JPH05335879A - 弾性表面波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気・機械結合係数が大であって且つ温度係
数も小であるる弾性表面波共振子の実現と、該共振子に
よる広帯域弾性表面波素子を提供すること。 【構成】 Ｙ板又は回転Ｙ板で、弾性表面波伝播方向を
Ｘ方向に設定したＬｉＮｂＯ₃ 基板にくし型電極を設
け、その上をＳｉＯ₂ 膜で被覆した構造とする。このＳ
ｉＯ₂ 膜は内部応力の無いもので、その厚さは共振波長
の２５％前後であると共に、共振子を作動させる弾性表
面波がＬＯＶＥ波になる値である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はニオブ酸リチウム(Ｌｉ
ＮｂＯ₃)単結晶基板に形成された弾性表面波素子に関わ
り、特にＬＯＶＥ波を利用した弾性表面波素子に関わ
る。

【０００２】弾性表面波(ＳＡＷ)の伝播速度は電磁波の
約1/10⁵ と遅く、その波長はすだれ状電極を用いて駆動
／抽出するのに適した寸法である。弾性表面波をすだれ
状電極で制御する素子即ち弾性表面波素子では、周波数
帯域が50ＭHz〜3GHz帯の場合、電極の寸法がフォトリソ
グラフィで処理し得る程度の微細さとなるので、発振器
やフィルタなどの弾性表面波素子を超小型に形成するこ
とができる。

【０００３】この弾性表面波素子は携帯電話など様々な
電子機器に使用されているが、その信号処理速度向上や
高機能化などの趨勢の中で、弾性表面波素子の広帯域化
や温度特性の改善のような高安定化が望まれており、性
能向上に伴う適用領域の拡大が期待されている。

【０００４】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】弾性表面
波素子の性能は、振動モードの選択や電極形状などの素
子設計技術の他に、基板材料の特性にも大きく左右され
る。現在多用されている基板材料の一つに水晶基板があ
り、これは温度特性が良好なところから、帯域幅が中心
周波数の数％以下といった狭帯域のフィルタや発振器な
どに広く利用されている。

【０００５】一方、帯域幅がそれ以上の広帯域素子の基
板にはＬｉＮｂＯ₃ やＬｉＴａＯ₃などが用いられる
が、これ等の材料は温度特性に難があり、安定した動作
が期待できないという問題がある。結晶方位の選択や回
路上の工夫による特性改善も報告されているが、実用上
十分な程度の成果は得られていない。

【０００６】弾性表面波素子では、レイリー波に対する
電気・機械結合係数が大であるほど広帯域化が可能とな
る。ＬｉＮｂＯ₃ やＬｉＴａＯ₃ のそれは、水晶に比べ
れば１桁大きいが、それでも高々数％といった値であ
る。

【０００７】最近、ＬｉＮｂＯ₃ 回転Ｙ板上を伝播する
ＬＯＶＥ波型表面波は、その電気・機械結合係数が３０
％にも達することが見出され、広帯域弾性表面波素子用
基板として注目されるようになった。しかしこの基板を
用いた共振器は、周波数温度係数が−１１７ｐｐｍ／℃
と、水晶に比べて２桁近く劣ったものとなり、実用に耐
える利用範囲が限定されたものとなる。

【０００８】本発明の目的は、ＬｉＮｂＯ₃ 回転Ｙ板を
用いた、ＬＯＶＥ波型表面波により作動する、広帯域且
つ温度特性の良好な弾性表面波素子を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の弾性表面波素子は、ニオブ酸リチウム(Ｌ
ｉＮｂＯ₃)単結晶基板に形成された弾性表面波素子であ
って、該ＬｉＮｂＯ₃ 基板はＹ板又は回転Ｙ板であって
弾性表面波伝播方向がＸ方向であり、該ＬｉＮｂＯ₃ 基
板表面に形成された弾性表面波駆動／抽出用電極及び反
射電極の膜厚は、該弾性表面波の伝播速度を横波バルク
波の伝播速度より小とする厚さであると共に、該電極が
形成された基板表面が、該弾性表面波の波長の１５％〜
３５％の厚さを持つ無応力二酸化珪素で被覆されて成る
ことを特徴としている。

【００１０】この無応力二酸化珪素膜はＣＶＤ法により
形成することが可能である。

【００１１】

【作用】二酸化珪素(ＳｉＯ₂)はＬｉＮｂＯ₃ とは逆の
温度係数を持つ材料であり、ＬｉＮｂＯ₃ 基板の電極形
成面をＳｉＯ₂ 膜で被覆することによって、基板の温度
特性を補償することができる。このＳｉＯ₂ 膜の膜厚Ｈ
とＬＯＶＥ波の波長λの比によって温度係数が定まる
が、その関係が図２に示されている。図中に明示されて
いるように、Ｈ／λ≒0.25 の時に温度係数がほぼ０と
なる。また、該皮膜が内部応力を持つ場合には、その好
ましからぬ影響が現れることになるが、無応力のＳｉＯ
₂ 膜は、処理条件を厳選したＣＶＤ法によって堆積形成
することが可能である。

【００１２】

【実施例】図１及び表１によって本発明の実施例を示
す。図１(a)は共振子の電極パターンを模式的に示して
おり、該共振子の諸元を一覧表示する表１に記されてい
るように、ＩＤＴ(Inter Digital Transducer)のフィン
ガー数は５０本であって、図より多い。また、フィンガ
ーピッチとフィンガー幅の比率も、図示されたものは実
際とは異なっている。

【００１３】

【表１】

【００１４】図１(b)は実施例の弾性表面波素子の断面
構造を示しており、ＬｉＮｂＯ₃ の基板１上にくし型の
金属電極２が配置され、その上はＳｉＯ₂ 膜３で覆われ
ている。同図(c)は、この電極部分の細部形状を示す断
面図で、電極を形成する金属膜はＣｒ膜2a、Ａｕ膜2b、
Ｃｒ膜2aから成るものである。これ等の金属膜の厚さｔ
₁ 〜ｔ₂ や電極の幅Ｗ、ＩＤＴと反射器のフィンガーピ
ッチｐ、ＩＤＴ／反射器間距離ｇの値は表１に記されて
いる通りである。

【００１５】基板表面を被覆するＳｉＯ₂ 膜は、ＬｉＮ
ｂＯ₃ 基板の温度特性を補償するためのものであるか
ら、それ自身が内部応力を持つことは望ましくない。ス
パッタリングや通常のＣＶＤ法で形成したＳｉＯ₂ には
内部応力が残存することは周知であるが、処理条件が適
当に選ばれた場合には、ＣＶＤ法によって内部応力の無
いＳｉＯ₂ 膜が堆積形成される。

【００１６】ＳｉＯ₂ の膜厚Ｈは共振子の共振波長に従
って設定される。図２は、このように形成された共振子
の共振周波数１次温度係数(ＴＣＦ１)とＳｉＯ₂ 膜厚の
関係をシミュレーションによって求めたものである。こ
の図から、ＳｉＯ₂ の膜厚Ｈと共振波長λの比が約0.25
即ち約25％の時に、温度係数が０になることがわかる。

【００１７】この時の表面波の速度Ｖは Ｖ＝Ｆｒ×λ
＝３４００ｍｍ／ｓとなるが、これは横波バルク波の速
度４０７９ｍｍ／ｓより遅く、共振子は伝播減衰の無い
ＬＯＶＥ波によって動作することが知られる。即ち、こ
の共振子の電気・機械結合係数は３０％近い値となって
おり、広帯域のフィルタやＶＣＯを形成するに適した特
性を持つものである。

【００１８】図３は上記実施例の共振子の、温度変化と
共振周波数変化の関係を示す図である。室温を中心に広
い温度範囲にわたって共振周波数は殆ど変動せず、−２
０〜＋８０℃で共振周波数の変化率は±５００ｐｐｍ以
下である。

【００１９】実施例の共振子のアドミッタンス特性を図
４に示す。ＳＡＷ共振子の電気的等価回路を図５の回路
で近似した場合、その等価回路定数は表２のようなもの
となる。容量比γは３という小さい値であり、電気・機
械結合係数は３０％を越えたものとなっている。

【００２０】

【表２】

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＹＸ−ＬｉＮｂＯ₃ 基板上に規定条件を満たすＳｉＯ₂
膜を形成することにより、位相速度の１次温度係数がほ
ゞ０であり、電気・機械結合係数が３０％を越える弾性
表面波素子が得られる。

【００２２】本発明の共振子を用いて形成されたフィル
タやＶＣＯは、広帯域であると同時に広い温度範囲で安
定な動作を示す弾性表面波素子となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を示す図

【図２】 温度係数と膜厚の関係を示す図

【図３】 共振周波数の温度変化を示す図

【図４】 実施例共振子のアドミッタンス応答特性を示
す図

【図５】 ＳＡＷ共振子の電気的等価回路を示す図

【符号の説明】

１ 基板(ＬｉＮｂＯ₃) ２ 金属電極 2a Ｃｒ 2b Ａｕ 2c Ｃｒ ３ ＳｉＯ₂

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ₃)単結晶
   基板に形成された弾性表面波素子であって、 該ＬｉＮｂＯ₃ 基板はＹ板又は回転Ｙ板であって弾性表
   面波伝播方向がＸ方向であり、 該ＬｉＮｂＯ₃ 基板表面に形成された弾性表面波駆動／
   抽出用電極及び反射電極の膜厚は、該弾性表面波の伝播
   速度を横波バルク波の伝播速度より小とする厚さであ
   り、 該電極が形成された基板表面が、該弾性波の波長の１５
   ％〜３５％の厚さを持つ無応力二酸化珪素で被覆されて
   成ることを特徴とする弾性表面波素子。
2. 【請求項２】 請求項１の弾性表面波素子であって、前
   記無応力二酸化珪素膜はＣＶＤ法により形成されたもの
   であることを特徴とする弾性表面波素子。