(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第１及び第２の圧電共振子とを備え、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は互いに線幅が異なる圧電デバイス。
【請求項２】
圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第１及び第２の圧電共振子とを備え、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は互いに厚さが異なる圧電デバイス。
【請求項３】
圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第１及び第２の圧電共振子とを備え、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は互いに材質が異なる圧電デバイス。
【請求項４】
圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第１及び第２の圧電共振子とを備え、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は、上面視したときに前記音速変化膜の取り囲む図形の面積が同じで、かつ、形状が異なるように形成されている圧電デバイス。
【請求項５】
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子は厚み縦モードの共振周波数が等しい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項６】
前記音速変化膜は閉じた帯状である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項７】
前記音速変化膜は前記圧電振動部の周縁に少なくとも一部が接するように形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項８】
前記音速変化膜は前記上部電極上に形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項９】
前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は、上面視したときに前記音速変化膜の取り囲む図形が、平行な二辺がない多角形状に形成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電デバイス、特にＢＡＷ共振子等の圧電共振子を備える圧電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＢＡＷ共振子等、基板から音響的に分離された圧電振動部を有する圧電共振子が知られている。
【０００３】
この圧電共振子を備える圧電デバイスでは、圧電薄膜の分極のため、圧電共振子が電圧に対して線形に変位せずに、非線形に変位するという問題がある。その問題を解決する圧電デバイスとして、例えば特許文献１のものが知られている。特許文献１に記載の圧電デバイスは、図９のように、第１のＢＡＷ共振子１７２と第２のＢＡＷ共振子１７４が、第１の電気端子１７６と第２の電気端子１７８との間に互いに並列に接続されている。そして、第１のＢＡＷ共振子１７２の分極方向である矢印１７２Ｒと、第２のＢＡＷ共振子１７４の分極方向である矢印１７４Ｒは、第１の電気端子１７６からみて、互いに逆方向である。そのため、この圧電デバイスでは、分極方向に依存して生じる非線形効果をキャンセルすることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、ＢＡＷ共振子では厚み縦振動モードの共振特性を利用するが、本来の動作には不要である横振動モードにより、帯域内にリップルが発生する場合がある。一方、非線形効果を抑えるためにはインピーダンスが等しい圧電共振子を並列に接続することが好ましい。その場合には、各々の圧電共振子で発生するリップルの周波数や強度が同じになってしまう。そのため、リップルが強めあい、圧電共振子の特性が劣化するという問題が生じていた。
【０００６】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、不要なリップルの発生を抑えることができる圧電デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る圧電デバイスは、圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第１及び第２の圧電共振子とを備え、前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されおり、前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は互いに線幅が異なることを特徴としている。
なお、音速変化膜は、互いに線幅が異なることに代えて、あるいは互いに線幅が異なることに加えて、互いに厚さが異なるようにしても良い。
また、音速変化膜は、互いに線幅が異なることに代えて、あるいは互いに線幅が異なることに加えて、互いに材質が異なるようにしても良い。
また、音速変化膜は、互いに線幅が異なることに代えて、あるいは互いに線幅が異なることに加えて、上面視したときに前記音速変化膜の取り囲む図形の面積が同じで、かつ、形状が異なるようにしても良い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のように、横振動モードの共振周波数が互いに異なるように形成されることにより、第１の圧電共振子と第２の圧電共振子は横振動モードによるリップルが互いに強めあうことがなく、良好な共振特性やフィルタ特性の圧電デバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。（第１の実施形態）
【図２】本発明に係る圧電デバイスが入力端子と出力端子に接続されている回路の模式図である。（第１の実施形態）
【図３】本発明に係る圧電デバイスに用いられる圧電振動部と音速変化膜の模式的な平面図である。（第１の実施形態）
【図４】本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。（第２の実施形態）
【図５】本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。（第３の実施形態）
【図６】本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。（第４の実施形態）
【図７】実験例のシミュレーションに用いた圧電共振子を示す模式的な断面図である。
【図８】図７の圧電共振子の音速変化膜の線幅を変化させた場合の、インピーダンスと位相を示す図である。
【図９】従来の圧電デバイスを示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下において、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。圧電デバイス１は、第１の圧電共振子１０と、第２の圧電共振子２０と、基板２と、を備えている。
【００１２】
基板２は、第１の圧電共振子１０と、第２の圧電共振子２０とを支持するために設けられている。基板２の材質の例としては、Ｓｉ系基板や、絶縁性セラミックや絶縁性樹脂等の絶縁性材料が挙げられる。
【００１３】
第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０は、基板２の一方の主面の上に形成されている。第１の圧電共振子１０は、圧電薄膜３と、圧電薄膜３の一方の主面に設けられた上部電極１３と、他方の主面に設けられた下部電極１１と、を有している。本実施形態では、下部電極１１は、上部電極１３よりも大きい面積となるように形成されている。同様に、第２の圧電共振子２０は、圧電薄膜３と、圧電薄膜３の一方の主面に設けられた上部電極２３と、他方の主面に設けられた下部電極２１と、を有している。
【００１４】
圧電振動部１５は、上部電極１３と下部電極１１が圧電薄膜３を介して重なり合う部分で構成されている。圧電薄膜３の材質としては、例えばＡｌＮが挙げられ、その分極方向は、圧電薄膜３の厚さ方向である。上部電極１３と下部電極１１に交流電圧が印加されると、厚み縦振動モードを利用した共振特性が得られる。この場合、圧電振動部１５はエネルギー閉じ込め型の圧電振動部となる。圧電薄膜３の厚さは、例えば０．１μｍ〜１０μｍである。同様に、圧電振動部２５は、上部電極２３と下部電極２１が圧電薄膜３を介して重なり合う部分で構成されている。
【００１５】
上部電極１３、２３及び下部電極１１、２１の材質は導電性材料であり、例えばＷ等の貴金属やＡｌ等の卑金属が挙げられる。
【００１６】
圧電振動部１５、２５は、基板２から音響的に分離されるように設けられている。本実施形態では、圧電振動部１５、２５は、空洞部１９、２９により基板２から浮いている状態で形成されている。圧電薄膜３は、空洞部１９、２９の周囲で、基板２の一方の主面上に固定されている。なお、圧電振動部１５、２５は、空洞部１９、２９の代わりに、音響反射層により基板２から音響的に分離されていても良い。
【００１７】
なお、空洞部１９、２９は、例えば、ＺｎＯによる犠牲層の形成後に、ウェットエッチングにより犠牲層を除去して形成される。また、圧電薄膜３、上部電極１３、２３、及び下部電極１１、２１は、例えば、スパッタリングにより薄膜を形成した後、フォトリソグラフィによりパターニングをして形成される。
【００１８】
図２は、本発明に係る圧電デバイスが入力端子と出力端子に接続されている回路の模式図である。図２（Ａ）は並列の例であり、図２（Ｂ）は直列の例である。
【００１９】
図２（Ａ）において、第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０とは、入力端子５と出力端子７との間で並列に接続されている。矢印１０Ｒは、第１の圧電共振子１０の圧電薄膜の分極方向を示している。また、矢印２０Ｒは、第２の圧電共振子２０の圧電薄膜の分極方向を示している。第１の圧電共振子１０の分極方向１０Ｒと第２の圧電共振子２０の分極方向２０Ｒは、入力端子５からみて互いに逆である。
【００２０】
同様に、図２（Ｂ）は直列の例であり、第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０とは、入力端子５と出力端子７との間で直列に接続されている。そして、第１の圧電共振子１０の分極方向１０Ｒと第２の圧電共振子２０の分極方向２０Ｒは、入力端子５からみて互いに逆である。
【００２１】
直列接続と並列接続を比較すると、同じインピーダンスの２つの圧電共振子を接続した場合には、並列接続のインピーダンスは直列接続の４倍となる。したがって、直列接続と並列接続で同じインピーダンスにする場合には、並列接続は直列接続の１／４の面積で良いため、並列接続の方が小型化できるという利点を有する。
【００２２】
本発明では、第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０とは、横振動モードの共振周波数が互いに異なるように形成されている。第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０には、厚み縦振動モードによる共振の他に、圧電薄膜３の面方向に伝搬する横振動モードによるリップルが発生し、このリップルが互いに強めあうという問題が生じていた。そのため、本発明のように、横振動モードの共振周波数が互いに異なるように形成されることにより、リップルが互いに強めあうことがなく、良好な共振特性やフィルタ特性の圧電デバイスが得られる。
【００２３】
第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０とは、厚み縦振動モードの共振周波数が等しいことが好ましい。この場合には、どちらもインピーダンスが等しくなり、リップルが互いに強めやすくなるため、発明の効果が顕著である。
【００２４】
図１のように、圧電振動部１５の主面の周辺部の少なくとも一部には、音速変化膜１７が形成されている。また、圧電振動部２５の主面の周辺部の少なくとも一部には、音速変化膜２７が形成されている。本実施形態では、音速変化膜１７、２７は帯状に形成されており、互いに線幅が異なる。そのため、第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０は、横振動モードの共振周波数が互いに異なり、横振動モードのリップルが互いに強めあうことを防いでいる。線幅を変える場合には、スパッタリングとフォトリソグラフィを用いる場合に、マスクパターンを変更するだけで良いので、簡単に製造することができる。
【００２５】
本実施形態において、音速変化膜１７、２７の材質は同じである。音速変化膜１７、２７の材質の例としては、上部電極１３、２３や下部電極２１、２１と同じ導電性材料が挙げられる。また、ＳｉＯ2等の絶縁性材料であっても良い。
【００２６】
また、本実施形態では、音速変化膜１７は、圧電振動部１５の周縁に接するように形成されている。この場合には、横振動モードのリップルをより効果的に抑えることができる。音速変化膜２７も同様である。
【００２７】
また、本実施形態では、音速変化膜１７は、上部電極１３上に形成されている。この場合には、音速変化膜１７が形成しやすいという利点を有する。音速変化膜２７も同様である。
【００２８】
図３は、本発明に係る圧電デバイスに用いられる圧電振動部１５、２５と音速変化膜１７、２７の模式的な平面図である。上部電極１３上に形成されている音速変化膜１７は、上部電極１３の周縁に沿って閉じた帯状に形成されている。この場合には、横振動モードのリップルをより効果的に抑えることができる。音速変化膜２７も同様である。
【００２９】
また、図３では、音速変化膜１７、２７は、上面視したときに音速変化膜１７、２７の取り囲む図形の面積が同じで、かつ、形状が異なるように形成されている。この場合には、それぞれの圧電振動部の圧電薄膜が同じ材質で厚さであれば、面積が同じであるので圧電振動部の厚み縦振動モードの共振周波数が等しくなり、本発明の効果が顕著になる。
【００３０】
また、図３では、音速変化膜１７、２７は、上面視したときに音速変化膜１７、２７の取り囲む図形が、平行な二辺がない多角形状に形成されている。この場合には、平行な二辺がないため、横振動モードの定在波が発生しにくいという利点を有する。
【００３１】
なお、本実施形態の圧電デバイスは２個の圧電振動子を備えているが、４個や６個等の偶数個の圧電共振子を備えていても良い。その場合、入力端子からみた分極方向の向きが正方向である圧電振動子の数と、逆方向である圧電振動子の数が同じであれば、本発明の効果を奏する。
【００３２】
また、本実施形態では、圧電薄膜３は第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０の間を一部が連なるように形成されているが、第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子１０で分離して別々に形成されていても良い。
【００３３】
また、本実施形態では、音速変化膜１７、２７は閉じた帯状であるが、圧電振動部１５、２５の、主面の周辺部の少なくとも一部に形成されていれば良い。例えば、閉じた帯状である音速変化膜１７、２７の一部に切り込みが形成されていても良いし、上部電極の一部の辺だけに形成されていても良い。
【００３４】
また、本実施形態では、音速変化膜１７、２７は上部電極１３、２３上に形成されているが、下部電極１１、２１の下に形成されていても良い。また、上部電極１３、２３と圧電薄膜３の間や、下部電極１１、２１と圧電薄膜３の間に形成されていても良い。
【００３５】
また、本実施形態では、音速変化膜１７、２７は圧電振動部１５、２５の周縁に接するように形成されているが、周縁を含むように形成されていても良い。
【００３６】
また、本実施形態では、上部電極１３、２３と下部電極１１、２１は単層構造であるが、例えば、導電成分を主成分とする電極層と下地層とが積層された積層構造であっても良い。
【００３７】
［第２の実施形態］
図４は、本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。第１の実施形態と共通する部分については記載を省略する。本実施形態では、音速変化膜１７、２７は互いに厚さが異なっている。そのため、横振動モードの共振周波数が互いに異なり、リップルが互いに強めあうことを防いでいる。
【００３８】
［第３の実施形態］
図５は、本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。本実施形態では、音速変化膜１７、２７は互いに材質が異なっている。例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4などの各種の金属材料、絶縁体材料の中から異なる２つを選択する。そのため、横振動モードの共振周波数が互いに異なり、リップルが互いに強めあうことを防いでいる。
【００３９】
［第４の実施形態］
図６は、本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。本実施形態では、第１の圧電共振子１０と第２の圧電共振子２０のうち、一方の圧電共振子１０の主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜１７が形成されている。この場合においても、横振動モードの共振周波数を互いに異ならせることが可能である。
【００４０】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
【００４１】
［実験例］
本発明の効果を、シミュレーションにより確認した。図７は、実験例のシミュレーションに用いる圧電共振子１０を示す模式的な断面図である。上部電極１３と下部電極１１の形状は円形であり、圧電振動部１５の周縁に沿って、音速変化膜２７が閉じた帯状で形成されている圧電共振子を想定した。そして、音速変化膜２７の線幅（図７中のＸ）を１〜３μｍの幅で変化させた場合における、インピーダンスと位相の変化を確認した。なお、シミュレーションの条件は下記の通りである。
音速変化膜    材質    タングステン（Ｗ）
厚さ    １００ｎｍ
上部電極      材質    タングステン（Ｗ）
厚さ    ６００ｎｍ
圧電層        材質    窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
厚さ    １６００ｎｍ
下部電極      材質    タングステン（Ｗ）
厚さ    ６００ｎｍ
圧電共振子    面積    ４４０００μｍ2
【００４２】
図８は、図７の圧電共振子の音速変化膜の線幅を変化させた場合の、インピーダンスと位相を示す図である。図８（Ａ）は線幅が１μｍ、図８（Ｂ）は線幅が２μｍ、図８（Ｃ）は線幅が３μｍの図である。
【００４３】
図８（Ａ）〜（Ｃ）を比較すると、音速変化膜の線幅を変化させた場合には、通過帯域の周波数や、通過帯域外のインピーダンスはほとんど変化しない。一方、圧電共振子の通過帯域内のリップルの周波数や強度は、音速変化膜の線幅に応じて変化する。したがって、音速変化膜の線幅の異なる圧電共振子を組み合わせることにより、互いのリップルが重ならないようにすることが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  圧電デバイス
２  基板
３  圧電薄膜
５  入力端子
７  出力端子
１０  第１の圧電共振子
１０Ｒ  矢印
１１  下部電極
１３  上部電極
１５  圧電振動部
１７  音速変化膜
１９  空洞部
２０  第２の圧電共振子
２０Ｒ  矢印
２１  下部電極
２３  上部電極
２５  圧電振動部
２７  音速変化膜
２９  空洞部
１７２  第１のＢＡＷ共振子
１７２Ｒ  矢印
１７４  第２のＢＡＷ共振子
１７４Ｒ  矢印
１７６  第１の電気端子
１７８  第２の電気端子
【図１】
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【図２】
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【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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