專利名稱：壓電振子、使用其的濾波器和壓電振子的調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電振子、使用了該壓電振子的濾波器和壓電振子的調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
作為使用了在固體中傳播的波、即體波的壓電振動(dòng)元件，有作為各種電子機(jī)器等的時(shí)鐘源使用的壓電振子及在通信裝置的頻率抽出等中使用的壓電濾波器。使用這些壓電振動(dòng)元件的頻率區(qū)域近年來趨于高頻化。作為主振動(dòng)，大多利用了厚度滑移振動(dòng)或厚度縱振動(dòng)等的厚度振動(dòng)，此外，因?yàn)樵撝髡駝?dòng)的共振頻率與壓電板的厚度成反比例，故通過用薄膜材料等形成壓電板，試驗(yàn)了在高頻下的利用。在Marc-Alexandre Dubois和PaulMurant著的“氮化鋁薄膜應(yīng)用于壓電傳感器和微波濾波器的性質(zhì)”，AppliedPhysics Letters，1999年5月17日，pp，3032～3034中公開了現(xiàn)有的壓電振動(dòng)元件。如圖9中所示，現(xiàn)有的壓電振動(dòng)元件901使用氮化鋁薄膜91作為壓電板，成為在其表面背面上形成了激勵(lì)用電極92、在一個(gè)主面一側(cè)形成了由氮化硅膜93與氧化硅膜94的層疊膜構(gòu)成的電介質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)。此外，作成了在硅基板95上形成了壓電振子整體的結(jié)構(gòu)，以便容易處理操作非常薄的壓電振子。
在上述現(xiàn)有例中示出的結(jié)構(gòu)中，考慮了壓電體薄膜與電介質(zhì)薄膜的彈性系數(shù)和尺寸形狀，以使在成膜后的初期中壓電振子的共振頻率的溫度系數(shù)大致為零。但是，由于在現(xiàn)有例中雖然考慮了各薄膜的應(yīng)力緩和但沒有進(jìn)行對(duì)于長(zhǎng)期可靠性的考慮，故隨著時(shí)間的流逝，壓電體薄膜與電介質(zhì)膜的應(yīng)力緩和的差成為原因，作為壓電振子整體的尺寸形狀的變化(翹曲)與初期形狀相比變大了。存在該翹曲導(dǎo)致共振頻率的變化那樣的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述課題而進(jìn)行的，其目的在于提供不發(fā)生因翹曲導(dǎo)致的共振頻率的變化的壓電振子、使用了該壓電振子的濾波器和壓電振子的調(diào)整方法。
為了解決該課題，本發(fā)明在壓電板的極化方向朝向厚度方向的壓電振子中，構(gòu)成為在上述壓電板的兩主面上設(shè)置電極，進(jìn)而在上述壓電板的兩主面上在夾住上述壓電板呈大致點(diǎn)對(duì)稱的位置上層疊大致呈相似形且厚度大致相同的電介質(zhì)膜，上述壓電板以厚度縱振動(dòng)為主振動(dòng)。利用該結(jié)構(gòu)，由于在壓電板的兩主面上存在電介質(zhì)膜，因此起因于長(zhǎng)期的應(yīng)力緩和的差的對(duì)壓電板或電介質(zhì)膜起作用的內(nèi)部應(yīng)力的差變小，可減小翹曲。于是，可減小因壓電振子發(fā)生翹曲引起的壓電振子的共振頻率的變化。


圖1是示出本發(fā)明的壓電振子的一實(shí)施方式的剖面圖。
圖2是示出電介質(zhì)膜與壓電板的厚度比與電機(jī)械耦合系數(shù)的關(guān)系的圖。
圖3是示出本發(fā)明的壓電振子的另一實(shí)施方式的剖面圖。
圖4是示出使用了壓電振子的梯型濾波器的電等效電路的圖。
圖5是示出本發(fā)明的梯型濾波器的實(shí)施方式的立體圖。
圖6是一般的2重模式壓電濾波器的剖面圖。
圖7是一般的2重模式壓電濾波器的剖面圖。
圖8是示出本發(fā)明的2重模式壓電濾波器的一實(shí)施方式的剖面圖。
圖9是示出現(xiàn)有的壓電振子的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
使用圖1～圖8說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
(實(shí)施方式1)圖1是說明使用氮化鋁作為壓電材料、極化方向朝向壓電板厚度方向的、以厚度縱振動(dòng)基本波為主振動(dòng)的壓電振子101的剖面圖。壓電振子101由用氮化鋁構(gòu)成的壓電板1、相對(duì)于壓電板1的兩主面地設(shè)置的激勵(lì)用電極2和作為電介質(zhì)膜在壓電板1的兩主面上形成的氧化硅膜3構(gòu)成。
用氮化鋁構(gòu)成的壓電板1的厚度為1μm。此外，由于氧化硅膜3的厚度在上下都為0.4μm，而且，在壓電板1的兩主面上以成為大致相同的面積的方式來形成，故可減小起因于長(zhǎng)期的應(yīng)力緩和的差的對(duì)壓電板1或氧化硅膜起作用的內(nèi)部應(yīng)力的差，可盡可能減小翹曲。即，可減小因壓電振子發(fā)生翹曲引起的壓電振子101的共振頻率的變化。
此外，由于作為氧化硅膜3的材料使用的氧化硅具有負(fù)的頻率溫度系數(shù)，另一方面，作為壓電板1的材料的氮化鋁具有正的頻率溫度系數(shù)，故通過形成層疊了這些材料的結(jié)構(gòu)，可大致抵消頻率溫度系數(shù)，可使頻率溫度系數(shù)變得良好。此外，使用氧化硅膜與氮化硅膜的層疊膜作為氧化硅膜3的材料以代替氧化硅膜，可得到同樣的效果。
在本實(shí)施方式1中，使用了基本波作為主振動(dòng)，如果與使用了2倍波的情況相比，則可使共振頻率對(duì)于壓電板1或氧化硅膜(電介質(zhì)膜)3的厚度離散性的變化量大體為二分之一。于是，可高精度地使共振頻率或電機(jī)械耦合系數(shù)與目標(biāo)值相一致。
壓電振子101的共振頻率主要由壓電板1的厚度或激勵(lì)用電極2的厚度、然后是氧化硅膜3的厚度來決定。再者，已知作為電特性的重要的項(xiàng)目之一的電機(jī)械耦合系數(shù)也隨這些厚度而變化。因此，對(duì)于使用氮化鋁作為壓電材料、壓電板1的極化方向朝向厚度方向、作成了在壓電板1的兩主面上將相同的厚度的氧化硅膜3作為電介質(zhì)膜設(shè)置的層疊結(jié)構(gòu)的壓電振子101來說，在圖2的曲線圖中示出使壓電板1的一個(gè)主面一側(cè)的氧化硅膜3的厚度與另一個(gè)主面一側(cè)的氧化硅膜3的厚度的和ts與壓電板1的厚度tp之比ts/tp變化了的情況的電機(jī)械耦合系數(shù)的變化。在圖2中示出了厚度縱振動(dòng)基本波和2倍波的情況的各自的電機(jī)械耦合系數(shù)。
從圖2的模擬結(jié)果可知，在基本波或2倍波的任一種情況下，只要ts/tp處于0.7以上至2.0以下的范圍內(nèi)，電機(jī)械耦合系數(shù)的值就處于上述范圍內(nèi)的最小值的25％以內(nèi)的變化量?jī)?nèi)。即，基本波的耦合系數(shù)在上述的范圍內(nèi)穩(wěn)定于9.5～11.5％，二倍波的耦合系數(shù)在上述的范圍內(nèi)也穩(wěn)定于12.0～14.0％。電機(jī)械耦合系數(shù)以這種方式穩(wěn)定了的特點(diǎn)，成為在將壓電振子用于電壓控制振蕩器(VCO)的情況或?qū)⒍鄠€(gè)壓電振子組合起來構(gòu)成壓電濾波器的情況等中可得到穩(wěn)定的特性的優(yōu)點(diǎn)。如果ts/tp比2.0大，則由于對(duì)于厚度縱振動(dòng)的質(zhì)量負(fù)載太大，減小了也成為振動(dòng)的容易程度的指標(biāo)的機(jī)械品質(zhì)系數(shù)，故是不實(shí)用的。
在使壓電振子的共振頻率與目標(biāo)值相一致的頻率調(diào)整工序中，在氮化鋁的單方的主面一側(cè)形成的氧化硅膜上或是再附加氧化硅膜、或是除去已形成的氧化硅膜來形成規(guī)定的厚度的氧化硅膜3。在本實(shí)施方式1的情況下，因?yàn)樵趬弘姲?的主面的表面一側(cè)的氧化硅膜3的厚度與背面一側(cè)的氧化硅膜3的厚度的和ts是0.8μm，由氮化鋁構(gòu)成的壓電板1的厚度tp是1μm，故ts與tp的比ts/tp為0.8。因而，由于電機(jī)械耦合系數(shù)的變化處于小的ts/tp的范圍(0.7以上至2.0以下)，故在調(diào)整共振頻率時(shí)，電機(jī)械耦合系數(shù)幾乎不變化。即，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式1，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)械耦合系數(shù)幾乎不變化的頻率調(diào)整工序。
在本實(shí)施方式1中，使用氮化鋁作為壓電材料進(jìn)行了說明，但即使使用PZT或ZnO等的其它的壓電材料，也可得到同樣的效果。此外，說明了在構(gòu)成壓電振子101的一個(gè)主面一側(cè)的氧化硅膜3的氧化硅膜上通過附加形成氧化硅膜來調(diào)整共振頻率的方法，但也可對(duì)于在壓電振子的另一個(gè)主面一側(cè)或主面的兩側(cè)的氧化硅膜通過附加或除去氧化硅膜來調(diào)整共振頻率。
(實(shí)施方式2)圖3是說明使用氮化鋁作為壓電材料、極化方向朝向壓電板厚度方向的、以厚度縱振動(dòng)二倍波為主振動(dòng)的壓電振子301的剖面圖。壓電振子301由用氮化鋁構(gòu)成的壓電板1、在壓電板1的兩主面上相對(duì)地設(shè)置的激勵(lì)用電極2、在壓電板1的主面的背面一側(cè)形成的作為第一電介質(zhì)膜的氧化硅膜3和在壓電板1的主面的表面一側(cè)形成的作為第二電介質(zhì)膜的氮化硅膜4構(gòu)成，由硅構(gòu)成的支撐基板5支撐壓電振子301。
用氮化鋁構(gòu)成的壓電板1的厚度為10μm。由于氧化硅膜3的厚度定為4μm，氮化硅膜4的厚度定為5μm，故是在壓電板1的主面兩側(cè)存在大致相同的厚度的電介質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)。此外，構(gòu)成了下述結(jié)構(gòu)氧化硅膜3的面積與氮化硅膜4的面積大致為等同，即，處于0.8～1.2倍的范圍內(nèi)。因此，可減小起因于長(zhǎng)期的應(yīng)力緩和的差的對(duì)壓電板1或電介質(zhì)膜起作用的內(nèi)部應(yīng)力的差，可盡可能減小翹曲。即，可減小因壓電振子301發(fā)生翹曲引起的壓電振子的共振頻率的變化。
此外，對(duì)于在本實(shí)施方式2中示出的壓電振子來說，在由硅構(gòu)成的支撐基板5上注入氮，在設(shè)置了氮化硅膜4的基礎(chǔ)上，作成了使用氮化鋁的壓電振子301，之后為了將壓電振子301的振動(dòng)部作成中空結(jié)構(gòu)，也可附加從背面起用化學(xué)蝕刻等除去支撐基板5的工序。此時(shí)，由于能使氮化硅膜4具有起到中止支撐基板5的刻蝕的作用，故可使壓電振子301的作成工序變得簡(jiǎn)便。
此外，在本實(shí)施方式中，通過在主振動(dòng)中使用二倍波，與使用基本波的情況相比，可得到大致2倍的高的共振頻率。
如以上已說明的那樣，在打算得到高的共振頻率的情況下可使用二倍波，在共振頻率的調(diào)整的容易程度為優(yōu)先的情況下，可選擇使用基本波。
(實(shí)施方式3)已知通過組合多個(gè)壓電振子可作成只能使特定的頻帶的信號(hào)通過的帶通濾波器。一般來說，大多使用梯型濾波器，在該梯型濾波器中，將振子的共振頻率或反共振頻率作為濾波器特性的極，將共振頻率與反共振頻率之間作為通過區(qū)域來使用。在圖4中示出使用2個(gè)壓電振子11構(gòu)成梯型濾波器的情況的電等效電路。
圖5示出使用2個(gè)使用氮化鋁作為壓電材料、極化方向朝向壓電板厚度方向的、以厚度縱振動(dòng)基本波為主振動(dòng)的壓電振子11、如圖4的等效電路那樣連接而得到的梯型濾波器501。梯型濾波器51由壓電振子11、輸入用外部端子12、輸出用外部端子13、接地用外部端子14和金屬細(xì)線15構(gòu)成。在梯型濾波器51中使用的2個(gè)壓電振子11都是在壓電板的兩主面上設(shè)置了相同的厚度的電介質(zhì)膜的層疊結(jié)構(gòu)，由于呈現(xiàn)壓電振子的共振頻率或電機(jī)械耦合系數(shù)為穩(wěn)定的特性，故可得到帶寬穩(wěn)定的濾波器特性。
(實(shí)施方式4)
作為梯型濾波器以外的濾波器，有在一片壓電板上配置多個(gè)壓電振子并通過使這些振動(dòng)耦合來制作帶通濾波器的多重模式濾波器。將這樣的濾波器稱為MCF(單片晶體濾波器)，是積極地利用了被稱為a_0模式或s_1模式等的不協(xié)調(diào)的諧波的振動(dòng)的濾波器。在此，說明使用了s_0模式和a_0模式的2重模式濾波器。
在圖6中示出通常的2重模式濾波器601的結(jié)構(gòu)的一例。由于在壓電板1的一個(gè)主面一側(cè)隔開微小的間隔設(shè)置輸入用電極21和輸出用電極22，在壓電板1的另一個(gè)主面一側(cè)設(shè)置接地用電極23，故生成作為對(duì)稱模式的s_0模式和作為斜對(duì)稱模式的a_0模式，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波器。圖6的接地用電極23是一例，而也可如圖7中所示，分別設(shè)置與輸入用電極21對(duì)置的接地用電極231和與輸出用電極22對(duì)置的接地用電極232。
在圖8中示出使用氮化鋁作為壓電材料、以厚度縱振動(dòng)基本波為主振動(dòng)的本發(fā)明的2重模式壓電濾波器801。壓電濾波器801由用氮化鋁構(gòu)成的壓電板1、輸入用電極21、輸出用電極22、接地用電極23、在壓電板1的主面的背面一側(cè)形成的氮化硅膜24和在壓電板1的主面的表面一側(cè)形成的氧化硅膜25構(gòu)成，由硅構(gòu)成的支撐基板26支撐壓電濾波器801。壓電濾波器801的結(jié)構(gòu)是在壓電板1的兩主面上設(shè)置了大致相同的厚度且大致同等的面積的電介質(zhì)膜(氮化硅膜24和氧化硅膜25)的層疊結(jié)構(gòu)，由于呈現(xiàn)二個(gè)振動(dòng)模式的共振頻率為穩(wěn)定的特性，故可得到帶寬穩(wěn)定的濾波器特性。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如上所述，按照本發(fā)明，在壓電板的極化方向朝向厚度方向的壓電振子中，由于構(gòu)成為在上述壓電板的兩主面上設(shè)置激勵(lì)用電極，進(jìn)而在上述壓電板的兩主面上在夾住上述壓電板呈大致點(diǎn)對(duì)稱的位置上層疊大致呈相似形且厚度大致相同的電介質(zhì)膜，上述壓電板以厚度縱振動(dòng)為主振動(dòng)，故減小了起因于長(zhǎng)期的應(yīng)力緩和的差的對(duì)壓電板或電介質(zhì)膜起作用的內(nèi)部應(yīng)力的差，可盡可能減小翹曲。于是，可得到能減小因壓電振子發(fā)生翹曲引起的壓電振子的共振頻率的變化那樣的有利的效果。
權(quán)利要求
1.一種壓電振子，其特征在于，由下述部分構(gòu)成具有第一面和第二面、極化方向是厚度方向的壓電板；覆蓋上述第一面的第一電極；覆蓋上述第二面的第二電極；覆蓋上述第一電極的第一電介質(zhì)膜；以及覆蓋上述第二電極的第二電介質(zhì)膜，上述壓電板以厚度縱振動(dòng)為主振動(dòng)，上述第一電介質(zhì)膜和上述第二電介質(zhì)膜的面積大致相同并具有大致相同的厚度。
2.如權(quán)利要求1中所述的壓電振子，其特征在于，上述壓電板由氮化鋁構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1中所述的壓電振子，其特征在于，上述第一電介質(zhì)膜或上述第二電介質(zhì)膜由氧化硅構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1中所述的壓電振子，其特征在于，上述第一電介質(zhì)膜或上述第二電介質(zhì)膜由氮化硅構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1中所述的壓電振子，其特征在于，第一或第二電介質(zhì)膜中的至少一方由氧化硅和氮化硅的層疊膜構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1中所述的壓電振子，其特征在于，上述主振動(dòng)是厚度縱振動(dòng)的基本波。
7.如權(quán)利要求1中所述的壓電振子，其特征在于，壓電板的主振動(dòng)是厚度縱振動(dòng)的2倍波。
8.如權(quán)利要求1中所述的壓電振子，其特征在于，上述第一電介質(zhì)膜的厚度與上述第二電介質(zhì)膜的厚度的和相對(duì)于上述壓電板的厚度之比為0.7以上2.0以下。
9.一種壓電濾波器，其特征在于，具有壓電振子，所述壓電振子由下述部分構(gòu)成具有第一面和第二面、極化方向是厚度方向的壓電板；覆蓋上述第一面的第一電極；覆蓋上述第二面的第二電極；覆蓋上述第一電極的第一電介質(zhì)膜；以及覆蓋上述第二電極的第二電介質(zhì)膜，上述壓電板以厚度縱振動(dòng)為主振動(dòng)，上述第一電介質(zhì)膜和上述第二電介質(zhì)膜的面積大致相同并具有大致相同的厚度。
10.如權(quán)利要求9中所述的壓電濾波器，其特征在于，是至少組合了2個(gè)上述壓電振子的梯型濾波器。
11.如權(quán)利要求10中所述的壓電濾波器，其特征在于，使用上述第一電介質(zhì)膜的厚度與上述第二電介質(zhì)膜的厚度的和相對(duì)于上述壓電板的厚度之比為0.7以上2.0以下的上述壓電振子。
12.如權(quán)利要求9中所述的壓電濾波器，其特征在于，是在一片所述壓電板上構(gòu)成了多個(gè)上述壓電振子的2重模式濾波器。
13.如權(quán)利要求12中所述的2重模式濾波器，其特征在于，上述第一電極被分割為輸入用電極和輸出用電極，上述第二電極設(shè)為接地用電極。
14.一種壓電振子的調(diào)整方法，其特征在于，上述壓電振子由下述部分構(gòu)成具有第一面和第二面、極化方向是厚度方向的壓電板；覆蓋上述第一面的第一電極；覆蓋上述第二面的第二電極；覆蓋上述電極的第一電介質(zhì)膜；以及覆蓋上述第二電極的第二電介質(zhì)，上述壓電板以厚度縱振動(dòng)為主振動(dòng)，通過使上述第一電介質(zhì)膜和上述第二電介質(zhì)膜中的至少一方的厚度變化來調(diào)整上述第一電介質(zhì)和上述第二電介質(zhì)的面積大致相同并具有大致相同的厚度的壓電振子的共振頻率。
全文摘要
本發(fā)明的壓電振子的特征在于，是將氧化硅膜(3)作為電介質(zhì)膜而設(shè)置的層疊結(jié)構(gòu)。通過采取上述結(jié)構(gòu)，減小了由于在壓電板(1)的兩主面上存在電介質(zhì)膜的緣故而起因于長(zhǎng)期的應(yīng)力緩和的差的對(duì)壓電板(1)或電介質(zhì)膜起作用的內(nèi)部應(yīng)力的差，可盡可能減小翹曲。具有可減小因壓電振子發(fā)生翹曲引起的壓電振子的共振頻率的變化的效果。
文檔編號(hào)H01L41/18GK1685610SQ200380100149
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月28日
發(fā)明者佐佐木幸紀(jì) 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社