JP4096845B2

JP4096845B2 - 分波器および通信装置

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Publication number: JP4096845B2
Application number: JP2003314646A
Authority: JP
Inventors: 秀樹河村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2008-06-04
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Description

本発明は、通信装置等に用いられる、圧電薄膜共振子を有するフィルタを備える分波器に関するものである。

近年、弾性バルク波を用いる圧電薄膜フィルタが開発されている。上記圧電薄膜フィルタは、小型かつ軽量であり、耐振性や耐衝撃性に優れ、製品のバラツキが少なく信頼性に富んでおり、回路の無調整化が図れるため、実装の自動化、簡略化が図れ、その上、高周波化を図っても、製造が容易という優れた各特性を有している。

また、上記のような圧電薄膜フィルタを備える分波器（デュプレクサ）が提案されている。例えば、特許文献１では、圧電薄膜共振子をラダー型に備えた圧電薄膜フィルタを有する分波器が開示されている。特許文献１における分波器において用いられている圧電薄膜共振子は、送信側フィルタと、受信側フィルタとで、共に電極材料がＭｏ、圧電薄膜がＡｌＮで構成されている。
特開２００１−２４４７６号公報

しかしながら、分波器において、送信側フィルタと、受信側フィルタとでは求められる特性が異なる。つまり、同じ構造の圧電薄膜共振子は、送信側フィルタと、受信側フィルタとのどちらか一方のみにしか最適化されていない。上記特許文献１では、送信側フィルタ、受信側フィルタの両方が同じ構造を有しているため、送信側、受信側のそれぞれにおいて最適な特性を有する分波器を構成することができないという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、送信側フィルタおよび受信側フィルタの構成を最適化した、良好な特性を有する分波器を提供することにある。

本発明の分波器は、上記の課題を解決するために、少なくとも一対の対向する電極で挟まれている少なくとも１層の圧電薄膜を有する圧電薄膜共振子が、基板の開口部若しくは凹部上に、梯子型に配置されている送信側フィルタ及び受信側フィルタを備え、該送信側フィルタと該受信側フィルタとをアンテナ端子に並列接続してなる分波器であって、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とが互いに異なる構造を有することを特徴としている。

本発明の分波器では、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とは、互いに異なる圧電膜を有することが好ましい。

本発明の分波器では、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の圧電膜はＡｌＮからなり、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の圧電膜はＺｎＯからなることが好ましい。

本発明の分波器では、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とは、電極の材料が互いに異なることが好ましい。

本発明の分波器では、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とは、電極の材料の音響インピーダンスが互いに異なることが好ましい。

本発明の分波器では、前記受信側フィルタの通過帯域は送信側フィルタよりも高周波側に位置しており、受信側フィルタを構成する電極の材料の音響インピーダンスは、送信側フィルタを構成する電極の材料の音響インピーダンスよりも高いことが好ましい。

本発明の分波器では、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子は、２倍波を用い、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子は、基本波を用いることが好ましい。

また、本発明の分波器は、上記の構成に加えて、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とは、基板の開口部若しくは凹部上に、互いに異なる絶縁膜を有することが好ましい。

本発明の分波器では、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜がＳｉＯ₂からなることが好ましい。

本発明の分波器では、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃の２層からなることが好ましい。

本発明の分波器では、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＳｉＯ₂、ＡｌＮの２層からなることが好ましい。

本発明の分波器では、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＡｌＮ、ＳｉＯ₂の２層からなることが好ましい。

本発明の分波器では、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂の２層からなることが好ましい。

本発明の通信装置は、上記に記載の分波器を搭載したことを特徴としている。

本発明の分波器は、少なくとも一対の対向する電極で挟まれている少なくとも１層の圧電薄膜を有する圧電薄膜共振子が、基板の開口部若しくは凹部上に、梯子型に配置されている送信側フィルタ及び受信側フィルタを備え、該送信側フィルタと該受信側フィルタとをアンテナ端子に並列接続してなる分波器であって、前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とが互いに異なる構造を有する構成である。

上記の構成によれば、送信側フィルタと受信側フィルタとで互いに異なる構造の圧電薄膜共振子を有しているので、送信側フィルタおよび受信側フィルタのそれぞれにおいて最適な特性を有する分波器を提供することができるという効果を奏する。

〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図１ないし図４に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施の形態では、送信帯域が１８５０〜１９１０ＭＨｚ、受信帯域が１９３０〜１９９０ＭＨｚであるデュプレクサについて説明する。

本実施の形態にかかるデュプレクサ（分波器）は、図１に示すように、送信端子１、受信端子２、アンテナ端子３を備えている。上記デュプレクサは、アンテナ端子３と送信側端子１との間に設けられた送信側フィルタ５、アンテナ端子３と受信側端子２との間に設けられた受信側フィルタ６、およびアンテナ端子３と受信側フィルタ６との間に設けられた整合回路７を備えている。つまり、上記デュプレクサは、送信側フィルタ５と該受信側フィルタ６とをアンテナ端子３に並列接続している。また、アンテナ端子３と送信側フィルタ５との間には、キャパシタンス８を備えている。上記送信側フィルタ５と受信側フィルタ６とは、互いに通過帯域が相違するように設定されている。

上記送信側フィルタ５は、直列共振子１１ａ、１１ｂおよび並列共振子１２ａ、１２ｂをラダー型に備えている。また、上記並列共振子１２ａ、１２ｂは、インダクタンス１３ａ、１３ｂを介して接地されている。上記インダクタンス１３ａ、１３ｂにより、上記送信側フィルタ５の通過帯域を伸長させることができる。

上記受信側フィルタ６は、直列共振子２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび並列共振子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄをラダー型に備えている。また、上記並列共振子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは接地されている。

上記整合回路７は、直列に接続されたインダクタンス７１と並列に接続されたキャパシタンス７２、７３を備えている。

本実施の形態において、上記送信側フィルタ５および受信側フィルタ６に備えられている各共振子は、圧電材料からなる薄膜（圧電薄膜）と、該圧電薄膜を挟み込むとともに対向している電極とを備える圧電薄膜共振子である。

以下、送信側フィルタが相対的に低い周波数特性を有し、受信側フィルタが相対的に高い周波数特性を有する場合において、上記送信側フィルタ５、受信側フィルタ６に求められている特性を説明する。

送信側フィルタ５は、大きな電力が印加される。そのため、該送信側フィルタ５に用いられている各共振子は、Ｑ値が高いことが好ましい。このＱ値は、共振子における機械的な振動の損失を示すものである。このＱ値が低いと、共振子における機械的な振動の損失が増加するため、この損失が熱となって共振子が発熱し、その結果共振子の短寿命化につながる。さらには、送信側フィルタ５の短寿命化にもつながる。上記Ｑ値は、共振子の構造にも依存し、さらには共振子に用いられる材料の弾性損失が小さいほど高くなる。各材料の弾性損失は周波数等にも依存するため、具体的な値について言及することは難しいが、表面波デバイス等でよく用いられる伝搬損失がひとつの目安になる。つまり、共振子のＱ値は、共振子に用いられる材料の伝搬損失が小さいほど高くなると考えられる。

上記送信側フィルタ５の各共振子には、熱伝導性の高い材料が用いられることが好ましい。これは、熱伝導性が低いと、放熱性が悪いことにより、共振子が加熱され、共振子の短寿命化につながるからである。

上記送信側フィルタ５の各共振子の電気機械結合係数ｋ²（実効的な結合係数ｋ² _eff）は、３〜４％程度であることが好ましい。これは、ｋ² _effが小さくても、外部回路（例えば、伸長インダクタンス）によって通過帯域を或る程度低周波側に広げることができるためである。また、上記ｋ² _effは、５％以上なると、高周波側のroll-off特性（送信側の通過帯域１９１０ＭＨｚから受信側の通過帯域１９３０ＭＨｚにかけての減衰の急峻さ）は劣化する。圧電薄膜の材料にｋ²の大きな材料を用いれば、共振子のｋ² _effも大きくなる。また、ｋ² _effは、共振子の構造にも依存する。

受信側フィルタ６は、外部回路によって低周波側に通過帯域を広げると、送信側フィルタ５と干渉してしまう。また、外部回路によって高周波側に通過帯域を広げることができない。そのため、受信側フィルタ６では、ｋ² _effの大きな共振子を用いて、外部回路の補助も用いずに所定量のフィルタ帯域を確保する必要がある。

上記の特性を有する送信側フィルタ５の圧電薄膜共振子、および受信側フィルタ６の圧電薄膜共振子の構造について、図２、図３に基づいてより詳細に説明する。

図２に示すように、送信側フィルタ５の共振子は、シリコン（Ｓｉ）からなる支持基板（基板）３２、その支持基板３２の上に形成されている絶縁膜３１を備えている。さらに、支持基板３２は、支持基板３２を厚さ方向に貫通し、他方の絶縁膜３１まで達する開口部（空洞部）を備えている。また、この絶縁膜３１上には、順に、下部電極（電極）３３、圧電薄膜３４、および上部電極（電極）３５を備えている。上記絶縁膜３１はダイヤフラムを形成している。このダイヤフラムは、上記開口部（空洞部）に面している。

また、図３に示すように、受信側フィルタ６の共振子は、シリコン（Ｓｉ）からなる支持基板（基板）４２、その支持基板４２上に形成されている絶縁膜４１を備えている。さらに、支持基板４２は、支持基板４２を厚さ方向に貫通し、絶縁膜４１まで達する開口部（空洞部）を備えている。また、この絶縁膜４１上には、順に、下部電極４３、圧電薄膜４４、および上部電極４５を備えている。

上記絶縁膜４１はダイヤフラムを形成している。このダイヤフラムは、上記開口部（空洞部）に面している。

なお、図２、図３に示す共振子では、２倍波を用いている。

本実施の形態では、送信側フィルタ５の各共振子と、受信側フィルタ６の各共振子とで、圧電薄膜の種類を異ならせている。送信側フィルタ５の各共振子の圧電薄膜３４にはＡｌＮ、絶縁膜３１にはＳｉＯ₂、下部電極３３および上部電極３５にはＡｕ／Ｔｉを用いている。また、受信側フィルタ６の各共振子の圧電薄膜４５にはＺｎＯ、絶縁膜４１にはＳｉＯ₂、下部電極４３および上部電極４５にはＡｕ／Ｔｉを用いている。

上記送信側フィルタ５の各共振子についてより詳細に説明する。ＡｌＮは、ＺｎＯよりも、熱伝導性がよく、弾性損失が小さい。また、電気機械結合係数は小さい（ｋ_t＝０．２３、熱伝導率Ｗ／（ｍ・℃）＝１５０）。したがって、送信側フィルタ５の各共振子は、受信側フィルタ６の各共振子よりもＱ値が高く、放熱性の良くすることができる。

また、上記送信側フィルタ５の各共振子では、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３１を用いているため、ＡｌＮからなる圧電薄膜３４との温度係数が逆となっている。そのため、圧電薄膜３４と絶縁膜３１とで互いに温度変化を打ち消し合い、上記送信側フィルタ５の各共振子における温度特性を向上させることができる。

また、ＡｌＮは、ＺｎＯに比べて音速が大きいため、ＺｎＯを用いた共振子と同等の周波数を得ようとすると、ダイヤフラムの膜厚を厚くするか、密度の大きい電極材料を用いる必要がある。ＡｌＮの膜厚を厚くした場合には、共振子の容量（Ｃ₀）を所定の値にするために上部電極３５および下部電極３３が重なる部分（振動部分）の面積を増やすことになり、素子サイズが大きくなる。ただし、上部電極３５および下部電極３３の少なくとも一方に、密度が８ｇ／ｃｍ３以上の金属（例えば、Ａｕ：１９．３、Ｐｔ：２１．４５、Ｎｉ：８．９、Ｍｏ：１０．４等）を用いることにより、上部電極３５あるいは下部電極３３の面積を増やすことなく所定の周波数を得ることができる。

上記受信側フィルタ６の各共振子についてより詳細に説明する。ＺｎＯは、ＡｌＮよりも電気機械結合係数が大きい（ｋ_t＝０．３０）。したがって、受信側フィルタ６の各共振子では、ｋ² _effを大きくすることができる。なお、ＺｎＯは、ＡｌＮよりも熱伝送率は低い（熱伝導率Ｗ／（ｍ・℃）＝４）。

また、上記受信側フィルタ６の各共振子では、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜４１を用いているため、ＺｎＯからなる圧電薄膜４４との温度係数が逆となっている。そのため、圧電薄膜４４と絶縁膜４１とで互いに温度変化を打ち消し合い、上記受信側フィルタ６の各共振子における温度特性を向上させることができる。

また、上記送信側フィルタ５の各共振子では、圧電薄膜３４にｋ² _effの小さいＡｌＮを用いているため、前記受信側フィルタに比べ共振子のｋ² _effは小さくなる。この場合、図１に示すように送信側フィルタ５の並列共振子１２ａ、１２ｂには、インダクタンス１３ａ、１３ｂが接続されているので、通過帯域を低域側に広げることができ、所望の帯域幅を得ることができる。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図４ないし図８に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。

本実施の形態では、受信側フィルタ６の各共振子における絶縁膜４１が、図４に示すように、基板４２上から順に、絶縁膜４１ａ、絶縁膜４１ｂの２層からなっている構成である。

本実施の形態では、上記絶縁膜４１ａをＡｌ₂Ｏ₃、上記絶縁膜４１ｂをＳｉＯ₂とすることが好ましい。この構成では、ＺｎＯからなる圧電薄膜４４と、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜４１ｂとでは圧縮応力がかかり、Ａｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜４１ａでは引っ張り応力がかかる。これにより、ダイヤフラムの強度を安定させることができる。

また、本実施の形態では、上記絶縁膜４１ａをＡｌＮとしてもよい。この場合に、ＡｌＮからなる絶縁膜４１ａと、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜４１ｂとの温度係数が逆となっている。そのため、絶縁膜４１ａと絶縁膜４１ｂとで互いに温度変化を打ち消し合い、上記受信側フィルタ６の各共振子における温度特性を向上させることができる。さらに、ＡｌＮは、Ａｌ₂Ｏ₃よりも熱導電性に優れるため、放熱性を向上させることができる。

上記の構成では、ｋ² _effを大きくすることができる。これは、上記絶縁膜４１ｂのＳｉＯ₂の音響インピーダンスが１．３×１０⁷（Ｎ・ｓ／ｍ³）であり、圧電薄膜４４のＺｎＯ（３．５×１０⁷（Ｎ・ｓ／ｍ³））、絶縁膜４１ａであるＡｌ₂Ｏ₃（３．９×１０⁷（Ｎ・ｓ／ｍ³））、ＡｌＮ（３．５×１０⁷（Ｎ・ｓ／ｍ³））よりも小さいためである。つまり、圧電薄膜４４と絶縁膜４１ｂとの界面での音波の反射が大きく、圧電薄膜４４に音波のエネルギーが集中するため、ｋ² _effを大きくすることができる。図５の振動の変位図に示すように、圧電薄膜４４のＺｎＯにおける振動の変位のほうが、絶縁膜４１ｂのＳｉＯ₂における振動の変位より大きくなっていることがわかる。

上記圧電薄膜４４、Ａｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜４１ａ、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜４１ｂの膜厚は、図６に示すように、ｋ² _effが大きくなるという観点からは、圧電薄膜４４の膜厚：（Ａｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜４１ａの膜厚＋ＳｉＯ₂からなる絶縁膜４１ｂの膜厚）の膜厚比が、０．７〜１．３であることが好ましい。さらに、図７に示すように、Ｑ値が高くなるという観点では、０．６〜０．８となることが好ましい。また、図８に示すように、周波数温度変化率（ＴＣＦ）の絶対値が小さくなるという観点では、絶縁膜４１ａ（Ａｌ₂Ｏ₃）：絶縁膜４１ｂ（ＳｉＯ₂）が１以上であることが好ましい。ただし、絶縁膜４１ａの割合が極端に少なくなると応力バランスの問題が生じるため、絶縁膜４１ａ（Ａｌ₂Ｏ₃）：絶縁膜４１ｂ（ＳｉＯ₂）が１以上、３以下であることがより好ましい。

なお、上記図６〜８では、圧電薄膜４４にＺｎＯ、絶縁膜４１ａにＡｌ₂Ｏ₃、絶縁膜４１ｂにＳｉＯ₂用いている。また、圧電薄膜４４を挟み込む上部電極４５、下部電極４３にＡｌを用い、膜厚を１８０ｎｍとしている。上記の条件で、絶縁膜４１ｂ（ＳｉＯ₂）と絶縁膜４１ａ（Ａｌ₂Ｏ₃）との膜厚比を３：１〜１：３まで変化させたときの計算結果を示している。各膜厚の絶対量は、共振子の周波数帯を１９００ＭＨｚになるようにすることにより決定している。

〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について図９ないし図１７に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１および実施の形態２にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。

本実施の形態では、送信側フィルタ５の各共振子における絶縁膜３１が、図９に示すように、基板３２上から順に、絶縁膜３１ａ、絶縁膜３１ｂの２層からなる構成である。

本実施の形態では、絶縁膜３１ａをＳｉＯ₂、上記絶縁膜３１ｂをＡｌＮとすることが好ましい。この場合に、ＡｌＮは熱伝導性に優れるため、素子の放熱性を向上させることができる。これにより、素子の高耐電力化、長寿命化、信頼性向上を図ることができる。

また、本実施の形態では、絶縁膜３１ａをＳｉＯ₂、絶縁膜３１ｂをＡｌ₂Ｏ₃としてもよい。この構成では、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３１ａでは圧縮応力がかかり、Ａｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜３１ｂでは引っ張り応力がかかる。これにより、ダイヤフラムの強度を安定させることができる。

上記の構成では、ＴＣＦ（周波数温度変化率）の絶対値を小さくすることができる。これは、圧電薄膜３４あるいは絶縁膜３１ｂに用いられるＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮの温度係数が負である（温度上昇によって周波数が低下する）のに対して、絶縁膜３１ａに用いられるＳｉＯ₂の温度係数が正となっているからである。また、図１０の振動の変位図（ここでは、圧電薄膜３４にＺｎＯを用いている）に示すように、圧電薄膜３４のＺｎＯにおける振動の変位が、絶縁膜３１ａのＳｉＯ₂の温度係数の影響を強く受け、共振子全体のＴＣＦを正の方向にシフトする（ゼロに近づく）からであると考えられる。

上記圧電薄膜３４、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３１ａ、Ａｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜３１ｂを用いた場合、絶縁膜３１ａ、絶縁膜３１ｂの膜厚は、図１１および図１２に示すように、ｋ² _effが大きくなるという観点およびＱ値が高くなるという観点からは、圧電薄膜３４の膜厚に対する依存が小さく、特に限定されるものではないが、圧電薄膜３４の膜厚：（ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３１ａの膜厚＋Ａｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜３１ｂの膜厚）の膜厚比が、０．７〜１．２であることが好ましい。また、図１３に示すように、周波数温度変化率（ＴＣＦ）の絶対値が小さくなるという観点では、絶縁膜３１ａ（ＳｉＯ₂）：絶縁膜３１ｂ（Ａｌ₂Ｏ₃）が１以上であることが好ましい。ただし、絶縁膜３１ａ（ＳｉＯ₂）の割合が極端に少なくなると応力バランスの問題が生じるため、絶縁膜３１ａ（ＳｉＯ₂）：絶縁膜３１ｂ（Ａｌ₂Ｏ₃）が１以上、３以下であることがより好ましい。

なお、上記図１１〜１３では、圧電薄膜３４にＺｎＯ、絶縁膜３１ａにＳｉＯ₂、絶縁膜３１ｂにＡｌ₂Ｏ₃用いている。また、圧電薄膜３４を挟み込む上部電極３５、下部電極３３にＡｌを用い、膜厚を１８０ｎｍとしている。上記の条件で、絶縁膜３１ｂ（Ａｌ₂Ｏ₃）と絶縁膜３１ａ（ＳｉＯ₂）との膜厚比を３：１〜１：３まで変化させたときの計算結果を示している。各膜厚の絶対量は、共振子の周波数帯を１９００ＭＨｚになるようにすることにより決定している。

また、図１４に示すように、受信側フィルタを、２つの直列共振子と３つの並列共振子で構成してもよい。図１５に示すように、送信側フィルタにおいて送信側端子側に直列に共振子を追加し、整合回路の構成を２つの直列のインダクタンスと１つの並列のキャパシタンスとし、さらにキャパシタンス８を省いてもよい。図１６に示すように、図１４における送信側フィルタにおいて、直列共振子をそれぞれ２つの直列共振子に置き換えてもよい。

また、上記送信側フィルタ５および受信側フィルタ６における各共振子の変形例を図１７に基づいて説明する。図１７に示すように、上記共振子は、基板５２に形成された凹部５６上に、その周縁で吊られた絶縁膜５１を備えている。そして絶縁膜５１上には、下部電極５３、圧電薄膜５４、上部電極５５が形成されている。この構成においても、上記の送信側フィルタ５および受信側フィルタ６における圧電薄膜、絶縁膜の構成を適用することにより、上記と同様の効果を得ることができる。

また、送信側フィルタ５と、受信側フィルタ６との共振子において、材料が同じで、積層順序のみを代えた構成にした場合、同じ成膜装置を使用することができ、コストを削減することができる。

ここで、送信側フィルタ５において、圧電薄膜３４にＺｎＯ、絶縁膜３１ａにＳｉＯ₂、絶縁膜３１ｂにＡｌＮを用いた共振子を使用することによりＱ値が７００、ｋ² _effが２．９％の特性値を達成することができる。また、受信側フィルタ６において、圧電薄膜４４にＺｎＯ、絶縁膜４１ａにＡｌ₂Ｏ₃、絶縁膜４１ｂにＳｉＯ₂を用いた共振子を使用することにより、Ｑ値が４００、ｋ² _effが５．３％の特性値を達成することができる。これらの送信側フィルタ５と、受信側フィルタ６とにおける挿入損失の周波数特性を図１８、１９に示す。これら図１８、１９からわかるように、送信側フィルタ５では、並列共振子にインダクタンスを接続しているため、ｋ² _effが小さいにも関わらず帯域幅を低域側に広げることができる。これに対して、受信側フィルタ６では、ｋ² _effを大きくしているため、帯域幅を大きくすることができる。図１９からわかるとおり、３．５ｄＢ落ちの帯域幅を、送信側フィルタ５では８０ＭＨｚ、受信側フィルタ６では６８ＭＨｚ確保することができる。

比較例として、受信側フィルタ６において、圧電薄膜４４にＺｎＯ、絶縁膜４１ａにＳｉＯ₂、絶縁膜４１ｂにＡｌＮを用いた共振子を使用することにより、Ｑ値を７００、ｋ² _effを２．９％の特性値とした場合には、図２０、２１に示すように、受信側フィルタ６の３．５ｄＢ落ちの帯域幅は３６ＭＨｚしか確保することができない。

〔実施の形態４〕
本実施の形態では、図２２に示す、圧電薄膜共振子１００における共振特性について検討を行った。上記圧電薄膜共振子１００は、シリコン（Ｓｉ）からなる支持基板（基板）１０２を備えている。また、この支持基板１０２上には、順に、下部電極（電極）１０３、ＺｎＯからなる圧電薄膜１０４、および上部電極（電極）１０５を備えている。さらに、支持基板１０２は、支持基板１０２を厚さ方向に貫通し、他方の下部電極１０３まで達する開口部（空洞部）を備えている。上記開口部（空洞部）に面して、ダイヤフラムが形成されている。

上記圧電薄膜共振子１００において、上部電極１０５と下部電極１０３とを同一の材料および同一の膜厚として検討を行った。

本実施例にて用いた電極の材料は、アルミニウムＡｌ，モリブデンＭｏ，銅Ｃｕ，タングステンＷ，白金Ｐｔである。各電極の材料における、共振子の全膜厚（上部電極１０５の膜厚＋圧電薄膜１０４の膜厚＋下部電極１０３の膜厚）に対する圧電薄膜の膜厚の膜厚の割合（圧電膜厚比）に対する、電気機械結合係数（ｋ² _eff）を示した検討結果を図２３に示す。

図２３より、圧電膜厚比を最適に選択した場合、上記５種類の電極の材料の中で、電気機械結合係数（ｋ² _eff）が最も大きくなるのは、Ｗであり、以下、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｌの順であった。

各電極の材料におけるおよその音響インピーダンスおよび抵抗率は、表１のとおりである。

図２３および表１より、音響インピーダンスの高い材料を選択するほど電気機械結合係数（ｋ² _eff）を高くすることができることがわかる。

上記実施の形態１ないし３に示したとおり、デュプレクサの高周波側に位置するフィルタ（例えば、受信側フィルタ）には電気機械結合係数（ｋ² _eff）の大きい共振子を用いる必要がある。また、低周波側に位置するフィルタ（例えば、送信側フィルタ）には、外部にインダクタンスを付与することよって帯域を伸張することが可能であるので、電気機械結合係数（ｋ² _eff）の小さい共振子を用いてもフィルタの急峻さを確保することができる。

したがって、受信側フィルタでは、電極に電気機械係合係数（ｋ² _eff）を大きくすることができる音響インピーダンスの高い材料を用いることが好ましい。また、送信側フィルタでは、電極に音響インピーダンスが低いが、抵抗率の小さい銅やアルミニウムを用いることで、特性の良好なデュプレクサを作製することができる。

〔実施の形態５〕
本実施の他の形態について図２５に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１ないし４にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。

本実施の形態では、受信側フィルタ６の各共振子は、図２５に示すように、基本波を用いる構成にすることが出来る。基本波を用いる共振子は、図２〜４および図９に示す、２倍波を用いる共振子よりもｋ² _effを大きくすることが出来る。よって、受信側フィルタに必要とされる通過帯域を確保することが出来る。

例えば、受信側フィルタ６の各共振子を、ＡｌＮからなる圧電薄膜を有し、基本波を用いる共振子とし、送信側フィルタ５の各共振子を、ＺｎＯからなる圧電薄膜を有し、２倍波を用いる共振子をすることで、良好な特性のデュプレクサを実現することが出来る。

次に、上記実施の形態に記載のデュプレクサを用いた通信装置について図２４に基づき説明する。上記通信装置６００は、受信を行うレシーバ側（Ｒｘ側）として、アンテナ６０１、アンテナ共用部／ＲＦＴｏｐフィルタ６０２、アンプ６０３、Ｒｘ段間フィルタ６０４、ミキサ６０５、１ｓｔＩＦフィルタ６０６、ミキサ６０７、２ｎｄＩＦフィルタ６０８、１ｓｔ＋２ｎｄローカルシンセサイザ６１１、ＴＣＸＯ（temperature compensated crystal oscillator（温度補償型水晶発振器））６１２、デバイダ６１３、ローカルフィルタ６１４を備えて構成されている。

Ｒｘ段間フィルタ６０４からミキサ６０５へは、図１２に二本線で示したように、バランス性を確保するために各平衡信号にて送信することが好ましい。

また、上記通信装置６００は、送信を行うトランシーバ側（Ｔｘ側）として、上記アンテナ６０１及び上記アンテナ共用部／ＲＦＴｏｐフィルタ６０２を共用するとともに、ＴｘＩＦフィルタ６２１、ミキサ６２２、Ｔｘ段間フィルタ６２３、アンプ６２４、カプラ６２５、アイソレータ６２６、ＡＰＣ（automatic power control （自動出力制御））６２７を備えて構成されている。

そして、上記のＲｘ段間フィルタ６０４、ＲＦＴｏｐフィルタ６０２には、上述した本実施の形態に記載のデュプレクサが好適に利用できる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の圧電薄膜共振子を有するフィルタを備える分波器は、携帯電話等の通信装置に適用することができる。

本発明の実施の一形態に係るデュプレクサの回路図である。上記デュプレクサにおける送信側フィルタの共振子の構造を示す概略の断面図である。上記デュプレクサにおける受信側フィルタの共振子の構造を示す概略の断面図である。本発明の実施の他の形態にかかる受信側フィルタの共振子の構造を示す概略の断面図である。図４の共振子の一例における各層の振動の変位を示したグラフである。図４の共振子におけるｋ² _effと膜厚比との関係を示すグラフである。図４の共振子におけるＱ値と膜厚比との関係を示すグラフである。図４の共振子におけるＴＣＦと膜厚比との関係を示すグラフである。本発明の実施の他の形態に係る送信側フィルタにおける共振子の構造を示す概略の断面図である。図９の共振子の一例における各層の振動の変位を示したグラフである。図９の共振子におけるｋ² _effと膜厚比との関係を示すグラフである。図９の共振子におけるＱ値と膜厚比との関係を示すグラフである。図９の共振子におけるＴＣＦと膜厚比との関係を示すグラフである。上記デュプレクサの変形例を示す回路図である。上記デュプレクサの他の変形例を示す回路図である。上記デュプレクサのさらに他の変形例を示す回路図である。上記送信側フィルタおよび受信側フィルタにおける共振子の変形例を示す概略の断面図である。本発明の他の実施の形態にかかる送信側フィルタと受信側フィルタとにおける挿入損失の周波数特性を示すグラフである。本発明の他の実施の形態にかかる送信側フィルタと受信側フィルタとにおける挿入損失の周波数特性を示すグラフである。比較例の送信側フィルタと受信側フィルタとにおける挿入損失の周波数特性を示すグラフである。比較例の送信側フィルタと受信側フィルタとにおける挿入損失の周波数特性を示すグラフである。実施の形態４で用いた圧電薄膜共振子の断面図である。実施の形態４における圧電膜厚比に対する、電気機械結合係数を示した検討結果を示すグラフである。本発明のデュプレクサを搭載した通信装置の回路ブロック図である。本発明の実施の他の形態にかかる受信側フィルタの共振子の構造を示す概略の断面図である。

符号の説明

１送信端子
２受信端子
３アンテナ端子
５送信側フィルタ
６受信側フィルタ
１１ａ、１１ｂ直列共振子
１２ａ、１２ｂ並列共振子
１３ａ、１３ｂインダクタンス
２１ａ〜２１ｃ直列共振子
２２ａ〜２２ｄ並列共振子
３１絶縁膜
３２支持基板（基板）
３３下部電極（電極）
３４圧電薄膜
３５上部電極（電極）
４１絶縁膜
４２支持基板（基板）
４３下部電極（電極）
４４圧電薄膜
４５上部電極（電極）

Claims

少なくとも一対の対向する電極で挟まれている少なくとも１層の圧電薄膜を有する圧電薄膜共振子が、基板の開口部若しくは凹部上に、梯子型に配置されている送信側フィルタ及び受信側フィルタを備え、該送信側フィルタと該受信側フィルタとをアンテナ端子に並列接続してなる分波器であって、
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とが互いに異なる構造を有し、
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子は、２倍波を用い、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子は、基本波を用いることを特徴とする分波器。
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とは、互いに異なる圧電膜を有することを特徴とする請求項１に記載の分波器。
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の圧電膜はＡｌＮからなり、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の圧電膜はＺｎＯからなることを特徴とする請求項２に記載の分波器。
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とは、電極の材料が互いに異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の分波器。
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とは、電極の材料の音響インピーダンスが互いに異なることを特徴とする請求項４に記載の分波器。
前記受信側フィルタの通過帯域は送信側フィルタよりも高周波側に位置しており、受信側フィルタを構成する電極の材料の音響インピーダンスは、送信側フィルタを構成する電極の材料の音響インピーダンスよりも高いことを特徴とする、請求項４または５に記載の分波器。
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子と、前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子とは、基板の開口部若しくは凹部上に、互いに異なる絶縁膜を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の分波器。
前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜がＳｉＯ _２からなることを特徴とする請求項７に記載の分波器。
前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＳｉＯ _２、Ａｌ _２Ｏ _３の２層からなり、
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＡｌＮ、ＳｉＯ _２の２層からなることを特徴とする請求項７に記載の分波器。
前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＳｉＯ _２、ＡｌＮの２層からなり、
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＡｌＮ、ＳｉＯ _２の２層からなることを特徴とする請求項７に記載の分波器。
前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＳｉＯ _２、Ａｌ _２Ｏ _３の２層からなり、
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＡｌ _２Ｏ _３、ＳｉＯ _２の２層からなることを特徴とする請求項７に記載の分波器。
前記受信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＳｉＯ _２、ＡｌＮの２層からなり、
前記送信側フィルタを構成する圧電薄膜共振子の絶縁膜が、圧電薄膜に近い方から順にＡｌ _２Ｏ _３、ＳｉＯ _２の２層からなることを特徴とする請求項７に記載の分波器。
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の分波器を搭載したことを特徴とする、通信装置。