JP2003051734A - Surface acoustic wave element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は弾性表面波素子に
関し、特に、圧電多結晶体からなる圧電性基板の表面に
櫛形交差電極が形成され、BGS波を励振させ、高周波
共振子や高周波フィルタなどに用いられる、弾性表面波
素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface acoustic wave device, and more particularly, to a comb-shaped crossed electrode formed on the surface of a piezoelectric substrate made of a piezoelectric polycrystal, which excites BGS waves to generate a high frequency resonator and a high frequency filter. The present invention relates to a surface acoustic wave device used in.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に弾性表面波素子は、圧電性を有す
る基板(圧電性基板)上に、多数の電極指を有する櫛形
の電極対が、電極指が互いに交差するように配置され、
その櫛形交差電極に電気信号を供給することにより弾性
表面波を励振するものである。2. Description of the Related Art Generally, in a surface acoustic wave device, a comb-shaped electrode pair having a large number of electrode fingers is arranged on a substrate having piezoelectricity (piezoelectric substrate) so that the electrode fingers cross each other.
The surface acoustic wave is excited by supplying an electric signal to the comb-shaped cross electrodes.
【0003】弾性表面波では、レイリー波が最も一般的
であるが、BGS波(Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave
または圧電表面すべり波)やラブ波などの応用も検討さ
れている。Rayleigh waves are the most common surface acoustic waves, but BGS (Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave)
Also, applications such as piezoelectric surface slip waves) and Love waves are being studied.
【0004】これらの弾性表面波素子は、その共振周波
数や電気的または機械的品質係数Q、電気機械結合係数
kなどの電気的および機械的特性が圧電性基板の材質と
櫛形交差電極の構造とによりほぼ決定され、高周波共振
子や高周波フィルタとして利用されることが可能であ
る。These surface acoustic wave devices have a piezoelectric substrate material and a structure of a comb-shaped crossing electrode because of their electrical and mechanical characteristics such as resonance frequency, electrical or mechanical quality factor Q, and electromechanical coupling factor k. Can be used as a high frequency resonator or a high frequency filter.
【0005】ところで、弾性表面波は、文字どおり、エ
ネルギーが基板の表面付近に集中して伝播する弾性波の
ことである。等方性の基板の表面を伝搬する弾性表面波
は、その変位成分が波の進行方向と基板の深さ方向のみ
であり、横波に相当し波の進行方向に垂直な方向でかつ
基板表面に並行な方向の成分のみをもつ表面波(SH
波;horizontally-polarized shear wave )は存在しな
い。By the way, the surface acoustic wave is literally a surface acoustic wave in which energy is concentrated and propagates near the surface of the substrate. A surface acoustic wave propagating on the surface of an isotropic substrate has displacement components only in the traveling direction of the wave and the depth direction of the substrate, which corresponds to a transverse wave and is in a direction perpendicular to the traveling direction of the wave and on the substrate surface. A surface wave (SH with only parallel components)
Wave; there is no horizontally-polarized shear wave).
【0006】ところが、圧電性基板は、異方性であるた
めに、SH波(擬似的なSH波を含む)をその表面付近
にエネルギーを集中させて伝播させることが可能であ
る。この表面波をBGS波と呼ぶが、BGS波は圧電性
基板の伝播方向の端面で完全に反射するため、レイリー
波を励振する弾性表面波素子のように基板上に反射器
(リフレクター)を形成する必要がなく、したがって、
BGS波は弾性表面波素子の小型化の点でレイリー波よ
り有利である。However, since the piezoelectric substrate is anisotropic, it is possible to propagate SH waves (including pseudo SH waves) by concentrating energy near the surface thereof. This surface wave is called a BGS wave. Since the BGS wave is completely reflected by the end face in the propagation direction of the piezoelectric substrate, a reflector is formed on the substrate like a surface acoustic wave element that excites Rayleigh waves. Need not be, therefore
The BGS wave is more advantageous than the Rayleigh wave in terms of downsizing the surface acoustic wave device.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、BGS
波においては、電気機械結合係数kが小さい基板を用い
た場合、反共振周波数でのインピーダンスZaと共振周
波数でのインピーダンスZrとの比であるインピーダン
ス比Za/Zrが小さく、狭帯域のフィルタを形成した
場合、十分なフィルタ特性が得られないという問題があ
った。一方、電気機械結合係数kが大きい基板を用いた
場合、インピーダンス比Za/Zrは大きく、広帯域の
フィルタを形成することが可能であるが、耐候性が不良
であるという問題があった。However, the BGS
In the case of a wave, when a substrate having a small electromechanical coupling coefficient k is used, the impedance ratio Za / Zr, which is the ratio of the impedance Za at the antiresonance frequency to the impedance Zr at the resonance frequency, is small, forming a narrow band filter. In that case, there is a problem that sufficient filter characteristics cannot be obtained. On the other hand, when a substrate having a large electromechanical coupling coefficient k is used, the impedance ratio Za / Zr is large and a wide band filter can be formed, but there is a problem that the weather resistance is poor.
【0008】また、弾性表面波素子において、基板の材
料種の自由度が高いことが望まれている。Further, in the surface acoustic wave device, it is desired that the degree of freedom of the material type of the substrate is high.
【0009】それゆえに、この発明の主たる目的は、反
共振周波数でのインピーダンスと共振周波数でのインピ
ーダンスとの比であるインピーダンス比が大きく、耐候
性がよく、基板の材料種の自由度が高い、弾性表面波素
子を提供することである。Therefore, the main object of the present invention is that the impedance ratio, which is the ratio of the impedance at the anti-resonance frequency to the impedance at the resonance frequency, is large, the weather resistance is good, and the degree of freedom of the material type of the substrate is high. An object is to provide a surface acoustic wave device.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】この発明にかかる弾性表
面波素子は、圧電性基板の表面に櫛形交差電極が形成さ
れ、櫛形交差電極に電気信号を供給することにより弾性
表面波が励振される弾性表面波素子において、圧電性基
板は、圧電多結晶体からなり、かつ櫛形交差電極が形成
される面に対して垂直な方向に、電気的特性および機械
的特性が異なるように2層以上積層されたことを特徴と
する、弾性表面波素子である。In a surface acoustic wave element according to the present invention, a comb-shaped cross electrode is formed on the surface of a piezoelectric substrate, and a surface acoustic wave is excited by supplying an electric signal to the comb-shaped cross electrode. In the surface acoustic wave device, the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric polycrystal and has two or more layers laminated in a direction perpendicular to the surface on which the comb-shaped cross electrodes are formed so that the electrical and mechanical properties are different. It is a surface acoustic wave device characterized by being processed.
【0011】この発明にかかる弾性表面波素子では、圧
電性基板は、電気的特性および機械的特性が傾斜するよ
うに積層されてもよい。In the surface acoustic wave element according to the present invention, the piezoelectric substrate may be laminated so that the electric characteristics and the mechanical characteristics are inclined.
【0012】また、この発明にかかる弾性表面波素子で
は、弾性表面波としてBGS波が用いられてもよい。In the surface acoustic wave device according to the present invention, BGS waves may be used as the surface acoustic waves.
【0013】さらに、この発明にかかる弾性表面波素子
では、組成の異なる圧電磁器材料からなるシートを2枚
以上積層して積層体とし、積層体を焼結することによ
り、圧電体基板が形成されてもよい。Further, in the surface acoustic wave element according to the present invention, a piezoelectric substrate is formed by laminating two or more sheets of piezoelectric ceramic materials having different compositions into a laminated body and sintering the laminated body. May be.
【0014】また、この発明にかかる弾性表面波素子で
は、シートの一部を隣接するシート間で熱拡散すること
により、電気的特性および機械的特性が傾斜する圧電性
基板が形成されてもよい。Further, in the surface acoustic wave element according to the present invention, a piezoelectric substrate having inclined electric and mechanical characteristics may be formed by thermally diffusing a part of the sheet between adjacent sheets. .
【0015】上述の問題について、その主要因を鋭意研
究した結果、波のエネルギーの表面集中度がこれらの問
題に関与していることが明らかとなった。BGS波は、
レイリー波と比べると波の表面集中度が小さいことが知
られている。BGS波のエネルギーの表面集中度は、圧
電性基板の電気機械結合係数kと誘電率εによってほぼ
決定される。特に圧電性基板の表面に電極がある場合、
電気機械結合係数kが支配的であり、電気機械結合係数
kが大きいほどBGS波のエネルギーの表面集中度が増
すことが明らかとなっている。よって、電気機械結合係
数kが小さい圧電性基板を用いた場合、BGS波のエネ
ルギーの表面集中度が低くなり、波のエネルギーは圧電
性基板の厚み方向にある程度の幅をもって分布すること
になる。表面集中度の低下は、圧電性基板内での波の損
失要因となる。よって、この損失が前述のインピーダン
ス比の低下の主原因となると考えられる。As a result of diligent research into the main factors of the above problems, it was revealed that the degree of surface concentration of wave energy is involved in these problems. The BGS wave is
It is known that the surface concentration of the wave is smaller than that of the Rayleigh wave. The surface concentration of BGS wave energy is substantially determined by the electromechanical coupling coefficient k and the dielectric constant ε of the piezoelectric substrate. Especially when there are electrodes on the surface of the piezoelectric substrate,
It has been clarified that the electromechanical coupling coefficient k is dominant, and that the larger the electromechanical coupling coefficient k, the higher the surface concentration of the BGS wave energy. Therefore, when a piezoelectric substrate having a small electromechanical coupling coefficient k is used, the surface concentration of BGS wave energy is low, and the wave energy is distributed with a certain width in the thickness direction of the piezoelectric substrate. The decrease in the surface concentration causes a loss of waves in the piezoelectric substrate. Therefore, it is considered that this loss is the main cause of the decrease in the impedance ratio.
【0016】この問題に対し、電気機械結合係数kが小
さい圧電性基板でも、BGS波のエネルギーを表面付近
に集中させることができれば、インピーダンス比の低下
が抑制できる。そのため、弾性表面波素子において、圧
電性基板の厚み方向で、電気機械結合係数kが異なる圧
電媒体を多層的、あるいは傾斜的に配置させることによ
り、表面近傍の電気機械結合係数kのみを低くし、そこ
から厚み方向へは電気機械結合係数kの高い圧電媒体を
配置する構造をとり、BGS波のエネルギーを表面付近
に集中させ、電気機械結合係数kの低い弾性表面波素子
でも、インピーダンス比が比較的高い弾性表面波素子を
構成できることを見出した。To solve this problem, even if the piezoelectric substrate has a small electromechanical coupling coefficient k, if the energy of the BGS wave can be concentrated near the surface, the decrease in impedance ratio can be suppressed. Therefore, in the surface acoustic wave element, by arranging piezoelectric media having different electromechanical coupling coefficients k in multiple layers or in an inclined manner in the thickness direction of the piezoelectric substrate, only the electromechanical coupling coefficient k near the surface is lowered. A structure in which a piezoelectric medium having a high electromechanical coupling coefficient k is arranged in the thickness direction from there to concentrate the energy of the BGS wave near the surface, and even in a surface acoustic wave element having a low electromechanical coupling coefficient k, the impedance ratio is It has been found that a relatively high surface acoustic wave device can be constructed.
【0017】一方、電気機械結合係数kが高い圧電性基
板を用いた場合、耐候性、特に耐湿性が悪化し、耐湿試
験による周波数の変化が大きくなるという問題がある。
この問題は、上述のとおり電気機械結合係数kが大きい
圧電性基板ではBGS波の表面集中度が高く、したがっ
て最も湿度や気温による劣化の影響を受けやすい表面付
近のみを波が伝播することによる。よって、上述の場合
とは反対に、表面付近のみが電気機械結合係数kの高い
圧電媒体とし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数
kの低い圧電媒体を配置する構造をとることにより、B
GS波のエネルギーの過度の表面集中を抑制し、耐湿性
に優れた電気機械結合係数kの高い弾性表面波素子を構
成可能であることを見出した。On the other hand, when a piezoelectric substrate having a high electromechanical coupling coefficient k is used, there is a problem that the weather resistance, particularly the humidity resistance is deteriorated and the frequency change due to the humidity resistance test becomes large.
This problem is due to the fact that the piezoelectric substrate having a large electromechanical coupling coefficient k has a high degree of surface concentration of BGS waves as described above, and therefore the waves propagate only near the surface most susceptible to deterioration due to humidity and temperature. Therefore, contrary to the above case, the piezoelectric medium having a high electromechanical coupling coefficient k is provided only near the surface, and the piezoelectric medium having a low electromechanical coupling coefficient k is arranged in the thickness direction from the piezoelectric medium.
It has been found that a surface acoustic wave device having a high electromechanical coupling coefficient k with excellent moisture resistance can be configured by suppressing excessive surface concentration of GS wave energy.
【0018】ところで、このような表面波の表面集中度
を制御することにより特性を向上するという観点での発
明は全く新しいものであるが、従来技術を用いても類似
の構成が可能である。たとえば特開平9−208399
号には、材質の異なる圧電単結晶を積層する構造が示さ
れている。特開平9−208399号に示されている発
明は結晶性、接合性を良好に維持し、弾性表面波装置の
特性向上を目的としている。しかしながら、このような
圧電単結晶の積層構造により本発明のように表面波の表
面集中度を制御する場合、その材料種に制限があり、所
望の特性が得られにくいと考えられる。さらに、難加工
性、加工コストの増大、接合不良などの問題が懸念され
る。By the way, the invention from the viewpoint of improving the characteristics by controlling the degree of surface concentration of the surface wave is completely new, but a similar configuration can be made by using the conventional technique. For example, JP-A-9-208399
Japanese Patent No. 3242187 discloses a structure in which piezoelectric single crystals made of different materials are laminated. The invention disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-208399 aims to improve the characteristics of a surface acoustic wave device while maintaining good crystallinity and bondability. However, when the surface concentration of surface waves is controlled by such a laminated structure of piezoelectric single crystals as in the present invention, it is considered that there are restrictions on the material type and it is difficult to obtain desired characteristics. Furthermore, there are concerns about problems such as difficult workability, increased processing cost, and defective bonding.
【0019】したがって、本発明では積層あるいは傾斜
的に配置する材料種の自由度が高く、しかもその加工が
容易である圧電多結晶体を用いて積層、傾斜構造を構成
することにより、本発明の主効果である表面波の表面集
中度制御と、それによる特性向上を実現したものであ
る。Therefore, in the present invention, the piezoelectric polycrystalline material, which has a high degree of freedom in the kind of material to be laminated or arranged in a tilted manner and is easy to process, is used to form a laminated or tilted structure. The main effect is to control the surface concentration of surface waves and improve the characteristics accordingly.
【0020】この発明の上述の目的、その他の目的、特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the embodiments of the invention with reference to the drawings.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】(実施例)本発明の実施例におけ
る試料の作製工程および評価工程を図1に示す。以下に
その詳細を述べる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION (Embodiment) FIG. 1 shows a sample manufacturing process and an evaluation process in an embodiment of the present invention. The details will be described below.
【0022】素原料としてPb3 O4 、ZrO2 、Ti
O2 、MnCO3 、NiO、Nb2O5 を表1の組成式
の圧電磁器組成物A、B、Cが得られるようにそれぞれ
秤量し、それぞれの混合物をそれぞれ4〜32時間ボー
ルミルで混合・粉砕した。As raw materials, Pb 3 O 4 , ZrO 2 , Ti
O 2 , MnCO 3 , NiO, and Nb 2 O 5 were weighed so as to obtain the piezoelectric ceramic compositions A, B, and C having the composition formula shown in Table 1, and the respective mixtures were mixed in a ball mill for 4 to 32 hours. Crushed.
【0023】[0023]
【表1】 [Table 1]
【0024】そして、それぞれの混合物を脱水、乾燥し
て、800〜900℃の温度で2時間仮焼した後、得ら
れた粉末にバインダー、分散剤、消泡剤を3〜10重量
%混合ないし加えて8〜16時間粉砕してスラリーを作
製し、ドクターブレード法にて50〜150μmの厚み
のセラミックシートを成形ないし作製した。Then, the respective mixtures are dehydrated, dried and calcined at a temperature of 800 to 900 ° C. for 2 hours, and then the obtained powder is mixed with 3 to 10% by weight of a binder, a dispersant and an antifoaming agent. In addition, a slurry was prepared by pulverizing for 8 to 16 hours, and a ceramic sheet having a thickness of 50 to 150 μm was formed or prepared by the doctor blade method.
【0025】圧電磁器組成物A、BおよびCからなるシ
ートA、BおよびCを図2(A)〜図2(F)に示すそ
れぞれの条件で重ね圧着し、それぞれの成形体を110
0〜1250℃で1〜3時間焼成し、得られた焼成体の
片主面に#800〜#8000の研磨を順に施して鏡面
研磨し、表面の第1層の厚みが10〜100μmで、素
子の総厚みが300〜700μmの圧電性基板を得た。Sheets A, B and C made of the piezoelectric ceramic compositions A, B and C were overlaid and pressure bonded under the respective conditions shown in FIGS.
Calcination is performed at 0 to 1250 ° C. for 1 to 3 hours, one main surface of the obtained calcination body is subjected to # 800 to # 8000 polishing in order and mirror-polished, and the thickness of the first layer on the surface is 10 to 100 μm. A piezoelectric substrate having a total element thickness of 300 to 700 μm was obtained.
【0026】そして、それぞれの圧電性基板の両主面に
櫛形の分極用電極をAg蒸着電極で形成し、分極方向が
圧電性基板の表面と平行な方向となるように圧電性基板
に分極処理を施した。分極は、60〜120℃のオイル
中で2.0〜4.0kV/mmの電界を30〜60分印
加して行った。その後、Ag蒸着電極をエッチング液で
除去し、分極済みの圧電性基板を得た。Then, comb-shaped polarization electrodes are formed by Ag vapor deposition electrodes on both main surfaces of each piezoelectric substrate, and the piezoelectric substrates are polarized so that the polarization direction is parallel to the surface of the piezoelectric substrates. Was applied. Polarization was performed by applying an electric field of 2.0 to 4.0 kV / mm in oil at 60 to 120 ° C. for 30 to 60 minutes. Then, the Ag vapor deposition electrode was removed with an etching solution to obtain a polarized piezoelectric substrate.
【0027】それから、従来と同様の工程で、上述の圧
電性基板の片主面にスパッタ蒸着法によりAl電極膜を
形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニング
することによって、櫛形交差電極を形成した。この場
合、櫛形交差電極は、上述の櫛形の分極用電極を形成し
た方向とは垂直方向に形成した。そして、圧電性基板を
所望の大きさにカットすることにより、図2(A)〜図
2(F)に示す各構造からなる圧電性基板ごとに、図3
に示す弾性表面波素子(試料)を得た。Then, in a process similar to the conventional process, an Al electrode film is formed on one principal surface of the above-mentioned piezoelectric substrate by a sputter deposition method and is patterned by using a photolithography technique to form a comb-shaped cross electrode. . In this case, the comb-shaped cross electrode was formed in a direction perpendicular to the direction in which the above-mentioned comb-shaped polarization electrode was formed. Then, by cutting the piezoelectric substrate into a desired size, the piezoelectric substrate having each structure shown in FIGS.
The surface acoustic wave device (sample) shown in (1) was obtained.
【0028】それぞれの弾性表面波素子を端子付き治具
に固定し、弾性表面波素子と端子とをワイヤーで結合
し、インピーダンスアナライザでその特性を評価した。
評価した項目は、反共振点と共振点のインピーダンス比
Za/Zr、BGS波の電気機械結合係数kBGS 、機械
的品質係数QmBGS 、および湿中放置前後の共振周波数
のシフト量Δfr/frである。その結果を表2にまと
めた。Each surface acoustic wave element was fixed to a jig with a terminal, the surface acoustic wave element and the terminal were connected by a wire, and the characteristics were evaluated by an impedance analyzer.
The evaluated items are the impedance ratio Za / Zr between the anti-resonance point and the resonance point, the electromechanical coupling coefficient k BGS of the BGS wave, the mechanical quality coefficient Qm BGS , and the shift amount Δfr / fr of the resonance frequency before and after leaving in humidity. is there. The results are summarized in Table 2.
【0029】[0029]
【表2】 [Table 2]
【0030】表2において、試料A−1は図2(A)に
示す多層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、
試料A−2は図2(B)に示す傾斜構造からなる圧電性
基板を有する試料であり、試料A−3は図2(C)に示
す単層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試
料C−1は図2(D)に示す多層構造からなる圧電性基
板を有する試料であり、試料C−2は図2(E)に示す
傾斜構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料
C−3は図2(F)に示す単層構造からなる圧電性基板
を有する試料であり、*印を付した試料A−3、C−3
は比較例であり、本発明の範囲外である。なお、図4お
よび図5に示すグラフにおいても、同様である。In Table 2, sample A-1 is a sample having a piezoelectric substrate having a multilayer structure shown in FIG.
Sample A-2 is a sample having a piezoelectric substrate having an inclined structure shown in FIG. 2B, and Sample A-3 is a sample having a piezoelectric substrate having a single-layer structure shown in FIG. 2C. , Sample C-1 is a sample having a piezoelectric substrate having a multilayer structure shown in FIG. 2D, and Sample C-2 is a sample having a piezoelectric substrate having an inclined structure shown in FIG. 2E. , Sample C-3 is a sample having a piezoelectric substrate having a single-layer structure shown in FIG. 2F, and Samples A-3 and C-3 marked with *
Is a comparative example and is outside the scope of the present invention. The same applies to the graphs shown in FIGS. 4 and 5.
【0031】また、表2において、Δfr/fr(%)
は、雰囲気温度60℃、湿度95%R.H.の恒温恒湿
槽に試料を放置した耐湿試験1000時間後の共振周波
数frの変化率である。Further, in Table 2, Δfr / fr (%)
Has an ambient temperature of 60 ° C. and a humidity of 95% R.V. H. Is the rate of change of the resonance frequency fr after 1000 hours of the humidity resistance test in which the sample was left in the constant temperature and humidity chamber.
【0032】さらに、これとは別に、それぞれの弾性表
面波素子(試料)についてBGS波のエネルギーの表面
付近の分布を有限要素法(FEM)によるシュミレーシ
ョンにより求めた。その結果を図4および図5に示す。Separately from this, the distribution of the energy of the BGS wave near the surface of each surface acoustic wave element (sample) was obtained by simulation by the finite element method (FEM). The results are shown in FIGS. 4 and 5.
【0033】表2において試料A−1、A−2およびA
−3を比較した場合、どの試料も電気機械結合係数k
BGS は20%程度と非常に低いにもかかわらず、比較例
の試料A−3と比較して、本発明にかかる試料A−1お
よびA−2では、インピーダンス比Za/Zrが45d
B以上であり、良好なフィルタを形成することが可能な
インピーダンス比Za/Zrを確保できることがわか
る。In Table 2, samples A-1, A-2 and A
-3, the electromechanical coupling coefficient k for all samples
Although the BGS is very low at about 20%, the impedance ratio Za / Zr is 45d in the samples A-1 and A-2 according to the present invention, as compared with the sample A-3 in the comparative example.
It can be seen that the impedance ratio Za / Zr capable of forming a good filter can be ensured because it is B or more.
【0034】また、図4に示すシュミレーション結果よ
り、本発明にかかる試料A−1およびA−2では、比較
例の試料A−3と比較して、BGS波のエネルギーが表
面付近に集中していることがわかる。これは弾性表面波
素子において、圧電性基板の厚み方向で、電気機械結合
係数kが異なる圧電媒体を多層的、あるいは傾斜的に配
置させることにより表面近傍の電気機械結合係数kのみ
を低くし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数kの
高い圧電媒体を配置する構造をとることにより、BGS
波のエネルギーを表面付近に集中させることができるこ
とを示している。したがって、電気機械結合係数kの低
い弾性表面波素子でも、波の表面集中度の低下による圧
電性基板内での波の損失を抑制でき、インピーダンス比
の低下の小さい弾性表面波素子を構成できる。Further, from the simulation result shown in FIG. 4, in the samples A-1 and A-2 according to the present invention, the energy of the BGS wave was concentrated near the surface as compared with the sample A-3 of the comparative example. You can see that This is because in the surface acoustic wave device, piezoelectric media having different electromechanical coupling coefficients k in the thickness direction of the piezoelectric substrate are arranged in multiple layers or in an inclined manner to lower only the electromechanical coupling coefficient k near the surface, By adopting a structure in which a piezoelectric medium having a high electromechanical coupling coefficient k is arranged in the thickness direction from that, the BGS
It shows that the wave energy can be concentrated near the surface. Therefore, even with a surface acoustic wave element having a low electromechanical coupling coefficient k, it is possible to suppress the wave loss in the piezoelectric substrate due to a decrease in the surface concentration of the wave, and to configure a surface acoustic wave element with a small decrease in impedance ratio.
【0035】次に、表2において試料C−1、C−2お
よびC−3を比較した場合、どの試料も電気機械結合係
数kBGS は50%以上と非常に高いにもかかわらず、比
較例の試料C−3と比較して、本発明にかかる試料C−
1およびC−2では、耐湿試験1000時間後の共振周
波数のシフト量が半分以下に低下させ得ることがわか
る。Next, when the samples C-1, C-2 and C-3 in Table 2 are compared, the electromechanical coupling coefficient k BGS of each sample is 50% or more, which is very high, but a comparative example. Sample C-according to the present invention as compared with Sample C-3 of
1 and C-2 show that the shift amount of the resonance frequency after 1000 hours of the humidity resistance test can be reduced to half or less.
【0036】また、図4のシュミレーション結果より、
本発明にかかる試料C−1およびC−2では、比較例の
試料C−3と比較して、BGS波のエネルギーの過度の
表面集中を抑制できていることがわかる。From the simulation result of FIG. 4,
It can be seen that the samples C-1 and C-2 according to the present invention can suppress excessive surface concentration of BGS wave energy as compared with the sample C-3 of the comparative example.
【0037】電気機械結合係数kが高い圧電性基板を用
いた場合、耐候性、特に耐湿性が悪化し、耐湿試験によ
る周波数の変化が大きくなるという問題は、上述のとお
り電気機械結合係数kが大きい圧電性基板ではBGS波
の表面集中度が高く、したがって最も湿度や気温による
劣化の影響を受けやすい表面付近のみを波が伝播するこ
とによる。よって、上述のように、表面付近のみが電気
機械結合係数kの高い圧電媒体とし、そこから厚み方向
へは電気機械結合係数kの低い圧電媒体を配置する構造
をとることにより、BGS波のエネルギーの過度の表面
集中を抑制し、耐湿性の優れた、電気機械結合係数kの
高い弾性表面波素子を構成できる。When a piezoelectric substrate having a high electromechanical coupling coefficient k is used, the weather resistance, particularly the humidity resistance is deteriorated and the frequency change due to the humidity resistance test becomes large. This is because a large piezoelectric substrate has a high degree of surface concentration of BGS waves, and therefore waves propagate only near the surface that is most susceptible to deterioration due to humidity and temperature. Therefore, as described above, the piezoelectric medium having a high electromechanical coupling coefficient k is formed only in the vicinity of the surface, and the piezoelectric medium having a low electromechanical coupling coefficient k is arranged in the thickness direction from the surface, whereby the energy of the BGS wave is increased. It is possible to configure a surface acoustic wave element having a high electromechanical coupling coefficient k, which suppresses excessive surface concentration of the element, has excellent moisture resistance.
【0038】なお、本実施例においては、圧電磁器組成
物の組成および電気的、機械的な特性の異なる組成物を
2層以上重ねた成形体を焼成することにより得られる多
層構造、あるいは傾斜構造の圧電性基板が用いられる。
この場合、各層の各々の圧電磁器組成物がその界面近傍
で、その一部が熱拡散しているような多層構造、あるい
は疑似的な傾斜構造を有していると考えられる。しかし
ながら、本発明はこの実施例に限定されるものではな
い。つまり、本発明は組成あるいは電気的、機械的な特
性の異なる圧電媒体よりなる多層構造、あるいは傾斜構
造の圧電性基板を有する弾性表面波素子を構成すること
により、弾性表面波のエネルギーの表面集中度を制御す
る技術を提供し、弾性表面波素子の特性を改善するもの
である。よって、多層構造でその層間で相互拡散のほと
んどない、たとえば圧電磁器組成物の低温焼結化により
相互拡散を抑制させたり、たとえばCVD法などの薄膜
形成方法などを用いて形成した弾性表面波素子において
も、その層厚みと層数を変更することにより同様の効果
が得られることは明白である。In this example, a multilayer structure or a gradient structure obtained by firing a molded body obtained by stacking two or more layers of compositions having different compositions of piezoelectric ceramic composition and electrical and mechanical characteristics. Piezoelectric substrate is used.
In this case, it is considered that each piezoelectric ceramic composition of each layer has a multilayer structure in which a part of the piezoelectric ceramic composition is thermally diffused in the vicinity of the interface, or a pseudo graded structure. However, the present invention is not limited to this embodiment. That is, the present invention configures a surface acoustic wave element having a piezoelectric substrate having a multilayer structure or a gradient structure composed of piezoelectric media having different compositions or electrical and mechanical characteristics, so that surface energy of surface acoustic waves is concentrated on the surface. The present invention provides a technique for controlling the degree and improves the characteristics of the surface acoustic wave device. Therefore, a surface acoustic wave element having a multi-layered structure with almost no mutual diffusion between the layers, for example, mutual diffusion is suppressed by low-temperature sintering of a piezoelectric ceramic composition, or a thin film forming method such as a CVD method is used. Also in the above, it is obvious that the same effect can be obtained by changing the layer thickness and the number of layers.
【0039】さらに、本実施例では、BGS波が用いら
れているが、レイリー波などの他の弾性表面波において
も、波の表面集中度は弾性表面波素子の電気的あるいは
機械的特性に影響を受けるため、同様の効果が得られる
ことが期待できる。Further, although the BGS wave is used in the present embodiment, also in other surface acoustic waves such as Rayleigh waves, the surface concentration of the wave influences the electrical or mechanical characteristics of the surface acoustic wave element. Therefore, it can be expected that the same effect can be obtained.
【0040】なお、本発明と類似の積層構造を有する弾
性表面波素子が、特開平9−208399号以外に特開
平9−312546号、特開平10−107581号、
特開平10−135773号などにも開示されている
が、特開平9−208399号、特開平9−31254
6号、特開平10−107581号では単結晶基板が用
いられ、単結晶の結晶性(格子欠陥、クラック)を改善
する効果を狙ったものであり、それらの構成、効果とも
本発明とは全く異なることは明白である。また、特開平
10−135773号では櫛形電極のストレスマイグレ
ーション耐性を向上させるものであり、その構成も非圧
電性単結晶を含み本発明にかかる弾性表面波素子とは全
く異なり、効果も本発明の弾性表面波のエネルギーの表
面集中度の制御とは全く異なっていることは明白であ
る。A surface acoustic wave device having a laminated structure similar to that of the present invention is disclosed in JP-A-9-31546, JP-A-10-107581 and JP-A-9-208546.
Although disclosed in JP-A-10-1357773 and the like, JP-A-9-208399 and JP-A-9-31254 are also disclosed.
No. 6, JP-A-10-107581 uses a single crystal substrate and aims at the effect of improving the crystallinity (lattice defects, cracks) of the single crystal. The difference is clear. Further, Japanese Patent Laid-Open No. 10-1357773 improves the stress migration resistance of the comb-shaped electrode, and its structure is completely different from the surface acoustic wave device according to the present invention including a non-piezoelectric single crystal, and the effect of the present invention is also present. It is obvious that this is completely different from the control of the surface concentration of the surface acoustic wave energy.
【0041】[0041]
【発明の効果】この発明によれば、BGS波を励振させ
る弾性表面波素子において、その圧電性基板が圧電多結
晶体からなり、しかも櫛形交差電極が形成される面に対
して垂直な方向に、電気的特性および機械的特性が異な
るようにたとえば傾斜するように2層以上積層された弾
性表面波素子を構成し、弾性表面波のエネルギーの表面
集中度を制御することにより、波の表面集中度に起因す
る問題、つまり、電気機械結合係数kが小さい圧電性基
板を用いた場合、弾性表面波のエネルギーの表面集中度
が低くなり、インピーダンス比が低下するという問題や
電気機械結合係数kが高い圧電性基板を用いた場合、弾
性表面波のエネルギーが過度に表面集中することによ
り、耐湿性が悪化するという問題を解決することができ
る。さらに、この発明のように上記の多層構造や傾斜構
造を特に磁器からなる圧電性基板を用いて構成すること
により、比較的容易に、しかも低コストにて所望の弾性
表面波素子を構成できる。According to the present invention, in a surface acoustic wave element for exciting BGS waves, its piezoelectric substrate is made of a piezoelectric polycrystal, and in a direction perpendicular to the surface on which the comb-shaped crossing electrodes are formed. , A surface acoustic wave element in which two or more layers are laminated so as to have different electrical characteristics and mechanical characteristics, for example, to be inclined, and the surface concentration of the surface acoustic wave is controlled by controlling the degree of surface concentration of the surface acoustic wave energy. Degree, that is, when a piezoelectric substrate having a small electromechanical coupling coefficient k is used, the degree of surface concentration of surface acoustic wave energy is reduced and the impedance ratio is reduced, and the electromechanical coupling coefficient k is reduced. When a high piezoelectric substrate is used, it is possible to solve the problem that the moisture resistance deteriorates due to excessive surface energy concentration of surface acoustic waves. Furthermore, by constructing the above-mentioned multilayer structure or inclined structure using a piezoelectric substrate made of porcelain as in the present invention, a desired surface acoustic wave device can be constructed relatively easily and at low cost.
【図1】本発明の実施例における試料の作製工程および
評価工程を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a sample manufacturing process and an evaluation process in an example of the present invention.
【図2】本発明の実施例における試料の圧電性基板の構
造を示す図解図である。FIG. 2 is an illustrative view showing a structure of a sample piezoelectric substrate in an example of the present invention.
【図3】本発明の実施例における試料を示す斜視図であ
る。FIG. 3 is a perspective view showing a sample in an example of the present invention.
【図4】本発明の実施例における試料についてBGS波
のエネルギーの表面付近の分布を有限要素法(FEM)
によるシュミレーションにより求めた結果を示すグラフ
である。FIG. 4 shows the distribution of BGS wave energy near the surface of the sample in the example of the present invention by the finite element method (FEM).
5 is a graph showing a result obtained by a simulation by.
【図5】本発明の実施例における他の試料についてBG
S波のエネルギーの表面付近の分布を有限要素法(FE
M)によるシュミレーションにより求めた結果を示すグ
ラフである。FIG. 5: BG for other samples in the example of the present invention
The finite element method (FE
It is a graph which shows the result calculated | required by the simulation by M).
A 圧電磁器組成物Aからなるシート B 圧電磁器組成物Bからなるシート C 圧電磁器組成物Cからなるシート A sheet made of piezoelectric ceramic composition A B Sheet made of piezoelectric ceramic composition B C Sheet made of piezoelectric ceramic composition C
Claims (5)
され、前記櫛形交差電極に電気信号を供給することによ
り弾性表面波が励振される弾性表面波素子において、 前記圧電性基板は、圧電多結晶体からなり、かつ前記櫛
形交差電極が形成される面に対して垂直な方向に、電気
的特性および機械的特性が異なるように2層以上積層さ
れたことを特徴とする、弾性表面波素子。1. A surface acoustic wave device in which a comb-shaped cross electrode is formed on a surface of a piezoelectric substrate and a surface acoustic wave is excited by supplying an electric signal to the comb-shaped cross electrode. A surface acoustic wave, which is made of a polycrystal and is laminated in two or more layers in a direction perpendicular to a surface on which the comb-shaped crossing electrodes are formed so as to have different electric characteristics and mechanical characteristics. element.
械的特性が傾斜するように積層されることを特徴とす
る、請求項1に記載の弾性表面波素子。2. The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the piezoelectric substrate is laminated such that electric characteristics and mechanical characteristics are inclined.
れることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載
の弾性表面波素子。3. The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein a BGS wave is used as the surface acoustic wave.
トを2枚以上積層して積層体とし、前記積層体を焼結す
ることにより、前記圧電体基板が形成されることを特徴
とする、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の弾
性表面波素子。4. The piezoelectric substrate is formed by laminating two or more sheets of piezoelectric ceramic materials having different compositions to form a laminated body, and sintering the laminated body. The surface acoustic wave device according to any one of claims 1 to 3.
間で熱拡散することにより、電気的特性および機械的特
性が傾斜する前記圧電性基板が形成されることを特徴と
する、請求項4に記載の弾性表面波素子。5. The piezoelectric substrate having inclined electric and mechanical characteristics is formed by thermally diffusing a part of the sheet between the adjacent sheets. The surface acoustic wave device described in 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002187638A JP2003051734A (en) | 2002-06-27 | 2002-06-27 | Surface acoustic wave element |
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JP31890298A Division JP3717034B2 (en) | 1998-11-10 | 1998-11-10 | Surface acoustic wave device |
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2002
- 2002-06-27 JP JP2002187638A patent/JP2003051734A/en active Pending
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