CN1667948A - 压电谐振器和具有该压电谐振器的电子部件 - Google Patents

压电谐振器和具有该压电谐振器的电子部件 Download PDF

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Abstract

本发明的一实施方式的压电谐振器是通过在压电膜内部传输的体声波来得到预定谐振频率的信号的压电谐振器。该压电谐振器具有在预定方向堆积起来的多个转换器，体声波的传输面积在该体声波的传输方向发生变化。

Description

压电谐振器和具有该压电谐振器的电子部件
技术领域
本发明涉及压电谐振器和具有该压电谐振器的电子部件，特别是涉及对叠层有转换器(transducer)的压电谐振器中的通过特性的宽频带化有效的技术。
背景技术
近年来，为了与高速大容量通信相应，对小型的具有低损耗和宽频带的通过频带宽度的滤波器的需求正在增加中。作为与该需求相应的器件，多使用小型的具有低损耗特征的声表面波(SAW：SurfaceAcoustic Wave)滤波器和使用SAW滤波器的天线分波器。但是，从对更高速大容量通信的需求出发，希望实现使用频率的高频化。
SAW滤波器使用在压电基板上交互地配置有电极指的交叉指状电极来激励、接收声表面波，该电极指具有被传输的声表面波的波长λ的1/4左右的宽度。在2GHz频带的系统中使用的SAW滤波器的电极指线宽度约为0.4μm。为了与该SAW滤波器的更高频率化相应，需要高精度地加工0.4μm以下的电极指。所以，显著地降低制造性的可能性很大。
此外，例如在日本的公开专利公报：特开平5-167388号专利公报中公开了SAW滤波器。
在这种所述的状况中，例如日本特开2003-22074号专利公报中记载的那样，作为一种用体声波(Bulk Acoustic Wave)的器件的使用压电薄膜的转换器(BAW器件)正在引起人们的注意。BAW器件的工作频率由输入输出电极夹着的压电膜的厚度决定。
这里，使用现有的陶瓷或石英的转换器滤波器，因为要高精度加工薄的压电膜是困难的，所以不能用于高频的用途中。另一方面，在薄膜转换器滤波器中，因为能够用溅射器等的成膜装置形成压电膜，所以容易得到所要厚度的压电膜。因此，薄膜转换器滤波器在高频化方面具有优越性。另外，在薄膜转换器滤波器中使用的电极是平板电极。因此，如SAW滤波器那样，因为不需要使用细的电极，所以薄膜转换器滤波器可以处理大功率的信号。
由现有的叠层型转换器构成的压电谐振器如图9所示。
图9所示的现有的压电谐振器40具有例如由硅构成的基板11、设置在基板11上的音响多层反射膜12、和设置在音响多层反射膜12上的转换器22。音响多层反射膜12具有交互叠层的第一反射膜12a和第二反射膜12b。第一反射膜12a和第二反射膜12b的音响阻抗不同。转换器22具有顺次叠层的第一电极膜20a、压电膜21和第二电极膜20b。平面地配置多个转换器22，该转换器具有这样由上下电极膜20a、20b夹着压电膜21的构造，通过在电学上阶梯型地连接各个转换器22，构成滤波器和分波器。
但是，在这样构造的滤波器中，因为通常用约5到7个的转换器，所以不能够实现(转换器数×转换器面积)以下的芯片面积。
另外，叠层2个以上的压电膜从而立体地配置转换器的叠层转换器滤波器(SCF：Stacked Crystals Filter)或在转换器之间设置有传输层的多模转换器滤波器(CRF：Coupled Resonator Filter)是众所周知的。但是，因为SCF是窄频带的滤波器，所以不适合于宽频带的用途。CRF因为使用多重模式所以对宽频带化有利，但是，随着今后向高速大容量通信的开展，对于更宽频带化不能说是足够的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供能够实现具有叠层形成了多个转换器的构造的压电谐振器中的通过特性的宽频带化的技术。
本发明的第1压电谐振器是通过在压电膜内部传输的体声波得到预定谐振频率的信号的压电谐振器。第一压电谐振器具有多个转换器。多个转换器分别具有第一电极膜、第二电极膜、和设置在该第一电极膜和第二电极膜之间的压电膜。多个转换器在预定方向堆积起来。在该压电谐振器中，体声波的传输面积在该体声波的传输方向发生变化。
本发明的第2压电谐振器是包含有体声波的传输面积为其它部分中的体声波的传输面积的90％以下的部分的上述第1压电谐振器。
本发明的第3压电谐振器是在多个转换器中，至少一部分的转换器的面积与其它转换器的面积不同的上述第1或第2压电谐振器。
本发明的第4压电谐振器是进一步具有反射体声波的音响多层反射膜、即具有在上述预定方向中交互地叠层具有预定音响阻抗的第一反射膜、和具有与该第一反射膜不同的音响阻抗的第二反射膜的该音响多层反射膜的上述第3压电谐振器。在该第4压电谐振器中，在上述音响多层反射膜上形成多个转换器，在多个转换器中，与音响多层反射膜相接的转换器的面积比其它转换器的面积窄。
本发明的第5压电谐振器是进一步具有设置在多个转换器中的2个转换器之间的传输层的上述第1或第2压电谐振器。在该第5压电谐振器中，传输层的面积与多个转换器中的至少一部分的转换器的面积不同。
本发明的第6压电谐振器是传输层的面积比多个转换器中的至少一部分的转换器的面积窄的第5压电谐振器。
本发明的第7压电谐振器是进一步具有反射体声波的音响多层反射膜，即具有在上述预定方向中交互地叠层具有预定音响阻抗的第一反射膜、和具有与该第一反射膜不同的音响阻抗的第二反射膜的该音响多层反射膜的上述第6压电谐振器。在该第7压电谐振器中，在音响多层反射膜上形成多个转换器，传输层的面积与多个转换器中的与音响多层反射膜相接的转换器以外的转换器的面积相同。
本发明的第8压电谐振器是SMR型或膜片型的上述第1～第7中任何一个的压电谐振器。
本发明的电子部件具有上述第1～第8中任何一个的压电谐振器。
附图说明
图1是表示与本发明的第一实施方式有关的压电谐振器的立体图。
图2是表示图1所示的压电谐振器的频率特性的曲线图。
图3是表示作为比较例的压电谐振器的立体图。
图4是表示图3所示的压电谐振器的频率特性的曲线图。
图5是表示与本发明的第二实施方式有关的压电谐振器的立体图。
图6是表示图5所示的压电谐振器的频率特性的曲线图。
图7是表示与本发明第三实施方式有关的压电谐振器的立体图。
图8是表示图7所示的压电谐振器的频率特性的曲线图。
图9是表示传统的压电谐振器的立体图。
图10是表示与本发明其它实施方式有关的压电谐振器的剖面图。
图11是表示与本发明其它实施方式有关的压电谐振器的剖面图。
图12是表示与本发明的其它实施方式有关的压电谐振器的剖面图。
具体实施方式
下面我们参照附图更具体地说明用于实施本发明的优选方式。这里，在附图中在相同部件上附加相同的标号，并省略重复的说明。此外，因为这里的说明是实施本发明的优选方式，所以本发明不限定于该方式。
(第一实施方式)
图1是表示与本发明的第一实施方式有关的压电谐振器的立体图，图2是表示图1所示的压电谐振器的频率特性的曲线图，图3是表示作为比较例的压电谐振器的立体图，图4是表示图3所示的压电谐振器的频率特性的曲线图。
图1所示的压电谐振器10是称为SMR(Solidly MountedResonator)型的压电谐振器。压电谐振器10具有基板11、设置在基板11的单面上的音响多层反射膜12、第一转换器17和第二转换器18。
基板11例如由硅或玻璃构成。音响多层反射膜12是通过在预定方向上交互地叠层音响阻抗高的薄膜和低的薄膜，例如AlN膜(第一反射膜)12a和SiO2(第二反射膜)12b形成的。该预定方向是与基板11的单面交叉的方向，是在音响多层反射膜12中的各反射膜的叠层方向。另外，该预定方向是堆积第一转换器17和第二转换器18的方向，并且是体声波的传输方向。
在图1所示的压电谐振器10中，直接在基板11上形成AlN膜12a，但是在与本发明有关的压电谐振器中，也可以直接在基板11上形成SiO2膜12b。
在压电谐振器10中，在音响多层反射膜12上，在叠层方向(即，上述的预定方向)顺次地设置2层的压电膜13和压电膜14。在位于音响多层反射膜12侧的一方的压电膜13的两个面上，分别形成下部电极(第一电极膜)15a和上部电极(第二电极膜)15b。即，将压电膜13设置在下部电极15a和上部电极15b之间。
另外，在另一方的压电膜14的两个面上，分别形成下部电极(第一电极膜)16a和上部电极(第二电极膜)16b。即，将压电膜14设置在下部电极16a和上部电极16b之间。下部电极16a同时用作压电膜13的上部电极(第二电极膜)15b。
在压电谐振器10中，由压电膜13、位于该压电膜13两侧的下部电极15a、和上部电极15b构成第一转换器17。另外，由压电膜14、位于该压电膜14两侧的下部电极16a、和上部电极16b构成第二转换器18。在压电谐振器10中，在上述的预定方向中堆积这种第一转换器17和第二转换器18。
如图1所示，第一转换器17的面积比第二转换器18的面积窄。此外，在图1所示的压电谐振器10中，与音响多层反射膜12相接的第一转换器17的面积比第二转换器18的面积窄，但是也可以相反地第一转换器17的面积比第二转换器18的面积宽。
电极15a、15b(16a)、16b例如由Al、Au、Pt、Mo等构成，压电膜13、14例如由AlN、ZnO等构成。
此外，也可以不形成音响多层反射膜12，这时直接在基板11上形成下部电极15a。
另外，本发明的压电谐振器具有的转换器的数目不限定于2个。即，在本发明的压电谐振器中，可以在上述预定方向中堆积多个转换器。当叠层配置3个以上的转换器时，转换器的面积也可以相互全都不同，但是也可以一部分转换器的面积与其它转换器的面积不同。
另外，转换器17、18和后述的传输层的形状是矩形，但是在本发明的压电谐振器中，转换器和传输层的形状也可以是正方形、圆形、椭圆等中的任何形状。
这里，当在膜中传输的音波的波长为λ时，AlN膜12a和SiO2膜12b的厚度大致等于波长λ的1/4。即，设定AlN膜12a和SiO2膜12b的厚度使得在压电谐振器10的谐振频率附近，成为在各膜传输的音波的波长λ的1/4。
此外，在本实施方式中，作为第一反射膜的AlN膜12a的膜厚为0.64μm，作为第二反射膜的SiO2膜12b的膜厚为1.2μm。另外，二压电膜13、14由AlN构成，其膜厚为2.25μm。第一转换器17的面积为0.026mm2，第二转换器18的面积为0.1mm2。即，在压电谐振器10中，第一转换器17的面积在第二转换器18的面积的90％以下(在本实施方式中为26％)的面积。因此，在第一转换器17中的体声波的传输面积在第二转换器18中的体声波的传输面积的90％以下。但是，当然，本发明不限定于这些数值。
在具有以上构成的压电谐振器10中，当在电极15b(16a)上加上接地电位，在第一转换器17的下部电极15a上加上输入信号，由输入信号的频率和在各层中的体声波的速度决定的音响的相位长的合计满足n×λ/2(n＝1，2，3.....)时(谐振频率)，激励起驻波并在第二转换器的下部电极16a、16b之间出现强信号。在除此以外的频率上不激励起驻波，因此几乎不传送信号。因此，能够得到将预定频带作为通过频带的滤波器特性。
如上所述，在本实施方式的压电谐振器10中，因为第一转换器17的面积比第二转换器18的面积窄，所以体声波的传输面积在体声波的传输方向(即，叠层方向)中不保持恒定。即，体声波的传输面积对体声波的传输方向发生变化。
此外，在本说明书中，体声波的传输面积是与体声波的传输方向正交的区域的截面积，并且是一个指示体声波实际上传输的区域的截面积的概念。
图1所示的压电谐振器10的频率特性如图2所示。在图2所示的频率特性中，出现2个通过域。该2个通过域是音响相位长与λ和(3/2)λ对应的谐振峰。此外，因为(1/2)λ的谐振峰在(1/4)λ反射膜的反射频带外面所以不能观测到。而且，在图2所示的频率特性中，各通过域的峰之间的频率差为360MHz左右。
这里，作为比较例的压电谐振器30如图3所示，它的频率特性如图4所示。
图3所示的压电谐振器30与图1所示的本实施方式的压电谐振器10不同，第一转换器17的面积和第二转换器18的面积相等。所以，体声波的传输面积相对体声波的传输方向不发生变化，而保持恒定。此外，在图3所示的压电谐振器30中，作为第一反射膜的AlN膜12a的膜厚为0.64μm，作为第二反射膜的SiO2膜12b的膜厚为1.2μm。由AlN膜构成的压电膜13、14的膜厚为2.25μm，而且第一转换器17和第二转换器18的面积都为0.026mm2。
这种压电谐振器30的频率特性，如图4所示，在2个通过域中的峰之间的频率差为至600MHz左右。所以形成频带非常窄的通过特性。用它得到利用2个峰的宽范围的通过频带是困难的。
与此相对，在本实施方式的压电谐振器10中，如上所述，第一转换器17的面积比第二转换器18的面积窄，体声波的传输面积相对体声波的传输方向发生变化。所以，产生激励起驻波的各模式的退缩。结果，如图2所示，峰之间的频率差为360MHz左右，与如图4所示的比较例的频率差相比变小了。
根据这种特性，由外部电路等对预定阻抗施加匹配调整，则可以得到将包含该频率差的频带作为通过频带的极宽频带的频率特性。
(第二实施方式)
图5是表示与本发明的第二实施方式有关的压电谐振器的立体图，图6是表示图5所示的压电谐振器的频率特性的曲线图。
在图5所示的压电谐振器10b中，在上述预定方向上顺次地堆积基板11、音响多层反射膜12、第一转换器17、传输层19和第二转换器18。
在压电谐振器10b中，在第一转换器17和第二转换器18之间，形成例如由SiO2和绝缘性氧化铝等的电介质材料构成的传输层19。
在压电谐振器10b中，第一转换器17的面积和第二转换器18的面积相同，传输层19的面积比转换器17、18的面积窄。因此，体声波的传输面积相对体声波的传输方向(即，上述预定方向)发生变化。
此外，传输层19的面积也可以与全部的转换器的面积不同，但是，也可以只与一部分的转换器的面积不同。即，传输层19的面积也可以具有与一部分的转换器的面积相同的面积。
另外，在压电谐振器10b中，传输层19的面积比转换器17、18的面积窄。但是相反地传输层19的面积也可以比转换器17、18的面积宽。进一步，作为使传输层19的面积不同的方法，如本实施方式那样，也可以不是使传输层19的外形与转换器17、18不同，而是使传输层19的外形与转换器17、18一致，适当地间隔地除去传输层内部，来使其不同。即，也可以使传输层19的外边缘的形状与转换器17、18的形状相同，在传输层19中设置空穴。
在本实施方式中，作为第一反射膜的AlN膜12a的膜厚为0.64μm，作为第二反射膜的SiO2膜12b的膜厚为1.2μm。另外，2个压电膜13、14由AlN构成，其膜厚为2.25μm。第一转换器17和第二转换器18的面积都为0.1mm2。传输层19的膜厚为0.55μm，传输层19的面积为0.085mm2。即，在压电谐振器10b中，传输层19的面积为第一转换器17和第二转换器18的面积的90％以下(在本实施方式中为85％)的面积。因此，传输层19中的体声波的传输面积在第一转换器17和第二转换器18的体声波的传输面积的90％以下。但是，当然，本发明不限定于这些数值。
图6表示图5所示的压电谐振器10b的频率特性。
在本实施方式的压电谐振器10b中，由于传输层19的面积与转换器17、18的面积不同，使体声波的传输面积相对体声波的传输方向发生变化。所以，产生激励起驻波的各模式的退缩。结果，如图6的实线所示，峰之间的频率差为160MHz左右，与第一实施方式的压电谐振器10比较，减小了。
因此，如果由外部电路等对预定的阻抗施加匹配调整，则可以得到将包含该频率差的频带作为通过频带的极宽频带的频率特性。
作为匹配电路，图6的虚线表示在输入输出附加5nH的串联电感元件L时的频率特性。如图6所示，我们看到能够在2dB的频带宽度中得到200MHz左右的宽频带的通过特性。
(第三实施方式)
图7是表示与本发明的第三实施方式有关的压电谐振器的立体图。图8是表示图7所示的压电谐振器的频率特性的曲线图。
在图7所示的压电谐振器中，在上述预定方向上顺次地堆积基板11、音响多层反射膜12、第一转换器17、传输层19和第二转换器18。
在压电谐振器10c中，在第一转换器17和第二转换器18之间形成的传输层19的面积比与音响多层反射膜12相接的第一转换器17的面积窄，成为与作为该第一转换器17以外的转换器的第二转换器18相同的面积。因此体声波的传输面积相对体声波的传输方向(即，上述预定方向)发生变化。
在本实施方式中，作为第一反射膜的AlN膜12a的膜厚为0.6μm，作为第二反射膜的SiO2膜12b的膜厚为1.1μm。另外，由AlN构成的压电膜13的膜厚为2.25μm，同样由AlN构成的压电膜14的膜厚为1.95μm，第一转换器17的面积为0.1mm2，传输层19和第二转换器18的面积为0.065mm2，传输层19的膜厚为0.55μm。即，在压电谐振器10c中，传输层19和第二转换器18的面积为第一转换器17的面积的90％以下(在本实施方式中为65％)。因此，在传输层19和第二转换器18中的体声波的传输面积为第一转换器17中的体声波的传输面积的90％以下。但是，当然，本发明不限定于这些数值。
图8表示图7所示的压电谐振器10c的频率特性。
在本实施方式的压电谐振器10c中，传输层19的面积比第一转换器17的面积窄，并且与第二转换器18相同，使体声波的传输面积相对体声波的传输方向发生变化。所以，产生激励起驻波的各模式的退缩。结果，如图8的实线所示，峰之间的频率差变小至230MHz左右。
因此，如果根据由外部电路等对预定的阻抗施加匹配调整，则可以得到将包含该频率差的频带作为通过频带的极宽频带的频率特性。
图8的虚线表示作为匹配电路附加电感元件L时的频率特性。如图8所示，我们看到能够在2dB的频带宽度中得到约490MHz的宽频带的通过特性。
以上，我们说明了体声波的传输面积在体声波的传输方向发生变化的构成(第一～第三实施方式)，但是本发明不限定于这些构成。即，在本发明的压电谐振器中，至少可以使任何一个转换器或传输层的面积与其它的不同，只要使体声波的传输面积相对体声波的传输方向发生变化，就能够以种种图案实现面积的宽窄。
另外，第一～第三实施方式是将本发明应用于SMR型压电谐振器的方式，但是本发明也能够应用于切去一部分基板使体声波容易传输的膜片型压电谐振器等的所有使用压电膜的叠层型的压电谐振器。
此外，即便在膜片型压电谐振器中，既可以与SMR型压电谐振器同样地形成音响多层反射膜，也可以不形成。但是，在不形成音响多层反射膜的膜片型压电谐振器中，为了使下部电极的振动部分大致自由振动，与SMR型压电谐振器不同，通过刻蚀除去直接在下部电极下面的基板使其不存在。
图10、图11、图12分别是表示与本发明的其它实施方式有关的压电谐振器的剖面图。图10、图11、图12所示的压电谐振器都是膜片型压电谐振器。
图10所示的压电谐振器10d具有基板11、第一转换器17和第二转换器18。将第一转换器17设置在基板11上，将第二转换器18设置在第一转换器17上。在第一转换器17的下方在基板11中设置空穴。第一转换器17和第二转换器18的面积关系与第一实施方式相同。
图11所示的压电谐振器10e、图12所示的压电谐振器10f分别具有基板11、第一转换器17、第二转换器18和传输层19。在压电谐振器10e和压电谐振器10f的任何一个中，都将第一转换器17设置在基板11上，将传输层19设置在第一转换器17和第二转换器18之间，在第一转换器17的下方在基板11中设置空穴。在压电谐振器10e中的第一转换器17、第二转换器18和传输层19的面积关系与第二实施方式相同，压电谐振器10f中的第一转换器17、第二转换器18和传输层19的面积关系与第三实施方式相同。
此外，本发明能够适用于具有以上说明的压电谐振器的滤波器和分波器等的电子部件。
以上，如说明本发明的实施方式那样，如果根据本发明则能够产生下列效果。即，如果根据本发明，则因为体声波的传输面积在体声波的传输方向中发生变化，所以可以实现具有宽频带的通过特性的压电谐振器。

Claims (9)

1.一种压电谐振器，通过在压电膜内部传输的体声波得到预定谐振频率的信号，其特征在于：
具备分别具有第一电极膜、第二电极膜、和设置在该第一电极膜和第二电极膜之间的所述压电膜的多个转换器；
所述多个转换器在预定方向堆积起来；
所述体声波的传输面积在该体声波的传输方向发生变化。
2.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于：包含有所述体声波的传输面积为其它部分的所述体声波的传输面积的90％以下的部分。
3.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于：所述多个转换器中至少一部分的转换器的面积与其它转换器的面积不同。
4.根据权利要求3所述的压电谐振器，其特征在于：
进一步具有反射所述体声波的音响多层反射膜，其在所述预定方向交互地叠层具有预定的音响阻抗的第一反射膜、和具有与该第一反射膜不同的音响阻抗的第二反射膜；
在所述音响多层反射膜上形成所述多个转换器；
在所述多个转换器中，与所述音响多层反射膜相接的转换器的面积比其它转换器的面积窄。
5.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于：
进一步具有设置在所述多个转换器中的二个转换器之间的传输层；
所述传输层的面积与所述多个转换器中的至少一部分的所述转换器的面积不同。
6.根据权利要求5所述的压电谐振器，其特征在于：
所述传输层的面积比所述多个转换器中的至少一部分的转换器的面积窄。
7.根据权利要求6所述的压电谐振器，其特征在于：
进一步具有反射所述体声波的音响多层反射膜，其在所述预定方向交互地叠层具有预定的音响阻抗的第一反射膜、和具有与该第一反射膜不同的音响阻抗的第二反射膜；
在所述音响多层反射膜上形成所述多个转换器；
所述传输层的面积与所述多个转换器中的与所述音响多层反射膜相接的转换器以外的转换器的面积相同。
8.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于：
所述压电谐振器是SMR型压电谐振器或膜片型压电谐振器。
9.一种具有权利要求1所述的压电谐振器的电子部件。
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