JP2885349B2 - 表面弾性波素子 - Google Patents
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Description
面弾性波素子に関するものである。
波を利用した表面弾性波素子は、小型で性能の安定な物
を作れる事からTV受信器の中間周波フィルター等として
実用されている。 この表面弾性波は通常、圧電体にくし型電極により交
流電界を印加することで励起される。 圧電体材料としては、LiNbO3、LiTaO3等のバルク単結
晶やZnO薄膜を基板上に気相成長させたものなどが用い
られている。 現在のところ、単結晶圧電体を用いたものの他、ガラ
スの上にZnO圧電体を設けたものや、サファイヤの上にZ
nO圧電体を設けたものなどが実用化されている。 一般に、表面弾性波素子の動作周波数fはf=v/λ
{v:表面弾性波の伝搬速度}で決定される。 波長λは第1図や第2図に示したようにくし型電極の
周期で決定される。 第1図のくし型電極は幅dの電極片が3dの隙間をもっ
て一体に形成されたものが、1対向かいあっているもの
である。ひとつ置きに同極の電極があり隣接するものは
異極である。これは最も標準的なくし型電極である。波
長λは、λ=4dである。 第2図のくし型電極は幅dの電極片が間隔dを置いて
二つずつ並びこれが5dの間隔をもって繰り返すように形
成されている。この電極構造が向きあった形で形成され
ている。波長λは、λ=8d/3である。このような電極は
特に3倍高調波が強く励振されることが知られている。 伝搬速度vの値は、圧電体材料や、基板材料による
し、表面弾性波のモードによる。 単結晶圧電体のLiNbO3を用いた場合には、伝搬速度v
は3500〜4000(m/s)、LiTaO3では3300〜3400(m/s)程
度である。 ZnOの圧電体薄膜をガラス基板上に成長させたもので
は最大3000(m/s)程度である。 動作周波数fを大きくするには、伝搬速度vを大きく
するか、波長λを小さくすれば良い。 伝搬速度vの値は上述のように材料特性により制限さ
れる。 また微細加工技術の限界によりくし型電極の周期サイ
ズには下限がある。フォトリソグラフィー技術では1.2
μmまでである。電子ビーム露光技術を使用すればサブ
ミクロンの加工が可能であるが線幅が小さくなるほど歩
留まりは悪くなる。つまり加工技術の限界により、波長
λをあまり小さくすることはできない。 このような理由から現在実用化されている表面弾性波
素子の動作周波数は900MHzまでである。これ以上の周波
数の表面弾性波素子は作られていない。 一方、衛星通信や移動体通信等の通信の高周波化が進
むに伴ってより高周波(GHz帯)で利用できる表面弾性
波素子が必要とされている。このため鋭意開発が進めら
れている。 一般に、基板上に成長させた圧電体薄膜を表面弾性波
素子に応用する場合、基板材料の音速が圧電体の音速よ
りも大きい時には、伝搬速度vの異なる複数の表面弾性
波(ここではvの小さい方から0次モード、1次モー
ド、2次モード,と定義することにする・・・)が励起
される。 また基板材料の音速が大きいほど伝搬速度vの値は大
きくなる。 勿論表面弾性波の伝搬速度vと基板材料の音速とは異
なる概念で実際の数値も異なる。しかし圧電体が基板の
上に薄く形成されており圧電体の上を伝搬する表面波が
基板の弾性の影響を強く受ける。このため基板材料の音
速が速ければ、表面波の伝搬速度vも大きくなる。 そこで、音速の大きい(横波の速度=6000m/s、縦波
の速度=12000m/s)サファイヤを基板に用いてZnO圧電
体薄膜を成長させた構造でv=5500(m/s)を有する素
子が試作されている。 また、ダイヤモンドは物質中最高の音速を有しており
(横波の速度=13000m/s、縦波の速度=16000m/s)これ
を基材に用いれば10000m/s以上の伝搬速度vを実現でき
るはずである。 ダイヤモンド状炭素膜もダイヤモンドと同等の音速を
有しておりこれを基材に用いても同様に大きいvを実現
できるはずである。 本発明者は特願平1−120635にこれを開示している。
械的エネルギーに変換される際の変換効率の指標)が大
きい事が望まれる。K2≧0.5%である事が必要である。 (2)さらに動作周波数の高い表面弾性波素子を得るに
は伝搬速度vの高い事が要求される。 基板の上に形成された薄膜圧電体を用いる場合には、
伝搬速度v及び電気機械結合係数K2は圧電体材料と基板
材料の物性のみならず圧電体薄膜の膜厚H1にも大きく依
存する。 また、基板が膜状の場合(圧電体薄膜/膜状基板/基
材の積層構造の場合)には膜状基板の膜厚H2にも依存す
る。 しかし現在のところ圧電体薄膜の膜厚H1、膜状基板層
の膜厚H2と、伝搬速度v、電気機械結合係数K2との関係
がダイヤモンドを基板とする場合全く分かっていない。 このためダイヤモンドを膜状基板層とした実用的な表
面弾性波素子は未だ製作されていない。 本発明は、圧電体膜厚H1、膜状基板膜厚H2と、伝搬速
度v、電気機械結合係数K2の関係を与え、極高周波数領
域において使用できる実用的な表面弾性波素子を提供す
ることを目的とする。
素膜層とZnO圧電体膜層とくし型電極とから成る表面弾
性波素子において、ZnO及びダイヤモンド層の膜厚とモ
ードを指定することにより、大きい表面波伝搬速度(v
≧5500m/s)と大きい電気機械結合係数(K2≧0.5%)を
有する構造のものを提供する。 以下に12の異なる条件、構造のものを説明する。 以下本発明では、ZnOの膜厚はH1ではなく、単にHと
書く。膜厚Hはこれを波長で割って2πを乗じた(2π
H/λ)によって表現する。同様にダイヤモンド基板の膜
厚もH2ではなくHDと書く。膜厚HDはこれを波長で割って
2πを乗じた(2πHD/λ)によって表現する。これら
は無次元のパラメータである。 本発明者の実験によれば、膜厚H、HDは、絶対的な値
というよりその波長に対する比率が伝搬速度v、電気機
械結合係数K2に影響するということが分かっている。従
って上記のパラメータにより条件を分類することが有用
である。 第3図〜第6図に本発明の表面弾性波素子の断面図を
示す。それぞれ簡単のためI、II、III、IV型と略称す
る。 第3図はI型のものを示す。これはシリコン基板1の
上に、ダイヤモンド層2を形成し、くし電極4をその上
に設けたものである。この上にさらにZnO層4を形成す
る。これは次に述べるタイプ(1)〜(3)に対応する
構造である。 第4図はII型のものを示す。シリコン基板1の上に、
ダイヤモンド層2を設け、くし型電極4を形成し、ZnO
層3を設ける。ここまでは前例と同じであるが、さらに
ZnO層3の上に短絡用電極5を形成する。これは次に述
べるタイプ(4)〜(6)に対応する。 第5図はIII型のものを示す。シリコン基板1の上
に、ダイヤモンド層2、ZnO層3を設け、この上にくし
型電極4を形成する。これは次に延べるタイプ(7)〜
(9)に対応する。 第6図はIV型のものを示す。シリコン基板1の上に、
ダイヤモンド層2を形成する。この上に短絡用電極5を
設ける。さらにZnO層3を設け、この上にくし型電極4
を形成する。これは次に述べるタイプ(10)〜(12)に
対応する。 以下タイプ(1)〜(12)について説明する。 実験結果と対照しながら述べるので先ず実験結果を示
すグラフを説明する。 第7図〜第10図は、ダイヤモンド層の厚みHDをパラメ
ータとしてZnO層の厚みHを変化させて位相速度(伝搬
速度)を測定した結果を示すグラフである。横軸は2π
H/λである。縦軸は位相速度(m/s)である。 ZnO層が薄いほうが、音速の大きいダイヤモンド層の
影響を受け易く位相速度が速くなる。 白丸は0次モード、三角は1次モード、四角は2次モ
ード、ペケは3次モードを示す。当然高次モードの方が
位相速度が大きい。しかし単純な倍数関係にはない。 これらは構造による違い(I、II、III、IV型の違
い)は無視できる範囲内である。 第11図〜第14図はZnO層の厚みHをパラメータとし
て、ダイヤモンド層の厚みHDを変化させて位相速度vを
測定した結果を示すグラフである。 ダイヤモンド層の厚みが大きいほうが位相速度vが大
きくなる傾向にあるが、ダイヤモンド層の厚みにはあま
り依存しないといえる。
合係数K2の測定結果を示すグラフである。 2次モードの電気機械結合係数K2はいずれの場合にお
いても小さかったので、これらのグラフには図示してい
ない。 第15図、第16図に於いてパラメータはダイヤモンド層
の厚みで、2πHD/λが2.0、4.0の場合について測定し
た。横軸はZnO層の厚みHを無次元化した2πH/λであ
る。縦軸は電気機械結合係数K2である。 第17図、第18図に於いてパラメータはZnO層の厚み
で、2πH/λが1.0、3.0の場合について測定した。横軸
はダイヤモンド層の厚みHDを無次元化した2πHD/λで
ある。縦軸は電気機械結合係数K2である。 (2π・H/λ)=1の時は1次モードの電気機械結合
係数K2が大きい。ZnO層の厚みが増すと0次モードの電
気機械結合係数K2が大きくなる傾向にある。ダイヤモン
ド層厚みが違っていてもZnO層が薄いときは1次モード
の電気機械結合係数K2が大きくZnO層が厚いときは0次
モードの電気機械結合係数K2が大きくなる。
合係数K2の測定結果を示すグラフである。 第19図、第20図に於いてパラメータはダイヤモンド層
の厚みで、2πHD/λが2.0、4.0の場合について測定し
た。横軸はZnO層の厚みHを無次元化した2πH/λであ
る。縦軸は電気機械結合係数K2である。 第21図、第22図に於いてパラメータはZnO層の厚み
で、2πH/λが1.0、3.0の場合について測定した。横軸
はダイヤモンド層の厚みHDを無次元化した2πHD/λで
ある。縦軸は電気機械結合係数K2である。 (2π・H/λ)=1の時は1次モードの電気機械結合
係数K2が大きい。ZnO層の厚みが増すと0次モードの電
気機械結合係数K2が大きくなる傾向にある。ダイヤモン
ド層の厚みが違っていても、ZnO層が薄いときは1次モ
ードの電気機械結合係数K2が大きくなるり、ZnO層が厚
くなると0次モードの電気機械結合係数K2が大きくな
る。 II型とI型は短絡用電極の有無だけに於いて異なる。
II型の場合ZnO層が薄いときの1次モードの電気機械結
合係数K2がより大きくなる。
結合係数K2の測定結果を示すグラフである。 第23図、第24図に於いてパラメータはダイヤモンド層
の厚みで、2πHD/λが2.0、4.0の場合について測定し
た。横軸はZnO層の厚みHを無次元化した2πH/λであ
る。縦軸は電気機械結合係数K2である。 第25図、第26図に於いてパラメータはZnO層の厚み
で、2πH/λが1.0、2.0の場合について測定した。横軸
はダイヤモンド層の厚みHDを無次元化した2πHD/λで
ある。縦軸は電気機械結合係数K2である。 ダイヤモンド層、ZnO層が薄いと電気機械結合係数K2
が小さい。 ダイヤモンド層の厚み(2π・HD/λ)=2のとき
は、ZnO層が厚い時1次モードが有望である。ダイヤモ
ンド層が厚いと、ZnO層の薄いとき0次モードも電気機
械結合係数K2が0.5%を越える。ダイヤモンド層が厚い
と、ZnO層が厚いとき、3次モードの電気機械結合係数K
2が0.5%を越える。
合係数K2の測定結果を示すグラフである。 第27図、第28図に於いてパラメータはダイヤモンド層
の厚みで、2πHD/λが2.0、4.0の場合について測定し
た。横軸はZnO層の厚みHを無次元化した2πH/λであ
る。縦軸は電気機械結合係数K2である。 第29図、第30図に於いてパラメータはZnO層の厚み
で、2πH/λが1.0、2.0の場合について測定した。横軸
はダイヤモンド層の厚みHDを無次元化した2πHD/λで
ある。縦軸は電気機械結合係数K2である。 これはIII型に短絡用電極を設けたものである。広い
範囲にわたって、1次モードの電気機械結合係数K2が大
きくなっている。 ZnO層が厚くなるほど、0次、3次モードの電気機械
結合係数K2が大きくなる。ダイヤモンド層の厚み(2π
・HD/λ)=4のときは0次モードが、(2π・H/λ)
=0.5〜2.2で、電気機械結合係数K2が0.5を越える。
上にくし型電極を配置し、その上にZnO層を積層して成
る表面弾性波素子において、ZnO層の(2π・H/λ)
{但しH:ZnO層の厚み、λ:表面弾性波の波長}=0.5〜
1.5を満たす構造で励起される表面弾性波の0次モード
を利用することを特徴とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=0.5でv=7000〜800
0m/s}、K2に関しては(2π・H/λ)=1.3〜1.5におい
てK2=1〜3%と大きくなり望ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧3.0である事が
望ましい。{(2π・HD/λ)が大きくなるほどvは大
きくなり3より小さいとvが5500m/sより小さくなる場
合があり、またK2は0.5%より小さくなる場合があ
る}。 (2) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上にくし型電極を配置し、その上にZnO層を積層してな
る表面弾性波素子において、ZnO層の(2π・H/λ)
{但しH:ZnO層の厚み、λ:表面弾性波の波長}=0.3〜
2.0を満たす構造で励起される表面弾性波の1次モード
を利用する事を特徴とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=0.3〜0.5でv=1000
0〜12000m/s}、K2に関しては(2π・H/λ)=0.75〜
1.25においてK2=1〜3%と大きくなり望ましい。つま
り(2π・H/λ)=0.3〜1.25の領域が特に好ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧0.5である事が
望ましい。{(2π・HD/λ)が大きくなるほどvは大
きくなり(2π・HD/λ)=3以上が特に好ましい。ま
た、0.5より小さいとvが5500m/sより小さくなる場合が
ある}。 (3) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上にくし型電極を配置し、その上にZnO層を積層してな
る表面弾性波素子において、ZnO層の(2π・H/λ)
{但しH:ZnO層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧2.5を
満たす構造で励起される表面弾性波の3次モードを利用
する事を特徴とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=2.5でv=約10000m/
s}、K2に関しては(2π・H/λ)=2.55…→4.0と大き
くなるほどK2=0.5…→1%と大きくなり望ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧0.5である事が
望ましい。{0.5より小さいとK2が0.5%より小さくなる
場合がある}。 (4) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上にくし型電極を配置し、その上にZnO層を積層し、そ
の上に表面短絡用電極を積層してなる表面弾性波素子に
おいて、ZnO層の(2π・H/λ){但しH:ZnO層の厚み、
λ:表面弾性波の波長}=0.5〜1.5を満たす構造で励起
される表面弾性波の0次モードを利用する事を特徴とす
る表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=0.5でv=7000〜800
0m/s}、K2に関しては(2π・H/λ)=0.5〜1.2及び1.
3〜1.5においてK2=1〜5%と大きくなり望ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧2.5である事が
望ましい。{(2π・HD/λ)が大きくなるほどvは大
きくなり2.5より小さいとvが5500m/sより小さくなる場
合がある。又(2π・HD/λ)が大きくなるほどK2は大
きくなり2.5より小さいとK2が0.5%より小さくなる場合
がある} (5) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上にくし型電極を配置し、その上にZnO層を積層し、そ
の上に表面短絡用電極を積層してなる表面弾性波素子に
おいて、ZnO層の(2π・H/λ){但しH:ZnO層の厚み、
λ:表面弾性波の波長}=0.3〜2.5を満たす構造で励起
される表面弾性波の1次モードを利用する事を特徴とす
る表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=0.3〜0.5でv=1000
0〜12000m/s}、K2に関しては(2π・H/λ)=0.5〜1.
5においてK2=2〜5%と大きくなり望ましい。つまり
(2π・H/λ)=0.3〜1.5の領域が特に好ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧0.5である事が
望ましい。{(2π・HD/λ)が大きくなるほどvは大
きくなり(2π・HD/λ)=3以上が特に好ましい。ま
た、0.5より小さいとvが5500m/sより小さくなる場合が
ある} (6) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上にくし型電極を配置し、その上にZnO層を積層し、そ
の上に表面短絡用電極を積層してなる表面弾性波素子に
おいて、ZnO層の(2π・H/λ){但しH:ZnO層の厚み、
λ:表面弾性波の波長}≧2.5を満たす構造で励起され
る表面弾性波の3次モードを利用する事を特徴とする表
面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=2.5でv=約10000m/
s}、K2に関しては(2π・H/λ)=2.5…→4.0と大き
くなるほどK2=0.5…→1%と大きくなり望ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧0.5である事が
望ましい。{0.5より小さいとvが5500m/sより小さくな
る場合がある} (7) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上にZnO層を積層し、その上にくし型電極を配置してな
る表面弾性波素子において、ZnO層の(2π・H/λ)
{但しH:ZnO層の厚み、λ:表面弾性波の波長}=0.5〜
1.5を満たす構造で励起される表面弾性波の0次モード
を利用する事を特徴とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=0.5でv=7000〜800
0m/s}、K2に関しては(2π・H/λ)=1.0〜1.25にお
いてK2=1%と大きくなり望ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧3.0である事が
望ましい。{(2π・HD/λ)が大きくなるほどvは大
きくなり3.0より小さいとvが5500m/sより小さくなる場
合がある。又K2は0.5%より小さくなる場合がある} (8) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上にZnO層を積層し、その上にくし型電極を配置してな
る表面弾性波素子において、ZnO層の(2π・H/λ)
{但しH:ZnO層の厚み、λ:表面弾性波の波長}=1.0〜
3.5を満たす構造で励起される表面弾性波の1次モード
を利用する事を特徴とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=1.0でv=7000〜800
0m/s}、K2に関しては(2π・H/λ)=1.0…→3.5と大
きくなるほどK2=0.5…→3%と大きくなり望ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧2.0である事が
望ましい。{(2π・H/λ)が大きくなるほどvは大き
くなり2.0より小さいとvが5500m/sより小さくなる場合
がある} (9) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上にZnO層を積層し、その上にくし型電極を配置してな
る表面弾性波素子において、ZnO層の(2π・H/λ)
{但しH:ZnO層の厚み、λ:表面弾性波の波長}=1.5〜
3.0を満たす構造で励起される表面弾性波の3次モード
を利用することを特徴とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましい{(2π・H/λ)=1.5でv=約12000m/
s} (10) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上に界面短絡用電極を積層し、その上にZnO層を積層
し、その上にくし型電極を配置してなる表面弾性波素子
において、ZnO層の(2π・H/λ){但しH:ZnO層の厚
み、λ:表面弾性波の波長}=0.5〜1.5を満たす構造で
励起される表面弾性波の0次モードを利用する事を特徴
とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=0.5でv=7000〜800
0m/s}、K2に関しては(2π・H/λ)=0.5…→1.5と大
きくなるほどK2=0.5…→3%と大きくなり望ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧3.0である事が
望ましい。{(2π・H/λ)が大きくなるほどvは大き
くなり3.0より小さいとvが5500m/sより小さくなる場合
がある。又、(2π・H/λ)が大きくなるほどK2は大き
くなり3.0より小さいとK2が0.5%より小さくなる場合が
ある} (11) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上に界面短絡用電極を積層し、その上にZnO層を積層
し、その上にくし型電極を配置してなる表面弾性波素子
において、ZnO層の(2π・H/λ){但しH:ZnO層の厚
み、λ:表面弾性波の波長}=0.5〜3.5を満たす構造で
励起される表面弾性波の1次モードを利用する事を特徴
とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましいが{(2π・H/λ)=0.5でv=約10000m/
s}、K2に関しては(2π・H/λ)=0.5…→3.5と大き
くなるほどK2=0.5…→3%と大きくなり望ましい。 ダイヤモンド層は天然或は超高圧合成法による単結晶
ダイヤモンド又は気相合成法による膜状ダイヤモンドの
いずれでも良いが、膜状ダイヤモンド層を用いる場合或
はダイヤモンド状炭素膜層を用いる場合には(2π・HD
/λ){但しHD:ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素
膜層の厚み、λ:表面弾性波の波長}≧2.0である事が
望ましい。{(2π・H/λ)が大きくなるほどvは大き
くなり2.0より小さいとvが5500m/sより小さくなる場合
がある} (12) ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素膜層の
上に界面短絡用電極を積層し、その上にZnO層を積層
し、その上にくし型電極を配置してなる表面弾性波素子
において、ZnO層の(2π・H/λ){但しH:ZnO層の厚
み、λ:表面弾性波の波長}=1.5〜3.0を満たす構造で
励起される表面弾性波の3次モードを利用する事を特徴
とする表面弾性波素子。 vに関しては(2π・H/λ)は小さいほどvは大きく
なり望ましい{(2π・H/λ)=1.5でv=約12000m/
s}
性波素子はいずれも位相速度vが大きく、電気機械結合
係数K2が大きい。 ダイヤモンド膜及びダイヤモンド状炭素膜は炭化水素
等のガスを原料としてガラス、Si、金属など各種基材上
に気相合成できる。 気相合成法としては、 電子放出材を加熱して原料ガスを活性化する。 プラズマによりガスを分解励起する。 光によりガスを分解励起する。 イオン衝撃により成長させる。 ガスを燃焼させる。 等の方法があるが、いずれの合成法によっても適したダ
イヤモンド膜或はダイヤモンド状炭素膜を得る事ができ
る。 ダイヤモンド膜或はダイヤモンド状炭素膜の上にくし
型電極を配置する場合は{(1)〜(6)の場合}これ
らは絶縁性であることが必要でその抵抗率は107Ω・cm
以上、さらに好ましくは109Ω・cm以上であらねばなら
ない。 またダイヤモンド膜或はダイヤモンド状炭素膜の表面
は平坦である事が望ましく、必要に応じて表面研磨等を
施す必要がある。 ZnO膜はスパッタ法やCVD法の気相合成法を用いる事に
よって大きな圧電性を有したc軸配向性の優れたものを
成長させることができる。 このc軸配向性が小さすぎたり、ZnO膜の抵抗率が小
さ過ぎるとKは小さくなってしまうので、σ値≦3゜
{ZnOのc軸に対するX線ロッキングカーブから求めた
配向性}及び、抵抗率≧105Ω・cmである事が望まし
い。 くし型電極はAl等の金属を用いて通常のフォトリソグ
ラフィー技術により線幅1.2μm程度のものまで製作で
きる。この線幅は細くなればなるほどfを大きくできる
訳であるが、例えば線幅が1.2μmでλ=4.8μm、v=
10000m/s、で設計すればf=2.08GHzの高周波を実現で
きる。 電子ビーム露光の技術を用いればさらに細かいパター
ニングも可能であり、動作周波数fをさらに高くする事
ができる。
ィルターをZnO膜及びダイヤモンド膜の膜厚を種々変化
させて作製した。 そのフィルター特性を測定しその中心周波数fより表
面弾性波のv=f/λを求めた。またくし型電極の放射イ
ンピーダンスの測定より、電気機械結合係数K2を求め
た。 ダイヤモンド膜はマイクロ波プラズマCDV法によりSi
(12mm角)基材上に成長させた。 マイクロ波プラズマCVD成長条件は、 原料ガス:CH/H2=1/100 マイクロ波パワー:400W 反応圧力:50Torr であった。 成長後これらのダイヤモンド膜には表面研磨を施し、
種々の膜厚(0.5〜5μm)のものを作製した。これら
の膜はいずれも109Ω・cm以上の抵抗率を有していた。 ZnO膜はRFマグネトロンスパッタ法により形成した。 スパッタリング条件は、 基板温度:400度 スパッタリングガス:Ar/O2=1/1 RFパワー:150 圧力:0.01Torr であった。 スパッタリングの時間を変えることで種々の膜厚(0.
5〜5μm)のものを作製した。これらのZnO薄膜はX線
ロッキングカーブのσ値が1.8〜2.1と良好なc軸配向性
を示した。 くし型電極及び短絡用電極はAlを真空蒸着して形成し
た。 2対のくし型電極は通常のフォトリソグラフィーによ
り第2図のタイプのものを形成した。 線幅は2μm(λ=8μm)で、電極片対の数は25で
ある。 v及びKの測定結果は既に述べたように第7図〜第30
図に示す通りであった。 この結果より、
ろで述べた(1)〜(12)の構造においてv≧5500m/
s、かつK2≧0.5%の大きい伝搬速度と大きい結合係数を
有する表面弾性波を利用したフィルターを実現できるこ
とを確認した。
大きい表面弾性波素子を与えることができるので、極高
周波域において使用できる表面弾性波素子を提供するこ
とができる。 表面弾性波素子の例としては、最初に述べたフィルタ
ーに加えて、共振器、遅延線、信号処理素子、コンボル
バなどが挙げられる。
電極の例を示す平面図。 第2図は二つの電極片が交互に並ぶようにしたくし型電
極の例を示す平面図。 第3図は本発明のI型の表面弾性波素子の概略断面図。 第4図は本発明のII型の表面弾性波素子の概略断面図。 第5図は本発明のIII型の表面弾性波素子の概略断面
図。 第6図は本発明のIV型の表面弾性波素子の概略断面図。 第7図は本発明の実施例に係る表面弾性波素子において
ダイヤモンド層の厚さHDが(2π・HD/λ)=1.0に成る
ようにしたときZnO層の厚みをHとして変数(2π・H/
λ)に対する各モードの表面弾性波の位相速度vの測定
結果を示すグラフ。白丸が0次モード、三角が1次モー
ド、四角が2次モード、ペケが3次モードである。 第8図は本発明の実施例に係る表面弾性波素子において
ダイヤモンド層の厚さHDが(2π・HD/λ)=2.0に成る
ようにしたときZnO層の厚みをHとして変数(2π・H/
λ)に対する各モードの表面弾性波の位相速度vの測定
結果を示すグラフ。 第9図は本発明の実施例に係る表面弾性波素子において
ダイヤモンド層の厚さHDが(2π・HD/λ)=3.0に成る
ようにしたときZnO層の厚みをHとして変数(2π・H/
λ)に対する各モードの表面弾性波の位相速度vの測定
結果を示すグラフ。 第10図は本発明の実施例に係る表面弾性波素子において
ダイヤモンド層の厚さHDが(2π・HD/λ)=4.0に成る
ようにしたときZnO層の厚みをHとして変数(2π・H/
λ)に対する各モードの表面弾性波の位相速度vの測定
結果を示すグラフ。 第11図は本発明の実施例に係る表面弾性波素子において
ZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=1.0になるようにした
とき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2π・HD
/λ)に対する各モードの表面弾性波の位相速度vの測
定結果を示すグラフ。 第12図は本発明の実施例に係る表面弾性波素子において
ZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=2.0になるようにした
とき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2π・HD
/λ)に対する各モードの表面弾性波の位相速度vの測
定結果を示すグラフ。 第13図は本発明の実施例に係る表面弾性波素子において
ZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=3.0になるようにした
とき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2π・HD
/λ)に対する各モードの表面弾性波の位相速度vの測
定結果を示すグラフ。 第14図は本発明の実施例に係る表面弾性波素子において
ZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=4.0になるようにした
とき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2π・HD
/λ)に対する各モードの表面弾性波の位相速度vの測
定結果を示すグラフ。 第15図は本発明のI型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてダイヤモンド層の厚みHDが(2π・HD/λ)=2.0
になるようにしたとき、ZnO層の厚みをHとして変数
(2π・H/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2
の測定結果を示すグラフ。白丸は0次モード、三角は1
次モード、ペケは3次モードを示す。(2次モードは図
示していない。) 第16図は本発明のI型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてダイヤモンド層の厚みHDが(2π・HD/λ)=4.0
になるようにしたとき、ZnO層の厚みをHとして変数
(2π・H/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2
の測定結果を示すグラフ。 第17図は本発明のI型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=1.0になるよう
にしたとき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2
π・HD/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2の
測定結果を示すグラフ。 第18図は本発明のI型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=3.0になるよう
にしたとき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2
π・HD/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2の
測定結果を示すグラフ。 第19図は本発明のII型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてダイヤモンド層の厚みHDが(2π・HD/λ)=2.0
になるようにしたとき、ZnO層の厚みをHとして変数
(2π・H/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2
の測定結果を示すグラフ。白丸は0次モード、三角は1
次モード、ペケは3次モードを示す。 第20図は本発明のII型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてダイヤモンド層の厚みHDが(2π・HD/λ)=4.0
になるようにしたとき、ZnO層の厚みをHとして変数
(2π・H/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2
の測定結果を示すグラフ。 第21図は本発明のII型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=1.0になるよう
にしたとき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2
π・HD/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2の
測定結果を示すグラフ。 第22図は本発明のII型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=3.0になるよう
にしたとき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2
π・HD/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2の
測定結果を示すグラフ。 第23図は本発明のIII型の実施例に係る表面弾性波素子
においてダイヤモンド層の厚みHDが(2π・HD/λ)=
2.0になるようにしたとき、ZnO層の厚みをHとして変数
(2π・H/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2
の測定結果を示すグラフ。白丸は0次モード、三角は1
次モード、ペケは3次モードを示す。 第24図は本発明のIII型の実施例に係る表面弾性波素子
においてダイヤモンド層の厚みHDが(2π・HD/λ)=
4.0になるようにしたとき、ZnO層の厚みをHとして変数
(2π・H/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2
の測定結果を示すグラフ。 第25図は本発明のIII型の実施例に係る表面弾性波素子
においてZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=1.0になるよ
うにしたとき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数
(2π・HD/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K
2の測定結果を示すグラフ。 第26図は本発明のIII型の実施例に係る表面弾性波素子
においてZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=2.0になるよ
うにしたとき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数
(2π・HD/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K
2の測定結果を示すグラフ。 第27図は本発明のIV型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてダイヤモンド層の厚みHDが(2π・HD/λ)=2.0
になるようにしたとき、ZnO層の厚みをHとして変数
(2π・H/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2
の測定結果を示すグラフ。白丸は0次モード、三角は1
次モード、ペケは3次モードを示す。 第28図は本発明のIV型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてダイヤモンド層の厚みHDが(2π・HD/λ)=4.0
になるようにしたとき、ZnO層の厚みをHとして変数
(2π・H/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2
の測定結果を示すグラフ。 第29図は本発明のIV型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=1.0になるよう
にしたとき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2
π・HD/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2の
測定結果を示すグラフ。 第30図は本発明のIV型の実施例に係る表面弾性波素子に
おいてZnO層の厚みHが(2π・H/λ)=2.0になるよう
にしたとき、ダイヤモンド層の厚みをHDとして変数(2
π・HD/λ)に対する各モードの電気機械結合係数K2の
測定結果を示すグラフ。 1……シリコン基板 2……ダイヤモンド層 3……ZnO層 4……くし型電極 5……短絡用電極
Claims (8)
- 【請求項1】Si基材の上に、ダイヤモンド層或はダイヤ
モンド状炭素膜層を配置し、その上にくし型電極を配置
し、その上にZnO層を積層して成る表面弾性波素子に於
いて、ZnO層の厚みをH、ダイヤモンド層或はダイヤモ
ンド状炭素膜層の厚みをHD、表面弾性波の波長をλとし
て、(2π・H/λ)の値が、(2π・H/λ)=0.3〜2.0
を満たし、かつ、(2π・HD/λ)の値が(2π・HD/
λ)≧0.5を満たす構造で励起される表面弾性波の1次
モードを利用する事を特徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項2】Si基材の上に、ダイヤモンド層或いはダイ
ヤモンド状炭素膜層を配置し、その上にくし型電極を配
置し、その上にZnO層を積層して成る表面弾性波素子に
於いて、ZnO層の厚みをH、ダイヤモンド層或はダイヤ
モンド状炭素膜層の厚みをHD、表面弾性波の波長をλと
して、(2π・H/λ)の値が、(2π・H/λ)≧2.5を
満たし、かつ、(2π・HD/λ)の値が、(2π・HD/
λ)≧0.5を満たす構造で励起される表面弾性波の3次
モードを利用することを特徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項3】Si基材の上にダイヤモンド層或はダイヤモ
ンド状炭素膜層を配置し、その上にくし型電極を配置
し、その上にZnO層を積層し、その上に表面短絡用電極
を積層して成る表面弾性波素子に於いて、ZnO層の厚み
をH、ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素層の厚み
をHD、表面弾性波の波長をλとして、(2π・H/λ)の
値が、(2π・H/λ)=0.3〜2.5を満たし、かつ、(2
π・HD/λ)の値が(2π・HD/λ)≧0.5を満たす構造
で励起される表面弾性波の1次モードを利用する事を特
徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項4】Si基材の上にダイヤモンド層或いはダイヤ
モンド状炭素膜層を配置し、その上にくし型電極を配置
し、その上にZnO層を積層し、その上に表面短絡用電極
を積層して成る表面弾性波素子に於いて、ZnO層の厚み
をH、ダイヤモンド層或はダイヤモンド状炭素層の厚み
をHD、表面弾性波の波長をλとして、(2π・H/λ)の
値が、(2π・H/λ)≧2.5を満たし、かつ、(2π・H
D/λ)の値が(2π・HD/λ)≧0.5を満たす構造で励起
される表面弾性波の3次モードを利用する事を特徴とす
る表面弾性波素子。 - 【請求項5】Si基材の上に、ダイヤモンド層或いはダイ
ヤモンド状炭素膜層を配置し、その上にZnO層を配置
し、その上にくし型電極を配置して成る表面弾性波素子
に於いて、ZnO層の厚みをH、ダイヤモンド層或はダイ
ヤモンド状炭素膜層の厚みをHD、表面弾性波の波長をλ
として、(2π・H/λ)の値が、(2π・H/λ)=1.0
〜3.5を満たし、かつ(2π・HD/λ)の値が(2π・HD
/λ)≧2.0を満たす構造で励起される表面弾性波の1次
モードを利用することを特徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項6】Si基材の上に、ダイヤモンド層或いはダイ
ヤモンド状炭素膜層を配置し、その上にZnO層を配置
し、その上にくし型電極を配置して成る表面弾性波素子
に於いて、ZnO層の厚みをH、ダイヤモンド層またはダ
イヤモンド状炭素膜層の厚みをHD、表面弾性波の波長を
λとして、(2π・H/λ)の値が、(2π・H/λ)=1.
5〜3.0を満たし、かつ、(2π・HD/λ)の値が(2π
・HD/λ)≧2.0を満たす構造で励起される表面弾性波の
3次モードを利用することを特徴とする表面弾性波素
子。 - 【請求項7】Si基材の上に、ダイヤモンド層或いはダイ
ヤモンド状炭素膜層を配置し、その上に界面短絡用電極
を積層し、その上にZnO層を配置し、その上にくし型電
極を配置してなる表面弾性波素子に於いて、ZnO層の厚
みをH、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層
の厚みをHD、表面弾性波の波長をλとして、(2π・H/
λ)の値が、(2π・H/λ)=0.5〜3.5を満たし、か
つ、(2π・HD/λ)の値が(2π・HD/λ)≧2.0を満
たす構造で励起される表面弾性波の1次モードを利用す
ることを特徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項8】Si基材の上に、ダイヤモンド層或いはダイ
ヤモンド状炭素膜層を配置し、その上に界面短絡用電極
を積層し、その上にZnO層を配置し、その上にくし型電
極を配置してなる表面弾性波素子に於いて、ZnO層の厚
みをH、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層
の厚みをHD、表面弾性波の波長をλとして、(2π・H/
λ)の値が、(2π・H/λ)=1.5〜3.0を満たし、か
つ、(2π・HD/λ)の値が(2π・HD/λ)≧2.0を満
たす構造で励起される表面弾性波の3次モードを利用す
ることを特徴とする表面弾性波素子。
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