JP3944372B2

JP3944372B2 - 圧電薄膜振動子及びこれを用いた周波数可変共振器

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Publication number: JP3944372B2
Application number: JP2001288763A
Authority: JP
Inventors: 和秀阿部; 直子梁瀬; 恭章安本; 亮一尾原; 達雄清水; 隆川久保
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: US6747529B2; KR20030025834A; KR100537128B1; US20030058065A1; JP2003101375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電薄膜振動子及びこれを用いた周波数可変共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話をはじめとする移動体通信機の市場が拡大するとともに、そのサービスは高機能化している。それに伴い、利用する周波数帯も次第にギガヘルツ以上の高い周波数にシフトする傾向がある。
【０００３】
これまで、このような高周波用のフィルターとして、弾性表面波（ＳｕｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ: ＳＡＷ）デバイスや、バルクの誘電体を共振器に用いた誘電体共振器などが利用されてきた。
【０００４】
しかしながら、ＳＡＷデバイスは、櫛形電極の微細加工の限界或いは信頼性の面からこれ以上の高周波数化は限界に近いと考えられている。
【０００５】
一方、バルクの誘電体を用いた誘電体共振器は、一般に小型化に不向きであり、小型軽量化が必要な移動体通信機には不向きであるという欠点がある。
【０００６】
これらの問題を回避するため、最近、圧電体薄膜の厚さ方向の弾性振動を利用する薄膜バルク弾性共振子（ＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒ: ＦＢＡＲ）が提案され、一部、商品化されている。ＦＢＡＲは、ＳＡＷデバイスで必要な微細加工がなくとも２ギガヘルツ程度の高周波帯をろ波することが可能であり、また、バルクの誘電体を用いた誘電体共振器と比較して大幅に小型化が可能であるという利点をもつ。
【０００７】
このようなＦＢＡＲに用いられる圧電体薄膜としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などがある。しかしながら窒化アルミニウムや酸化亜鉛の薄膜は機械的品質係数（Ｑ_ｍ）は比較的大きいものが得られるものの、厚さ方向の弾性振動に関する電気機械結合係数（ｋｔ）が小さく、ろ波できる帯域が狭いという欠点がある。ここで電気機械結合係数Ｑ_ｍは、共振周波数における損失の程度を表わすもので、共振周波数付近において、アドミッタンスが最大となる周波数をｆ_０とし、アドミッタンスが最大の半分となる周波数をｆ_１、ｆ_２とすると、Ｑ_ｍは次の式で定義される。
【０００８】
Ｑ_ｍ ^−１＝（ｆ_２−ｆ_１）／ｆ_０
そこで、電気機械結合係数の大きいチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）や、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３: ＰＺＴ）などの強誘電体薄膜を用いようとする試みがある。これらの強誘電体薄膜は、大きな電気機械結合係数が得られるため、フィルターの広帯域化が可能であることが期待されている。
【０００９】
しかしながら、これらの強誘電体薄膜は、一般に機械的品質係数が小さいために挿入損失が大きいという欠点がある。
【００１０】
また、窒化アルミニウム或いは酸化亜鉛を用いたＦＢＡＲにおいて、圧電体薄膜に電界を印加して共振周波数を、所望の周波数に可変としたものがある。しかしながら窒化アルミニウム或いは酸化亜鉛では、印加すべき電圧が３０ボルトと非常に高いという問題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来、電気機械結合係数及び機械的品質係数が同時に高い圧電薄膜振動子はなかった。
【００１２】
また、従来の圧電薄膜振動子では、周波数を可変にするために非常に高い電圧を圧電体に印加する必要があった。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、電気機械結合係数が大きくかつ機械的品質係数が大きい圧電薄膜振動子を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、小さい電圧によって周波数を可変にすることが可能な周波数可変共振器を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、両面に一対の電極が形成された圧電体膜と、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極に隣接して設けられた音響反射部とを具備する圧電薄膜振動子において、前記圧電体膜が、チタン酸バリウムを主成分とするエピタキシャル強誘電体薄膜であり、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の自発分極の向きが（００１）方位に単一配向し、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の面内の二次元的な格子歪ｘ_ｍが、常温において、−０．０２５＜ｘ_ｍ＜−０．０００３の関係式を満たすことを特徴とする圧電薄膜振動子を提供する。
【００１７】
この圧電薄膜振動子においては、前記圧電体膜は、立方晶或いは正方晶の結晶構造を有する単結晶基板上にエピタキシャル成長させたものであることが好ましい。また、単結晶基板にはチタン酸ストロンチウム基板が、圧電体膜に形成された一対の電極にはルテニウム酸ストロンチウムが好適に用いられる。
【００１８】
また、本発明は、前記圧電薄膜振動子を用い、前記一対の電極間に電界を印加する可変電圧源を具備し、前記電界を変化させて複数の周波数で共振可能とする周波数可変共振器を提供する。
【００１９】
本発明によると、圧電体膜として、チタン酸バリウムを主成分とする強誘電体材料を用い、さらに膜厚方向に単一配向させることによって、チタン酸鉛や、ジルコン酸チタン酸鉛などの強誘電体材料を用いた場合と同程度の、大きな電気機械結合係数をもつ圧電薄膜振動子を実現することができる。
【００２０】
本発明の構成により、下記チタン酸バリウムの特徴を十分に発揮することができる。
【００２１】
先ず、チタン酸バリウムは、高温で蒸発しやすい鉛などの低融点金属を成分として含まないため、化学量論比に近く均一な組成に制御することが容易である。このため、チタン酸鉛やジルコン酸チタン酸鉛に比べて、格子欠陥の少ない良質な薄膜を容易に作製することが可能であり、高い機械的品質係数を併せ持つ圧電体薄膜を得ることができる。
【００２２】
また、チタン酸バリウムを（００１）方位にエピタキシャル成長させる際、下地の材質の選択及び薄膜の成長条件の制御によって、上向きの分極のみを安定化させることが可能であるため、強誘電体を圧電体として利用する場合に不可欠な、分極処理が不要である。
【００２３】
また、チタン酸バリウムは、自発分極の向きが膜厚方向にのみ成分をもつｃ軸単一配向状態（ｃｐｈａｓｅ）をエピタキシャル成長することが可能であり、単一の振動モードを励起することが可能である。
【００２４】
また、本発明において、強誘電体薄膜の組成としては、チタン酸バリウムを主成分とし、Ｂａ／Ｔｉ比率が１に近いものが好ましいが、ペロブスカイト型の結晶構造を維持することができれば、Ｂａ／Ｔｉ比率が±１０％程度の範囲内でずれていても構わない。
【００２５】
また、本発明において、ペロブスカイト型構造を維持することができれば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）のＢａの一部をＳｒ、Ｃａ或いはＰｂなどの元素若しくはＴｉの一部をＺｒ、Ｈｆなどの元素で置換しても構わない。
【００２６】
また、本発明では、エピタキシャル成長した強誘電体薄膜の面内の二次元的な格子歪みをｘ_ｍとしたときに、ｘ_ｍが満足すべき範囲として、ｘ_ｍが−０．０２５より大きいことが好ましい。さらにｘ_ｍの値は負であることが望ましい。これは、本来の格子定数である正方晶のａ軸の値よりも、エピタキシャル薄膜とした場合の格子定数の大きさを小さくすべきであることを意味する。
【００２７】
面内の格子歪みの大きさを制御する方法として、エピタキシャル成長させる際に、格子定数や、熱膨張係数の異なる下地材料を選ぶことにより、強誘電体膜の格子格子歪みの大きさを変化させる方法或いはエピタキシャル成長させる際の結晶成長の条件を制御することにより、格子不整合歪みの緩和量を変える方法などをあげることができる。
【００２８】
例えば、スパッタリング法によりエピタキシャル成長する際に、ターゲットに投入する電力、ガス圧力、ガス中の酸素の割合或いはターゲットと基板の距離などを制御することによって、強誘電体薄膜中に導入する歪みの量を変えることができる。
【００２９】
また、面内の格子歪ｘ_ｍを満足すべき範囲として、−０．０２５より大きいことが好ましい理由として、これよりも小さい場合、（１）電気機械結合係数が小さくなりすぎ、実用上強誘電体薄膜を用いることの利点が少なくなること、（２）直流のバイアス電界を加えることにより、弾性スチフネスの変化量が小さくなり、共振周波数を電圧により制御することが困難になることがあげられる。
【００３０】
また、面内の格子歪ｘ_ｍを満足すべき範囲として、自発分極の向きが膜の厚さ方向にのみ成分をもつｃ軸単一配向状態となることが好ましい。自発分極の方向が一部面内の成分をもつ状態或いは完全に面内の成分をもつ状態の場合には、単一の厚み縦振動の励起は困難になり、振動子としての利用には不適切であるためである。
【００３１】
また、格子歪ｘ_ｍの符号が正である場合には、強誘電体の薄膜に引っ張りの力が加わっていることになるため、膜のひび割れが生じる恐れがあり、中空構造の振動子を実現することが困難である。
【００３２】
以上の知見は、本発明者らが、チタン酸バリウムに関する熱力学的現象論に基づき、理論的なシミュレーションを行ない、明らかにしたものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１にかかる圧電薄膜振動子の断面図である。
【００３４】
単結晶基板１上に、音響インピーダンスの異なる二種類の高音響インピーダンス層２及び低音響インピーダンス層３が複数層、交互に積層され音響反射部であるブラッグ反射層４が形成されている。ブラッグ反射鏡４は、高音響インピーダンス層２と低音響インピーダンス層３から構成されている。高音響インピーダンス層２及び低音響インピーダンス層３は、それぞれの厚さが圧電共振子８の共振周波数における弾性波長λに対して、１／４ λの厚さとなるように形成されている。こうしてこの周波数を反射することが可能となる。
【００３５】
また、ブラッグ反射層４、第１の電極５、チタン酸バリウム薄膜６及び第２の電極７の各層は、単結晶基板１から順次エピタキシャル成長させて形成する。
【００３６】
ブラッグ反射層４上には、第１の電極５が形成されている。第１の電極５上には、チタン酸バリウムを主成分とし、膜厚方向に単一配向している強誘電体薄膜６が形成されている。チタン酸バリウム薄膜６上には、第２の電極７が形成されている。
【００３７】
これら第１の電極５、チタン酸バリウム薄膜６及び第２の電極７で圧電共振子８を構成している。
【００３８】
また、ブラッグ反射層４、第１の電極５、チタン酸バリウム薄膜６及び第２の電極７の各層は、単結晶基板１から順次エピタキシャル成長させて形成する。
【００３９】
単結晶基板１として、立方晶或いは正方晶であるシリコン（Ｓｉ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）などを用いることができる。こうすることでチタン酸バリウム薄膜６の結晶性を向上させることができる。また、その自発分極の向きを膜厚方向にそろえることが可能となる。
【００４０】
また、高音響インピーダンス層２及び低音響インピーダンス層３などの材料として、例えば、ジルコニウム酸バリウム（ＢａＺｒＯ_３）、マグネシウムタングステン酸バリウム（Ｂａ（Ｍｇ_１／３Ｔａ_２／３）Ｏ_３或いはチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）などのペロブスカイト型酸化物を組み合わせて用いることが、結晶性を保つ上で好ましい。
【００４１】
また、第１の電極５及び第２の電極７として、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）などの貴金属類或いはルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）などの導電性ペロブスカイト型酸化物を用いることが、チタン酸バリウム薄膜６の結晶性を向上させることができ好ましい。
【００４２】
これらの薄膜は、スパッタリング法、ゾルゲル法或いは化学的気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ）法などの成膜方法により形成することができる。
【００４３】
チタン酸バリウム薄膜６の結晶構造については、エックス線回折法を用いて解析することができる。例えば４軸エックス線装置などを用いることにより、膜厚方向の格子定数のみならず、膜の面内の格子定数に関する情報を得ることも可能である。
【００４４】
単結晶基板１、ブラッグ反射層４、第１の電極５の材料及び作製方法を選択することにより、チタン酸バリウム薄膜６をエピタキシャル成長させる際の下地の状態を変化させることができる。
【００４５】
特にチタン酸バリウム薄膜６をエピタキシャル成長させる際に直接接する第１の電極層５の結晶配向性、表面の平滑性及び表面における格子定数などが重要である。
【００４６】
また、チタン酸バリウム薄膜６の成膜の際に諸条件により、膜中に導入される歪みの大きさを変化させることができる。例えば、スパッタリング法による成膜の場合、ターゲットに投入するパワー、ガス圧、ガス中の酸素量或いは基板とターゲット間の距離などによって、膜中の歪みが大きく変化する。
【００４７】
本実施形態にかかる圧電薄膜振動子は、単結晶基板１に対して機械的に強固な構造を有するため、ＳｏｌｉｄｌｙＭｏｕｎｔｅｄＲｅｓｏｎａｔｏｒ（ＳＭＲ）と呼ばれている。このＳＭＲは、大きな格子歪みを有するエピタキシャル強誘電体薄膜を、圧電共振子として用いる場合に有利な構造である。
【００４８】
本実施形態による圧電薄膜振動子は、非常に大きい電気機械結合係数（ｋｔ^２＝０．１５）と機械的品質係数（Ｑ_ｍ＝１０００）を達成できたことが確認された。
【００４９】
(実施形態２)
図２は、本発明の実施形態２にかかる圧電薄膜振動子の断面図である。
【００５０】
この実施形態では、第１の電極５、チタン酸バリウムを主成分とし膜厚方向に単一配効している強誘電体層６、第２の電極層７から構成される圧電振動子８が、単結晶基板１に形成されている空隙９上に設けられている。
【００５１】
この単結晶基板１に設けられた空隙９が、圧電振動子８における共振周波数の音響反射部となる。
【００５２】
本実施形態による圧電薄膜振動子は、単結晶基板１の空隙９を設けるべき箇所にのみ、あらかじめ犠牲層（図示せず）を形成しておき、犠牲層の上に、第１の電極５、強誘電体層６、第２の電極７を順次形成し、エッチングにより犠牲層を除去し、空隙９を形成することにより作製できる。
【００５３】
この場合、犠牲層は、単結晶基板１上にエピタキシャル成長させ、このエピ層上に、第１の電極５、強誘電体層６をさらにエピタキシャル成長させることによって、チタン酸バリウムの配向を膜厚方向にそろえることができる。
【００５４】
本実施形態でも、強誘電体層６をエピタキシャル成長させる際に直接接する第１の電極層５の結晶配向性、表面の平滑性或いは表面における格子定数などが重要であるが、これは犠牲層の材料の選択や作製方法にも大きく依存する。
【００５５】
本実施形態による圧電薄膜振動子においても、非常に大きい電気機械結合係数（ｋｔ^２＝０．１５）と機械的品質係数（Ｑ_ｍ＝１０００）を達成できたことが確認された。
【００５６】
次に、図３に、前述した実施形態１及び実施形態２に用いたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）単結晶基板上に、第１の電極としてルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）膜を介して、エピタキシャル成長させたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）膜に関するエックス線回折結果を示す。横軸は、膜の面内方向の格子定数に対応しており、縦軸は、膜の膜厚方向の格子定数に対応している。
【００５７】
図３に示すように、チタン酸バリウム膜の（１０３）に関する回折ピークは、面内方向についても、膜厚方向についても単一の回折ピークから構成されている。また、チタン酸バリウム膜の面内の格子定数は、基板として用いたチタン酸ストロンチウムとほぼ一致しているのに対して、膜厚方向の格子定数は大幅に伸びていることが分かる。
【００５８】
これらの結果は、チタン酸バリウムのエピタキシャル膜が、自発分極が膜厚方向の成分のみから構成されるｃｐｈａｓｅの状態にあることを示している。このようなｃｐｈａｓｅ膜は、第１の電極と第２の電極の間に高周波電圧をかけた場合に、単一モードの圧電振動が励起されるため、品質係数Ｑの大きな圧電共振子を実現することができる。
【００５９】
図４は、熱力学的現象論を用いて、計算により求めた（１００）にエピタキシャル成長させたチタン酸バリウム薄膜に関する状態図である。横軸は、面内の格子歪みの大きさｘ_ｍを表し、負の値は、結晶格子が縮んでいることを示している。また、縦軸は温度である。
【００６０】
なお、結晶歪みとして、立方晶(自発分極ゼロ)を仮定した場合における格子定数を基準とするものと定義している。
【００６１】
この計算により求めた状態図は、理論そのものがもつ精度的な限界及び用いるパラメータの正確さなどにより、誤差を含むことが予想され、実際に作製した薄膜の状態図とは、若干の誤差が生じることが予想される。
【００６２】
図４において、ｐｐｈａｓｅは常誘電体相の状態を表し、ｃｐｈａｓｅは自発分極が膜の厚さ方向のみに成分をもつ強誘電体相の状態を表し、ｒｐｈａｓｅ及びａｃｐｈａｓｅは、自発分極の成分として厚さ方向と面内方向の成分をもつ強誘電体相の状態を表し、ａａｐｈａｓｅは、自発分極が面内のみの成分をもつ強誘電体相の状態を表す。
【００６３】
図４に示すように、チタン酸バリウムが、自発分極が膜厚の厚さ方向にのみに成分をもつ強誘電体相であるｃｐｈａｓｅを示す領域で素子を用いることが好ましい。常温付近では−０．０００３以下が好ましいことが分かる。
【００６４】
このように本発明では、エピタキシャル強誘電体薄膜を使用する場合には、厚み縦振動のみを励起するために、自発分極は膜厚方向のみのｃｐｈａｓｅの状態にあることが好ましい。したがって、面内の格子歪みをｘ_ｍとすると、ｘ_ｍはある程度小さいことが、圧電振動子を作製する上で好ましいことが分かる。
【００６５】
図５は、同じく熱力学的現象論を用いて、計算により求めた、面内の格子歪みｘ_ｍと、ｃｐｈａｓｅにエピタキシャル成長したチタン酸バリウム薄膜の厚み縦振動に関する電気機械結合係数ｋｔ^２の関係を計算した結果を示す図である。
【００６６】
図５の曲線Ａで示すように、歪みｘ_ｍの絶対値が小さいほど、大きな電気機械結合係数ｋｔ^２が得られることが明らかになった。
【００６７】
圧電薄膜振動子は、共振周波数ｆ_Ｒと反共振周波数ｆ_Ａの間で、等価的にはインダクター(コイル)とみなすことができることを利用している。厚み縦振動の場合、反共振周波数ｆ_Ａと共振周波数ｆ_Ｒの差をΔｆとおくと、Δｆ／ｆ_Ａは電気機械結合係数ｋｔ^２を用いて近似的に次式で表わすことができる。
【００６８】
Δｆ／ｆ_Ａ＝（４／Δｆ^２）ｋｔ^２
携帯電話などの送受信に使用されるギガヘルツ帯の周波数に対して、周波数帯域幅としては３％から４％程度である用途が多い。仮に帯域が４％であるとして、この式から、帯域中に渡ってインダクターとみなすことができるのに必要な電気機械結合係数を見積もると、ｋｔ^２が０．１０以上であることが好ましいことが分かる。
【００６９】
したがって、図５から電気機械結合係数ｋｔ^２が０．１０以上であるためには、面内の格子歪ｘ_ｍが−０．０２５より大きいことが必要である。
【００７０】
したがって、本発明では、チタン酸バリウム薄膜の面内の格子歪ｘ_ｍを−０．０２５より大きくすることにより、チッ化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを圧電体薄膜に用いたものに比べて、十分大きな電気機械結合係数ｋｔ^２が得られる。
【００７１】
図６は、熱力学的現象論を用いて、計算により求めた面内の格子歪みｘ_ｍと、ｃｐｈａｓｅに単一配向エピタキシャル成長したチタン酸バリウム薄膜の弾性スチフネスｃ_３３ ^Ｄの電界Ｅ_３に対する変化率の関係を示す図である。
【００７２】
チタン酸バリウムにおいては、分極の変化に伴い、弾性スチフネスの大きさが変化することが予想されるが、この図は、面内の格子歪みにより発生する膜厚方向の自発分極が、外部からかけた単位電界（Ｅ_３＝１ＭＶ／ｍ）によってどの程度変化し、さらに弾性スチフネスがどの程度変化するかを見積もったものである。
【００７３】
図６の曲線Ｂに示すように、歪がＯに向かうほど、弾性スチフネスの大きさが小さくなっていることが分かる。
【００７４】
厚み縦振動を利用した圧電薄膜振動子の反共振周波数ｆ_Ａは、圧電体中を伝播する音速ｖ、すなわち密度と弾性スチフネスｃ_３３ ^Ｄにより変化させることができる。密度は一定であるとみなすことができるので、弾性スチフネスの変化により、反共振周波数が変化するということができる。
【００７５】
したがって、図６より、外部電界の印加により、反共振周波数ｆ_Ａを、どの程度変化させることができるか、すなわちチューナビリティーがどれだけあるかが分かる。
【００７６】
図６の曲線Ｂに示すように、チューナビリティーは、電気機械結合係数と同様に、歪みの絶対値が小さいほど、大きなチューナビリティーが得られる。
【００７７】
チタン酸バリウム膜の厚さを０．８μｍ、第１の電極及び第２の電極を白金Ｐｔで構成し、その厚さを０．１μｍと仮定すると、反共振周波数が約２ＧＨｚの圧電薄膜振動子が得られる。
【００７８】
今回の計算結果を用いれば、この圧電薄膜振動子に直流電圧を±４Ｖ（８Ｖｐ−ｐ）を加え、最大１０ＭＶ／ｍの電界変化を与えたとき、弾性スチフネスの変化は約２％であった。したがって反共振周波数の変化はその半分の約１％、すなわち約２０ＭＨｚ変化することが予想される。
【００７９】
一方従来の圧電体の薄膜としてチッ化アルミニウムの薄膜を用いた圧電薄膜振動子の共振周波数を電圧で制御する技術については、±３０Ｖ（６０Ｖｐ−ｐ）の電圧により、共振周波数が１０００ｐｐｍ、すなわち０．１％変化するものがあった。
【００８０】
これに比較して、本発明による周波数可変圧電振動子の場合、１／７の小さい電圧により、１０倍もの周波数変化を実現することができる。
【００８１】
このように、本発明者らは、自発分極を膜厚方向のみの成分とするために、（００１）方位にｃ軸単一配向エピタキシャル成長したチタン酸バリウム薄膜を用いることが好ましく、さらに、c軸単一配向状態のエピタキシャル成長したチタン酸バリウム薄膜において、歪みの絶対値として、小さいほうが、電気機械結合係数が大きく、しかも直流電圧印加による共振周波数の変化率が大きな圧電振動子を実現することができることを見出した。
【００８２】
図７に、前述したｃ軸に単一配向下チタン酸バリウム薄膜を用いた周波数可変の圧電薄膜振動子を利用した電圧制御発振器（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ: ＶＣＯ）の構成例を示す。
【００８３】
この回路は、周波数可変圧電振動子の共振周波数と、キャパシタンスンスＣ１、Ｃ２及びＣ３で決まる周波数ｆ_０にて発振する。図７に示すように、この回路はトランジスタＴｒとそのまわりのいくつかの受動部品により、コルピッツ型の発振器を構成している。
【００８４】
トランジスタＴｒのベースとエミッタには、抵抗Ｒ２、Ｒ３によってそれぞれ直流バイアス電圧が加えられる。トランジスタＴｒのコレクタは、キャパシタンスンスＣ４によって高周波的に接地されている。ベースとエミッタの間にはキャパシタンスＣ１が接続され、エミッタとグランドの間にはキャパシタンスＣ２が接続され、フィードバック回路が構成されている。
【００８５】
トランジスタＴｒのベースには、キャパシタンスンスＣ３を介して本発明による周波数可変の圧電薄膜振動子１００が接続され、さらにグランドに接地されている。また、圧電薄膜振動子１００には、抵抗Ｒ１を介して周波数制御用の直流電圧が加えられる。
【００８６】
このとき、圧電薄膜振動子１００に直流電圧を加えると、電圧の大きさに応じて、この圧電薄膜振動子１００の共振周波数、反共振周波数が変化する。そのため、これらの周波数とキャパシタンスンスＣ１、Ｃ２、Ｃ３で決まる発振回路の発振周波数を変化させることができる。
【００８７】
このような電圧制御発振器は、十分広い範囲の周波数領域を可変にでき、しかも安定な発振が得られ、かつ小型化が可能であるため、携帯電話など無線通信装置の小型化を図ることができる。
【００８８】
周波数可変圧電振動子に抵抗Ｒ１を介して制御用の直流電圧を加えることにより、この発振器の発振周波数を変えることが可能である。このように可変容量ダイオードなどを使う必要がないために、回路構成を簡単化するという利点がある。
【００８９】
また、本発明の周波数可変圧電薄膜振動子は、直流電圧を変えることにより通過帯域を電圧で制御できる、周波数可変フィルターなどにも利用することができる。図８にその構成例を示す。
【００９０】
図８に示すように、このフィルターは、本発明による複数の周波数可変の圧電薄膜振動子１００と、入力端子、出力端子により構成され、さらに、それぞれの圧電薄膜振動子１００の両端は、抵抗Ｒを介して周波数制御用の直流電圧端子或いは、グランドに接続されている。
【００９１】
周波数制御用端子に直流電圧を加えると、それぞれの圧電薄膜振動子１００には、直流電圧が加わり、それに応じて振動子の共振周波数、反共振周波数が変化する。その結果として、フィルターの通過周波数帯域を変化させることができる。
【００９２】
このように、本発明による圧電振動子を用いれば、帯域が広く、可変範囲が大きく、かつ小型のフィルターが得られるため、携帯電話など無線通信機の高性能化と小型化を図ることができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、電気機械結合係数が大きく、機械的品質係数にすぐれ、また、共振周波数を外部からの直流電圧によって大きく変化させることが可能な圧電薄膜振動子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１にかかる圧電薄膜振動子の断面図。
【図２】本発明の実施形態２にかかる圧電薄膜振動子の断面図。
【図３】本発明によるエピタキシャル成長したチタン酸バリウム薄膜のエックス線回折を示す図。
【図４】エピタキシャル成長したチタン酸バリウム薄膜に関する状態図。
【図５】チタン酸バリウム薄膜の面内の格子歪と電気機械結合係数の関係を示す図。
【図６】チタン酸バリウム薄膜の面内の格子歪と単位電界あたりにおける弾性スチフネスの変化率の関係を示す図。
【図７】本発明による圧電薄膜振動子を用いた電圧制御発振器の構成図。
【図８】本発明による圧電薄膜振動子を用いた周波数フィルターの構成図。
【符号の説明】
１・・・単結晶基板
２・・・高音響インピーダンス層
３・・・低音響インピーダンス層
４・・・ブラックの反射層
５・・・第１の電極
６・・・エピタキシャル成長したチタン酸バリウム膜
７・・・第２の電極
８・・・圧電振動子
９・・・空隙

Claims

両面に一対の電極が形成された圧電体膜と、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極に隣接して設けられた音響反射部とを具備する圧電薄膜振動子において、
前記圧電体膜が、チタン酸バリウムを主成分とするエピタキシャル強誘電体薄膜であり、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の自発分極の向きが（００１）方位に単一配向し、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の面内の二次元的な格子歪ｘ_ｍが、常温において、−０．０２５＜ｘ_ｍ＜−０．０００３の関係式を満たすことを特徴とする圧電薄膜振動子。
前記圧電体膜が、立方晶或いは正方晶の結晶構造を有する単結晶基板上にエピタキシャル成長したことを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜振動子。
前記単結晶基板はチタン酸ストロンチウム基板であり、前記圧電体膜に形成された一対の電極はルテニウム酸ストロンチウムであることを特徴とする請求項２記載の圧電薄膜振動子。
前記一対の電極間に電界を印加する可変電圧源を具備し、前記電界を変化させて複数の周波数で共振可能とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電薄膜振動子を用いた周波数可変共振器。