しないことを確認できた。
【0096】
本実施例のSAW共振子についても、本実施形態のSAW共振子と同様に、IDT3のライン占有率ηが更に、
【数8】
を満足するように設定することが好ましい。これにより、周波数温度特性の二次温度係数をより小さく抑制できるので、周波数変動量をより小さくし、より優れた三次曲線の周波数温度特性が得られる。
【0097】
本実施例のSAW共振子は更に、同じく本実施形態のSAW共振子と同様に、電極指間溝8の深さGと電極指6a,6bの膜厚Hとの和が、0.0407λ≦G+Hを満足するように設定することが好ましい。これにより、ストップバンド上端モードの共振を用いる本実施例では、IDTの電極指間に溝を設けずにストップバンド下端モードの共振を用いる従来のSAW共振子よりも高いQ値が得られる。
【0098】
図14(A)、(B)は、傾斜型IDTを有する本発明によるSAW共振子の第2実施例をそれぞれ示している。図14(A)のSAW共振子211は、第1実施例と同様にオイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,42.79°≦|ψ|≦49.57°)で表される水晶基板221の主面に、傾斜型IDT231と1対の反射器241,241とを有する。水晶基板221は、その長手方向が、IDT231により励振されるSAWの位相速度の伝搬方向であるX’軸に対してエネルギーの伝搬方向であるパワーフロー角(PFA)δ°だけ傾けた向きに沿って配向されている。
【0099】
IDT231は、それぞれ複数の電極指25a1,25b1からなりかつそれらの基端部をバスバー26a1,26b1で接続した1対の櫛歯状電極23a1,23b1を有する。1対の反射器241,241は、SAWの伝搬方向に沿ってIDT231の両側に該IDTを挟むように配置され、それぞれSAWの伝搬方向に配列された複数の導体ストリップ24a1,24a1を有する。電極指25a1、25b1及び導体ストリップ24a1は、その延長方向がパワーフロー角(PFA)δ°だけ傾いたX’軸に直交する向きに配置されている。
【0100】
水晶基板221の電極指25a1、25b1間に露出する表面には、第1実施例と同様に電極指間溝が凹設されている。導体ストリップ24a1,24a1間の水晶基板221の表面にも、同様に導体ストリップ間溝が凹設されている。
【0101】
このようにIDT及び反射器の少なくとも一部が、X’軸方向とパワーフロー角δをもって交差する方向に配置されることによって、SAWデバイス211は第1実施例と同様の作用効果を奏すると共に、Q値を更に高めることができる。これにより、より低損失なSAW共振子が実現される。
【0102】
図14(B)のSAW共振子212は、図14(A)とは異なる構成の傾斜型IDT232と1対の反射器242,242とを水晶基板222の主面に有する。水晶基板222は、その長手方向が、IDT232により励振されるSAWの位相速度の伝搬方向であるX’軸に沿って配向されている。
【0103】
IDT232は、それぞれ複数の電極指25a2,25b2からなりかつそれらの基端部をバスバー26a2,26b2で接続した1対の櫛歯状電極23a2,23b2を有する。1対の反射器242,242は、SAWの伝搬方向に沿ってIDT232の両側に該IDTを挟むように配置され、それぞれSAWの伝搬方向に配列された複数の導体ストリップ24a2,24a2を有する。電極指25a2、25b2及び導体ストリップ24a2は、その延長方向がX’軸に直交する向きに配置されると共に、バスバー26a2,26b2が、X’軸からパワーフロー角(PFA)δ°だけ傾けた向きに配向されている。
【0104】
水晶基板222の電極指25a2、25b2間に露出する表面には、第1実施例と同様に電極指間溝が凹設されている。導体ストリップ24a2,24a2間の水晶基板222の表面にも、同様に導体ストリップ間溝が凹設されている。
【0105】
本実施例のSAW共振子212も、このようにIDT及び反射器の少なくとも一部が、X’軸方向とパワーフロー角δをもって交差する方向に配置されることによって、良好な周波数温度特性及び高いQ値を実現する作用効果を奏すると共に、Q値を更に高めることができる。これにより、より低損失なSAW共振子が実現される。
【0106】
本発明は、上述した本発明のSAW共振子と発振回路とを組み合わせて構成される発振器にも適用することができる。図15(A)、(B)は、そのような本発明によるSAWデバイスの第2実施例であるSAW発振器の典型例の構成を示している。本実施例のSAW発振器31は、本発明によるSAW共振子32と、該SAW共振子を駆動制御する発振回路としてIC(integrated circuit)33と、これらを収容するパッケージ34とを備える。SAW共振子32及びIC33は、パッケージ34の底板34a上に表面実装されている。
【0107】
SAW共振子32は、第1実施例のSAW共振子11と同様の構成を有し、第1実施例と同じオイラー角で表示される水晶基板35と、その表面に形成された1対の櫛歯状電極36a,36bからなるIDTと1対の反射器37,37とを有する。IC33の上面には、電極パッド38a〜38fが設けられている。パッケージ34の底板34a上には、電極パターン39a〜39gが形成されている。SAW共振子32の櫛歯状電極36a,36b及びIC33の電極パッド38a〜38fは、それぞれボンディングワイヤ40,41により対応する電極パターン39a〜39gと電気的に接続されている。このようにSAW共振子32及びIC33を搭載したパッケージ34は、その上部に接合されたリッド42により気密に封止されている。
【0108】
本実施例のSAW発振器31は、本発明のSAW共振子を備えることによって、広い動作温度範囲で周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性を有すると共に、高いQ値を有するので、安定した発振動作が可能であり、更に低インピーダンス化による消費電力の低減を実現することができる。その結果、近年の情報通信の高速化に基づく高周波化及び高精度化の要求に対応し、低温から高温まで温度が大きく変動するような環境下でも長期に安定して動作する優れた耐環境特性を備えたSAW発振器が得られる。
【0109】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、第1実施例のSAW共振子は、IDTの両側に反射器を有する構成としたが、本発明は、反射器を有しない構成のSAW共振子についても同様に適用することができる。また、上記実施例では、圧電基板として水晶基板を用いたが、水晶以外の圧電材料からなる圧電基板を用いた場合にも、同様の作用効果が得られる。IDTの電極構造についても、上記実施例以外に、公知の様々な構成を採用することができる。
【0110】
また、本発明は、上述したSAW共振子、SAW発振器以外のSAWデバイスにも適用することができる。更に本発明のSAWデバイスは、例えば携帯電話、ハードディスク、パーソナルコンピューター、BS及びCS放送用の受信チューナー、同軸ケーブルや光ケーブル中を伝搬する高周波信号や光信号用の各種処理装置、広い温度範囲で高周波・高精度クロック(低ジッタ、低位相雑音)を必要とするサーバー・ネットワーク機器、無線通信用機器等の様々な電子機器、各種モジュール装置や、圧力センサー、加速度センサー、回転速度センサー等の各種センサー装置にも広く適用することができる。
【符号の説明】
【0111】
1,211,212,32…SAW共振子、2,221,222,35…水晶基板、3,231,232…IDT、3a,3b,23a1,23b1,23a2,23b2,36a,36b…櫛歯状電極、4,241,242,37…反射器、4a,4a,24a1,24a2…導体ストリップ、5…ウエーハ、5a…面、6a,6b,25a1,25b1,25a2,25b2…電極指、7a,7b,26a1,26b1,26a2,26b2…バスバー、8…電極指間溝、9…導体ストリップ間溝、31…SAW発振器、33…IC、34…パッケージ、34a…底板、38a〜38f…電極パッド、39a〜39g…電極パターン、40,41…ボンディングワイヤ、42…リッド。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,|ψ|≠90°×n(但し、n=0,1,2,3))の圧電基板と、
前記圧電基板の主面に設けられた複数の電極指からなり、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するIDTと、
前記IDTの隣り合う前記電極指間の前記圧電基板の表面に凹設した電極指間溝とを有し、
前記レイリー波の波長λと前記電極指間溝の深さGとが、0.01λ≦G≦0.07λの関係を満足し、
前記IDTのライン占有率ηと前記電極指間溝の深さGとが、
【数9】
及び、
【数10】
の関係を満足し、
前記電極指の膜厚Hと前記IDTのライン占有率ηとが、
(1)0.010λ≦H≦0.015λ、かつ0.575≦η≦0.741
(2)0.015λ≦H≦0.020λ、かつ0.605≦η≦0.744
(3)0.020λ≦H≦0.025λ、かつ0.605≦η≦0.745
(4)0.025λ≦H≦0.030λ、かつ0.575≦η≦0.745
のいずれかを満足することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項2】
前記圧電基板のオイラー角ψが、42.79°≦|ψ|≦49.57°の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載の弾性表面波デバイス。
【請求項3】
前記圧電基板のオイラー角ψが、|ψ|=45°であることを特徴とする請求項1記載の弾性表面波デバイス。
【請求項4】
前記IDTのライン占有率ηが、該ライン占有率η(%)を縦軸、前記電極指間溝の深さG(%λ)を横軸とした直交座標において、
(1)前記電極指膜厚Hが1.0〜1.5%λのとき、各点(0.74,1)、(0.75,2)、(0.74,3)、(0.735,4)、(0.741,5)、(0.73,6)、(0.73,7)、(0.575,7)、(0.615,6)、(0.64,5)、(0.66,4)、(0.675,3)、(0.703,2)、(0.725,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(2)前記電極指膜厚Hが1.5〜2.0%λのとき、各点(0.702,1)、(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.63,5)、(0.655,4)、(0.675,3)、(0.7,2)、(0.687,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(3)前記電極指膜厚Hが2.0〜2.5%λのとき、各点(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.62,5)、(0.645,4)、(0.669,3)、(0.695,2)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(4)前記電極指膜厚Hが2.5〜3.0%λのとき、各点(0.745,1)、(0.74,2)、(0.74,3)、(0.745,4)、(0.725,5)、(0.725,6)、(0.725,7)、(0.575,7)、(0.575,6)、(0.605,5)、(0.635,4)、(0.66,3)、(0.695,2)、(0.715,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
【請求項5】
前記IDTのライン占有率ηが、
【数11】
を満足することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
【請求項6】
前記電極指間溝の深さGと前記電極指の膜厚Hとの和が、0.0407λ≦G+Hを満足することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
【請求項7】
前記IDTを駆動するための発振回路を更に有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
【請求項8】
請求項1乃至7のいずれか記載の弾性表面波デバイスを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項9】
請求項1乃至7のいずれか記載の弾性表面波デバイスを備えることを特徴とするセンサー装置。
【請求項1】
オイラー角(−1.5°≦φ≦1.5°,117°≦θ≦142°,|ψ|≠90°×n(但し、n=0,1,2,3))の圧電基板と、
前記圧電基板の主面に設けられた複数の電極指からなり、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するIDTと、
前記IDTの隣り合う前記電極指間の前記圧電基板の表面に凹設した電極指間溝とを有し、
前記レイリー波の波長λと前記電極指間溝の深さGとが、0.01λ≦G≦0.07λの関係を満足し、
前記IDTのライン占有率ηと前記電極指間溝の深さGとが、
【数9】
及び、
【数10】
の関係を満足し、
前記電極指の膜厚Hと前記IDTのライン占有率ηとが、
(1)0.010λ≦H≦0.015λ、かつ0.575≦η≦0.741
(2)0.015λ≦H≦0.020λ、かつ0.605≦η≦0.744
(3)0.020λ≦H≦0.025λ、かつ0.605≦η≦0.745
(4)0.025λ≦H≦0.030λ、かつ0.575≦η≦0.745
のいずれかを満足することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項2】
前記圧電基板のオイラー角ψが、42.79°≦|ψ|≦49.57°の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載の弾性表面波デバイス。
【請求項3】
前記圧電基板のオイラー角ψが、|ψ|=45°であることを特徴とする請求項1記載の弾性表面波デバイス。
【請求項4】
前記IDTのライン占有率ηが、該ライン占有率η(%)を縦軸、前記電極指間溝の深さG(%λ)を横軸とした直交座標において、
(1)前記電極指膜厚Hが1.0〜1.5%λのとき、各点(0.74,1)、(0.75,2)、(0.74,3)、(0.735,4)、(0.741,5)、(0.73,6)、(0.73,7)、(0.575,7)、(0.615,6)、(0.64,5)、(0.66,4)、(0.675,3)、(0.703,2)、(0.725,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(2)前記電極指膜厚Hが1.5〜2.0%λのとき、各点(0.702,1)、(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.63,5)、(0.655,4)、(0.675,3)、(0.7,2)、(0.687,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(3)前記電極指膜厚Hが2.0〜2.5%λのとき、各点(0.718,2)、(0.744,3)、(0.731,4)、(0.725,5)、(0.73,6)、(0.745,7)、(0.605,7)、(0.605,6)、(0.62,5)、(0.645,4)、(0.669,3)、(0.695,2)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあり、
(4)前記電極指膜厚Hが2.5〜3.0%λのとき、各点(0.745,1)、(0.74,2)、(0.74,3)、(0.745,4)、(0.725,5)、(0.725,6)、(0.725,7)、(0.575,7)、(0.575,6)、(0.605,5)、(0.635,4)、(0.66,3)、(0.695,2)、(0.715,1)を結ぶ多角形で囲まれる範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
【請求項5】
前記IDTのライン占有率ηが、
【数11】
を満足することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
【請求項6】
前記電極指間溝の深さGと前記電極指の膜厚Hとの和が、0.0407λ≦G+Hを満足することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
【請求項7】
前記IDTを駆動するための発振回路を更に有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
【請求項8】
請求項1乃至7のいずれか記載の弾性表面波デバイスを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項9】
請求項1乃至7のいずれか記載の弾性表面波デバイスを備えることを特徴とするセンサー装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【公開番号】特開2012−60421(P2012−60421A)
【公開日】平成24年3月22日(2012.3.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−201752(P2010−201752)
【出願日】平成22年9月9日(2010.9.9)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年3月22日(2012.3.22)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年9月9日(2010.9.9)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】
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