(57)【要約】【課題】圧電板の分極方向が厚み方向を向いており圧電板と誘電体膜との積層構造をなす圧電振動子において、圧電振動子が反ることによる共振周波数の変化を小さくすることができる圧電振動子を提供することを目的とする。【解決手段】圧電板１の両主面にほぼ同じ厚みの誘電体膜としての酸化珪素膜３を設けた積層構造とすることを特徴とする圧電振動子である。上記構造をとることで、誘電体膜が圧電板１の両主面に存在するため長期的な応力緩和の差に起因する圧電板１や誘電体膜に働く内部応力の差が小さくなり、反りを極力小さくすることができる。よって、圧電振動子が反ることによる圧電振動子の共振周波数の変化を小さくすることができるという効果を有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電板の分極方向が厚み方向を向いている圧電振動子において、前記圧電板の両主面に電極が設けられ、さらに前記圧電板の両主面には前記圧電板を挟んでほぼ点対称な位置にほぼ相似形で、かつ、ほぼ同じ厚みの誘電体膜が積層され、前記圧電板が厚み縦振動を主振動とするように構成された圧電振動子。
【請求項２】
圧電板が窒化アルミニウムからなる請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
誘電体膜が酸化珪素からなる請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項４】
誘電体膜が窒化珪素からなる請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項５】
誘電体膜が酸化珪素と窒化珪素の積層膜からなる請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項６】
圧電板の主振動が厚み縦振動基本波である請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項７】
圧電板の主振動が厚み縦振動２倍波である請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項８】
圧電板の一方の主面側の誘電体膜の厚みと他方の主面側の誘電体膜の厚みの和ｔｓと圧電板の厚みｔｐとの比ｔｓ／ｔｐを０．７以上２．０以下にした請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項９】
請求項１に記載の圧電振動子を少なくとも２個以上備えた梯子型フィルタ。
【請求項１０】
請求項１に記載の圧電振動子における圧電板の一方の主面側に設けられた電極が入力用及び出力用の２つの電極からなり、圧電板の他方の主面側に設けられた電極が接地用となるように構成された２重モードフィルタ。
【請求項１１】
請求項１に記載の圧電振動子の共振周波数を調整するにあたって、圧電板の一方の主面側の誘電体膜の厚みと他方の主面側の誘電体膜の厚みの和ｔｓと圧電板の厚みｔｐとの比ｔｓ／ｔｐが０．７以上２．０以下の範囲となるように、前記誘電体膜の少なくともいずれか一方の厚みを変化させて前記圧電振動子の共振周波数を変化させる圧電振動子の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電振動子、それを用いたフィルタ及び圧電振動子の調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体中を伝わる波であるバルク波を用いた圧電振動素子として、各種電子機器などのクロック源として用いられる圧電振動子や、通信機器の周波数抽出用などに用いられる圧電フィルタがある。これらの圧電振動素子の使用される周波数域は近年高周波化しており、主振動として厚みすべり、厚み縦などの厚み振動を利用したものが多く、またその主振動の共振周波数は圧電板の厚みに反比例することから、圧電板を薄膜などで形成することでより高周波での利用が試みられている。例えば、非特許文献１に記載されたものが知られている。非特許文献１では、図９に示すように圧電板として窒化アルミニウム薄膜１０１を用い、その表裏に励振用電極１０２を形成し、一方の主面側に窒化珪素１０３と酸化珪素１０４の積層膜からなる誘電体膜が形成された構造になっている。また、非常に薄い圧電振動子を取り扱いやすくするよう、圧電振動子全体を珪素基板１０５の上に形成した構造としている。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｍａｒｃ−Ａｌｅｘａｎｄｒｅ　Ｄｕｂｏｉｓ　ａｎｄ　Ｐａｕｌ　Ｍｕｒａｎｔ，“Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ　ｆｏｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９９年５月１７日，ｐｐ．３０３２〜３０３４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例に示す構成においても、成膜後の初期においては圧電振動子の共振周波数の温度係数がほぼ零になるように圧電体薄膜と誘電体薄膜の弾性定数と寸法形状が考慮されている。しかし、各薄膜の応力緩和に配慮した長期信頼性を意識したものではないため、時間の経過とともに圧電体薄膜と誘電体膜のそれぞれの応力緩和の差に起因し、圧電振動子全体としての寸法形状の変化（反り）が初期形状に比べて大きくなってしまう。この反りが共振周波数の変化をもたらすといった課題を有していた。
【０００５】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、反りによる共振周波数の変化が発生しない圧電振動子、それを用いたフィルタ及び圧電振動子の調整方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、圧電板の分極方向が厚み方向を向いている圧電振動子において、前記圧電板の両主面に電極が設けられ、さらに前記圧電板の両主面には前記圧電板を挟んでほぼ点対称な位置にほぼ相似形で、かつ、ほぼ同じ厚みの誘電体膜が積層され、前記圧電板が厚み縦振動を主振動とするように構成されている。この構成により、誘電体膜が圧電板の両主面に存在するため長期的な応力緩和の差に起因する圧電板や誘電体膜に働く内部応力の差が小さくなり、反りを極力小さくすることができる。よって、圧電振動子が反ることによる圧電振動子の共振周波数の変化を小さくすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、圧電板の分極方向が厚み方向を向いている圧電振動子において、前記圧電板の両主面に電極が設けられ、さらに前記圧電板の両主面には前記圧電板を挟んでほぼ点対称な位置にほぼ相似形で、かつ、ほぼ同じ厚みの誘電体膜が積層され、前記圧電板が厚み縦振動を主振動とするように構成されているため、長期的な応力緩和の差に起因する圧電板や誘電体膜に働く内部応力の差が小さくなり、反りを極力小さくすることができる。よって、圧電振動子が反ることによる圧電振動子の共振周波数の変化を小さくすることができるという作用を有する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、圧電板が窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子であり、高周波帯においても比較的大きな機械的品質係数を有する圧電振動子が得られるという作用を有する。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、誘電体膜が酸化珪素からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子であり、酸化珪素は負の周波数温度係数を有するため正の周波数温度係数を持つ圧電板との積層構造となすことで周波数温度係数をほぼ相殺させることができ、周波数温度特性が良好となるという作用を有する。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、誘電体膜が窒化珪素からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子であり、珪素からなる支持基板上に窒素を注入し窒化珪素層を設けた上に圧電振動子を作成した後で、圧電振動子の振動部を中空構造とするため支持基板を裏面から化学的エッチングなどで除去する際に、窒化珪素層で支持基板のエッチングをストップさせる働きをもたせることができるため圧電振動子の作成工程が簡便になるという作用を有する。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、誘電体膜が酸化珪素と窒化珪素の積層膜からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子であり、前記圧電振動子と同様の作用を有する。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、圧電板の主振動が厚み縦振動基本波であることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子であり、主振動に基本波を用いることで、２倍波に比べて高精度に共振周波数を目標値に合わせることができるという作用を有する。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、圧電板の主振動が厚み縦振動２倍波であることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子であり、主振動に２倍波を用いることで、圧電板の厚みが厚くても基本波に比べてほぼ２倍の高い共振周波数が得られるという作用を有する。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、圧電板の一方の主面側の誘電体膜の厚みと他方の主面側の誘電体膜の厚みの和ｔｓと圧電板の厚みｔｐとの比ｔｓ／ｔｐを０．７以上２．０以下とすることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子であり、誘電体膜の厚みが変化しても電気機械結合係数がほとんど変化せず安定した特性が得られるという作用を有する。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の圧電振動子を少なくとも２個以上備えた梯子型フィルタであり、個々の振動子の共振周波数や電気機械結合係数が安定した特性であるため、帯域幅などが安定したフィルタ特性が得られるという作用を有する。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の圧電振動子における圧電板の一方の主面側に設けられた電極が入力用と出力用の２つの電極からなり、圧電板の他方の主面側に設けられた電極が接地用となる構成の２重モードフィルタであり、帯域幅などが安定したフィルタ特性が得られるという作用を有する。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、請求項１に記載の圧電振動子の共振周波数を調整するにあたって、圧電板の一方の主面側の誘電体膜の厚みと他方の主面側の誘電体膜の厚みの和ｔｓと圧電板の厚みｔｐとの比ｔｓ／ｔｐが０．７以上２．０以下の範囲となるように前記誘電体膜の少なくともいずれか一方の厚みを変化させて前記圧電振動子の共振周波数を変化させる調整方法であり、圧電振動子の電気機械結合係数をほとんど変化させずに圧電振動子の共振周波数を変化させることができる周波数調整を実現できるという作用を有する。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図８を用いて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、圧電材料に窒化アルミニウムを用い分極方向が圧電板の厚み方向を向いている厚み縦振動基本波を主振動とする圧電振動子の断面図であり、１は圧電板である窒化アルミニウム、２は圧電板１の両主面に相対向して設けられた励振用電極、３は圧電板１の両主面に形成された誘電体膜としての酸化珪素膜である。
【００２０】
圧電板１としての窒化アルミニウムの厚みは１μｍである。また、酸化珪素膜３の厚みはどちらも０．４μｍと同じ厚みで圧電板１の両主面に存在するため、長期的な応力緩和の差に起因する圧電板１や酸化珪素膜３に働く内部応力の差が小さくなり、反りを極力小さくすることができる。よって、圧電振動子が反ることによる圧電振動子の共振周波数の変化を小さくすることができる。
【００２１】
また、酸化珪素は負の周波数温度係数を有し窒化アルミニウムは正の周波数温度係数を有するため、これらの積層構造により周波数温度係数をほぼ相殺させることができ、周波数温度特性を良好にすることができる。酸化珪素膜の代わりに、酸化珪素膜と窒化珪素膜の積層膜でも同様の効果が得られる。
【００２２】
また、主振動に基本波を用いているため２倍波に比べると圧電板１や酸化珪素膜３の厚みばらつきに対する共振周波数の変化量がおよそ二分の一である。よって、高精度に共振周波数や電気機械結合係数を目標値に合わせることができる。
【００２３】
圧電振動子の共振周波数は主に圧電板１の厚みや励振用電極２の厚み、そして酸化珪素膜３の厚みにより決定されるが、電気的特性の重要な項目の一つである電気機械結合係数もそれらの厚みによって変化することが知られている。そこで、圧電材料に窒化アルミニウムを用い圧電板１の分極方向が厚み方向を向き、圧電板１の両主面に同じ厚みの誘電体膜としての酸化珪素膜３を設けた積層構造とした圧電振動子について、圧電板１の一方の主面側の酸化珪素膜３の厚みと他方の主面側の酸化珪素膜３の厚みの和ｔｓと圧電板１の厚みｔｐとの比ｔｓ／ｔｐを変化させた場合の電気機械結合係数の変化を示したグラフを図２に示す。図２には、厚み縦振動基本波と２倍波の場合のそれぞれの電気機械結合係数を示している。
【００２４】
図２からわかるように、基本波の場合、２倍波の場合ともにｔｓ／ｔｐが０．７以上２．０以下の範囲であれば、電気機械結合係数の値は前記範囲内最小値の２５％以内の変化量におさまっている。このように電気機械結合係数が安定しているということは、圧電振動子を電圧制御発振器（ＶＣＯ）に用いる場合や、圧電振動子を複数個組み合わせて圧電フィルタを構成する場合などにおいて安定した特性が得られるという利点となる。ｔｓ／ｔｐが２．０よりも大きくなると厚み縦振動に対する質量負荷が大きくなりすぎ、振動のしやすさの指標にもなる機械的品質係数が小さくなってしまうため実用的でない。
【００２５】
本実施の形態１の場合、圧電板１の主面表側の酸化珪素膜３の厚みと裏側の酸化珪素膜３の厚みの和ｔｓは０．８μｍであり窒化アルミニウムからなる圧電板１の厚みｔｐは１μｍであるから、ｔｓとｔｐの比ｔｓ／ｔｐが０．８であるため、窒化アルミニウムの片方の主面側に形成された酸化珪素膜３上にさらに酸化珪素膜３を追加して形成することで圧電振動子の共振周波数を目標値に合わせる周波数調整工程において、ｔｓ／ｔｐが０．７以上２．０以下の範囲であれば電気機械結合係数をほとんど変化させることなく共振周波数を調整できる周波数調整工程を実現できる。
【００２６】
また本実施の形態１では、圧電材料に窒化アルミニウムを用いて説明したが、ＰＺＴやＺｎＯなどの他の圧電材料でも同様の効果が得られる。また、圧電振動子の一方の主面側にある酸化珪素膜に追加して酸化珪素膜を形成することで共振周波数を調整する方法を説明したが、圧電振動子の他方の主面側、あるいは主面の両側の酸化珪素膜に対して酸化珪素膜を追加あるいは除去することで共振周波数を調整してもよい。
【００２７】
（実施の形態２）
図３は、圧電材料に窒化アルミニウムを用い分極方向が圧電板の厚み方向を向いている厚み縦振動２倍波を主振動とする圧電振動子の断面図であり、１は圧電板である窒化アルミニウム、２は圧電板１の両主面に相対向して設けられた励振用電極、４は圧電板１の主面表側に形成された誘電体膜としての窒化珪素膜、３は圧電板１の主面裏側に形成された誘電体膜としての酸化珪素膜、５は圧電振動子全体を支持するための珪素からなる支持基板である。
【００２８】
窒化アルミニウムからなる圧電板１の厚み１０μｍであり、酸化珪素膜３の厚みは４μｍ、窒化珪素膜４の厚みは５μｍとほぼ同じ厚みで圧電板１の主面両側に存在するため、長期的な応力緩和の差に起因する圧電板１や誘電体膜に働く内部応力の差が小さくなり、反りを極力小さくすることができる。よって、圧電振動子が反ることによる圧電振動子の共振周波数の変化を小さくすることができる。
【００２９】
また、本実施の形態２で示した圧電振動子は、珪素からなる支持基板５上に窒素を注入し窒化珪素膜４を設けた上に窒化アルミニウムを用いた圧電振動子を作成した後で、圧電振動子の振動部を中空構造とするため支持基板５を裏面から化学的エッチングなどで除去する工程などで作成できるが、窒化珪素膜４で支持基板５のエッチングをストップさせる働きをもたせることができるため圧電振動子の作成工程を簡便にできる。
【００３０】
また、主振動に２倍波を用いているため基本波を用いた場合に比べてほぼ２倍の高い共振周波数が得られる。
【００３１】
（実施の形態３）
圧電振動子を複数個組み合わせることで、特定の周波数帯域だけ信号を通過させることができる帯域通過フィルタを作ることができることが知られている。一般に、振動子の共振周波数や反共振周波数をフィルタ特性の極とし、共振周波数と反共振周波数の間を通過域として用いる梯子型フィルタが用いられる場合が多い。図４に圧電振動子１１を２個用いて梯子型フィルタを構成する場合の電気的等価回路を示す。
【００３２】
図５は、圧電材料に窒化アルミニウムを用い分極方向が圧電板の厚み方向を向いている厚み縦振動基本波を主振動とする圧電振動子２個を図４の等価回路のように接続して得られる梯子型フィルタであり、１１は圧電振動子、１２は入力用外部端子、１３は出力用外部端子、１４は接地用外部端子、１５は金属細線である。梯子型フィルタに用いている圧電振動子１１は２個とも、圧電板の両主面にほぼ同じ厚みの誘電体膜を設けた積層構造であり、圧電振動子の共振周波数や電気機械結合係数は安定した特性であるため、帯域幅などが安定したフィルタ特性が得られる。
【００３３】
（実施の形態４）
梯子型フィルタ以外のフィルタとして、一枚の圧電板に複数の圧電振動子を配置しそれらの振動を結合させることで帯域通過フィルタを作る多重モードフィルタがある。このようなフィルタはＭＣＦ（モノリシッククリスタルフィルタ）とも呼ばれ、ａ＿０モードやｓ＿１モードなどのインハーモニック・オーバートーンと呼ばれる振動を積極的に利用したものである。ここでは、ｓ＿０モードとａ＿０モードの二つのモードを用いた２重モードフィルタの場合を述べる。
【００３４】
２重モードフィルタの構造は、図６のように圧電板１の一方の主面側に微小な間隔を空けて入力用電極２１と出力用電極２２を設け、他方の主面側に接地用電極２３を設けるもので、対称モードであるｓ＿０モードと斜対称モードであるａ＿０モードを生じさせ、帯域通過フィルタを実現するものである。図６における接地用電極２３は一つしかないが、図７のように入力用電極２１と出力用電極２２にそれぞれ相対向して接地用電極２３を設けても構わない。
【００３５】
図８は、圧電材料に窒化アルミニウムを用いた厚み縦振動基本波を主振動とする２重モード圧電フィルタであり、１は圧電板である窒化アルミニウム、２１は入力用電極、２２は出力用電極、２３は接地用電極、２４は圧電板１の主面裏側に形成された窒化珪素膜、２５は圧電板１の主面表側に形成された酸化珪素膜、２６は２重モード圧電フィルタ全体を支持するための珪素からなる支持基板である。フィルタの構造は、圧電板１の両主面にほぼ同じ厚みの誘電体膜を設けた積層構造であり二つの振動モードの共振周波数は安定した特性であるため、帯域幅などが安定したフィルタ特性が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、圧電板の分極方向が厚み方向を向いている圧電振動子において、前記圧電板の両主面に励振用電極が設けられ、さらに前記圧電板の両主面には前記圧電板を挟んでほぼ点対称な位置にほぼ相似形で、かつ、ほぼ同じ厚みの誘電体膜が積層され、前記圧電板が厚み縦振動を主振動とするように構成されているため、長期的な応力緩和の差に起因する圧電板や誘電体膜に働く内部応力の差が小さくなり、反りを極力小さくすることができる。よって、圧電振動子が反ることによる圧電振動子の共振周波数の変化を小さくすることができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電振動子の一実施の形態を示す断面図
【図２】誘電体膜と圧電板との厚み比と電気機械結合係数の関係を示す図
【図３】本発明の圧電振動子の他の実施の形態を示す断面図
【図４】圧電振動子を用いた梯子型フィルタの電気的等価回路を示す図
【図５】本発明の梯子型フィルタの実施の形態を示す斜視図
【図６】２重モード圧電フィルタの断面図
【図７】２重モード圧電フィルタの断面図
【図８】本発明の２重モード圧電フィルタの一実施の形態を示す断面図
【図９】従来の圧電振動子の断面図
【符号の説明】
１　圧電板
２　励振用電極
３　酸化珪素膜
４　窒化珪素膜
５　支持基板
１１　圧電振動子
１２　入力用外部端子
１３　出力用外部端子
１４　接地用外部端子
１５　金属細線
２１　入力用電極
２２　出力用電極
２３　接地用電極
２４　窒化珪素膜
２５　酸化珪素膜
２６　支持基板
【図１】
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【図２】
2004147246.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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