JPH06120768A - 弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 弾性表面波素子を用いて帯域可変フィルタを
実現することである。 【構成】 圧電体１６／絶縁体１７／半導体１８の積層
構造を有する基板の上に入力信号を弾性表面波に変換す
るためのチャープトランスデューサ１０とそのトランス
デューサから励振された弾性表面波をほぼ９０°反射さ
せるための第１のアレイ状の溝１２と、その溝から反射
された弾性表面波を再び９０°反射させるための第２の
アレイ状の溝１３と、その溝から反射された弾性表面波
を出力信号に変換するための第２のチャープトランスデ
ューサ１１と、前記第１のアレイ状の溝と第２のアレイ
状の溝の間の領域に複数の金属電極１４を形成した構造
をしており、さらに、前記複数の金属電極の各々にそれ
ぞれ電圧を印加するための電源１５が接続されているよ
うに構成されている。さらに、前記第１及び第２のアレ
イ状の溝に関し、その溝の間隔が場所的に異なるように
形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は弾性表面波装置に係り、
特に帯域可変ＳＡＷフィルタとして好適な弾性表面波装
置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタのうち、
帯域固定のフィルタはテレビ受像機のＩＦフィルタや各
種通信機器のフィルタとして広く応用されている。しか
し、スペクトル拡散通信のうち、周波数帯域を時間的に
変化させる方式の通信機や、周波数シンセサイザ、スペ
クトル分析装置及び多チャンネルを有する各種の通信機
では帯域の可変なフィルタが強く望まれている。

【０００３】図３と図４に、従来の帯域可変フィルタの
代表的な構造を示す。図３（ａ）に示すＳＡＷフィルタ
は、１枚の基板１の上に複数のＳＡＷフィルタを構成し
て、いわゆるフィルタバンクを形成しており、基板１上
の各フィルタの帯域は互いに隣接するように設定してあ
り、外部回路のスイッチング回路４のスイッチングによ
って帯域を選択するようにしたものである。図３（ｂ）
はスイッチング回路４の中でスイッチの接点が図３
（ａ）のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥのいずれかにあるときの
周波数と出力の間の関係を示すダイヤグラムである。

【０００４】一方、図４に示すＳＡＷフィルタは、１枚
の基板１の上に入力用のくし形電極２と、遅延時間がそ
れぞれ異なるように配置された複数の出力用のくし形電
極３が形成されており、前記複数の出力電極３の各出力
は重み付け回路７をそれぞれ通して最後に和回路８で重
ね合わされて全体の出力となるように構成されている。
図４はいわゆるトランスバーサルフィルタと称されるも
のであり、重み付け回路７の各回路の重みを調整、制御
することにより、全体の入、出力間の周波数特性を可変
にすることができ、それゆえ、帯域可変のフィルタとす
ることができる。以上図３、図４の従来の帯域可変ＳＡ
Ｗフィルタに関するより詳細は、次の文献［１］を参照
されたい。 文献［１］：「弾性表面波工学」 社団法人電子通信学会編 昭和５８年発行、（株）コロナ社

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】さて、以上の図３、図
４の従来構造では、ＳＡＷ素子の他に、比較的規模の大
きい外部回路が必要である。例えば、図３では、外部回
路としてスイッチング回路４が必要であるし、図４では
外部回路として重み付け回路７と和回路８が必要であ
る。そのような外部回路は、表面波の周波数で動作する
必要があるために、図３のスイッチング回路４は高周波
でのスイッチが必要であり、回路規模としては比較的大
きなものとならざるを得ない。また、図４の重み付け回
路７の重みを電気的に調整、制御するためには、やはり
比較的大きな回路規模が必要である。以上のように従来
技術で比較的規模の大きな外部回路が必要であるという
ことは、コストが高くなることと、装置全体の容積が大
きくなるという欠点があることを意味する。つまり、従
来のＳＡＷフィルタとしては、製造原価と省空間の面で
問題があると言える。

【０００６】本発明の目的は、簡単な外部回路で制御可
能で、コストも低く、装置全体の容積も小さいような帯
域可変ＳＡＷフィルタに好適なＳＡＷ装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【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ＳＡＷ装置は、圧電体／絶縁体／半導体の
積層構造を有する基板と、前記基板上に設けられた、入
力信号を弾性表面波に変換する第１の変換器と前記変換
された弾性表面波を出力信号に変換する第２の変換器と
から成る変換手段と、前記第１の変換器からの弾性表面
波をほぼ９０°反射させる第１のアレイ状の複数の溝で
あって、各溝の間隔は、所望の周波数選択特性を有する
ように変化しており、前記第１のアレイ状の溝によって
反射された弾性表面波を、更にほぼ９０°反射させて前
記第２の変換器に導く第２のアレイ状の複数の溝であっ
て、各溝の間隔は、所望の周波数選択特性を有するよう
に変化しており、そして、前記第１及び第２のアレイ状
の溝の間に設けられた、それぞれ電圧が印加可能に構成
された複数の電極と、から成ることを要旨とする。

【０００８】

【作用】入力信号は第１の変換器によりＳＡＷに変換さ
れ、第１のアレイ状の溝で９０°反射される。更に電極
を介して第２のアレイ状の溝で９０°反射されてから、
第２の変換器により出力信号に変換される。

【０００９】

【実施例】以下図面に示す本発明の実施例を説明する。
本発明の一実施例を図１に示す。図１の実施例は、圧電
体１６／絶縁体１７／半導体１８の積層構造を有する基
板９の上に、入力信号を弾性表面波（ＳＡＷ）に変換す
るための第１のチャープトランスデューサ１０と、弾性
表面波を出力信号に変換するための第２のチャープトラ
ンスデューサ１１と、第１のアレイ状の溝１２と、第２
のアレイ状の溝１３と、複数の金属電極１４が設けられ
ており、複数の金属電極１４の各々は、それぞれ外部の
直流電源１５と接続されており、基板９の裏面電極２２
と各金属電極１４の間にそれぞれ電圧が印加されるよう
に構成されている。ここで、第１のアレイ状の溝１２と
第２のアレイ状の溝１３は、どちらもいわゆるグループ
形のグレーティングとなっており、しかも各溝の間隔は
場所的に徐々に変化するように形成されているものとす
る。さらに、各溝は図１（ａ）のように、互いに平行に
設置されている入力用チャープトランスデューサ１０と
出力用チャープトランスデューサ１１に対し、斜めにな
るように形成されており、第１のアレイ状の溝１２は、
入力用チャープトランスデューサ１０から励振された弾
性表面波を、ほぼ９０°だけ反射するように形成され
て、第２のアレイ状の溝１３は、上述した反射弾性表面
波を、さらにほぼ９０°だけ反射させて、出力用チャー
プトランスデューサ１１に弾性表面波が導かれるように
構成されている（即ち、入出力用チャープトランスデュ
ーサそれぞれの入射波あるいは出力波の伝搬経路中に、
伝搬経路とほぼ４５°の角度の反射面になるように溝を
形成してある。）。また、複数の金属電極１４は、前述
した第１のアレイ状の溝１２と、第２のアレイ状の溝１
３の間の領域に設置され、各金属電極１４の部分では、
第１のアレイ状の溝１２の部分でほぼ９０°反射された
弾性表面波が通過するようになっているものとする。

【００１０】さて、以上のような基本的構造を有するＳ
ＡＷ装置が帯域可変のＳＡＷフィルタとして動作する理
由を以下に説明する。

【００１１】図１に示すＳＡＷ装置の基本動作は、第１
のアレイ状の溝１２と第２のアレイ状の溝１３が、周波
数選択性をもつ弾性表面波の反射器として作用すること
と、複数の金属電極１４の各電極の部分を伝わる弾性表
面波の伝播損失が外部の直流電源１５の電圧によって、
調整、制御されること、の２点に基づいている。この動
作を順次述べると、まず入力電気信号は入力用チャープ
トランスデューサ１０によって弾性表面波に変換され、
次に、その弾性表面波は第１のアレイ状の溝１２によっ
てほぼ９０°反射されることにより、第１のアレイ状の
溝１２と第２のアレイ状の溝１３の間の領域を伝わる弾
性表面波の伝播路が表面波の周波数帯によって空間的に
分離され、次に上記各伝播路を伝播する表面波の伝播損
失が各伝播路上の各金属電極１４に印加される電圧によ
って調整、制御され、次に各金属電極の部分を通過した
弾性表面波が第２のアレイ状の溝１３によって再びほぼ
９０°反射されて１つの伝播路を伝播する弾性表面波と
なって出力用チャープトランスデューサ１１の方に進行
し、最後に出力用チャープトランスデューサ１１によっ
て弾性表面波が電気信号に変換されて出力信号となる。
この結果、入力用チャープトランスデューサ１０と出力
用チャープトランスデューサ１１の間を伝わる弾性表面
波の伝播損失は、各金属電極１４に印加する電圧を各々
どのように設定するかによって弾性表面波の周波数帯ご
とに各々調整、制御されることになり、その結果とし
て、入力端子５と出力端子６の間の電気信号の通過特性
において各周波数帯の挿入損失の大きさは、各金属電極
１４に印加する電圧に応じて調整、制御されることにな
り、全体として図１の実施例は各金属電極１４に印加す
る電圧で制御されるような帯域可変フィルタとして動作
することになる。

【００１２】以上の本発明の動作原理において重要な点
は、前述したように第１のアレイ状の溝１２と第２のア
レイ状の溝１３が周波数選択性を持つ反射器として作用
する点と、複数の金属電極１４の各電極の部分を伝わる
表面波の伝播損失が各電極に印加する電圧によって調
整、制御される点であり、以下、それらについて説明す
る。まず、前者の反射器としての作用であるが、前述し
たように本発明で用いているアレイ状の溝が、その溝の
間隔が場所的に徐々に変化するように形成されているグ
ルーブ形のグレーティングであることから、その特性と
して周波数選択性を持つ反射器として作用することは一
般に知られている点であり、特に説明を要しないと思
う。本発明で用いているアレイ状の溝は、いわゆるＲＡ
Ｃ形遅延線で用いられているアレイ状の溝と同様なもの
であり、そこではやはりアレイ状の溝を周波数選択性の
反射器として用いている。なお、以上のアレイ状の溝の
作用に関する詳細は前述した文献［１］を参照された
い。

【００１３】次に、本発明の動作におけるもう１つの重
要なポイントである金属電極１４の部分に関する作用を
説明する。各金属電極１４の部分は図１（ｃ）に示すよ
うに金属１４／圧電体１６／絶縁体１７／半導体１８／
裏面電極２２なる構造になっている。このような構造に
おいて、金属電極１４と裏面電極２２の間に電圧Ｖを印
加すると、その部分を伝わる弾性表面波の伝播損失が印
加電圧によって変化することが一般に知られている。一
例として、Ａｌ／ＺｎＯ／ＳｉＯ₂／ｎ型Ｓｉ／Ａｌ構
造の場合の表面波の伝播損失が金属電極１４と裏面電極
２２の間に印加される直流電源１５からのバイアス電圧
に対してどのように依存するかの例を図２に示す。図２
は表面波のモードとしてセザワ波が伝播する場合の例を
示したものであり、温度による違いも示してある。図２
の例では、伝播損失がバイアスによって数１０ｄＢも変
化することがわかる。なお、伝播損失が小さいのは半導
体の表面が空乏状態の場合で、伝播損失が非常に大きく
なるのは半導体１８の表面が強反転の状態になるときで
あることが知られている。本発明の図１（ｃ）のような
金属／圧電体／絶縁体／半導体構造における弾性表面波
の伝播損失に関する詳細は、次の文献を参照されたい。

【００１４】文献［２］ S.Mitsutsuka，et.al. “Propagation loss of surface acoustic waves on a
monolthic metal -insulator-semiconductor structure
”，Journal of Applied Physics,Vol.65,No.2,Januar
y 1989,pp651-661

【００１５】以上のように、金属電極１４の部分では、
金属電極に印加するバイアス電圧によってその部分を伝
わる表面波の伝播損失を調整、制御することができる。
なお、本発明で伝播損失を調整、制御する時、本装置の
入・出力端子間の信号の強度としては、できるだけ挿入
損失が小さいことが望ましいことから、伝播損失の最小
値としては、できるだけ小さいことが望ましい。ただ
し、本装置を帯域可変フィルタとして用いるには、各帯
域での挿入損失の可変量をできるだけ大きくすることが
望ましく、その点で、金属電極１４の部分での表面波の
伝播損失の可変量もできるだけ大きくする必要がある。
つまり、金属電極１４の部分での弾性表面波の伝播損失
はできるだけバイアス電圧Ｖによる変化量が大きく、か
つ、その最小値はできるだけ小さい方が望ましい。一
方、金属／圧電体／絶縁体／半導体構造では、半導体１
８として、半導体エピタキシャル層１９／高濃度半導体
基板２０なる構造を有している時、半導体エピタキシャ
ル層１９の不純物密度がある程度小さい（低濃度半導
体）方が、バイアス電圧による伝播損失の変化量が大き
く、伝播損失の最小値は半導体エピタキシャル層の層厚
が薄いほど小さくなることが知られている。この点に関
する詳細は前述した文献［２］を参照されたい。したが
って、本発明では半導体として、低濃度半導体エピタキ
シャル層１９／高濃度半導体基板２０なる積層構造を用
いることが望ましい。

【００１６】ところで、本発明において、弾性表面波の
伝播損失を調整、制御するのは、複数の金属電極１４の
部分であり、それ以外の部分を伝播する弾性表面波の伝
播損失は、できるだけ小さい方が望ましい（本装置の入
・出力端子の挿入損失はできるだけ小さいことが望まし
いので）。

【００１７】一方、圧電体／絶縁体／半導体構造では、
半導体１８の不純物密度が大きい（高濃度半導体）場合
は、弾性表面波の伝播損失が非常に小さくなることが知
られている（この点に関しても文献［２］参照）。した
がって、本発明において、半導体１８として低濃度半導
体エピタキシャル層１９／高濃度半導体基板２０を用い
る場合は、複数の金属電極１４が設置されている部分以
外の部分では半導体１８の表面が高濃度になるように、
すなわち、高濃度半導体２１／低濃度半導体エピタキシ
ャル層１９／高濃度半導体基板２０なる積層構造になる
ようにすることが望ましい。

【００１８】最後に、本発明において、入力信号を弾性
表面波に変換したり、弾性表面波を出力信号に変換する
ためのトランスデューサ１０，１１として、チャープト
ランスデューサを用いる理由を説明する。それは本発明
のアレイ状の溝１２，１３において、弾性表面波が反射
される際、表面波の周波数によって反射位置が異なるた
めに、トランスデューサとして通常の正規型トランスデ
ューサを用いると、フィルタとしての群遅延時間が周波
数によって異なってしまうためである。それを避けるた
めには素子上を伝わる弾性表面波の遅延時間が周波数に
よらずに同一になる必要がある。そのためには、各周波
数でトランスデューサから表面波が励振される位置や、
トランスデューサで受信される位置を周波数ごとに変え
てやる必要がある。このためには、トランスデューサと
してチャープトランスデューサを用いる必要がある。本
発明で用いるチャープトランスデューサのチャープ率は
フィルタ全体として群遅延時間が周波数に依存しないよ
うな値に選ばれるものとする。

【００１９】なお、本発明の圧電体膜１６としてはＺｎ
ＯやＡｌＮ、絶縁体１７としてはＳｉＯ₂やＳｉＮｘ、
半導体１８としてはＳｉやＧａＡｓ等を用いることがで
きる。また、各電極１０，１１，１４にはＡｌやＡｕ等
を用いることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、直
流電源という簡単でコストも低く、しかも容積も大きく
ない外部回路だけで制御可能であるような帯域可変のＳ
ＡＷフィルタとして好適なＳＡＷ装置が得られる。な
お、本発明による帯域可変ＳＡＷフィルタの具体的な応
用例としては周波数シンセサイザ、スペクトル分析装
置、スペクトル拡散通信機などがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略図である。

【図２】ＳＡＷの伝播損失のバイアス電圧依存性の例を
示す図である。

【図３】従来の帯域可変ＳＡＷフィルタの例を示す図で
ある。

【図４】従来の帯域可変ＳＡＷフィルタの他の例を示す
図である。

【符号の説明】

５ 入力端子 ６ 出力端子 ９ 基板 １０ 入力用チャープトランスデューサ １１ 出力用チャープトランスデューサ １２ 第１のアレイ状の溝 １３ 第２のアレイ状の溝 １４ 金属電極 １５ 直流電源 １６ 圧電体膜 １７ 絶縁体 １８ 半導体 １９ 低濃度半導体エピタキシャル層 ２０ 高濃度半導体基板 ２１ 高濃度半導体 ２２ 裏面電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体／絶縁体／半導体の積層構造を有
   する基板と、 前記基板上に設けられた、入力信号を弾性表面波に変換
   する第１の変換器と前記変換された弾性表面波を出力信
   号に変換する第２の変換器とから成る変換手段と、 前記第１の変換器からの弾性表面波をほぼ９０°反射さ
   せる第１のアレイ状の複数の溝であって、各溝の間隔
   は、所望の周波数選択特性を有するように変化してお
   り、 前記第１のアレイ状の溝によって反射された弾性表面波
   を、更にほぼ９０°反射させて前記第２の変換器に導く
   第２のアレイ状の複数の溝であって、各溝の間隔は、所
   望の周波数選択特性を有するように変化しており、そし
   て、 前記第１及び第２のアレイ状の溝の間に設けられた、そ
   れぞれ電圧が印加可能に構成された複数の電極と、 から成ることを特徴とする弾性表面波装置。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の変換器は、チャープ
   トランスデューサであることを特徴とする請求項１に記
   載の弾性表面波装置。