WO1999012257A1

WO1999012257A1 - Appareil a ondes acoustiques de surface

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Publication number: WO1999012257A1
Application number: PCT/JP1998/002767
Authority: WO
Inventors: Kenji Inoue; Katsuo Sato
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2000-03-02
Also published as: DE69832041D1; CN1138342C; US6137207A; EP0955726B1; DE69832041T2; EP0955726A4; EP0955726A1; JP3188480B2; CN1237288A

Description

明細書

弾性表面波装置技術分野

本発明は、単結晶基板上に交差指状電極を有する弾性表面波装置に関する。背景技術

近年、携帯電話機を始めとした移動体通信端末機が急速に普及してきている。この端末機は、持ち運びの利便さから、特に小型軽量であることが望まれている。端末機の小型軽量化を達成するには、そこに使われる電子部品も小型軽量であることが必須であり、このため、端末機の高周波部や中間周波部には、小型軽量化に有利な弾性表面波装置、すなわち弾性表面波フィル夕が多用されている。弾性表面波装置は、圧電基板表面に、弾性表面波を励振、受信、反射、伝搬するための交差指状電極を形成したものである。

弾性表面波装置に使われる圧電基板に重要な特性として、弾性表面波の表面波速度（S AW速度）、フィル夕を構成した場合の中心周波数または共振子を構成した場合の共振周波数の温度係数（周波数温度係数： T C F ) 、電気機械結合係数（k ²) があげられる。これまでに知られている各種弾性表面波装置用圧電基板の特性を表 1に示す。表 1 記号組成カット角伝搬方向 SAW速度 k²(%) TCF (ppm/°C)

(m/s)

128LN Li b0₃ 128度回転 Y X 3992 5.5 -74

64LN LiNb0₃ 64度回転 Υ X 4742 11.3 -79

LT112 LiTa0₃ X 112度回転 Υ 3288 0.64 -18

36LT LiTaO., 36度回転 Υ X 4212 4.7 -45

ST水晶水晶 ST X 3158 0.14 0

(1次の係数）

BGO Bi₁₂GeO₂₀ (100) (011) 1681 1.2 -122

この表 1からわかるように、 64LN、 3 6 LTは 400 Om/s以上の S AW速度を有しており、端末機の高周波部のフィルタを構成するのに適している。この理由を説明すると、以下の通りである。携帯電話に代表される移動体通信は、世界各国で各種のシステムが実用化されているが、いずれのシステムでも 1 GHz前後の周波数が使用されている。したがって、端末機高周波部で使用されるフィル夕は、中心周波数が 1 GHz前後となる。弾性表面波フィルタの場合、その中心周波数は、使用する圧電基板の SAW速度にほぼ比例し、基板上に形成する電極指の幅にほぼ反比例する。そこで、高周波化のためには、 SAW速度の大きな基板、例えば 64 LN、 3 6 LTが好ましい。また、この高周波部のフィル夕には、通過帯域幅が 2 0 MHz以上である広帯域のものが要求されるが、広帯域化を実現するためには圧電基板の電気機械結合係数 k ²が大きいことが必須であり、このためにも、 64LN, 36 LTが多用されている。

一方、移動体端末機の中間周波数としては、 70〜300MHzの周波数帯が使用されている。この周波数帯に中心周波数が存在するフィルタを、弾性表面波装置を用いて構成する場合に、圧電基板として前記 64 LN、 3 6 LTを使用すると、基板上に形成する電極指の幅を、前記高周波部に使用されるフィル夕に比べて非常に大きくする必要がある。

具体的な数値を概算して上記したことを説明する。弾性表面波フィル夕を構成する弾性表面波変換器の電極指幅 dと、弹性表面波フィル夕の中心周波数 f 0と、使用する圧電基板の SAW速度 Vとの間には、おおむね

f o=V/ (4 d) · · · (1)

が成立する。 SAW速度を 40 0 Om/sとして、中心周波数 1 GHzの弾性表面波フィル夕を構成する場合、その電極指幅は上記（1) 式より、

d = 4000 (m/s) / (4X 1000 (MHz) ) = 1 ( m)

となる。一方、この SAW速度 400 Om/sの圧電基板を用いて、中心周波数 1 0 0 MHzの中間周波フィル夕を構成する場合、これに必要な電極指幅は、

d = 4000 (m/s) / (4X 100 (MHz) ) =10 (/zm)

となり、高周波部のフィル夕に比べて、必要な電極指幅が 10倍も大きくなつてしまう。電極指幅が大きくなるということは、弾性表面波装置そのものも大きくなってしまうことを意味する。そこで、弾性表面波中間周波フィル夕を小型なものとするには、上記（1) 式から明らかなように SAW速度 Vの小さな圧電基板を使う必要がある。

SAW速度が非常に小さい圧電基板として、上記表 1に示した B GOが知られている。 B GO圧電基板の SAW速度は 168 lm/sである。しかしながら、 BG 〇圧電基板は、周波数温度係数 TCFが— 122ppm/°Cと非常に大きいので、一つのチャンネルの信号だけを取り出す中間周波フィルタを構成するには適していない。なぜなら、 TCFが大きいということは、弾性表面波フィル夕の中心周波数が温度により大きく変化することを意味し、それにより、希望するチャンネルに隣接する他のチヤンネルの信号を取り出してしまうことがあるためである。また、 SAW速度が比較的小さい圧電基板として、上記表 1に示す ST水晶が知られている。 ST水晶は、周波数温度係数 TCFがほぼゼロ（一次温度係数 a がゼロ）であるため、中間周波フィルタを構成するうえで好適である。このため、従来、移動体通信用端末機の中間周波用弾性表面波フィルタは、殆ど ST水晶圧電基板が利用されていた。しかし、 ST水晶基板の S AW速度は 3158m/sであり、十分に小さいとはいえないため、小型化には限界がある。また、 ST水晶基板の電気機械結合係数 k ²は 0. 14%であり、比較的小さい。 k²が小さいということは、通過帯域の狭いフィルタしか構成できないということを意味する。これまでの移動体通信、すなわち携帯電話のシステムとしては、アナログ方式が主として採用されており、そのチャンネル幅は国内の NTT仕様では 12. 5kHz, 米国の AMP S仕様では 30kHz、欧州の TACS仕様では 25kHzと非常に狭帯域であつたので、前記 S T水晶基板の電気機械結合係数 k ²が小さいということは問題とならなかった。しかしながら、近年、周波数資源の有効利用、デジタルデ一夕通信との適合性等の点から、デジタル移動体通信システムが開発、実用化され急速に普及してきている。このデジタルシステムのチャンネル幅は、例えば欧州の携帯電話 GSM方式では 20 OkHz、コードレス電話 D E C T方式では 1. 7 MHzと、非常に広帯域となっている。このような広帯域の中間周波フィル夕を弾性表面波フィル夕で構成する場合、 ST水晶基板では、その実現が困難となっている。発明の開示

以上説明したように、従来、弾性表面波装置において、電気機械結合係数が大きい上記 64LN、 36 LT等の圧電基板を用いた場合、通過帯域を広くできるが、基板の S AW速度が大きいために素子寸法が大きくなるという問題があり、 —方、素子の小型化をはかるために S A W速度の小さな上記 B G O基板を用いた場合は、周波数温度係数 TC Fの絶対値が大きすぎるために良好な選択度が得られないという問題があり、いずれにしても中間周波用の弾性表面波フィル夕として十分な特性が得られなかった。

また、周波数温度係数 TCFが小さい ST水晶基板は、 SAW速度が十分に小さくはないので、小型化には限界があり、また、電気機械結合係数が比較的小さレ ^ので広帯域化が困難である。

本発明の目的は、小型で、選択度、すなわち温度特性が良好で、通過帯域の広い弾性表面波装置を提供することである。

上記の目的は、下記（1) の構成により達成される。

( 1 ) 基板表面に交差指状電極を有し、

前記基板が、化学式 L a:,Ga₅S i O_l4で表わされ、点群 32に属するランガサイト単結晶から構成され、

前記基板のランガサイト単結晶からの切り出し角および弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（Φ， Θ, ）と表わしたとき、 φ、 0および力 φ =— 5 ~5° 、 0 = 136〜 146° 、ゆ =21〜 30° で表される領域に存在し、前記交差指状電極の厚さ hを弾性表面波の波長 λで規格化した規格化膜厚 hZ λ (単位：％) と、弾性表面波伝搬方向を示す前記（単位：度）との関係が、 ≤25. 5° のとき

-3.79 (h/λ) +23.86 ≤ ≤-5.08 (h/λ) +26.96

であり、

ip>25. 5° のとき

4.39 (h/λ) +24.30≤ ≤ 3.54 (h/λ) +27.17

である弾性表面波装置。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の弾性表面波装置の構成例を示す斜視図である。

図 2は、交差指状電極の規格化膜厚が異なる場合の中心周波数変化率の温度依存性の違いを示すグラフである。

図 3は、弾性表面波伝搬方向が異なる場合の中心周波数変化率の温度依存性の違いを示すグラフである。

図 4は、各規格化膜厚における弾性表面波伝搬方向と頂点温度との関係を示すグラフである。

図 5Aは、伝搬方向ゆが 2 5. 5度以下である場合に、頂点温度が 1 0〜4 0での範囲となる規格化膜厚と伝搬方向との関係を示すグラフである。図 5 Bは、伝搬方向が 25. 5度を超える場合に、頂点温度が 10〜40°Cの範囲となる規格化膜厚と伝搬方向との関係を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

本願発明者らは、ランガサイト単結晶において、フィル夕の中心周波数または共振子の共振周波数の温度依存性が二次曲線で近似でき、かつ、 S AW速度が 3 O O O m/sを下回り、力つ、電気機械結合係数が 0 . 3 %を超える特性が得られるカツト角および弾性表面波伝搬方向の特定の組み合わせを、実験検討により見いだした。この特定の組み合わせは、オイラー角表示 ( φ， Θ , ゆ）において上記範囲内の Φ、 0およびで表される。また、本発明者らは、この特定の組み合わせにおいて、前記二次曲線の頂点に相当する温度、すなわち、中心周波数または共振周波数の変化が最も小さくなる温度が、弹性表面波伝搬方向（オイラー角表示におけるゆ）および交差指状電極の規格化膜厚と相関することを見いだした。なお、 Ιι Ζ λにおける hは交差指状電極の厚さであり、 λは中心周波数または共振周波数における弾性表面波の波長である。そして、前記頂点に相当する温度を室温近傍、具体的には 1 0でから 4 0 °Cの範囲内に存在させるために、本発明ではと hノ λとを上記した特定の関係となるように設定し、これにより、常用使用環境温度内で温度安定性に優れた、小型で広帯域の弾性表面波装置を実現した。

本発明の弾性表面波装置の構成例を第 1図に示す。この弾性表面波装置は、基板 2表面に、弹性表面波を励振、受信、反射、伝搬するための一組の交差指状電極 3、 3を有する。基板 2には、ランガサイト単結晶を用いる。ランガサイト単結晶は、点群 3 2に属する結晶型である。図中の X軸、 y軸および ζ軸は互いに直交している。 X軸および y軸は基板 2の面内方向にあり、 X軸は弾性表面波の伝搬方向を規定する。また、基板面に垂直な z軸は、単結晶基板の切り出し角

(カット面）を規定する。これら X軸、 y軸および z軸とランガサイト単結晶の X軸、 Y軸および Z軸との関係は、オイラー角表示（φ， Θ , ) で表わすことができる。本発明の弾性表面波装置における切り出し角および伝搬方向をォイラ一角表示 (Φ， θ, φ) で表わしたとき、 φ、 Θおよびは、

=— 5 ~ 0 、

0= 136〜 146° 、

■φ = 2 1〜30°

で表される領域に存在する。

この領域では、周波数の温度依存性が二次曲線的となるが、これを最小二乗法により一次の直線に近似すると、この領域内には、基板の周波数温度係数 TCFが ± lppmZ°C以内と非常に小さくなり、力つ、基板の結合係数 k ²が 0. 3%以上と十分に大きくなる Φ、 Θ、の組み合わせが存在する。

なお、ランガサイト単結晶は三方晶であるため、結晶の対称性から、互いに等価なオイラー角の組み合わせが存在する。三方晶基板では、 Φ = 1 20〜24 0° および φ = 240~360° (— 120〜0° ) は Φ = 0〜120° と等価であり、また、 0 = 360〜 180° (0〜一 180° ) は 0 = 0~180° と等価であり、また、 =90〜 270° は =一 90〜 90° と等価である。本発明は、以下の実施例に示す角度以外に、これと結晶学的に等価な角度に対しても同様の効果が得られる。

等価な組み合わせの具体例としては、例えば、以下のものが挙げられる。 (0° , 140° ， 2 5° ) と等価なものは、（60° , 40° , 25° ) 、 (60° ， 40° ， — 2 5° ) 、（ 1 20° , 140° ， — 2 5° ) 、（1 2 0° ， 140° , 25° ) であり、 φ=120° と φ = 0° とは等価であるから、 (0° , 140° ， — 25° ) も等価である。

次に、弾性表面波伝搬方向を規定するゆと、交差指状電極の規格化膜厚 h/λ とを、上記関係とする理由について説明する。

まず、 CZ法により結晶育成してランガサイト単結晶を作製し、これを切り出して基板を得た。この基板の表面に一組の交差指状電極からなる弾性表面波変換器を形成し、弾性表面波装置とした。交差指状電極は、入力側、出力側共に A 1 の蒸着により形成し、電極指幅 dは Ι Ο Π 電極指ピッチ（4 d = A) は 40 m、電極指対数は 20とした。電極厚さ（規格化膜厚）は、 0. 3 % (0. 1 2 m) 、 0. 5 % (0. 20 m) または 0. 7 5 % (0. 30 m) とした。基板の切り出し角は、オイラー角表示で（0° , 140° ，）とした。この切り出し角は、カツ卜のための結晶の回転が一度ですむいわゆるシングルローテーションであり、好ましい切り出し角である。以下、この（0° ， 140° ，）基板につき、具体的データを示し、本発明の有用性を説明する。

図 2に、上記方法により作製した弾性表面波装置（弾性表面波フィルタ）の中心周波数の温度依存性を示す。図 2に示す弾性表面波装置は、伝搬方向をォイラ —角表示で =22° とし、規格化膜厚 ίιΖλを 0. 5 %または 0. 7 5 %としたものである。図 2から、中心周波数の温度依存性が二次曲線でよく近似でき、かつ、この二次曲線の頂点温度が規格化膜厚 hZAに依存して変化することがわかる。一方、規格化膜厚を固定し、弾性表面波伝搬方向を変えた場合も、この二次曲線の頂点温度は移動する。この例を示したのが図 3である。図 3には、規格化膜厚 hZAを 0. 7 5 %に固定し、 =2 2° または = 3 0° とした例を示してある。これらのことから、本願発明者らは、電極の規格化膜厚に応じて弾性表面波伝搬方向を選定して、頂点温度を室温近傍に設定することにより、弾性表面波装置の温度安定性を向上させ得るという考えに至った。なお、図 2および図 3における中心周波数の変化率は、中心周波数の最大値（頂点温度における中心周波数）を f 。、任意の温度における中心周波数を f として、

( f - f „) / f 0

により算出した値である。

図 2および図 3に示すように中心周波数変化率の温度依存性を二次曲線で近似し、その二次曲線の頂点温度（ターン ·オーバー温度）を求め、この頂点温度と、伝搬方向ゆおよび規格化膜厚 ΙιΖλとの関係を調べた。結果を図 4に示す。図 4 には、規格化膜厚が 0. 3%、 0. 5%または 0. 75 %である場合のそれぞれについて、伝搬方向と頂点温度との関係を示してある。同図から、伝搬方向が、 25度と 26度との間（25. 5度）を境に、の小さな領域ではの増大とともに頂点温度が低くなり、ゆの大きな領域ではの増大とともに頂点温度が高くなることがわかる。

装置の温度安定性という点から、前記頂点温度は室温（通常 25°C程度）近傍、すなわち 10〜40 の範囲にあることが望ましい。そこで、図 4をもとに、頂点温度が 10°Cとなる規格化膜厚 ΙιΖλと伝搬方向との関係、および頂点温度が 40°Cとなる規格化膜厚 h/λと伝搬方向ゆとの関係を求めると、伝搬方向ゆが 25. 5度以下の場合には図 5 Aに示す結果が得られ、伝搬方向ゆが 25. 5 度を超える場合には図 5 Bに示す結果が得られる。すなわち、本発明において限定する hZAとゆとの関係式が得られる。交差指状電極の規格化膜厚 hZAに応じて、伝搬方向を図 5 Aおよび図 5 B中の上側の直線と下側の直線とに挟まれる範囲内に設定することにより、周波数温度特性の頂点温度が室温付近に設定され、よって温度安定性に優れた装置が得られる。

なお、中心周波数または共振周波数における弾性表面波の波長 λは、弾性表面波装置が適用される周波数と基板の音速とによって決定されるが、本発明が適用される好ましい周波数帯域では、一般に 8〜60 m程度である。また、交差指状電極の厚さ hは、薄すぎると電気抵抗が増大し、厚すぎると電極形成が困難となり、また、剥離が生じやすくなるので、一般に 0. 1〜2 im程度とする。したがつて、交差指状電極の規格化膜厚 hZAは、一般に 0. 17〜25%程度となる、図 5Aではぇ=2. 40 %のときに上下の直線が交わり、図 5Bでは h Ζλ = 3. 38 %のときに上下の直線が交わるため、これらが h/λの上限となる。

本発明で用いるランガサイト単結晶は、ー般に化学式し &₃。&551〇₁₄で表される。ランガサイト単結晶は、例えば、 Proc. IEEE International Frequency Con trol Sympo. vol.1994 pp48 - 57(1994)などにより知られているが、本発明は、ランガサイト単結晶を弹性表面波装置の基板に適用するに際し、結晶のカツト方向を前述したように選択し、さらに、交差指状電極の規格化膜厚に応じて弾性表面波の伝搬方向を前述したように選択することにより、上記した高特性の弾性表面波装置を実現する点で、従来の使用方法とは異なる。

本発明で用いるランガサイト単結晶は、 X線回折でランガサイト相だけが観察されるものであればよい。すなわち、上記化学式で表わされるものに限らず、例えば、 L a、 Ga、 S iの各サイトの少なくとも一部を他の元素で置換してもよく、酸素数が上記化学量論組成から外れていてもよい。また、不可避的不純物、例えば Aし Z r、 Fe、 Ce、 Nd、 P t、 C a等が含まれていてもよい。ランガサイト単結晶の製造方法は特に限定されず、通常の単結晶育成法、例えば C Z法などにより製造すればよい。

基板の寸法は特に限定されないが、一般に、表面波伝搬方向は 4〜1 Oim程度、これと直交する方向は 2〜4匪程度、厚さは 0. 2〜0. 4mi程度である。なお、基板のカット方向は、 X線回折により確認することができる。基板 2上に形成される交差指状電極 3は、周期的なストライプ状に形成される。交差指状電極は、その膜厚に応じて弾性表面波伝搬方向が上記した所定の方向となるようにパターニングがなされる。交差指状電極は、 A 1や A 1合金などを用いて蒸着やスパッ夕などにより形成すればよい。交差指状電極の電極指幅は、弾性表面波装置が適用される周波数および基板の音速に応じて適宜決定すればよく、本発明が適用される好ましい周波数帯域では、一般に 2〜1 程度である。

本発明の弾性表面波装置は、一般に周波数 10〜500MHz、特に周波数 10〜 3 0 0 MHzの帯域におけるフィルタに好適である。また、本発明では、 S AW速度が小さい基板を用いることから、弾性表面波遅延素子の小型化にも有用である。効果

本発明によれば、ランガサイト単結晶基板において切り出し角を最適なものとすることにより、電気機械結合係数 k ²が大きく、 S AW速度が小さい基板を有する弾性表面波装置を実現でき、さらに、その基板における弾性表面波の伝搬方向を、基板表面上に形成する交差指状電極の規格化膜厚に応じて適宜選定することにより、きわめて温度安定性に優れた装置が実現できる。

Claims

請求の範囲

1. 基板表面に交差指状電極を有し、

前記基板が、化学式 L a₃Ga₅S i〇₁₄で表わされ、点群 32に属するランガサイト単結晶から構成され、

前記基板のランガサイト単結晶からの切り出し角および弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ， θ, ）と表わしたとき、 Φ、 Θおよびが、 Φ =— 5 〜5° 、 0 = 1 36〜 146° 、 =2 1〜 30° で表される領域に存在し、刖交差指状電極の厚さ hを弾性表面波の波長 λで規格化した規格化膜厚 h / λ (単位： %) と、弾性表面波伝搬方向を示す前記（単位：度）との関係が、 ≤2 5. 5° のとき

-3.79 (h/λ) +23.86 ≤^≤-5.08 (h/λ) +26.96

であり、

>2 5. 5° のとき

4.39 (h/λ) +24.30 ≤φ≤ 3.54 (h/λ) +27.17

である弾性表面波装置。