(57)【要約】【課題】高いＱ値を得ることでき、かつ電極の酸化を抑制することが可能な圧電薄膜共振子、それを用いた発振器、及び時間標準器を提供すること。【解決手段】本発明は、基板１０と、銅を主成分とする下部電極１２と、下部電極１２上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とする圧電薄膜１４と、圧電薄膜１４を挟んで下部電極１２と対向するように圧電薄膜１４上に設けられ、銅を主成分とする上部電極１６と、下部電極１２の下面及び上部電極１６の上面のうち少なくとも一方を覆う被覆膜と、を具備し、被覆膜２４の厚さは被覆膜２４を伝搬するバルク波の波長の１／４より小さいＦＢＡＲ１００、それを利用した発振器及び原子時計。【選択図】図２
2013121021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、銅を主成分とする下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とする圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟んで前記下部電極と対向するように前記圧電薄膜上に設けられ、銅を主成分とする上部電極と、
前記下部電極の下面及び前記上部電極の上面のうち、少なくとも一方を覆う被覆膜と、を具備し、
前記被覆膜の厚さは前記被覆膜を伝搬するバルク波の波長の１／４より小さいことを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項２】
前記下部電極、前記圧電薄膜及び前記上部電極が積層した積層体は空隙上に位置し、
前記被覆膜のうち第１被覆膜は前記下部電極の下面を覆い、かつ前記空隙に露出することを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振子。
【請求項３】
前記被覆膜のうち第２被覆膜は前記上部電極の上面を覆うことを特徴とする請求項２記載の圧電薄膜共振子。
【請求項４】
前記基板と前記下部電極との間に設けられた音響反射膜を具備し、
前記被覆膜は前記上部電極の上面を覆うことを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振子。
【請求項５】
前記被覆膜は前記下部電極の下面を覆わないことを特徴とする請求項４記載の圧電薄膜共振子。
【請求項６】
前記被覆膜は金属、又は誘電体からなることを特徴とする請求項１から５いずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
【請求項７】
前記圧電薄膜と前記上部電極との間、及び前記圧電薄膜と前記下部電極との間の少なくとも一方に設けられた密着膜を具備することを特徴とする請求項１から６いずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
【請求項８】
請求項１から７いずれか一項記載の圧電薄膜共振子を周波数リファレンスとして用いることを特徴とする発振器。
【請求項９】
請求項８記載の発振器を具備する時間標準器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電薄膜共振子、発振器及び時間標準器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等の通信機器の普及に伴い、ＧＨｚ帯等の高周波数の信号に対応した弾性波デバイスへの需要が拡大している。弾性波デバイスには、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）、ＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプ等の圧電薄膜共振子がある。圧電薄膜共振子では、下部電極、圧電薄膜及び上部電極が重なる領域が、弾性波を励振する共振領域となる。特許文献１には基板と下部電極との間に空隙を設けた発明が記載されている。特許文献２には圧電薄膜の端部と共振領域の端部とを一致させた発明が記載されている。特許文献３には下部電極が共振領域外まで延びている発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１８９３０７号公報
【特許文献２】特開２００６−１２８９９３号公報
【特許文献３】特開２００８−１０９４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば複数の圧電薄膜共振子を接続したラダー型フィルタ等の弾性波フィルタの通過帯域幅は、電気機械結合係数ｋ２により定まる。一方、圧電薄膜共振子を発振器の周波数リファレンスとして用いる場合、電気機械結合係数ｋ２は周波数の可調範囲を定め、Ｑ値は位相雑音の大きさを定める。従って、位相雑音を低減するために高いＱ値を確保することが重要である。しかし、従来の技術では、十分に高いＱ値を得ることが難しかった。また電極が酸化することがあった。本発明は上記課題に鑑み、高いＱ値を得ることでき、かつ電極の酸化を抑制することが可能な圧電薄膜共振子、それを用いた発振器、及び時間標準器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】
【０００５】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、銅を主成分とする下部電極と、前記下部電極上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とする圧電薄膜と、前記圧電薄膜を挟んで前記下部電極と対向するように前記圧電薄膜上に設けられ、銅を主成分とする上部電極と、前記下部電極の下面及び前記上部電極の上面のうち、少なくとも前記上部電極の上面を覆う被覆膜と、を具備し、前記被覆膜の厚さは前記被覆膜を伝搬するバルク波の波長の１／４より小さい圧電薄膜共振子である。
【０００６】
上記構成において、前記下部電極、前記圧電薄膜及び前記上部電極が積層した積層体は空隙上に位置し、前記被覆膜のうち第１被覆膜は前記下部電極の下面を覆い、かつ前記空隙に露出する構成とすることができる。
【０００７】
上記構成において、前記被覆膜のうち第２被覆膜は前記上部電極の上面を覆う構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記基板と前記下部電極との間に設けられた音響反射膜を具備し、前記被覆膜は前記上部電極の上面を覆う構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記非腹膜は前記下部電極の下面を覆わない構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記被覆膜は金属、又は誘電体からなる構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記圧電薄膜と前記上部電極との間、及び前記圧電薄膜と前記下部電極との間の少なくとも一方に設けられた密着膜を具備する構成とすることができる。
【００１２】
本発明は、上記の圧電薄膜共振子を周波数リファレンスとして用いる発振器である。
【００１３】
本発明は、上記の発振器を具備する時間標準器である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高いＱ値を得ることでき、かつ電極の酸化を抑制することが可能な圧電薄膜共振子、それを用いた発振器、及び時間標準器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（ａ）はＦＢＡＲを例示する上面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａに沿った断面図である。
【図２】図２（ａ）はＭａｓｏｎの等価回路を例示する回路図である。図２（ｂ）はＦＢＡＲの一般的な等価回路を例示する回路図である。
【図３】図３（ａ）は電気機械結合係数ｋ２を示すグラフである。図３（ｂ）は共振点におけるＱ値Ｑｒを示すグラフである。図３（ｃ）は反共振点におけるＱ値をＱａ示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は電気機械結合係数ｋ２を比較するグラフである。図４（ｂ）はＱｒを比較するグラフである。図４（ｃ）はＱａを比較するグラフである。
【図５】図５（ａ）は実施例１に係るＦＢＡＲを例示する断面図である。図５（ｂ）は共振領域を拡大した模式図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）はＦＢＡＲの例を示す断面図である。
【図７】図７は実施例２に係るＦＢＡＲの共振領域を拡大した模式図である。
【図８】図８は実施例３に係るＳＭＲを例示する断面図である。
【図９】図９（ａ）は実施例４に係る発振器を例示するブロック図である。図９（ｂ）はＶＣＯを例示する回路図である。図９（ｃ）はＶＣＯの別の例を例示する回路図である。
【図１０】図１０は位相雑音を例示する模式図である。
【図１１】図１１は実施例５に係る原子時計を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ｑ値の高いＦＢＡＲの構成について検討した。図１（ａ）はＦＢＡＲを例示する上面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａに沿った断面図である。
【００１７】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、基板１０には基板１０を貫通する空隙１８が設けられている。基板１０上に下部電極１２が設けられている。下部電極１２上には圧電薄膜１４が設けられている。圧電薄膜１４上には、圧電薄膜１４を挟んで下部電極１２と対向するように上部電極１６が設けられている。下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１６が重なる共振領域２０において弾性波が共振する。下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１６が積層した積層体は、空隙１８上に位置する。このため弾性波の共振は妨げられない。
【００１８】
基板１０は例えばガラス等の絶縁体、又はシリコン（Ｓｉ）等からなる。圧電薄膜１４は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材からなる。圧電薄膜１４は厚さＴを有する。下部電極１２及び上部電極１６は例えば同じ厚さｔ（電極膜厚）を有する。
【００１９】
既述したように、ＦＢＡＲを発振器の周波数リファレンスとして用いる場合、Ｑ値が高いほど位相雑音は小さくなる。このため、高いＱ値を有するＦＢＡＲを周波数リファレンスとして用いることが好ましい。
【００２０】
高いＱ値を得ることができる電極材料を検証するためシミュレーションを行った。Ｍａｓｏｎの等価回路を用いて計算したＦＢＡＲの共振特性を計算した。共振特性と、ＦＢＡＲの一般的な等価回路とを用いて、電気機械結合係数ｋ２及びＱ値の算出した。下部電極１２及び上部電極１６の材料（電極材料）はアルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）及びルテニウム（Ｒｕ）を用いた。圧電薄膜１４はＡｌＮからなるとした。
【００２１】
表１に電極材料のパラメータを示す。ｃ３３はスティフネス、ρは密度、Ｚｍは音響インピーダンスをそれぞれ表す。
【表１】
2013121021.tif 000003
表２に、圧電薄膜１４の材料であるＡｌＮのパラメータを示す。Ｚｐは音響インピーダンスを表す。
【表２】
2013121021.tif 000004
音響インピーダンスＺｍ，ｐは次式で表される。
【数１】
2013121021.tif 000005
弾性波の複素波数ｋ＊は次式で表される。
【数２】
2013121021.tif 000006
αは減衰定数であり、全ての材料において１０００を用いる。ｆは弾性波の周波数である。式中におけるＡｌ、Ｃｕ、Ｍｏ及びＲｕのスティフネスとしては表１に示したｃ３３を用いる。ＦＢＡＲにおける振動は厚み縦振動であるため、ＡｌＮのスティフネスとしては、次の式で計算される値を用いる。
【数３】
2013121021.tif 000007
【００２２】
図２（ａ）はＭａｓｏｎの等価回路３０を例示する回路図である。負荷５０、５２及び５４は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した圧電薄膜１４の電気的なインピーダンスに、負荷４０、４２及び４４は下部電極１２の電気的なインピーダンスに、負荷６０、６２及び６４は上部電極１６の電気的なインピーダンスに、それぞれ対応する。各負荷は、トランス３６、キャパシタＣ１及びＣ２を介して端子３２及び３４と接続されている。
【００２３】
Ｍａｓｏｎの等価回路３０中におけるキャパシタＣ１の容量値Ｃ０は次式で表される。なおキャパシタＣ２の容量値は−Ｃ０である。式中のＳは圧電薄膜共振子の面積である。
【数４】
2013121021.tif 000008
トランス３６の巻き線比は、容量値Ｃ０及び係数ｈを用いて１：ｈＣ０となる。係数ｈは次式で表される。
【数５】
2013121021.tif 000009
負荷４２、４４、６２及び６４におけるインピーダンスＺａｍは、複素波数ｋ＊及び音響インピーダンスＺｍを用いて、次式で表される。
【数６】
2013121021.tif 000010
ｔは電極膜厚（図１（ｂ）参照）、ｊは虚数単位である。負荷４０及び６０におけるインピーダンスＺｂｍは次式で表される。
【数７】
2013121021.tif 000011
負荷５２及び５４におけるインピーダンスＺａｐは次式で表される。Ｔは圧電薄膜１４の厚さである。
【数８】
2013121021.tif 000012
負荷５０におけるインピーダンスＺｂｐは次式で表される。
【数９】
2013121021.tif 000013
表１、表２及び上記の式によりＦＢＡＲの共振特性が計算される。
【００２４】
Ｍａｓｏｎの等価回路３０から算出された共振特性のフィッティングに用いた等価回路について説明する。図２（ｂ）はＦＢＡＲの一般的な等価回路３８を例示する回路図である。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、等価回路３８の端子３２及び３４との間に、抵抗Ｒ１、インダクタＬ１及びキャパシタＣ３が直列接続されている。抵抗Ｒ２及びキャパシタＣ４は、抵抗Ｒ１、インダクタＬ１及びキャパシタＣ３と並列接続されている。抵抗Ｒ１の抵抗値をＲ１、抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ２、インダクタＬ１のインダクタンスをＬ１、キャパシタＣ３の容量値をＣ３、キャパシタＣ４の容量値をＣ４とする。共振特性のフィッティングにより、Ｒ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｃ３及びＣ４といった等価回路３８のパラメータが得られる。等価回路３８のパラメータ、共振周波数ωｒ及び反共振周波数ωａを用いて、電気機械結合係数ｋ２及びＱ値の計算を行う。電気機械結合係数ｋ２は次式で計算される。
【数１０】
2013121021.tif 000014
共振点におけるＱ値Ｑｒは次式で計算される。
【数１１】
2013121021.tif 000015
反共振点におけるＱ値Ｑａは次式で計算される。
【数１２】
2013121021.tif 000016
次にグラフを参照して計算結果を説明する。
【００２６】
図３（ａ）は電気機械結合係数ｋ２を示すグラフである。図中の黒塗りの丸はＡｌ、白抜きの丸はＣｕ、黒塗りの三角はＭｏ、白抜きの三角はＲｕにおける計算結果を表す。横軸は電極膜厚ｔと圧電薄膜１４の厚さＴとの比ｔ／Ｔである。厚さｔ及びＴは共振周波数ωｒが２ＧＨｚとなるように調整されている。縦軸は電気機械結合係数ｋ２である。図３（ａ）に示すように、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ及びＲｕの順に電気機械結合係数ｋ２は大きくなる。すなわち音響インピーダンスの高い材料ほど、電気機械結合係数ｋ２が大きくなる。下部電極１２及び上部電極１６が圧電薄膜１４より高い音響インピーダンスを有する場合、下部電極１２及び上部電極１６の振動は抑制され、弾性波が圧電薄膜１４に集中するためである。またｔ／Ｔ＝０．１付近において電気機械結合係数ｋ２はピークを示す。
【００２７】
図３（ｂ）は共振点におけるＱ値を示すグラフであり、図３（ｂ）の縦軸は共振点におけるＱ値Ｑｒである。図３（ｃ）は半共振点におけるＱ値を示すグラフであり、図３（ｃ）の縦軸は反共振点におけるＱ値Ｑａである。図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、Ｒｕ、Ｍｏ、Ａｌ及びＣｕの順にＱ値は高くなる。Ｒｕ及びＭｏの例のように、下部電極１２及び上部電極１６の音響インピーダンスが高い場合、下部電極１２及び上部電極１６の振動は抑制されるため、弾性波の損失が大きくなる。この結果、Ｑ値は低くなる。
【００２８】
これに対し、Ｃｕ及びＡｌの例のように、下部電極１２及び上部電極１６が低い音響インピーダンスを有する場合、下部電極１２及び上部電極１６は大きく振動する。このため、下部電極１２及び上部電極１６における弾性波の損失が圧電薄膜１４における損失より少なくなる。この結果、Ｑ値は高くなる。特に、電極材料にＣｕを用いた場合、Ａｌを用いた場合よりも高いＱ値を有する。ＡｌはＡｌＮより低い音響インピーダンスを有するため、弾性波が効率的に下部電極１２及び上部電極１６に伝搬しにくい。これによりＡｌを用いた例ではＱ値が低くなる。一方、ＣｕはＡｌＮと近い音響インピーダンスを有するため、弾性波がＣｕに伝搬しやすく、弾性波の損失が少ない。この結果Ｑ値が高くなる。
【００２９】
Ｃｕを電極材料に用いた例と、比較例とで電気機械結合係数ｋ２及びＱ値を比較する。比較例は、下部電極１２及び上部電極１６が圧電薄膜１４と同じ音響インピーダンスを有する例である。計算は図３（ａ）〜図３（ｃ）の結果を算出した方法と同じ方法で行った。
【００３０】
図４（ａ）は電気機械結合係数ｋ２を比較するグラフである。図４（ａ）に示すように、Ｃｕを用いる例の方が、比較例よりも大きな電気機械結合係数ｋ２を有する。
【００３１】
図４（ｂ）はＱｒを比較するグラフである。図４（ｃ）はＱａを比較するグラフである。図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、比較例はＣｕを用いる例より高いＱ値を有するが、Ｑ値の違いは小さい。以上のように、電極材料としてＣｕを用いることで、高いＱ値を得られることが分かった。しかし、Ｃｕは酸化しやすい。実施例１においては、Ｑ値が高く、かつ電極の酸化を抑制することができる圧電薄膜共振子について説明する。
【実施例１】
【００３２】
実施例１はＣｕを主成分とする電極及び被覆膜を用いる例である。図５（ａ）は実施例１に係るＦＢＡＲ１００を例示する断面図である。図５（ｂ）は共振領域２０を拡大した模式図である。
【００３３】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、被覆膜２２（第１被覆膜）は下部電極１２の下面を覆い、かつ空隙１８に露出する。被覆膜２４（第２被覆膜）は上部電極１６の側面及び上面を覆う。下部電極１２及び上部電極１６はＣｕを主成分とし、圧電薄膜１４はＡｌＮを主成分とする。このため、下部電極１２及び上部電極１６は、圧電薄膜１４と近い音響インピーダンスを有する。この結果、弾性波の損失は抑制され高いＱ値を得ることができる。下部電極１２及び上部電極１６の音響インピーダンスは、例えば圧電薄膜１４の音響インピーダンスの０．８〜１．２倍程度が好ましい。
【００３４】
電極材料は、電極として機能し、かつ高いＱ値を得られるものであればよく、例えばＣｕのみ、製造工程においてＣｕに混入する不純物を含む材料、Ｃｕを主成分とする合金、又は生産性を向上するためにＣｕに意図的に添加された添加物を含む材料等である。圧電薄膜１４は、ＡｌＮ、又は第３元素Ｍを含む材料ＭｘＡｌ１−ｘＮからなり、例えば製造工程において混入する不純物を含んでもよい。圧電薄膜１４としての機能が発揮され、かつ高いＱ値を得られるためにはｘ＜０．５であることが好ましい。
【００３５】
被覆膜２２及び２４は、例えばＲｕ、Ｐｔ及び銀（Ａｇ）等の金属、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（Ｓｉ２Ｎ３）、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の誘電体、又はこれらの積層膜からなる。被覆膜２２により下部電極１２の酸化が抑制される。また被覆膜２４により上部電極１６の酸化が抑制される。効果的に酸化を抑制するために、下部電極１２の上下面のうち、圧電薄膜１４に接触しない下面が被覆膜２２に覆われ、上部電極１６の上下面のうち圧電薄膜１４に接触しない上面が被覆膜２４に覆われればよい。下部電極１２と圧電薄膜１４、及び上部電極１６と圧電薄膜１４との間において音響インピーダンスを整合させ高いＱ値を得るためには、下部電極１２及び上部電極１６の厚さが、被覆膜２２及び２４の厚さより大きいことが好ましい。また被覆膜２２及び２４の厚さが例えば被覆膜２２及び２４中を伝搬するバルク波の波長λの１／４又は１／２の場合、スプリアスが大きくなる。音響インピーダンスを整合させ、かつスプリアスを抑制するためには、被覆膜２２及び２４の厚さが、例えばλ／４より小さいことが好ましく、λ／５、及びλ／６より小さくてもよい。
【００３６】
ＦＢＡＲの他の構成例について説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）はＦＢＡＲの例を示す断面図である。
【００３７】
図６（ａ）に示すように、基板１０の上面に基板１０を貫通しない空隙１８が設けられていてもよい。図６（ｂ）に示すように、平坦な基板１０の上面において、下部電極１２、上部電極１６及び圧電薄膜１４が隆起し、下部電極１２と基板１０との間に空隙１８が形成されていてもよい。被覆膜２２及び２４は下部電極１２の下面及び上部電極１６の上面の少なくとも一方を覆えばよい。酸化を効果的に抑制するためには、被覆膜２２及び２４が下部電極１２の下面及び上部電極１６の上面の両方を覆うことが好ましい。
【実施例２】
【００３８】
実施例２は密着膜を用いる例である。図７は実施例２に係るＦＢＡＲ２００の共振領域２０を拡大した模式図である。
【００３９】
図７に示すように、上部電極１６の下面及び圧電薄膜１４の上面に接触するように、上部電極１６と圧電薄膜１４との間に密着膜２８が設けられている。下部電極１２の上面の及び圧電薄膜１４の下面に接触するように、下部電極１２と圧電薄膜１４との間に密着膜２６が設けられている。この結果、下部電極１２と圧電薄膜１４との密着性、及び上部電極１６と圧電薄膜１４との密着性が高まる。密着膜２６及び２８は例えばチタン（Ｔｉ）等の金属からなる。密着膜２６及び２８の厚さは、２ＧＨｚ動作の共振子において例えば４０ｎｍ程度であり、密着膜２６及び２８を伝搬するバルク波の波長の１／４より小さいことが好ましい。また音響インピーダンスを整合させるために，電極膜厚ｔは、被覆膜２２及び２４の厚さ、並びに密着膜２６及び２８の厚さより大きいことが好ましい。密着膜２６及び２８は上部電極１６と圧電薄膜１４との間、又は下部電極１２と圧電薄膜１４との間の少なくとも一方に設けられればよい。
【実施例３】
【００４０】
実施例３はＳＭＲの例である。図８は実施例３に係るＳＭＲ３００を例示する断面図である。図８に示すように、基板１０と下部電極１２及び圧電薄膜１４との間に音響反射膜１１が設けられている。音響反射膜１１は、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互にλ／４の膜厚で積層された構造である。基板１０に空隙は形成されていない。下部電極１２の下面は音響反射膜１１に接触し、空隙に露出していないため酸化しにくい。このため被覆膜２２を設けなくてもよい。上部電極１６の上面は被覆膜２４に覆われている。図７に示した密着膜２６及び２８をＳＭＲ３００に設けてもよい。
【実施例４】
【００４１】
実施例４は、発振器の周波数リファレンスが実施例１〜３いずれかに係る圧電薄膜共振子を利用する例である。図９（ａ）は実施例４に係る発振器４００を例示するブロック図である。共振器７０は圧電薄膜共振子を含み、周波数リファレンスとして機能する。図９（ａ）に示す増幅器７４は白色雑音を発生させない理想的なものとしている。実際の増幅器において発生する白色雑音ＦＮｋＴは加算器７２において、共振器７０から出力された信号に加算されるものとしている。加算器７２から出力された信号は増幅器７４に入力される。増幅器７４の出力信号は共振器７０に入力され、加算器７２を通じて増幅器７４に正帰還する。回路図を参照し、発振器の例として電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator：ＶＣＯ）について説明する。
【００４２】
図９（ｂ）はＶＣＯを例示する回路図である。図９（ｂ）に示すように、圧電薄膜共振子７１、可変コンデンサＣｖ、Ｃ５及びＣ６はＬＣ共振回路を形成する。圧電薄膜共振子７１のインダクタ成分が共振に寄与する。共振回路とトランジスタ７６とで発振回路を形成し、可変コンデンサＣｖに印加される電圧の変化により発振周波数が変化する。トランジスタ７８はバッファとして機能する。抵抗Ｒ３〜Ｒ７はトランジスタ７６及び７８の各端子のバイアスを定める機能を有する。トランジスタ７８のコレクタと抵抗Ｒ５との間には出力端子Ｖｏｕｔが接続され、トランジスタ７８のベースにはキャパシタＣ７が接続されている。抵抗Ｒ６及びＲ７間には電源電圧Ｖｃｃが入力される。図９（ｃ）はＶＣＯの別の例を例示する回路図であり、図９（ｂ）における抵抗Ｒ４をインダクタＬ２に、抵抗Ｒ７をインダクタＬ３に置換した以外は図９（ｂ）と同じ構成である。
【００４３】
位相雑音について説明する。発振器４００の位相雑音は以下に示すＬｅｅｓｏｎの式により表される。
【数１３】
2013121021.tif 000017
ｆ０は発振周波数、ｆＭは発振周波数ｆ０からのオフセット周波数、Ｑは圧電薄膜共振子のＱ値、ｆＦＣはフリッカ・コーナ周波数、ＦＮはノイズフロア、ｋはボルツマン定数、Ｔは発振器３００が使用される温度、Ｐｓは増幅器７４の挿入電力である。Ｑ値が変化した場合の発振器４００の位相雑音を、Ｌｅｅｓｏｎの式を用いて計算した。
【００４４】
図１０は位相雑音を例示する模式図である。横軸はオフセット周波数ｆＭ、縦軸は位相雑音である。一点鎖線はＱ＝Ｑ１の例、破線はＱ＝Ｑ２の例、実線はＱ＝Ｑ３の例を表す。Ｑ値はＱ１、Ｑ２、Ｑ３の順に高くなる。図１０に示すように、Ｑ値が高いほど位相雑音は小さくなる。このように、高いＱ値を有する圧電薄膜共振子を周波数リファレンスに用いることで、発振器４００は高いＱ値を有し、位相雑音が低減される。なお実施例４はＶＣＯ以外の発振器にも適用可能である。
【実施例５】
【００４５】
実施例５は圧電薄膜共振子を含む発振器を利用する原子時計の例である。図１１は実施例５に係る原子時計５００（時間標準器）を例示する模式図である。
【００４６】
図１１に示すように、原子時計５００は、ガスセル８８に封入されたセシウム（Ｃｓ）ガスを用いるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）型原子時計である。周波数チューナ９６は図８に示した発振器４００を含み、４．６ＧＨｚの信号（変調信号）を出力する。バイアスティ８０において、変調信号とカレントドライバ８２から出力される駆動電流とが重畳される。ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振器面発振レーザ）８４は、バイアスティ８０の出力信号により駆動し、レーザを出力する。レーザはレンズ８６及びガスセル８８を通じて、光検出器９１に入射する。光検出器９１は、レーザを電気信号に変換し、ロックインアンプ９２及び９４に出力する。ロックインアンプ９２には交流電源９３から参照信号が入力される。ロックインアンプ９４の出力信号は周波数チューナ９６に入力される。ロックインアンプ９４には交流電源９５から参照信号が入力される。ロックインアンプ９４の出力信号はカレントドライバ８２に入力される。
【００４７】
ガスセル８８はコイル９０中に配置されている。コイル９０に電流が流れることによりガスセル８８に磁場が印加され、ゼーマン効果によりＣｓの最外殻電子のエネルギーが例えば９．２ＧＨｚだけ分裂する。変調信号の周波数が４．６ＧＨｚである場合、最外殻電子の分裂した２つのエネルギー準位から同時に電子が励起される。量子的重ね合わせの効果により励起がキャンセルされ、レーザはＣｓに吸収されず光検出器９１に入射する。この結果、光検出器９１の出力は最大となる。周波数チューナ９６は、４．６ＧＨｚの信号を出力し、発振器４００を含んでいるため高いＱ値を有する。このため位相雑音の少ない、精度の高い原子時計が実現される。
【００４８】
精度の高い原子時計を実現するためには、発振器４００のＱ値が高いことが好ましい。例えば水晶発振器は高いＱ値を有するが、発振周波数は低い。従って所望の周波数の信号を得るために、複数回にわたって信号の逓倍を繰り返す。このため、原子時計が大型化し、また信号の損失も大きくなる。これに対し、圧電薄膜共振子を用いた発振器４００は高いＱ値を有し、かつ周波数が高い。従って、例えば２逓倍で所望の周波数の信号を得ることができる。この結果、原子時計の小型化、及び信号の損失の抑制が可能である。Ｃｓ以外のアルカリ金属等、他の元素を用いる場合、周波数チューナ９６の周波数を変更すればよい。光源には例えばＶＣＳＥＬ以外の半導体レーザを用いてもよい。光検出器９１は例えばフォトダイオードである。
【００４９】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０                                            基板
１１                                            音響反射膜
１２                                            下部電極
１４                                            圧電薄膜
１６                                            上部電極
１８                                            空隙
２０                                            共振領域
２２、２４                                      被覆膜
２６、２８                                      密着膜
７０                                            周波数リファレンス
１００，２００                                  ＦＢＡＲ
３００                                          ＳＭＲ
４００                                          発振器
５００                                          原子時計
【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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【図１０】
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【図１１】
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