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JP5850209B1 - 弾性波装置 - Google Patents

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Abstract

電極指の線幅がばらついたとしても、減衰特性のばらつきが生じ難い弾性波装置を提供する。第1〜第3のIDT11〜13を有する縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4と、弾性表面波共振子5からなる並列トラップとを備えている。圧電基板上において弾性表面波伝搬方向に直交する方向に延びる第2のIDT12の中心軸に対して縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4の両側が非対称とされており、弾性表面波共振子5のIDT16のデューティー比をD0とし、第1〜第3のIDT11〜13のデューティー比をD1〜D3としたときに、デューティー比D0が、デューティー比D1〜D3のうちの最大のデューティー比と、最小のデューティー比との間の大きさである、弾性波装置1。

Description

本発明は、縦結合共振子型弾性表面波フィルタと、並列トラップとを有する弾性波装置に関する。
従来、携帯通信端末のRF段のフィルタなどに、縦結合共振子型の弾性波フィルタ装置が用いられている。下記の特許文献1には、狭ピッチ部を有する縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部と、並列トラップとを有する弾性波フィルタ装置が開示されている。複数の狭ピッチ部において電極指の本数を異ならせることにより、一次の共振モードの周波数位置を調整して、フィルタ特性の急峻性を高めている。また、並列トラップの共振周波数を減衰域に位置させ、フィルタ特性の急峻性をさらに高めている。
特許第4525861号公報
特許文献1に記載の弾性波フィルタ装置では、電極指の線幅がばらつくと、一次の共振モードや並列トラップの共振周波数がずれがちであった。
本発明の目的は、電極指の線幅がばらついたとしても、減衰特性のばらつきが生じ難い弾性波装置を提供することにある。
本発明に係る弾性波装置は、圧電基板と、弾性波伝搬方向に沿って順に前記圧電基板上に配置された第1〜第3のIDTを有する縦結合共振子型弾性表面波フィルタと、前記縦結合共振子型弾性表面波フィルタの一端とグラウンド電位との間に接続されており、かつ弾性表面波共振子からなる並列トラップとを備え、前記圧電基板上において前記弾性波伝搬方向に直交する方向に延びる前記第2のIDTの中心軸に対して前記縦結合共振子型弾性表面波フィルタの両側の部分が非対称に構成されており、前記並列トラップを構成している弾性表面波共振子のデューティー比をD0とし、前記縦結合共振子型弾性表面波フィルタの第1〜第3のIDTのデューティー比をD1〜D3としたときに、デューティー比D0が、デューティー比D1〜D3のうちの最大のデューティー比と、最小のデューティー比との間の大きさとされている。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記デューティー比D2が、前記デューティー比D1及び前記デューティー比D3より小さい。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記デューティー比D0が、前記デューティー比D1〜D3の合成デューティー比±0.02の範囲にある。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記合成デューティー比が、前記デューティー比D1と前記デューティー比D3の平均と、前記デューティー比D2との平均値である。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記合成デューティー比が前記第1〜第3のIDTのデューティー比D1〜D3の算術平均である。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記合成デューティー比が{(D1+D3)/2+D2}/2である。
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記圧電基板上に接合されており、前記第1〜第3のIDT及び前記弾性表面波共振子のIDTが臨んでいる中空部を形成するように前記圧電基板上に接合されているパッケージ材がさらに備えられている。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記パッケージ材が、前記圧電基板上に積層されており、前記中空部を形成するための開口部を有する支持部材と、前記支持部材上に積層されたカバー部材とを有する。
本発明に係る弾性波装置によれば、並列トラップを構成している弾性表面波共振子のデューティー比及び縦結合共振子型弾性表面波フィルタの第1〜第3のIDTのデューティー比が上記特定の範囲とされているため、電極指の線幅がばらついたとしても、減衰特性のばらつきが生じ難い。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置を説明するための模式的回路図である。 図2は、比較例の弾性波装置において、電極指の線幅が設計値の場合と、線幅が設計値より−0.03μm狭い場合、及び線幅が設計値より+0.03μm広い場合の減衰量周波数特性を示す図である。 図3は、本発明の一実施形態において、縦結合共振子型弾性表面波フィルタの合成デューティー比が0.65であり、並列トラップにおけるデューティー比が0.65である場合に、電極指の線幅が設計値の場合、線幅が設計値より−0.03μm狭い場合、及び線幅が設計値より+0.03μm広い場合の減衰量周波数特性を示す図である。 図4は、本発明の一実施形態において、縦結合共振子型弾性表面波フィルタの合成デューティー比が0.61であり、並列トラップにおけるデューティー比が0.65である場合に、電極指の線幅が設計値の場合、線幅が設計値より−0.03μm狭い場合、及び線幅が設計値より+0.03μm広い場合の減衰量周波数特性を示す図である。 図5は、本発明の一実施形態において、縦結合共振子型弾性表面波フィルタの合成デューティー比が0.69であり、並列トラップにおけるデューティー比が0.65である場合に、電極指の線幅が設計値の場合、線幅が設計値より−0.03μm狭い場合、及び線幅が設計値より+0.03μm広い場合の減衰量周波数特性を示す図である。 図6は、本発明の一実施形態において、縦結合共振子型弾性表面波フィルタの合成デューティー比が0.63であり、並列トラップにおけるデューティー比が0.65である場合に、電極指の線幅が設計値の場合、線幅が設計値より−0.03μm狭い場合、及び線幅が設計値より+0.03μm広い場合の減衰量周波数特性を示す図である。 図7は、本発明の一実施形態において、縦結合共振子型弾性表面波フィルタの合成デューティー比が0.67であり、並列トラップにおけるデューティー比が0.65である場合に、電極指の線幅が設計値の場合、線幅が設計値より−0.03μm狭い場合、及び線幅が設計値より+0.03μm広い場合の減衰量周波数特性を示す図である。 図8は、縦結合共振子型弾性表面波フィルタの合成デューティー比と、減衰量劣化度合いとの関係を示す図である。 図9は、WLP構造を本発明の弾性波装置に適応した模式図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の模式的回路図である。
弾性波装置1は、圧電基板上に図示の電極構造を形成することにより構成されている。弾性波装置1では、入力端子2と出力端子3との間に、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4が接続されている。縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4は、弾性表面波伝搬方向に沿って順に圧電基板上に配置された第1〜第3のIDT11〜13を有する。第1〜第3のIDT11〜13が設けられている領域の弾性表面波伝搬方向両側には反射器14,15が設けられている。第1〜第3のIDT11〜13は、交叉幅方向に互いに間挿し合う第1及び第2のくし歯電極を有するIDT電極を含んでいる。第1及び第2のくし歯電極は、第1及び第2のバスバーのそれぞれに互いに異なる端部が接合される第1及び第2の電極指を含んでいる。
縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4は、特に限定されないが、不平衡−不平衡の入出力端子を有する。入力端子2に、第1,第3のIDT11,13の一端が接続されている。第1のIDT11及び第3のIDT13の他端はグラウンド電位に接続されている。第2のIDT12の一端がグラウンド電位に接続されている。第2のIDT12の他端は、出力端子3に接続されている。
第1〜第3のIDT11〜13には、IDT同士が隣り合う部分に狭ピッチ部が設けられている。狭ピッチ部とは、IDTの残りの電極指部分すなわち本体部分に比べて電極指ピッチが狭い部分をいう。
図1において、第1のIDT11と第2のIDT12とが隣り合っている部分、第2のIDT12と第3のIDT13とが隣り合っている部分のそれぞれに狭ピッチ部が設けられている。詳細には、第1〜第3のIDT11〜13が互いに隣り合っている部分のいずれの側にも狭ピッチ部が設けられている。
縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4では、弾性表面波伝搬方向と直交する方向に圧電基板の表面に沿って延びる第2のIDT12の中心軸に対して、両側に存在する部分が非対称に構成されている。より具体的には、第2のIDT12の中心軸に対して一方側、すなわち第1のIDT11側の部分と、他方側、すなわち第3のIDT13側の部分とにおいて、電極指ピッチや電極指の本数等が異なっている。それによって両側の部分が非対称とされている。この非対称とすることにより、一次の共振モードの周波数を調整することができる。すなわち、特許文献1に記載のように一次の共振モードの共振周波数を通過帯域近傍の減衰域に位置させることができる。それによって、フィルタ特性の急峻性を高めることができる。この一次の共振モードの周波数は、電極指の構成によって調整される。
また、第2のIDT12の出力端と、グラウンド電位との間に並列トラップを形成するために弾性表面波共振子5が接続されている。
弾性表面波共振子5は、IDT16と、IDT16の弾性表面波伝搬方向両側に設けられた反射器17,18とを有する。
弾性波装置1は、入力端子2及び出力端子3のインピーダンスが共に50Ωである。弾性波装置1は、UMTSのBand2の受信用フィルタとして用いられる。UMTS−Band2の送信周波数帯は1850〜1910MHzであり、受信周波数帯は1930〜1990MHzである。
本実施形態では、40°±5°YカットX伝搬のLiTaO基板が圧電基板として用いられている。この圧電基板上に上述した電極構造が、Alにより形成されている。
弾性表面波共振子5は、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4の通過帯域外における減衰量を高めるために設けられている。弾性表面波共振子5の共振周波数は、通過帯域よりも低周波数側の帯域外の周波数位置に位置しており、反共振周波数が通過帯域内に配置されている。
本実施形態の弾性波装置1の特徴は、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4の第1〜第3のIDT11〜13のデューティー比と、並列トラップを構成している弾性表面波共振子5におけるIDT電極のデューティー比が以下の関係とされていることにある。電極指の幅とは、弾性波伝搬方向に沿う方向における、電極指の寸法である。また、デューティー比(メタライゼーション比)は、電極指の幅を、弾性波伝搬方向に沿う方向における電極指の幅と隣り合う電極指間の隙間との和で除した比率である。
上記弾性表面波共振子5のIDTのデューティー比をD0とする。第1〜第3のIDT11〜13のデューティー比を、それぞれ、D1、D2及びD3とする。本実施形態では、デューティー比D0が、デューティー比D1〜D3のうちの最大のデューティー比と、最小のデューティー比との間の大きさとされている。それによって、後述する実験例から明らかなように、電極指の幅方向寸法である線幅がばらついたとしても、減衰特性の劣化が生じ難い。
好ましくは、前記デューティー比D2が、前記デューティー比D1および前記デューティー比D3より小さい。このような構成により、電極指の線幅がばらついたとしても、一次の共振モードの周波数の変動による減衰特性の劣化を効果的に抑制することができる。より好ましくは、デューティー比D0が、デューティー比D1〜D3の合成デューティー比±0.02の範囲にあることが望ましい。その場合には、線幅のばらつきによる減衰特性の劣化をより一層効果的に抑制することができる。
なお、合成デューティー比とは、第1のIDTのデューティー比D1と、第3のIDTのデューティー比D3の平均と、第2のIDTのデューティー比D2との平均値であってもよく、D1〜D3の算術平均であってもよい。より好ましくは、合成デューティー比は、{(D1+D3)/2+D2}/2で求められた値である。
縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4は、不平衡−平衡機能を有する構成であってもよい。すなわち、弾性表面波伝搬方向において、3つのIDTを並べ、この両側に反射器を含む縦結合共振子型弾性表面波フィルタであってもよい。
図2〜図8を参照して、本実施形態により、電極指の線幅がばらついても、減衰特性の劣化が生じ難いことを説明する。図2は後述するように比較例の弾性波装置の減衰量周波数特性を示し、図3〜図7が、上記実施形態の弾性波装置の減衰量周波数特性を示す図である。
また、上記実施形態の弾性波装置を以下の仕様で作製した。
(縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4)
狭ピッチ部を除いた第1〜第3のIDT11〜13の本体部の電極指ピッチで定まる波長をλIとした。
交叉幅:33.2λI
電極膜厚:0.092λI
第1〜第3のIDTの電極指の本数:第1のIDT11の電極指の本数=44本、第2のIDT12の電極指の本数=52本、第3のIDT13の電極指の本数=44本
反射器14,15の電極指の本数:各61本
狭ピッチ部の電極指の本数:第1のIDT11の狭ピッチ部の電極指の本数=8本、第2のIDT12の第1のIDT11側の狭ピッチ部の電極指の本数=9本、第2のIDT12の第3のIDT13側の狭ピッチ部の電極指の本数=7本、第3のIDT13の狭ピッチ部の電極指の本数=6本
第1〜第3のIDT11〜13のデューティー比:第1のIDT11のデューティー比D1=0.68、第2のIDT12のデューティー比D2=0.62、第3のIDT13のデューティー比D3=0.68
狭ピッチ部のデューティー比:全ての狭ピッチ部においてデューティー比は0.62とした。
反射器14,15におけるデューティー比:0.68
(弾性表面波共振子5)
一端が信号配線に接続され、かつ他端が接地電位に接続され、共振周波数が縦結合共振子型弾性表面波フィルタの通過帯域外の低域側近傍に配置された弾性表面波共振子である並列トラップを形成するための弾性表面波共振子5は以下の通りとした。
IDTの電極指のピッチで定まる波長をλI2とした。
交叉幅:20.9λI2
IDT電極の電極指の本数=155本
反射器の電極指の本数=各30本
デューティー比=0.65
電極膜厚=0.093λI2
第1〜第3のIDT11〜13のデューティー比は、狭ピッチ部を除いた本体部のデューティー比を使用する。従って、この弾性表面波装置における、並列トラップ、および第1〜3のIDTのデューティー比は、それぞれD0=0.65、D1,D3=0.68、D2=0.62である。従って、D0は、D1〜D3のうちの最大値0.68と、最小値0.62との間の値である。
通常、弾性表面波共振子において、共振特性を高めるために、0.50〜0.60のデューティー比が採用される構成が多かった。また、縦結合共振子型弾性波フィルタにおいては、配線抵抗を低くするため0.6以上のデューティー比で弾性表面波共振子の各IDTが構成されることが多かった。しかしながら、3つのIDTを有する縦結合共振子型弾性波フィルタが中央のIDTの中心軸に対して非対称構造を有し、並列トラップを有する構成において、デューティー比の関係を本実施形態の範囲内に定めることで、電極指の線幅の変動による、一次の共振モードの周波数と並列トラップの共振周波数との位置関係変動による減衰特性の劣化が抑制できる。
比較のために、デューティー比D0、D1、D2及びD3が下記のように設定されていることを除いては、上記実施形態と同様にして、弾性波装置を比較例として作製した。
(比較例)
D0=0.60、D1=0.68、D2=0.68、D3=0.68。
図2は、比較例の弾性波装置において、IDT電極の電極指の線幅が設計値Wdの場合と、設計値Wd−0.03μmの場合と、設計値Wd+0.03μmの場合の減衰量周波数特性を示す。実線が設計値Wd通りの場合の結果を示し、破線及び一点鎖線が、設計値Wd−0.03μmの場合及び設計値Wd+0.03μmの場合の結果を示す。図2から明らかなように、比較例では、IDT電極の電極指の線幅が±0.03μmばらつくと、1850〜1910MHzの帯域、すなわち送信周波数の通過帯域における減衰量が大きく劣化している。
図3は、上記実施形態において、IDT電極の電極指の線幅が設計値Wd通りの場合と、設計値Wd−0.03μmの場合と、設計値Wd+0.03μmの場合の減衰量周波数特性を示す。実線が設計値Wd通りの場合の結果を示し、破線が設計値Wd−0.03μmの場合、一点鎖線が設計値Wd+0.03μmの場合の結果を示す。
図3と図2とを対比すれば明らかなように、本実施形態によれば、電極指の線幅がばらついたとしても、1850〜1910MHzの帯域における減衰量の劣化が効果的に抑制されていることがわかる。より具体的には、±0.03μmの線幅ばらつきに対し、減衰量のばらつき量は、上記周波数域において1dB以下となっていることがわかる。従って、線幅がばらついたとしても、減衰量の劣化を効果的に抑制することができる。
本願発明者は、上記のように、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ4における第1〜第3のIDT11〜13のデューティー比の大きさと、並列トラップを構成している弾性表面波共振子5におけるIDTのデューティー比の大きさを選択すれば、線幅ばらつきによる減衰特性の劣化を抑制し得ることを見出した。そこで、上記デューティー比を種々変更して特性を調べた。図4及び図5では、弾性表面波共振子5のデューティー比を0.65とし、デューティー比D1〜D3の合成デューティー比を、0.61または0.69とした。ここで、合成デューティー比は、{(D1+D3)/2+D2}/2で求めた。
より具体的には、図4では、デューティー比D1=0.62、デューティー比D2=0.60、デューティー比D3=0.62とし、合成デューティー比を0.61とした。
また、図5では、デューティー比D1、D2及びD3をそれぞれ0.70、0.68、0.70とし、合成デューティー比を0.69とした。
図4及び図5においても、実線が設計値Wd通りの線幅の場合の結果を示し、破線が設計値Wd−0.03μmの場合の結果を、一点鎖線が設計値Wd+0.03μmの場合の結果を示す。図4及び図5を図3と対比すれば明らかなように、図4及び図5では、1850〜1910MHzにおける減衰特性が、線幅のばらつきにより比較的大きくばらついている。
すなわち、図4及び図5に示した減衰量周波数特性から明らかなように、弾性表面波共振子のデューティー比D0に対し、合成デューティー比が0.04以上異なると、減衰特性がやや劣化することがわかる。
図6では、合成デューティー比を0.63とし、弾性表面波共振子5のデューティー比D0を0.65とした。また、図7では、合成デューティー比を0.67とし、弾性表面波共振子のデューティー比を0.65とした。
図6及び図7においても、実線が電極の線幅が設計値Wd通りの場合の結果を示す。また破線及び一点鎖線は、それぞれ、線幅が設計値Wd−0.03μmの場合及び設計値Wd+0.03μmの場合の結果を示す。
図6の減衰量周波数特性では、1850〜1910MHzにおける減衰特性は、線幅がばらついてもほとんどばらついていないことがわかる。また、図7においても、1850〜1910MHzの帯域における減衰特性のばらつきが図4及び図5の場合に比べて小さいことがわかる。すなわち、合成デューティー比と弾性表面波共振子5のデューティー比との差が0.02の場合には、線幅のばらつきによる一次の共振モードの周波数による特性のばらつきが非常に小さく、より一層好ましいことがわかる。
そこで、上記のように合成デューティー比を種々変化させ、上記1850〜1910MHzの周波数帯域における減衰量劣化度を測定した。ここで減衰量劣化度とは、1850〜1910MHz帯における減衰量の劣化の大きさ(dB)を示す。結果を図8に示す。
図8から明らかなように、合成デューティー比が0.65の場合に、減衰量劣化度が最も小さく、合成デューティー比が0.65から遠ざかるにつれて減衰量劣化度が大きくなっていくことがわかる。すなわち、弾性表面波共振子5のデューティー比が0.65であるため、合成デューティー比を0.65に近づけることが好ましいことがわかる。そして、上記減衰量劣化度を1dB以下とするには、合成デューティー比を0.63〜0.67の範囲とすればよいことがわかる。従って、上述したように、合成デューティー比は、D0±0.02の範囲とすることが好ましい。それによって、線幅のばらつきによる減衰特性のばらつきをより一層効果的に抑制することができ、かつ減衰特性の劣化をより一層抑制することができる。
なお、上記実験例では、合成デューティー比を、{(D1+D3)/2+D2}/2で求めた。もっとも、第1〜第3のIDT11〜13の合成デューティー比では第1〜第3のIDT11〜13のデューティー比の平均値を用いてもよい。この場合の平均値としては、特に限定されない。D1とD3の平均値とD2との平均値を用いてもよく、D1、D2及びD3の算術平均を用いてもよい。
なお、本発明の弾性波装置の物理的な構造は特に限定されない。例えば図9に示すようにWLP構造の弾性波装置に本発明を好適に適用することができる。図9に示す弾性波装置31では、圧電基板32上にIDT電極33などの電極が形成されている。圧電基板32上には、開口部34aを有する支持部材34が積層されている。開口部34aはIDT電極33を露出させている。この開口部を封止して封止空間となる中空部を形成するように、カバー部材35が支持部材34上に積層されている。このように、カバー部材35及び支持部材34からなるパッケージ材が、圧電基板32上に設けられている。このような構造は、ウェハレベルパッケージ構造(WLP構造)として知られている。
本発明の弾性波装置は、上記のようなWLP構造を有する弾性波装置であってもよい。また、WLP構造に限らず、弾性表面波チップが実装基板上にフリップチップボンディングにより搭載されている構造の弾性波装置にも本発明を用いることができる。
1…弾性波装置
2…入力端子
3…出力端子
4…縦結合共振子型弾性表面波フィルタ
5…弾性表面波共振子
11〜13…第1〜第3のIDT
14,15…反射器
16…IDT
17,18…反射器
31…弾性波装置
32…圧電基板
33…IDT電極
34…支持部材
34a…開口部
35…カバー部材

Claims (8)

  1. 圧電基板と、
    弾性波伝搬方向に沿って順に前記圧電基板上に配置された第1〜第3のIDTを有する縦結合共振子型弾性表面波フィルタと、
    前記縦結合共振子型弾性表面波フィルタの一端とグラウンド電位との間に接続されており、かつ弾性表面波共振子からなる並列トラップとを備え、
    前記圧電基板上において前記弾性波伝搬方向に直交する方向に延びる前記第2のIDTの中心軸に対して前記縦結合共振子型弾性表面波フィルタの両側の部分が非対称に構成されており、
    前記並列トラップを構成している弾性表面波共振子のデューティー比をD0とし、前記縦結合共振子型弾性表面波フィルタの第1〜第3のIDTのデューティー比をD1〜D3としたときに、デューティー比D0が、デューティー比D1〜D3のうちの最大のデューティー比と、最小のデューティー比との間の大きさである、弾性波装置。
  2. 前記デューティー比D2が、前記デューティー比D1及び前記デューティー比D3より小さい、請求項1に記載の弾性波装置。
  3. 前記デューティー比D0が、前記デューティー比D1〜D3の合成デューティー比±0.02の範囲にある、請求項1または2に記載の弾性波装置。
  4. 前記合成デューティー比が、前記デューティー比D1と前記デューティー比D3との平均と、前記デューティー比D2との平均値である、請求項3に記載の弾性波装置。
  5. 前記合成デューティー比が前記第1〜第3のIDTのデューティー比D1〜D3の算術平均である、請求項3に記載の弾性波装置。
  6. 前記合成デューティー比が{(D1+D3)/2+D2}/2である、請求項3に記載の弾性波装置。
  7. 前記圧電基板上に接合されており、前記第1〜第3のIDT及び前記弾性表面波共振子のIDTが臨んでいる中空部を形成するように前記圧電基板上に接合されているパッケージ材をさらに備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  8. 前記パッケージ材が、前記圧電基板上に積層されており、前記中空部を形成するための開口部を有する支持部材と、前記支持部材上に積層されたカバー部材とを有する、請求項7に記載の弾性波装置。
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