弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタ
【課題】スプリアス特性を抑制すること。
【解決手段】圧電基板と、圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、圧電基板は、圧電基板表面の電極指の長手方向をy軸、圧電基板表面のy軸に垂直な方向をx軸、圧電基板の法線方向をz軸としたとき、x軸およびz軸方向の変位を成分とする第1表面波モードとy軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、電極指の膜厚は、第1表面波モードの反共振点(SAWモードの反共振点1)の伝搬速度と第2表面波モードの反共振点(SH−SAWモードの反共振点1)の伝搬速度とが一致する膜厚hc/λである弾性表面波デバイスおよび弾性波フィルタである。
【解決手段】圧電基板と、圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、圧電基板は、圧電基板表面の電極指の長手方向をy軸、圧電基板表面のy軸に垂直な方向をx軸、圧電基板の法線方向をz軸としたとき、x軸およびz軸方向の変位を成分とする第1表面波モードとy軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、電極指の膜厚は、第1表面波モードの反共振点(SAWモードの反共振点1)の伝搬速度と第2表面波モードの反共振点(SH−SAWモードの反共振点1)の伝搬速度とが一致する膜厚hc/λである弾性表面波デバイスおよび弾性波フィルタである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタに関し、特に、IDTを有する弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタに関する。
【背景技術】
【0002】
弾性表面波(SAW:Surface Acoustic Wave)を用いた弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタは、例えば、45MHzから2.5GHzの周波数帯域における無線信号を処理する各種回路、例えば、送信用バンドパスフィルタ、受信用バンドパスフィルタ、局所発振フィルタ、アンテナ共用器、中間周波数フィルタ、FM変調器等に広く用いられている。
【0003】
弾性表面波デバイスは、圧電基板表面の弾性波を電気的に励振または受信するため、圧電基板表面上に形成されたすだれ電極(IDT:Interdigital Transducer)を有している。さらに、弾性表面波デバイスは、圧電基板表面上に形成された反射器を有する場合もある。弾性表面波デバイスであるIDTや共振器等を組み合わせることにより、弾性表面波フィルタを構成することができる。
【0004】
圧電基板としては、圧電性の高い単結晶材料が用いられ、例えばLiNbO3、LiTaO3または水晶等が用いられる。さらに、例えば広い帯域幅の弾性表面波フィルタを得るため、電気機械結合係数k2の大きな圧電基板が求められている。大きい電気機械結合係数を有する圧電基板として、例えばKNbO3単結晶基板が注目されている(非特許文献1)。
【非特許文献1】Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40, pp3726-3728(2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタでは、スプリアスを抑制することが求められている。本発明は、スプリアス特性を抑制することが可能な弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、圧電基板と、前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度とが一致する膜厚であることを特徴とする弾性表面波デバイスである。本発明によれば、第1表面波モードの反共振点と第2表面波モードの反共振点とから形成されるスプリアスを抑制することができる。
【0007】
本発明は、前記圧電基板と、圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度とにより発生するスプリアスのピークが−10dB以下となる膜厚であることを特徴とする弾性表面波デバイスである。本発明によれば、第1表面波モードの反共振点と第2表面波モードの反共振点とから形成されるスプリアスを抑制することができる。
【0008】
上記構成において、前記圧電基板はKNbO3からなる構成とすることができる。
【0009】
本発明は、θ回転YカットX伝搬で特徴付けられる基板方位において、θが40°以上80°以下であるKNbO3からなる圧電基板と、前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備することを特徴とする弾性表面波デバイスである。本発明によれば、スプリアスを抑制することができる。
【0010】
上記構成において、前記電極指はアルミニウムからなり、前記電極指の膜厚をh、前記電極指2本分の周期をλとしたとき、h/λ≦0.00115×θ+0.056でありかつ、h/λ≧0.00205×θ−0.037である構成とすることができる。この構成によれば、スプリアスをより抑制することができる。
【0011】
上記構成において、前記電極指は銅からなり、前記電極指の膜厚をh、前記電極指2本分の周期をλとしたとき、h/λ≦0.00087×θ+0.007でありかつ、h/λ≧0.00099×θ−0.021である構成とすることができる。この構成によれば、スプリアスをより抑制することができる。
【0012】
上記構成において、前記電極指は金からなり、前記電極指の膜厚をh、前記電極2本分の周期をλとしたとき、h/λ≦0.00041×θ+0.010でありかつ、h/λ≧0.00058×θ−0.014である構成とすることができる。この構成によれば、スプリアスを抑制することができる。
【0013】
本発明は、請求項1から7のいずれか一項記載の表面弾性波デバイスを有することを特徴とする弾性表面波フィルタである。本発明によれば、弾性表面波フィルタのスプリアスをより抑制することができる。
【0014】
本発明は、圧電基板と、前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と、前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度と、が一致する電極指の膜厚以下であることを特徴とする弾性表面波フィルタである。本発明によれば、第1表面波モードの反共振点と第2表面波モードの反共振点とから形成されるスプリアスを抑制することができる。
【0015】
本発明は、前記圧電基板はKNbO3からなる構成とすることができる。
【0016】
本発明は、前記弾性表面波フィルタはDMSである構成とすることができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、第1表面波モードの反共振点と第2表面波モードの反共振点とから形成されるスプリアスを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
圧電基板としてKNbO3を用いた弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタの特性についてFEM(有限要素法)−BEM(境界要素法)を用いシミュレーションを行った。FEM−BEMは、例えば1998 IEEE Ultrasonics Symposium, pp157-186に示されているように、圧電基板内を伝搬する様々なモードの弾性波の振る舞いを含む弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタの特性をシミュレーションする方法として用いられる。
【0019】
図1(a)および図1(b)を用い、シミュレーションに用いた弾性表面波フィルタの構造について説明する。図1(a)は、弾性表面波フィルタの平面図である。図1(a)を参照に、単結晶KNbO3からなる圧電基板10上に、金属膜からなる入力IDT20、出力IDT22および反射器24等の電極パターンが形成されている。入力IDT20の両側に出力IDT22が設けられ、出力IDT22の外側に反射器24が設けられている。入力IDT20は入力端子30に接続され、出力IDT22は出力端子32に接続されている。これにより、DMS(2重モード型弾性表面波フィルタ)が構成される。
【0020】
入力IDT20は、入力端子30から入力IDT20に入力された電気信号を圧電基板10表面を伝搬する弾性表面波に変換する。反射器24は弾性表面波を反射する。これにより、弾性表面波は反射され2つの反射器24間を繰り返し伝搬する。出力IDT22は、弾性表面波を電気信号に変換し、出力端子32に出力する。
【0021】
図1(b)は、IDTの電極指26のうち2本を示した断面模式図である。図1(b)を参照に、圧電基板10上に電極指26が設けられている。2本(これを1対という)分の電極指26の周期を周期λとする。すなわち、電極指26のピッチはλ/2である。電極指26を構成する金属膜の膜厚をhとし、周期λで規格化し、h/λで表す。また、電極指26の幅wは、w=λ/4としている。圧電基板10表面の電極指26の長手方向をy軸とし、圧電基板10表面のy軸に垂直な方向(弾性表面波の伝搬方向)をx軸とし、圧電基板10の法線方向をz軸とする。
【0022】
図1(a)で示した弾性表面波フィルタのシミュレーションの各条件は以下である。
IDT20、22の電極周期: λ=2.28μm
反射器24の電極周期: 0.9λ
IDT同士、IDTと反射器との間隔:0.25λ
IDT20、22の電極指数: 7本(3.5対)
反射器24の電極数: 30本
【0023】
図2から図6は、周波数に対する減衰量のシミュレーション結果を示した図である。ここで、圧電基板10は60°回転Y板X伝搬KNbO3、電極材料はAl(アルミニウム)とし、図2から図6は電極膜厚(つまり電極指の膜厚)h/λをそれぞれ0.06、0.08、0.10、0.12および0.14としている。図2を参照に、通過帯域には細かいリップルが観測される。通過帯域の高周波数側に大きなスプリアスが観測される。図2から図6にかけて、電極膜厚h/λが大きくなるにともない、スプリアスが低周波数側に移動しつつ、スプリアスの大きさは小さくなる。通過帯域の高周波数側が低周波数側に移動し、通過帯域が狭くなる。
【0024】
図2から図6のような振る舞いは、単一の表面波モードでは説明することができず、2つの表面波モードを考慮することとなる。なお、2つの表面波モードについては、日本学術振興会弾性波技術第150委員会第59回(1998年)研究会資料に記載されている。
【0025】
図2から図6に示した弾性表面波フィルタの通過帯域およびスプリアスの電極膜厚h/λ依存の原因を調べるため、弾性表面波デバイスとして共振器とIDTについて、シミュレーションを行った。
【0026】
図7(a)および図7(b)はそれぞれシミュレーションした共振器とIDTの平面図である。図7(a)を参照に、シミュレーションした共振器は、圧電基板10上にIDT20とIDT20の両側に反射器24とが設けられている。図7(b)を参照に、シミュレーションしたIDTは圧電基板10上にIDT20が設けられている。なお、図7(a)および図7(b)においては、電極指の本数は省略して図示している。
【0027】
図7(a)および図7(b)で示した共振器およびIDTのシミュレーションの各条件は以下である。なお、IDTにおいて反射器は設けられていない。
IDT20、22の電極指周期: λ=2.28μm
反射器24の電極周期: 0.9λ
IDT同士、IDTと反射器との間隔:0.25λ
IDT20、22の電極指数: 18本(9対)
反射器24の電極数: 30本
【0028】
図8から図10は、周波数に対する減衰量(通過特性)のシミュレーション結果を示した図である。ここで、圧電基板10は60°回転Y板X伝搬KNbO3、電極材料はAl(アルミニウム)とし、図8から図10は電極指の膜厚h/λをそれぞれ0.02、0.12、0.20としている。実線はIDTの結果を、破線は共振器の結果を示す。図8を参照に、共振器(破線)は、3250MHzから3800MHz付近では細かいリップルが観測できる。これに対し、IDT(実線)では、リップルはほとんど観測されない。これは、共振器においては、反射器の影響が現れているものと考えている。図9および図10を参照に、h/λ=0.12および0.20では、共振器とIDTとの通過特性はほぼ一致している。
【0029】
以下、IDTの通過特性に注目し説明する。図8に戻り、h/λ=0.02では、2つの極小点が観測される。この2つの極小点は、後述するようにそれぞれ反共振点1(図8において反共振1と示す)と反共振点2(図8において反共振2と示す)である。反共振点1は反共振点2より低周波数側に位置している。反共振点1と反共振点2との間では通過特性に極大となる点がある。この極大をスプリアスといい、極大点における減衰量をスプリアスレベルとする。図9を参照に、h/λ=0.12では、反共振点1と反共振点2とがほぼ一致しており、スプリアスは観測されない。そこで、スプリアスレベルとしては通過特性の極小値とする。図10を参照に、h/λ=0.20では、反共振点1は反共振点2より高周波数側に観測される。スプリアスも観測される。
【0030】
図11および図12は、圧電基板10を60°Y回転X伝搬KNbO3とし、図8から図10と同様のシミュレーションを各電極膜厚h/λについて行った結果である。図11および図12において、黒丸および白丸はシミュレーションした値を示し、実線および破線はシミュレーション値を補間した線である。図11は、IDTの反共振点1および反共振点2の周波数を電極膜厚h/λに対し示した図であり、図12は、IDTのスプリアスレベルを電極膜厚h/λに対し示した図である。図11を参照に、反共振点1の周波数は、電極膜厚h/λに対しあまり依存しないが、反共振点2の周波数は、電極膜厚h/λが大きくなると低くなる。電極膜厚h/λが、クロスポイントhc/λにおいて、反共振点1と反共振点2とが一致し、電極膜厚h/λがhc/λより小さいときは、反共振点1の周波数は反共振点2の周波数より低い、電極膜厚h/λがhc/λより大きいときは、反共振点1の周波数は反共振点2の周波数より高い。クロスポイントhc/λは約0.12である。図12を参照に、スプリアスレベルはクロスポイントhc/λ近傍において最小となる。
【0031】
図2から図6において、電極膜厚h/λが大きくなるにともない、通過帯域の高周波数側の肩が低周波数側に移動する現象は、図11のように、反共振点2が低くなることに起因すると考えられる。つまり、通過帯域の高周波数側の肩を形成する反共振点1は周波数依存が小さいが、反共振点2は電極膜厚h/λが大きくなるにともない急激に低くなる。このため、反共振点2に起因する減衰極により、通過帯域の高周波数側の肩が低周波数側に移動し、通過帯域が狭くなるものと考えられる。
【0032】
また、図2から図6において、通過帯域の高周波側にスプリアスが観測され、電極膜厚h/λが大きくなるにともない、スプリアスの周波数が低くなる。さらに、電極膜厚h/λが大きくなるにともない、スプリアスが小さくなる。これは、反共振点1と反共振点2との間の極大がスプリアスとなり、図12のように、クロスポイントhc/λ近傍において、スプリアスレベルが最小となることに起因すると考えられる。
【0033】
以上のように、図2から図6の弾性表面波フィルタの振る舞いは、弾性表面波フィルタを構成するIDTに2つの反共振点が形成されることに起因することがわかった。
【0034】
図13は、圧電基板10を20°Y回転X伝搬KNbO3としたときの図11と同様のシミュレーション結果である。図13より、0.10以下では、反共振点1と反共振点2とが判別不能である。図14は、圧電基板10を80°Y回転X伝搬KNbO3としたときの図11と同様のシミュレーション結果である。図14より、反共振点1と反共振点2とのクロスポイントhc/λは約0.14である。
【0035】
以下に、スプリアスレベルが小さくなるIDTの電極膜厚の好ましい範囲について説明する。まず、電極材料としてAlを用い、KNbO3基板のY回転角θを0°から90°まで10°刻みで変化させ、図12と同様に、電極膜厚h/λに対するスプリアスレベルを図15に図示した。図15において、各ドットはシミュレーションした値を示し、実線はシミュレーション値を補間した線である。回転角θが0°および90°のときは、2つの反共振点は現れない。回転角θが10°から30°のときは、スプリアスレベルの最小値は現れない。回転角θが40°から80°のときは、回転角θが大きくなるにつれて、スプリアスレベルの最小値となる電極膜厚h/λ(ほぼクロスポイントhc/λに相当する)が大きくなる。弾性波デバイスを用い回路を設計する際は、スプリアスレベルが−10dB以下となることが好ましい。
【0036】
図16は、Y回転角θに対する電極膜厚h/λを示した図である。図16において、黒丸は図15から求めたスプリアスレベルが−10dBとなる電極膜厚h/λ、黒丸を結ぶ点線は、黒丸を補間した線である。点線U0はスプリアスレベルが−10dBとなる上限、点線L0は下限を示している。破線hcは、図15からもとめたスプリアスレベルが最小となる電極膜厚h/λを補間した線である。
【0037】
回転角θが40°から80°において、電極膜厚h/λを点線U0と点線L0との間の範囲に設定することにより、スプリアスレベルを−10dB以下とすることができる。電極膜厚h/λを実線U1以下かつ実線L1以上の範囲、
すなわち、
h/λ≦0.00115×θ+0.056
かつ
h/λ≧0.00205×θ−0.037
とすることにより、スプリアスレベルを小さくすることができる。
さらに、実線U1以下かつ実線L2以上の範囲
すなわち、
h/λ≦0.00115×θ+0.056
かつ
h/λ≧0.0016×θ+0.0011
とすることにより、スプリアスレベルをほぼ−10dB以下とすることができる。
【0038】
次に、電極材料としてCu(銅)を用い、KNbO3基板について、電極膜厚の好ましい範囲について調べた。図17および図18は、電極材料がCuである以外は、図15および図16と同様にシミュレーションした図である。図18より、電極材料がCuの場合の電極膜厚を、回転角θが40°から80°であり、実線U3以下かつ実線L3以上の範囲、
すなわち、
h/λ≦0.00087×θ+0.007
かつ
h/λ≧0.00099×θ−0.021
とすることにより、スプリアスレベルを小さくすることができる。
さらに、実線U4以下かつ実線L4以上の範囲
すなわち、
h/λ≦0.00090×θ+0.004
かつ
h/λ≧0.00103×θ−0.017
とすることにより、スプリアスレベルをほぼ−10dB以下とすることができる。
【0039】
次に、電極材料としてAu(金)を用い、KNbO3基板について、電極膜厚の好ましい範囲について調べた。図19および図20は、電極材料がAuである以外は、図15および図16と同様にシミュレーションした図である。図20より、電極材料がAuの場合の電極膜厚を、回転角θが40°から80°であり、実線U5以下かつ実線L5以上の範囲、
すなわち、
h/λ≦0.00041×θ+0.010
かつ
h/λ≧0.00058×θ−0.014
とすることにより、スプリアスレベルを小さくすることができる。
さらに、実線U6以下かつ実線L6以上の範囲
すなわち、
h/λ≦0.00050×θ+0.001
かつ
h/λ≧0.00059×θ−0.011
とすることにより、スプリアスレベルをほぼ−10dB以下とすることができる。
【0040】
以上のシミュレーションは、電極材料がAl、CuまたはAuの場合について計算しているが、例えばTi等の添加物が添加された電極材料であっても、物性がAl、CuまたはAuと大きく変わらなければ、それぞれ図16、図18または図20の結果を用いることができる。
【0041】
図21は、回転角が60°Y回転X伝搬KNbO3基板を用い、電極材料としてAl、CuおよびAuを用いた場合の密度に対するクロスポイントhc/λを示した図である。電極材料の密度が大きくなるとクロスポイントhc/λは小さくなる。
【0042】
以上のように、電極材料として主にAl、主にCuまたは主にAuを用いる場合の好ましい電極膜厚を範囲を求めることができた。次に、2つの反共振点がいかなる表面波モードによるものかを分散解析手法を用い解析した。
【0043】
分散特性を解析する分散解決手法としてProc. 1996 Freq. Contr. Symp. pp. 300-307. (1996). には、電極部をFEMを用い解析し、圧電基板部をスペクトル領域法を用いる方法が記載されている。このような分散解析を行うソフトウエアとしてFEMSDAを用いた。
【0044】
図22は、電極材料がAl、基板が50°Y回転X伝搬KNbO3基板、電極膜厚h/λ=0.14の場合の分散特性の計算結果であり、規格化した周波数に対する弾性表面波の伝搬速度を示している。SAW(Short)は後述するSAWモードで、隣り合う電極指が同電位のときのモードである。SAW(open)はSAWモードで、隣り合う電極指が開放されたときのモードである。同様に、SH−SAW(Short)は後述するSH−SAWモードで、隣り合う電極指が同電位のときのモードである。SH−SAW(open)はSH−SAWモードで、隣り合う電極指が開放されたときのモードである。なお、線が途切れている箇所は、計算が収束しなかった箇所である。図22中の定在波が成り立つ条件における、A、B、CおよびD点が、それぞれSAWモードの共振点、SAWモードの反共振点、SH−SAWモードの共振点およびSH−SAWモードの反共振点に対応する。
【0045】
電極材料としてAl、基板として20°Y回転X伝搬KNbO3基板を用い、電極膜厚h/λを変化させた場合の各共振点、反共振点での伝搬速度を解析した。図23に結果を示す。SAWモードの反共振点とSH−SAWモードの反共振点に着目する。電極膜厚h/λが0.10以下では、SAWモードとSH−SAWモードとの反共振点が接近し、判別不能である。これは、伝搬速度を周波数に対応させると、図13と良く一致する結果である。すなわち、図13では、0.10以下では、反共振点1と反共振点2とが判別不能である。
【0046】
次に、基板として60°Y回転X伝搬KNbO3基板を用い、同様の解析を行なった結果を図24に示す。SAWモードの反共振点とSH−SAWモードの反共振点に着目する。SAWモードの反共振点では、電極膜厚h/λが大きくなると、伝搬速度はやや小さくなる。一方、SH−SAWモードの反共振点では、電極膜厚h/λが大きくなると伝搬速度が急激に小さくなる。これにより、電極膜厚h/λが約0.12のとき、SAWモードとSH−SAWモードの反共振点が交差する。このような振る舞いは、伝搬速度を周波数に対応させると、図11と良く一致する結果である。
【0047】
次に、基板として80°Y回転X伝搬KNbO3基板を用い、同様の解析を行なった結果を図25に示す。SAWモードの反共振点とSH−SAWモードの反共振点に着目する。SH−SAWモードの反共振点は、電極膜厚h/λが0.15から0.2以外では、観測されていない。しかしながら、電極膜厚h/λが0.15から0.2のSH−SAWモードの反共振点を外挿すると、電極膜厚h/λが約0.14のとき、SAWモードとSH−SAWモードの反共振点が交差する。このような振る舞いは、伝搬速度を周波数に対応させると、図14と良く一致する結果である。
【0048】
電極材料がAlのとき、圧電基板10の回転角θを40°から80°まで10°刻みに変化させた場合の電極膜厚h/λに対するSAWモードの反共振点とSH−SAWモードの反共振点とを、図23から図25と同様に解析した。回転角θに対する電極膜厚h/λを図16の黒三角で示す。黒三角を結ぶ実線CPは、シミュレーション結果を補間する線である。実線CPは、クロスポイントhc/λである破線hcとほぼ一致している。
【0049】
このように、図8から図14に示した反共振点1はSAWモードの反共振点に対応し、反共振点2はSH−SAWモード反共振点に対応することがわかった。次にSAWモードおよびSH−SAWモードの圧電基板表面の変位状態を調査した。
【0050】
図26から図29は、図24のEからFの箇所の圧電基板表面における変位状態を解析した結果である。図26から図29において、横軸は図1(b)のx軸に対応し、電極指26の中央をX=0としλで規格化したものである。すなわち、X=−0.5、0.5は隣接する電極指26の中点に対応し、X=−0.25から0.25の間が電極指26に対応する。縦軸は、圧電基板10表面のx、y、z軸方向(図1(b)参照)の変位量(任意に規格化した量)を示す。
【0051】
図26を参照に、電極膜厚h/λが0.08のときのSAWモードの反共振点は、x軸方向およびz軸方向の変位を主体とした振動モードであることがわかる。図27を参照に、電極膜厚h/λが0.18のときのSAWモードの反共振点は、x軸方向およびz軸方向の変位を主体とした振動モードであることがわかる。図28を参照に、電極膜厚h/λが0.08のときのSH−SAWモードの反共振点は、y軸方向の変位を主体とした振動モードであることがわかる。図29を参照に、電極膜厚h/λが0.18のときのSH−SAWモードの反共振点は、y軸方向の変位を主体とした振動モードであることがわかる。
【0052】
以上のように、図8から図14に示した反共振点1はx軸およびz軸方向の変位を成分とするSH−SAWモードの反共振点であり、反共振点2はy軸方向の変位を成分とするSAWモードの反共振点であることが確認できた。
【0053】
図30は、弾性表面波フィルタについて、FEM−BEMシミュレーションを行った結果である。なお、入出力負荷条件は図2から図6とは若干異なる。
IDT20、22の電極周期: λ=2.28μm
反射器24の電極周期: 0.9λ
IDT同士、IDTと反射器との間隔:0.25λ
IDT20、22の電極指数: 7本(3.5対)
反射器24の電極数: 30本
電極材料: Al
基板: 60°Y回転X伝搬KNbO3
また、電極膜厚h/λを0.08、0.10および0.12としている。
【0054】
図30を参照に、通過帯域幅は電極膜厚h/λが大きくなると狭くなる。これは、図11を用い説明したように、反共振点2(SH−SAWモードの反共振点)の周波数が低下して、通過帯域の高周波側の肩を形成する反共振点1(SAWモードの反共振点)に接近したためと考えられる。また、通過帯域の高周波側に生じたスプリアスは、通過帯域幅は電極膜厚h/λが大きくなると、低周波数側に移動する。電極膜厚h/λが0.12では、スプリアスは非常に小さくなる。これは、図12において、電極膜厚h/λがクロスポイントhc/λ付近のときスプリアスレベルが小さくなることに対応していると考えられる。スプリアスが通過帯域より高周波側に形成されている場合、つまり、電極膜厚h/λがクロスポイントhc/λより小さい場合、反共振点2は反共振点1より高周波側となる。よって、スプリアスは、通過帯域に対し高周波側に生じる。また、通過帯域は広く確保することができる。通過帯域外でのスプリアスが影響しないようなフィルタにおいては、電極膜厚h/λをクロスポイントhc/λより小さくすることにより通過帯域を広くすることができる。
【0055】
以上のシミュレーションは、基板としてKNbO3、電極材料としてAl、Cu、Auを用いておこなった。しかしながら、図26から図28に示したように、圧電基板10は、x軸およびz軸方向の変位を成分とする第1表面波モード(例えばSAWモード)とy軸方向の変位を成分とする第2表面波モード(例えばSH−SAWモード)とを有していればよい。図24のように、電極膜厚h/λが、第1表面波モード(例えばSAWモード)の反共振点の伝搬速度と、第2表面波モード(例えばSH−SAWモード)の反共振点の伝搬速度と、が一致するように設定されていればよい。このとき、図11のように、反共振点1と反共振点2との周波数が略一致する。よって、図12のように、反共振点1および反共振点2からなるスプリアスを抑制することができる。
【0056】
また、図16のように、反共振点1と反共振点2とにより発生するスプリアスが−10dBであるように電極膜厚h/λを選択することにより、スプリアスを抑制することができる。
【0057】
さらに、図30で説明したように、弾性表面波フィルタにおいては、通過帯域外にスプリアスが生じてもよい場合がある。この場合、電極膜厚h/λは、反共振点1と反共振点2との周波数が略一致する電極膜厚(hc/λ)より小さいことが好ましい。これにより、通過帯域を広くすることができる。
【0058】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】図1(a)および図1(b)はシミュレーションに用いたフィルタの構造を示す図である。
【図2】図2は、h/λが0.06のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図3】図3は、h/λが0.08のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図4】図4は、h/λが0.10のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図5】図5は、h/λが0.12のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図6】図6は、h/λが0.14のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図7】図7(a)および図7(b)は、それぞれシミュレーションに用いた共振器およびIDTの構造を示す図である。
【図8】図8は、h/λが0.02のときの共振器とIDTとの通過特性を示す図である。
【図9】図9は、h/λが0.12のときの共振器とIDTとの通過特性を示す図である。
【図10】図10は、h/λが0.20のときの共振器とIDTとの通過特性を示す図である。
【図11】図11は、回転角が60°のときの電極膜厚に対する反共振点1および反共振点2の周波数を示した図である。
【図12】図12は、スプリアスレベルを電極膜厚に対して示した図である。
【図13】図13は、回転角が20°のときの電極膜厚に対する反共振点1および反共振点2の周波数を示した図である。
【図14】図14は、回転角が80°のときの電極膜厚に対する反共振点1および反共振点2の周波数を示した図である。
【図15】図15は、電極材料がAlの電極膜厚に対するスプリアスレベルを示した図である。
【図16】図16は、電極材料がAlの回転角に対する電極膜厚を示した図である。
【図17】図17は、電極材料がCuの電極膜厚に対するスプリアスレベルを示した図である。
【図18】図18は、電極材料がCuの回転角に対する電極膜厚を示した図である。
【図19】図19は、電極材料がAuの電極膜厚に対するスプリアスレベルを示した図である。
【図20】図20は、電極材料がAuの回転角に対する電極膜厚を示した図である。
【図21】図21は、電極材料の密度に対するクロスポイントhc/λを示した図である。
【図22】図22は、分散特性の解析結果を示した図である。
【図23】図23は、回転角が20°のときの電極膜厚に対する各モードの伝搬速度を示した図である。
【図24】図24は、回転角が60°のときの電極膜厚に対する各モードの伝搬速度を示した図である。
【図25】図25は、回転角が80°のときの電極膜厚に対する各モードの伝搬速度を示した図である。
【図26】図26は、h/λが0.08、SAWモードの反共振点で圧電基板表面の変位状態を示す図である。
【図27】図27は、h/λが0.18、SAWモードの反共振点で圧電基板表面の変位状態を示す図である。
【図28】図28は、h/λが0.08、SH−SAWモードの反共振点で圧電基板表面の変位状態を示す図である。
【図29】図29は、h/λが0.18、SH−SAWモードの反共振点で圧電基板表面の変位状態を示す図である。
【図30】図30は弾性波フィルタの通過特性を示す図である。
【符号の説明】
【0060】
10 圧電基板
20 入力IDT
22 出力IDT
24 反射器
【技術分野】
【0001】
本発明は弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタに関し、特に、IDTを有する弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタに関する。
【背景技術】
【0002】
弾性表面波(SAW:Surface Acoustic Wave)を用いた弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタは、例えば、45MHzから2.5GHzの周波数帯域における無線信号を処理する各種回路、例えば、送信用バンドパスフィルタ、受信用バンドパスフィルタ、局所発振フィルタ、アンテナ共用器、中間周波数フィルタ、FM変調器等に広く用いられている。
【0003】
弾性表面波デバイスは、圧電基板表面の弾性波を電気的に励振または受信するため、圧電基板表面上に形成されたすだれ電極(IDT:Interdigital Transducer)を有している。さらに、弾性表面波デバイスは、圧電基板表面上に形成された反射器を有する場合もある。弾性表面波デバイスであるIDTや共振器等を組み合わせることにより、弾性表面波フィルタを構成することができる。
【0004】
圧電基板としては、圧電性の高い単結晶材料が用いられ、例えばLiNbO3、LiTaO3または水晶等が用いられる。さらに、例えば広い帯域幅の弾性表面波フィルタを得るため、電気機械結合係数k2の大きな圧電基板が求められている。大きい電気機械結合係数を有する圧電基板として、例えばKNbO3単結晶基板が注目されている(非特許文献1)。
【非特許文献1】Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40, pp3726-3728(2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタでは、スプリアスを抑制することが求められている。本発明は、スプリアス特性を抑制することが可能な弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、圧電基板と、前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度とが一致する膜厚であることを特徴とする弾性表面波デバイスである。本発明によれば、第1表面波モードの反共振点と第2表面波モードの反共振点とから形成されるスプリアスを抑制することができる。
【0007】
本発明は、前記圧電基板と、圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度とにより発生するスプリアスのピークが−10dB以下となる膜厚であることを特徴とする弾性表面波デバイスである。本発明によれば、第1表面波モードの反共振点と第2表面波モードの反共振点とから形成されるスプリアスを抑制することができる。
【0008】
上記構成において、前記圧電基板はKNbO3からなる構成とすることができる。
【0009】
本発明は、θ回転YカットX伝搬で特徴付けられる基板方位において、θが40°以上80°以下であるKNbO3からなる圧電基板と、前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備することを特徴とする弾性表面波デバイスである。本発明によれば、スプリアスを抑制することができる。
【0010】
上記構成において、前記電極指はアルミニウムからなり、前記電極指の膜厚をh、前記電極指2本分の周期をλとしたとき、h/λ≦0.00115×θ+0.056でありかつ、h/λ≧0.00205×θ−0.037である構成とすることができる。この構成によれば、スプリアスをより抑制することができる。
【0011】
上記構成において、前記電極指は銅からなり、前記電極指の膜厚をh、前記電極指2本分の周期をλとしたとき、h/λ≦0.00087×θ+0.007でありかつ、h/λ≧0.00099×θ−0.021である構成とすることができる。この構成によれば、スプリアスをより抑制することができる。
【0012】
上記構成において、前記電極指は金からなり、前記電極指の膜厚をh、前記電極2本分の周期をλとしたとき、h/λ≦0.00041×θ+0.010でありかつ、h/λ≧0.00058×θ−0.014である構成とすることができる。この構成によれば、スプリアスを抑制することができる。
【0013】
本発明は、請求項1から7のいずれか一項記載の表面弾性波デバイスを有することを特徴とする弾性表面波フィルタである。本発明によれば、弾性表面波フィルタのスプリアスをより抑制することができる。
【0014】
本発明は、圧電基板と、前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と、前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度と、が一致する電極指の膜厚以下であることを特徴とする弾性表面波フィルタである。本発明によれば、第1表面波モードの反共振点と第2表面波モードの反共振点とから形成されるスプリアスを抑制することができる。
【0015】
本発明は、前記圧電基板はKNbO3からなる構成とすることができる。
【0016】
本発明は、前記弾性表面波フィルタはDMSである構成とすることができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、第1表面波モードの反共振点と第2表面波モードの反共振点とから形成されるスプリアスを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
圧電基板としてKNbO3を用いた弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタの特性についてFEM(有限要素法)−BEM(境界要素法)を用いシミュレーションを行った。FEM−BEMは、例えば1998 IEEE Ultrasonics Symposium, pp157-186に示されているように、圧電基板内を伝搬する様々なモードの弾性波の振る舞いを含む弾性表面波デバイスおよび弾性表面波フィルタの特性をシミュレーションする方法として用いられる。
【0019】
図1(a)および図1(b)を用い、シミュレーションに用いた弾性表面波フィルタの構造について説明する。図1(a)は、弾性表面波フィルタの平面図である。図1(a)を参照に、単結晶KNbO3からなる圧電基板10上に、金属膜からなる入力IDT20、出力IDT22および反射器24等の電極パターンが形成されている。入力IDT20の両側に出力IDT22が設けられ、出力IDT22の外側に反射器24が設けられている。入力IDT20は入力端子30に接続され、出力IDT22は出力端子32に接続されている。これにより、DMS(2重モード型弾性表面波フィルタ)が構成される。
【0020】
入力IDT20は、入力端子30から入力IDT20に入力された電気信号を圧電基板10表面を伝搬する弾性表面波に変換する。反射器24は弾性表面波を反射する。これにより、弾性表面波は反射され2つの反射器24間を繰り返し伝搬する。出力IDT22は、弾性表面波を電気信号に変換し、出力端子32に出力する。
【0021】
図1(b)は、IDTの電極指26のうち2本を示した断面模式図である。図1(b)を参照に、圧電基板10上に電極指26が設けられている。2本(これを1対という)分の電極指26の周期を周期λとする。すなわち、電極指26のピッチはλ/2である。電極指26を構成する金属膜の膜厚をhとし、周期λで規格化し、h/λで表す。また、電極指26の幅wは、w=λ/4としている。圧電基板10表面の電極指26の長手方向をy軸とし、圧電基板10表面のy軸に垂直な方向(弾性表面波の伝搬方向)をx軸とし、圧電基板10の法線方向をz軸とする。
【0022】
図1(a)で示した弾性表面波フィルタのシミュレーションの各条件は以下である。
IDT20、22の電極周期: λ=2.28μm
反射器24の電極周期: 0.9λ
IDT同士、IDTと反射器との間隔:0.25λ
IDT20、22の電極指数: 7本(3.5対)
反射器24の電極数: 30本
【0023】
図2から図6は、周波数に対する減衰量のシミュレーション結果を示した図である。ここで、圧電基板10は60°回転Y板X伝搬KNbO3、電極材料はAl(アルミニウム)とし、図2から図6は電極膜厚(つまり電極指の膜厚)h/λをそれぞれ0.06、0.08、0.10、0.12および0.14としている。図2を参照に、通過帯域には細かいリップルが観測される。通過帯域の高周波数側に大きなスプリアスが観測される。図2から図6にかけて、電極膜厚h/λが大きくなるにともない、スプリアスが低周波数側に移動しつつ、スプリアスの大きさは小さくなる。通過帯域の高周波数側が低周波数側に移動し、通過帯域が狭くなる。
【0024】
図2から図6のような振る舞いは、単一の表面波モードでは説明することができず、2つの表面波モードを考慮することとなる。なお、2つの表面波モードについては、日本学術振興会弾性波技術第150委員会第59回(1998年)研究会資料に記載されている。
【0025】
図2から図6に示した弾性表面波フィルタの通過帯域およびスプリアスの電極膜厚h/λ依存の原因を調べるため、弾性表面波デバイスとして共振器とIDTについて、シミュレーションを行った。
【0026】
図7(a)および図7(b)はそれぞれシミュレーションした共振器とIDTの平面図である。図7(a)を参照に、シミュレーションした共振器は、圧電基板10上にIDT20とIDT20の両側に反射器24とが設けられている。図7(b)を参照に、シミュレーションしたIDTは圧電基板10上にIDT20が設けられている。なお、図7(a)および図7(b)においては、電極指の本数は省略して図示している。
【0027】
図7(a)および図7(b)で示した共振器およびIDTのシミュレーションの各条件は以下である。なお、IDTにおいて反射器は設けられていない。
IDT20、22の電極指周期: λ=2.28μm
反射器24の電極周期: 0.9λ
IDT同士、IDTと反射器との間隔:0.25λ
IDT20、22の電極指数: 18本(9対)
反射器24の電極数: 30本
【0028】
図8から図10は、周波数に対する減衰量(通過特性)のシミュレーション結果を示した図である。ここで、圧電基板10は60°回転Y板X伝搬KNbO3、電極材料はAl(アルミニウム)とし、図8から図10は電極指の膜厚h/λをそれぞれ0.02、0.12、0.20としている。実線はIDTの結果を、破線は共振器の結果を示す。図8を参照に、共振器(破線)は、3250MHzから3800MHz付近では細かいリップルが観測できる。これに対し、IDT(実線)では、リップルはほとんど観測されない。これは、共振器においては、反射器の影響が現れているものと考えている。図9および図10を参照に、h/λ=0.12および0.20では、共振器とIDTとの通過特性はほぼ一致している。
【0029】
以下、IDTの通過特性に注目し説明する。図8に戻り、h/λ=0.02では、2つの極小点が観測される。この2つの極小点は、後述するようにそれぞれ反共振点1(図8において反共振1と示す)と反共振点2(図8において反共振2と示す)である。反共振点1は反共振点2より低周波数側に位置している。反共振点1と反共振点2との間では通過特性に極大となる点がある。この極大をスプリアスといい、極大点における減衰量をスプリアスレベルとする。図9を参照に、h/λ=0.12では、反共振点1と反共振点2とがほぼ一致しており、スプリアスは観測されない。そこで、スプリアスレベルとしては通過特性の極小値とする。図10を参照に、h/λ=0.20では、反共振点1は反共振点2より高周波数側に観測される。スプリアスも観測される。
【0030】
図11および図12は、圧電基板10を60°Y回転X伝搬KNbO3とし、図8から図10と同様のシミュレーションを各電極膜厚h/λについて行った結果である。図11および図12において、黒丸および白丸はシミュレーションした値を示し、実線および破線はシミュレーション値を補間した線である。図11は、IDTの反共振点1および反共振点2の周波数を電極膜厚h/λに対し示した図であり、図12は、IDTのスプリアスレベルを電極膜厚h/λに対し示した図である。図11を参照に、反共振点1の周波数は、電極膜厚h/λに対しあまり依存しないが、反共振点2の周波数は、電極膜厚h/λが大きくなると低くなる。電極膜厚h/λが、クロスポイントhc/λにおいて、反共振点1と反共振点2とが一致し、電極膜厚h/λがhc/λより小さいときは、反共振点1の周波数は反共振点2の周波数より低い、電極膜厚h/λがhc/λより大きいときは、反共振点1の周波数は反共振点2の周波数より高い。クロスポイントhc/λは約0.12である。図12を参照に、スプリアスレベルはクロスポイントhc/λ近傍において最小となる。
【0031】
図2から図6において、電極膜厚h/λが大きくなるにともない、通過帯域の高周波数側の肩が低周波数側に移動する現象は、図11のように、反共振点2が低くなることに起因すると考えられる。つまり、通過帯域の高周波数側の肩を形成する反共振点1は周波数依存が小さいが、反共振点2は電極膜厚h/λが大きくなるにともない急激に低くなる。このため、反共振点2に起因する減衰極により、通過帯域の高周波数側の肩が低周波数側に移動し、通過帯域が狭くなるものと考えられる。
【0032】
また、図2から図6において、通過帯域の高周波側にスプリアスが観測され、電極膜厚h/λが大きくなるにともない、スプリアスの周波数が低くなる。さらに、電極膜厚h/λが大きくなるにともない、スプリアスが小さくなる。これは、反共振点1と反共振点2との間の極大がスプリアスとなり、図12のように、クロスポイントhc/λ近傍において、スプリアスレベルが最小となることに起因すると考えられる。
【0033】
以上のように、図2から図6の弾性表面波フィルタの振る舞いは、弾性表面波フィルタを構成するIDTに2つの反共振点が形成されることに起因することがわかった。
【0034】
図13は、圧電基板10を20°Y回転X伝搬KNbO3としたときの図11と同様のシミュレーション結果である。図13より、0.10以下では、反共振点1と反共振点2とが判別不能である。図14は、圧電基板10を80°Y回転X伝搬KNbO3としたときの図11と同様のシミュレーション結果である。図14より、反共振点1と反共振点2とのクロスポイントhc/λは約0.14である。
【0035】
以下に、スプリアスレベルが小さくなるIDTの電極膜厚の好ましい範囲について説明する。まず、電極材料としてAlを用い、KNbO3基板のY回転角θを0°から90°まで10°刻みで変化させ、図12と同様に、電極膜厚h/λに対するスプリアスレベルを図15に図示した。図15において、各ドットはシミュレーションした値を示し、実線はシミュレーション値を補間した線である。回転角θが0°および90°のときは、2つの反共振点は現れない。回転角θが10°から30°のときは、スプリアスレベルの最小値は現れない。回転角θが40°から80°のときは、回転角θが大きくなるにつれて、スプリアスレベルの最小値となる電極膜厚h/λ(ほぼクロスポイントhc/λに相当する)が大きくなる。弾性波デバイスを用い回路を設計する際は、スプリアスレベルが−10dB以下となることが好ましい。
【0036】
図16は、Y回転角θに対する電極膜厚h/λを示した図である。図16において、黒丸は図15から求めたスプリアスレベルが−10dBとなる電極膜厚h/λ、黒丸を結ぶ点線は、黒丸を補間した線である。点線U0はスプリアスレベルが−10dBとなる上限、点線L0は下限を示している。破線hcは、図15からもとめたスプリアスレベルが最小となる電極膜厚h/λを補間した線である。
【0037】
回転角θが40°から80°において、電極膜厚h/λを点線U0と点線L0との間の範囲に設定することにより、スプリアスレベルを−10dB以下とすることができる。電極膜厚h/λを実線U1以下かつ実線L1以上の範囲、
すなわち、
h/λ≦0.00115×θ+0.056
かつ
h/λ≧0.00205×θ−0.037
とすることにより、スプリアスレベルを小さくすることができる。
さらに、実線U1以下かつ実線L2以上の範囲
すなわち、
h/λ≦0.00115×θ+0.056
かつ
h/λ≧0.0016×θ+0.0011
とすることにより、スプリアスレベルをほぼ−10dB以下とすることができる。
【0038】
次に、電極材料としてCu(銅)を用い、KNbO3基板について、電極膜厚の好ましい範囲について調べた。図17および図18は、電極材料がCuである以外は、図15および図16と同様にシミュレーションした図である。図18より、電極材料がCuの場合の電極膜厚を、回転角θが40°から80°であり、実線U3以下かつ実線L3以上の範囲、
すなわち、
h/λ≦0.00087×θ+0.007
かつ
h/λ≧0.00099×θ−0.021
とすることにより、スプリアスレベルを小さくすることができる。
さらに、実線U4以下かつ実線L4以上の範囲
すなわち、
h/λ≦0.00090×θ+0.004
かつ
h/λ≧0.00103×θ−0.017
とすることにより、スプリアスレベルをほぼ−10dB以下とすることができる。
【0039】
次に、電極材料としてAu(金)を用い、KNbO3基板について、電極膜厚の好ましい範囲について調べた。図19および図20は、電極材料がAuである以外は、図15および図16と同様にシミュレーションした図である。図20より、電極材料がAuの場合の電極膜厚を、回転角θが40°から80°であり、実線U5以下かつ実線L5以上の範囲、
すなわち、
h/λ≦0.00041×θ+0.010
かつ
h/λ≧0.00058×θ−0.014
とすることにより、スプリアスレベルを小さくすることができる。
さらに、実線U6以下かつ実線L6以上の範囲
すなわち、
h/λ≦0.00050×θ+0.001
かつ
h/λ≧0.00059×θ−0.011
とすることにより、スプリアスレベルをほぼ−10dB以下とすることができる。
【0040】
以上のシミュレーションは、電極材料がAl、CuまたはAuの場合について計算しているが、例えばTi等の添加物が添加された電極材料であっても、物性がAl、CuまたはAuと大きく変わらなければ、それぞれ図16、図18または図20の結果を用いることができる。
【0041】
図21は、回転角が60°Y回転X伝搬KNbO3基板を用い、電極材料としてAl、CuおよびAuを用いた場合の密度に対するクロスポイントhc/λを示した図である。電極材料の密度が大きくなるとクロスポイントhc/λは小さくなる。
【0042】
以上のように、電極材料として主にAl、主にCuまたは主にAuを用いる場合の好ましい電極膜厚を範囲を求めることができた。次に、2つの反共振点がいかなる表面波モードによるものかを分散解析手法を用い解析した。
【0043】
分散特性を解析する分散解決手法としてProc. 1996 Freq. Contr. Symp. pp. 300-307. (1996). には、電極部をFEMを用い解析し、圧電基板部をスペクトル領域法を用いる方法が記載されている。このような分散解析を行うソフトウエアとしてFEMSDAを用いた。
【0044】
図22は、電極材料がAl、基板が50°Y回転X伝搬KNbO3基板、電極膜厚h/λ=0.14の場合の分散特性の計算結果であり、規格化した周波数に対する弾性表面波の伝搬速度を示している。SAW(Short)は後述するSAWモードで、隣り合う電極指が同電位のときのモードである。SAW(open)はSAWモードで、隣り合う電極指が開放されたときのモードである。同様に、SH−SAW(Short)は後述するSH−SAWモードで、隣り合う電極指が同電位のときのモードである。SH−SAW(open)はSH−SAWモードで、隣り合う電極指が開放されたときのモードである。なお、線が途切れている箇所は、計算が収束しなかった箇所である。図22中の定在波が成り立つ条件における、A、B、CおよびD点が、それぞれSAWモードの共振点、SAWモードの反共振点、SH−SAWモードの共振点およびSH−SAWモードの反共振点に対応する。
【0045】
電極材料としてAl、基板として20°Y回転X伝搬KNbO3基板を用い、電極膜厚h/λを変化させた場合の各共振点、反共振点での伝搬速度を解析した。図23に結果を示す。SAWモードの反共振点とSH−SAWモードの反共振点に着目する。電極膜厚h/λが0.10以下では、SAWモードとSH−SAWモードとの反共振点が接近し、判別不能である。これは、伝搬速度を周波数に対応させると、図13と良く一致する結果である。すなわち、図13では、0.10以下では、反共振点1と反共振点2とが判別不能である。
【0046】
次に、基板として60°Y回転X伝搬KNbO3基板を用い、同様の解析を行なった結果を図24に示す。SAWモードの反共振点とSH−SAWモードの反共振点に着目する。SAWモードの反共振点では、電極膜厚h/λが大きくなると、伝搬速度はやや小さくなる。一方、SH−SAWモードの反共振点では、電極膜厚h/λが大きくなると伝搬速度が急激に小さくなる。これにより、電極膜厚h/λが約0.12のとき、SAWモードとSH−SAWモードの反共振点が交差する。このような振る舞いは、伝搬速度を周波数に対応させると、図11と良く一致する結果である。
【0047】
次に、基板として80°Y回転X伝搬KNbO3基板を用い、同様の解析を行なった結果を図25に示す。SAWモードの反共振点とSH−SAWモードの反共振点に着目する。SH−SAWモードの反共振点は、電極膜厚h/λが0.15から0.2以外では、観測されていない。しかしながら、電極膜厚h/λが0.15から0.2のSH−SAWモードの反共振点を外挿すると、電極膜厚h/λが約0.14のとき、SAWモードとSH−SAWモードの反共振点が交差する。このような振る舞いは、伝搬速度を周波数に対応させると、図14と良く一致する結果である。
【0048】
電極材料がAlのとき、圧電基板10の回転角θを40°から80°まで10°刻みに変化させた場合の電極膜厚h/λに対するSAWモードの反共振点とSH−SAWモードの反共振点とを、図23から図25と同様に解析した。回転角θに対する電極膜厚h/λを図16の黒三角で示す。黒三角を結ぶ実線CPは、シミュレーション結果を補間する線である。実線CPは、クロスポイントhc/λである破線hcとほぼ一致している。
【0049】
このように、図8から図14に示した反共振点1はSAWモードの反共振点に対応し、反共振点2はSH−SAWモード反共振点に対応することがわかった。次にSAWモードおよびSH−SAWモードの圧電基板表面の変位状態を調査した。
【0050】
図26から図29は、図24のEからFの箇所の圧電基板表面における変位状態を解析した結果である。図26から図29において、横軸は図1(b)のx軸に対応し、電極指26の中央をX=0としλで規格化したものである。すなわち、X=−0.5、0.5は隣接する電極指26の中点に対応し、X=−0.25から0.25の間が電極指26に対応する。縦軸は、圧電基板10表面のx、y、z軸方向(図1(b)参照)の変位量(任意に規格化した量)を示す。
【0051】
図26を参照に、電極膜厚h/λが0.08のときのSAWモードの反共振点は、x軸方向およびz軸方向の変位を主体とした振動モードであることがわかる。図27を参照に、電極膜厚h/λが0.18のときのSAWモードの反共振点は、x軸方向およびz軸方向の変位を主体とした振動モードであることがわかる。図28を参照に、電極膜厚h/λが0.08のときのSH−SAWモードの反共振点は、y軸方向の変位を主体とした振動モードであることがわかる。図29を参照に、電極膜厚h/λが0.18のときのSH−SAWモードの反共振点は、y軸方向の変位を主体とした振動モードであることがわかる。
【0052】
以上のように、図8から図14に示した反共振点1はx軸およびz軸方向の変位を成分とするSH−SAWモードの反共振点であり、反共振点2はy軸方向の変位を成分とするSAWモードの反共振点であることが確認できた。
【0053】
図30は、弾性表面波フィルタについて、FEM−BEMシミュレーションを行った結果である。なお、入出力負荷条件は図2から図6とは若干異なる。
IDT20、22の電極周期: λ=2.28μm
反射器24の電極周期: 0.9λ
IDT同士、IDTと反射器との間隔:0.25λ
IDT20、22の電極指数: 7本(3.5対)
反射器24の電極数: 30本
電極材料: Al
基板: 60°Y回転X伝搬KNbO3
また、電極膜厚h/λを0.08、0.10および0.12としている。
【0054】
図30を参照に、通過帯域幅は電極膜厚h/λが大きくなると狭くなる。これは、図11を用い説明したように、反共振点2(SH−SAWモードの反共振点)の周波数が低下して、通過帯域の高周波側の肩を形成する反共振点1(SAWモードの反共振点)に接近したためと考えられる。また、通過帯域の高周波側に生じたスプリアスは、通過帯域幅は電極膜厚h/λが大きくなると、低周波数側に移動する。電極膜厚h/λが0.12では、スプリアスは非常に小さくなる。これは、図12において、電極膜厚h/λがクロスポイントhc/λ付近のときスプリアスレベルが小さくなることに対応していると考えられる。スプリアスが通過帯域より高周波側に形成されている場合、つまり、電極膜厚h/λがクロスポイントhc/λより小さい場合、反共振点2は反共振点1より高周波側となる。よって、スプリアスは、通過帯域に対し高周波側に生じる。また、通過帯域は広く確保することができる。通過帯域外でのスプリアスが影響しないようなフィルタにおいては、電極膜厚h/λをクロスポイントhc/λより小さくすることにより通過帯域を広くすることができる。
【0055】
以上のシミュレーションは、基板としてKNbO3、電極材料としてAl、Cu、Auを用いておこなった。しかしながら、図26から図28に示したように、圧電基板10は、x軸およびz軸方向の変位を成分とする第1表面波モード(例えばSAWモード)とy軸方向の変位を成分とする第2表面波モード(例えばSH−SAWモード)とを有していればよい。図24のように、電極膜厚h/λが、第1表面波モード(例えばSAWモード)の反共振点の伝搬速度と、第2表面波モード(例えばSH−SAWモード)の反共振点の伝搬速度と、が一致するように設定されていればよい。このとき、図11のように、反共振点1と反共振点2との周波数が略一致する。よって、図12のように、反共振点1および反共振点2からなるスプリアスを抑制することができる。
【0056】
また、図16のように、反共振点1と反共振点2とにより発生するスプリアスが−10dBであるように電極膜厚h/λを選択することにより、スプリアスを抑制することができる。
【0057】
さらに、図30で説明したように、弾性表面波フィルタにおいては、通過帯域外にスプリアスが生じてもよい場合がある。この場合、電極膜厚h/λは、反共振点1と反共振点2との周波数が略一致する電極膜厚(hc/λ)より小さいことが好ましい。これにより、通過帯域を広くすることができる。
【0058】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】図1(a)および図1(b)はシミュレーションに用いたフィルタの構造を示す図である。
【図2】図2は、h/λが0.06のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図3】図3は、h/λが0.08のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図4】図4は、h/λが0.10のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図5】図5は、h/λが0.12のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図6】図6は、h/λが0.14のときのフィルタの通過特性を示す図である。
【図7】図7(a)および図7(b)は、それぞれシミュレーションに用いた共振器およびIDTの構造を示す図である。
【図8】図8は、h/λが0.02のときの共振器とIDTとの通過特性を示す図である。
【図9】図9は、h/λが0.12のときの共振器とIDTとの通過特性を示す図である。
【図10】図10は、h/λが0.20のときの共振器とIDTとの通過特性を示す図である。
【図11】図11は、回転角が60°のときの電極膜厚に対する反共振点1および反共振点2の周波数を示した図である。
【図12】図12は、スプリアスレベルを電極膜厚に対して示した図である。
【図13】図13は、回転角が20°のときの電極膜厚に対する反共振点1および反共振点2の周波数を示した図である。
【図14】図14は、回転角が80°のときの電極膜厚に対する反共振点1および反共振点2の周波数を示した図である。
【図15】図15は、電極材料がAlの電極膜厚に対するスプリアスレベルを示した図である。
【図16】図16は、電極材料がAlの回転角に対する電極膜厚を示した図である。
【図17】図17は、電極材料がCuの電極膜厚に対するスプリアスレベルを示した図である。
【図18】図18は、電極材料がCuの回転角に対する電極膜厚を示した図である。
【図19】図19は、電極材料がAuの電極膜厚に対するスプリアスレベルを示した図である。
【図20】図20は、電極材料がAuの回転角に対する電極膜厚を示した図である。
【図21】図21は、電極材料の密度に対するクロスポイントhc/λを示した図である。
【図22】図22は、分散特性の解析結果を示した図である。
【図23】図23は、回転角が20°のときの電極膜厚に対する各モードの伝搬速度を示した図である。
【図24】図24は、回転角が60°のときの電極膜厚に対する各モードの伝搬速度を示した図である。
【図25】図25は、回転角が80°のときの電極膜厚に対する各モードの伝搬速度を示した図である。
【図26】図26は、h/λが0.08、SAWモードの反共振点で圧電基板表面の変位状態を示す図である。
【図27】図27は、h/λが0.18、SAWモードの反共振点で圧電基板表面の変位状態を示す図である。
【図28】図28は、h/λが0.08、SH−SAWモードの反共振点で圧電基板表面の変位状態を示す図である。
【図29】図29は、h/λが0.18、SH−SAWモードの反共振点で圧電基板表面の変位状態を示す図である。
【図30】図30は弾性波フィルタの通過特性を示す図である。
【符号の説明】
【0060】
10 圧電基板
20 入力IDT
22 出力IDT
24 反射器
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電基板と、
前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、
前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、
前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度とが一致する膜厚であることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項2】
圧電基板と、
前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、
前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、
前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度とにより発生するスプリアスのピークが−10dB以下となる膜厚であることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項3】
前記圧電基板はKNbO3からなることを特徴とする請求項1または2記載の弾性表面波デバイス。
【請求項4】
θ回転YカットX伝搬で特徴付けられる基板方位において、θが40°以上80°以下であるKNbO3からなる圧電基板と、
前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項5】
前記電極指はアルミニウムからなり、
前記電極指の膜厚をh、前記電極指2本分の周期をλとしたとき、
h/λ≦0.00115×θ+0.056
でありかつ、
h/λ≧0.00205×θ−0.037
であることを特徴とする請求項4記載の表面弾性波デバイス。
【請求項6】
前記電極指は銅からなり、
前記電極指の膜厚をh、前記電極指2本分の周期をλとしたとき、
h/λ≦0.00087×θ+0.007
でありかつ、
h/λ≧0.00099×θ−0.021
であることを特徴とする請求項4記載の表面弾性波デバイス。
【請求項7】
前記電極指は金からなり、
前記電極指の膜厚をh、前記電極2本分の周期をλとしたとき、
h/λ≦0.00041×θ+0.010
でありかつ、
h/λ≧0.00058×θ−0.014
であることを特徴とする請求項4記載の表面弾性波デバイス。
【請求項8】
請求項1から7のいずれか一項記載の表面弾性波デバイスを有することを特徴とする弾性表面波フィルタ。
【請求項9】
圧電基板と、
前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、
前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、
前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と、前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度と、が一致する電極指の膜厚以下であることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
【請求項10】
前記圧電基板はKNbO3からなることを特徴とする請求項9記載の弾性表面波フィルタ。
【請求項11】
前記弾性表面波フィルタはDMSであることを特徴とする請求項8から10のいずれか一項記載の弾性表面波フィルタ。
【請求項1】
圧電基板と、
前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、
前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、
前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度とが一致する膜厚であることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項2】
圧電基板と、
前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、
前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、
前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度とにより発生するスプリアスのピークが−10dB以下となる膜厚であることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項3】
前記圧電基板はKNbO3からなることを特徴とする請求項1または2記載の弾性表面波デバイス。
【請求項4】
θ回転YカットX伝搬で特徴付けられる基板方位において、θが40°以上80°以下であるKNbO3からなる圧電基板と、
前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項5】
前記電極指はアルミニウムからなり、
前記電極指の膜厚をh、前記電極指2本分の周期をλとしたとき、
h/λ≦0.00115×θ+0.056
でありかつ、
h/λ≧0.00205×θ−0.037
であることを特徴とする請求項4記載の表面弾性波デバイス。
【請求項6】
前記電極指は銅からなり、
前記電極指の膜厚をh、前記電極指2本分の周期をλとしたとき、
h/λ≦0.00087×θ+0.007
でありかつ、
h/λ≧0.00099×θ−0.021
であることを特徴とする請求項4記載の表面弾性波デバイス。
【請求項7】
前記電極指は金からなり、
前記電極指の膜厚をh、前記電極2本分の周期をλとしたとき、
h/λ≦0.00041×θ+0.010
でありかつ、
h/λ≧0.00058×θ−0.014
であることを特徴とする請求項4記載の表面弾性波デバイス。
【請求項8】
請求項1から7のいずれか一項記載の表面弾性波デバイスを有することを特徴とする弾性表面波フィルタ。
【請求項9】
圧電基板と、
前記圧電基板の表面上に形成され複数の電極指を有するIDTと、を具備し、
前記圧電基板は、前記圧電基板表面の前記電極指の長手方向をy軸、前記圧電基板表面の前記y軸に垂直な方向をx軸、前記圧電基板の法線方向をz軸としたとき、前記x軸および前記z軸方向の変位を成分とする第1表面波モードと前記y軸方向の変位を成分とする第2表面波モードとを有し、
前記電極指の膜厚は、前記第1表面波モードの反共振点の伝搬速度と、前記第2表面波モードの反共振点の伝搬速度と、が一致する電極指の膜厚以下であることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
【請求項10】
前記圧電基板はKNbO3からなることを特徴とする請求項9記載の弾性表面波フィルタ。
【請求項11】
前記弾性表面波フィルタはDMSであることを特徴とする請求項8から10のいずれか一項記載の弾性表面波フィルタ。
【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16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【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16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【公開番号】特開2009−38602(P2009−38602A)
【公開日】平成21年2月19日(2009.2.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−201263(P2007−201263)
【出願日】平成19年8月1日(2007.8.1)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成18年度、経済産業省、地域新生コンソーシアム研究開発事業に係る委託研究、産業再生法第30条の適用を受ける特許出願
【出願人】(507259316)富士通メディアデバイスプロダクツ株式会社 (1)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年2月19日(2009.2.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年8月1日(2007.8.1)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成18年度、経済産業省、地域新生コンソーシアム研究開発事業に係る委託研究、産業再生法第30条の適用を受ける特許出願
【出願人】(507259316)富士通メディアデバイスプロダクツ株式会社 (1)
【Fターム(参考)】
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