特開 2023-176360 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023176360

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/17 20060101AFI20231206BHJP

【ＦＩ】

H03H9/17 F

H03H9/17 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022088602

(22)【出願日】2022-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】松田 隆志

【テーマコード（参考）】

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J108AA03

5J108BB02

5J108BB08

5J108CC04

5J108DD06

5J108EE03

(57)【要約】

【課題】温度特性を向上させることが可能な弾性波デバイスを提供する。
【解決手段】弾性波デバイスは、第１圧電層１４ａと、第１圧電層１４ａに積層され、第１圧電層１４ａの自発分極の方向と反対方向の自発分極の方向を有する第２圧電層１４ｂと、第１圧電層１４ａにおける第２圧電層１４ｂに対し反対側に設けられた第１電極と、第２圧電層１４ｂにおける第１圧電層１４ａに対し反対側に設けられ、第１電極とで第１圧電層１４ａの少なくとも一部および第２圧電層１４ｂの少なくとも一部を挟む第２電極と、第１圧電層１４ａと第１電極との間および第２圧電層１４ｂと前記第２電極との間の少なくとも一方の間に設けられ、第１圧電層１４ａおよび第２圧電層１４ｂの弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１圧電層と、
前記第１圧電層に積層され、前記第１圧電層の自発分極の方向と反対方向の自発分極の方向を有する第２圧電層と、
前記第１圧電層における前記第２圧電層に対し反対側に設けられた第１電極と、
前記第２圧電層における前記第１圧電層に対し反対側に設けられ、前記第１電極とで前記第１圧電層の少なくとも一部および前記第２圧電層の少なくとも一部を挟む第２電極と、
前記第１圧電層と前記第１電極との間および前記第２圧電層と前記第２電極との間の少なくとも一方の間に設けられ、前記第１圧電層および前記第２圧電層の弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜と、
を備える弾性波デバイス。

【請求項2】

前記第１圧電層および前記第２圧電層は、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板である、または
前記第１圧電層および前記第２圧電層は、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板である請求項１に記載の弾性波デバイス。

【請求項3】

前記絶縁膜の厚さは、前記第１圧電層と前記第２圧電層との合計の厚さの１／３０倍以上である請求項２に記載の弾性波デバイス。

【請求項4】

前記第１圧電層と前記第２圧電層との厚さは同じである請求項１から３のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。

【請求項5】

前記第１圧電層と前記第１電極との間および前記第２圧電層と前記第２電極との間の他方の間に設けられ、前記第１圧電層および前記第２圧電層の弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する別の絶縁膜を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。

【請求項6】

第１圧電層と、
前記第１圧電層に積層され、前記第１圧電層の厚さと異なる厚さを有し、前記第１圧電層の自発分極の方向と反対方向の自発分極の方向を有する第２圧電層と、
前記第１圧電層における前記第２圧電層に対し反対側に設けられた第１電極と、
前記第２圧電層における前記第１圧電層に対し反対側に設けられ、前記第１電極とで前記第１圧電層の少なくとも一部および前記第２圧電層の少なくとも一部を挟む第２電極と、
前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に設けられ、前記第１圧電層および前記第２圧電層の弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜と、
を備える弾性波デバイス。

【請求項7】

前記第１圧電層および前記第２圧電層は、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板である、または
前記第１圧電層および前記第２圧電層は、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板である請求項６に記載の弾性波デバイス。

【請求項8】

前記第１圧電層の厚さに対する前記第２圧電層の厚さの比は０．２以上かつ０．９以下である請求項７に記載の弾性波デバイス。

【請求項9】

前記第１圧電層における結晶方位のＸ軸方向と、前記第２圧電層における結晶方位のＸ軸方向と、のなす角度は５°以下である請求項２、３、７および８のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。

【請求項10】

前記絶縁膜は、酸化シリコンを主成分とする請求項２、３、７および８のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。

【請求項11】

請求項１から３および６から８のいずれか一項に記載の弾性波デバイスを含むフィルタ。

【請求項12】

請求項１１に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関する。

【背景技術】

【0002】

携帯電話等の無線端末の高周波回路用のフィルタおよびデュプレクサとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）およびＳＭＲ（Solid Mounted Resonator）等のＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）共振器が用いられている。ＢＡＷ共振器は圧電薄膜共振器とよばれている。圧電薄膜共振器は、圧電層を挟み一対の電極を設ける構造を有し、圧電層の少なくとも一部を挟み一対の電極が対向する共振領域は弾性波が共振する領域である。圧電層として、自発分極が反対方向である２つの圧電層を積層することにより、第２高調波等の偶数次モードの弾性波を励振させることが知られている（例えば特許文献１）。温度補償膜を圧電層内、または圧電層と電極との間に設けることが知られている（例えば特許文献２～４）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭６４－７１２０７号公報

【特許文献2】特開昭５８－１３７３１７号公報

【特許文献3】特開２００８－１８２５１２号公報

【特許文献4】特開２００７－１５９１２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献２～４には、自発分極の方向が異なる２つの圧電層を設けてはおらず、特許文献１のような第２高調波を主モードとする弾性波デバイスではなく、基本波等の奇数次モードの弾性波を主モードとする弾性波デバイスである。基本波を主モードとする弾性波デバイスでは、扱う周波数が高くなると圧電層が薄くなる。第２高調波を主モードとする弾性波デバイスでは、圧電層を厚くできるため高周波化に有利である。しかしながら、第２高調波等の偶数次モードを主モードとする弾性波デバイスにおいて、温度特性を向上させるために温度補償膜を設ける好ましい位置については知られていない。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、温度特性を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、第１圧電層と、前記第１圧電層に積層され、前記第１圧電層の自発分極の方向と反対方向の自発分極の方向を有する第２圧電層と、前記第１圧電層における前記第２圧電層に対し反対側に設けられた第１電極と、前記第２圧電層における前記第１圧電層に対し反対側に設けられ、前記第１電極とで前記第１圧電層の少なくとも一部および前記第２圧電層の少なくとも一部を挟む第２電極と、前記第１圧電層と前記第１電極との間および前記第２圧電層と前記第２電極との間の少なくとも一方の間に設けられ、前記第１圧電層および前記第２圧電層の弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜と、を備える弾性波デバイスである。

【0007】

上記構成において、前記第１圧電層および前記第２圧電層は、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板である、または前記第１圧電層および前記第２圧電層は、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板である構成とすることができる。

【0008】

上記構成において、前記絶縁膜の厚さは、前記第１圧電層と前記第２圧電層との合計の厚さの１／３０倍以上である構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、前記第１圧電層と前記第２圧電層との厚さは同じである構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記第１圧電層と前記第１電極との間および前記第２圧電層と前記第２電極との間の他方の間に設けられ、前記第１圧電層および前記第２圧電層の弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する別の絶縁膜を備える構成とすることができる。

【0011】

本発明は、第１圧電層と、前記第１圧電層に積層され、前記第１圧電層の厚さと異なる厚さを有し、前記第１圧電層の自発分極の方向と反対方向の自発分極の方向を有する第２圧電層と、前記第１圧電層における前記第２圧電層に対し反対側に設けられた第１電極と、前記第２圧電層における前記第１圧電層に対し反対側に設けられ、前記第１電極とで前記第１圧電層の少なくとも一部および前記第２圧電層の少なくとも一部を挟む第２電極と、前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に設けられ、前記第１圧電層および前記第２圧電層の弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜と、を備える弾性波デバイスである。

【0012】

上記構成において、前記第１圧電層および前記第２圧電層は、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板である、または前記第１圧電層および前記第２圧電層は、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板である構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記第１圧電層の厚さに対する前記第２圧電層の厚さの比は０．２以上かつ０．９以下である構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、前記第１圧電層における結晶方位のＸ軸方向と、前記第２圧電層における結晶方位のＸ軸方向と、のなす角度は５°以下である構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記絶縁膜は、酸化シリコンを主成分とする構成とすることができる。

【0016】

本発明は、上記弾性波デバイスを含むフィルタである。

【0017】

本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、温度特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図2】図２は、実施例１における圧電層の結晶方位を示す図である。

【図3】図３（ａ）から図３（ｃ）は、共振器Ａ１～Ａ３における圧電薄膜共振器の模式図である。

【図4】図４（ａ）から図４（ｃ）は、共振器Ｂ１～Ｂ３における圧電薄膜共振器の模式図である。

【図5】図５（ａ）から図５（ｃ）は、それぞれ共振器Ａ１～Ａ３における厚さ方向の位置Ｚに対する規格化弾性ひずみエネルギーを示す図である。

【図6】図６（ａ）から図６（ｃ）は、それぞれ共振器Ｂ１～Ｂ３における厚さ方向の位置Ｚに対する規格化弾性ひずみエネルギーを示す図である。

【図7】図７（ａ）および図７（ｂ）は、シミュレーション２における共振器Ａ２およびＢ２の厚さＴ１８に対する温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２を示す図である。

【図8】図８（ａ）および図８（ｂ）は、シミュレーション２における共振器Ａ３およびＢ３の厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂに対する温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２を示す図である。

【図9】図９（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図10】図１０（ａ）は、共振器Ｃ２における圧電薄膜共振器の模式図、図１０（ｂ）は、共振器Ｃ２における厚さ方向の位置Ｚに対する規格化弾性ひずみエネルギーを示す図である。

【図11】図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、シミュレーション３における共振器Ｃ２の厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａに対する温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２を示す図である。

【図12】図１２（ａ）は、実施例１および２の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１２（ｂ）は、実施例１および２の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。

【図13】図１３（ａ）は、実施例３に係るフィルタの回路図、図１３（ｂ）は、実施例３の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。

【実施例0021】

弾性波デバイスとして圧電薄膜共振器を例に説明する。図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。圧電層１４ａおよび１４ｂの積層方向をＺ方向、下部電極１２の引き出し方向をＸ方向、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。

【0022】

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、基板１０上に圧電層１４が設けられている。圧電層１４は、積層された圧電層１４ａおよび１４ｂを備える。圧電層１４ａの分極方向５２ａは下向きである。圧電層１４ｂの分極方向５２ｂは上向きであり、圧電層１４ａと１４ｂとは例えば表面活性化法により直接接合されている。圧電層１４ａと１４ｂとが表面活性化法により接合されている場合、圧電層１４ａと１４ｂとの間にアモルファス層が形成される場合がある。この場合、アモルファス層の厚さは圧電層１４ａおよび１４ｂの厚さに比べ十分小さいため、圧電層１４ａと１４ｂとは直接接合されているとみなせる。

【0023】

圧電層１４を挟むように、圧電層１４の上下に上部電極１６および下部電極１２がそれぞれ設けられている。下部電極１２と圧電層１４ａとの間に温度補償膜１８ａが設けられ、圧電層１４ｂと上部電極１６との間に温度補償膜１８ｂが設けられている。圧電層１４ａの少なくとも一部および圧電層１４ｂの少なくとも一部を挟み下部電極１２と上部電極１６とが平面視において重なる領域は共振領域５０である。平面視において、温度補償膜１８ａおよび１８ｂは、共振領域５０の全面に設けられている。温度補償膜１８ａおよび１８ｂは、共振領域５０の少なくとも一部の領域に設けられていればよい。基板１０と下部電極１２との間に空隙３４が設けられている。下部電極１２と空隙３４との界面において弾性波が反射する。平面視において、空隙３４は共振領域５０に重なり、空隙３４は共振領域５０と同じ大きさまたは共振領域５０より大きい。

【0024】

基板１０は、例えばシリコン基板、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等である。下部電極１２および上部電極１６は、例えばルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜またはこれらの膜を積層した積層膜である。

【0025】

圧電層１４ａおよび１４ｂは、例えばニオブ酸リチウム単結晶基板、タンタル酸リチウム単結晶基板または水晶単結晶基板である。圧電層１４ａおよび１４ｂは、窒化アルミニウム層等の多結晶でもよい。温度補償膜１８ａおよび１８ｂは、圧電層１４ａおよび１４ｂの弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する。圧電体の弾性定数の温度係数の符号は一般的に負である。よって、温度補償膜１８ａおよび１８ｂの弾性定数の温度係数は正である。このような材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）またはフッ素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＦ）がある。よって、温度補償膜１８ａおよび１８ｂは、例えば酸化シリコン膜またはフッ素を含む酸化シリコン膜である。

【0026】

図２は、実施例１における圧電層の結晶方位を示す図である。なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は結晶方位の軸方向であり、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示した方向である。圧電層１４ａおよび１４ｂとして、１６３°回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板を用いる場合、または、圧電層１４ａおよび１４ｂとして、１６３°回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板を用いる場合を示している。

【0027】

図２に示すように、圧電層１４ａの結晶方位の＋Ｘ軸方向と圧電層１４ｂの結晶方位の＋Ｘ軸方向とはほぼ同じ方向であり、Ｘ方向である。圧電層１４ａでは、＋Ｙ軸方向および＋Ｚ軸方向を破線矢印のように、それぞれ－Ｚ方向および＋Ｙ方向とする。Ｘ軸を中心に、Ｙ軸およびＺ軸を＋Ｚ軸方向から＋Ｙ軸方向の方にθ＝１６３°回転させる。タンタル酸リチウム基板およびニオブ酸リチウム基板は、三方晶系イルメナイトに類似の結晶構造を有し、＋Ｚ軸方向が結晶方位のｃ軸方向に対応する。＋Ｚ軸方向が自発分極の方向となる。このとき、圧電層１４ａの上面および下面はそれぞれ－面および＋面と称し、分極方向５２ａを下向きに図示する。

【0028】

圧電層１４ｂでは、＋Ｙ軸方向および＋Ｚ軸方向を破線矢印のように、それぞれ＋Ｚ方向および－Ｙ方向とする。Ｘ軸を中心に、Ｙ軸およびＺ軸を＋Ｚ軸方向から＋Ｙ軸方向の方にθ＝１６３°回転させる。このときの＋Ｚ軸方向が結晶方位のｃ軸方向に対応する。＋Ｚ軸方向が自発分極の方向となる。このとき、圧電層１４ｂの上面および下面はそれぞれ＋面および－面と称し、分極方向５２ｂを上向きに図示する。圧電層１４ａおよび１４ｂの自発分極の方向は、Ｘ線回折法を用い、Ｚ軸方向を同定することで、確認できる。

【0029】

自発分極は電界が加わらない状態で分極している状態である。タンタル酸リチウムは、ＬｉおよびＴａが陽イオンとなり、Ｏが陰イオンとなる。Ｌｉ、ＴａおよびＯの原子が電荷を打ち消すように位置していれば、自発分極は生じない。これらの原子が電荷を打ち消す位置よりずれているため、自発分極が生じる。ニオブ酸リチウムにおいても同様に自発分極が生じる。

【0030】

圧電層１４として、１６３°回転ニオブ酸リチウム基板またはタンタル酸リチウム基板を用いることで、圧電層１４に励振される弾性波の主モードは厚みすべり振動となり、圧電層１４内に厚み縦振動の弾性波はほとんど励振されない。これにより、厚み縦振動に起因するスプリアスを抑制できる。

【0031】

圧電層１４ａの＋Ｘ軸方向と圧電層１４ｂの＋Ｘ軸方向とを同じ方向とすることで、圧電層１４ａの自発分極の方向（＋Ｚ軸方向）と圧電層１４ｂの自発分極の方向（＋Ｚ軸方向）は、略反対方向となる。例えば、圧電層１４ａの＋Ｘ軸方向と圧電層１４ｂのＸ軸方向とが異なると、圧電層１４ａの自発分極の方向（＋Ｚ軸方向）と圧電層１４ｂの自発分極の方向（＋Ｚ軸方向）は、反対方向とはならない。圧電層１４ａの自発分極の方向（＋Ｚ軸方向）と圧電層１４ｂの自発分極の方向（＋Ｚ軸の方向）とが反対方向（略反対方向）とは、圧電層１４ａの＋Ｘ軸方向と圧電層１４ｂの＋Ｘ軸方向とのなす角度が５°以下の範囲内である程度を許容する。

【0032】

［シミュレーション１］
まず、基本波を主モードとする共振器Ａ１～Ａ３と第２高調波を主モードとする共振器Ｂ１～Ｂ３について、異方性を考慮したモデルで２次元有限要素法を用いシミュレーションを行った。共振器Ａ１～Ａ３、Ｂ１およびＢ２は比較例に相当し、共振器Ｂ３は実施例に相当する。

【0033】

図３（ａ）から図３（ｃ）は、共振器Ａ１～Ａ３における圧電薄膜共振器の模式図である。図３（ａ）の右図は、圧電層１４の厚さ方向（Ｚ方向）における厚みすべり振動の変位を示している。下部電極１２の下面をＺ＝０としている。

【0034】

図３（ａ）に示すように、共振器Ａ１では、圧電層１４は分極方向５２が１方向の１つの圧電層である。温度補償膜は設けられていない。下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さはそれぞれＴ１２、Ｔ１４およびＴ１６である。右図のように、基本波では下部電極１２の下面の変位が０のとき、上部電極１６の上面の変位がＥとなる。これにより、下部電極１２と上部電極１６との電位が異なり、下部電極１２と上部電極１６との間に所定の周波数の交流信号を加えると圧電層１４に基本波が励振する。一方、第２高調波では下部電極１２と上部電極１６との電位がほぼ同じとなる。よって、圧電層１４に第２高調波はほとんど励振されない。下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さの合計Ｔ１２＋Ｔ１４＋Ｔ１６は基本波の波長のほぼ１／２となる。

【0035】

図３（ｂ）に示すように、共振器Ａ２では、圧電層１４は圧電層１４ａと１４ｂとを備えており、圧電層１４ａの分極方向５２ａと圧電層１４ｂの分極方向５２ｂは同じ方向である。温度補償膜１８は、圧電層１４ａと１４ｂとの間に設けられている。下部電極１２、圧電層１４ａ、１４ｂ、温度補償膜１８および上部電極１６の厚さはそれぞれＴ１２、Ｔ１４ａ、Ｔ１４ｂ、Ｔ１８およびＴ１６である。

【0036】

図３（ｃ）に示すように、共振器Ａ３では、圧電層１４は分極方向５２が１方向の１つの圧電層である。温度補償膜１８ａは、下部電極１２と圧電層１４との間に設けられ、温度補償膜１８ｂは、圧電層１４と上部電極１６との間に設けられている。下部電極１２、圧電層１４、温度補償膜１８ａ、１８ｂおよび上部電極１６の厚さはそれぞれＴ１２、Ｔ１４、Ｔ１８ａ、Ｔ１８ｂおよびＴ１６である。

【0037】

図４（ａ）から図４（ｃ）は、共振器Ｂ１～Ｂ３における圧電薄膜共振器の模式図である。図４（ａ）の右図は、圧電層１４の厚さ方向（Ｚ方向）における厚みすべり振動の変位Ｅを示している。

【0038】

図４（ａ）に示すように、共振器Ｂ１では、圧電層１４は、積層された圧電層１４ａと１４ｂとを備えている。圧電層１４ａの分極方向５２ａは下向き、圧電層１４ｂの分極方向５２ｂは上向きである。図４（ａ）の右図のように、第２高調波では下部電極１２の下面の変位が基準の０のとき、上部電極１６の上面の変位も０となる。圧電層１４ａと１４ｂとの界面の変位はＥとなる。圧電層１４ａの分極方向５２ａと圧電層１４ｂの分極方向５２ｂとは逆方向である。このため、下部電極１２に印加した電位の極性（正負）に対する変位の向きと、下部電極１６に印加した電位の極性（正負）に対する変位の向きと、が逆になる。例えば、上部電極１６がプラス電位、下部電極１２がマイナス電位の場合、圧電層１４ａでは、マイナス電位側で変位が０側に、圧電層１４ｂでは、プラス電位側で変位が０側にある。つまり、下部電極１２と上部電極１６との間に所定の周波数の交流信号を加えると第２高調波が励振する。一方、図４（ａ）の左図の構造において基本波を励振するためには、圧電層１４ｂにおける上部電極１６側の部分と圧電層１４ａにおける下部電極１２側の部分とで変位を逆にすることになる（例えば図３（ａ）の右図のように、上部電極１６側の部分において変位をＥとし、圧電層１４ａにおける下部電極１２側の部分において変位を０とする）。このような変位を実現するには、上部電極１６の電位の極性と下部電極１２の電位の極性とを同じにすることになる。このように、上部電極１６と下部電極１２とを同じ電位の極性にすると、圧電層１４に電界が発生せずに基本波はほとんど励振されない。下部電極１２、圧電層１４ａ、１４ｂおよび上部電極１６の合計の厚さＴ１２＋Ｔ１４ａ＋Ｔ１４ｂ＋Ｔ１６はほぼ第２高調波の波長となる。

【0039】

図４（ｂ）に示すように、共振器Ｂ２では、温度補償膜１８は、圧電層１４ａと１４ｂとの間に設けられている。図４（ｃ）に示すように、共振器Ｂ３では、温度補償膜１８ａは、下部電極１２と圧電層１４ａとの間に設けられ、温度補償膜１８ｂは、圧電層１４ｂと上部電極１６との間に設けられている。

【0040】

共振器Ａ１～Ａ３およびＢ１～Ｂ３のシミュレーション１の条件は以下である。
圧電層１４、１４ａ、１４ｂ：１６３°回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板
下部電極１２、上部電極１６：アルミニウム膜
温度補償膜１８、１８ａおよび１８ｂ：酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜

【0041】

表１は、共振器Ａ１～Ａ３およびＢ３～Ｂ３における各層の厚さ、共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａ、電気機械結合係数ｋ^２および共振周波数ｆｒにおける温度速度係数ＴＣＶ（Temperature Coefficient of Velocity）を示す。共振器Ａ１～Ａ３の共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは基本波の共振周波数および反共振周波数であり、共振器Ｂ１～Ｂ３の共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは第２高調波の共振周波数および反共振周波数である。

【表1】

【0042】

圧電薄膜共振器の温度周波数係数ＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency）は、温度速度係数ＴＣＶによる弾性波の音速の温度依存性と、温度による圧電層１４の厚さの変化と、により定まる。温度周波数係数ＴＣＦは温度速度係数ＴＣＶのみによって決まるわけではないが、温度速度係数ＴＣＶを０に近づけることにより、温度周波数係数ＴＣＦを０に近づけることができる。

【0043】

表１に示すように、共振器Ｂ１～Ｂ３におけるＴ１２、Ｔ１６、Ｔ１４、Ｔ１４ａおよびＴ１４ｂは、共振器Ａ１～Ａ３におけるＴ１２、Ｔ１６、Ｔ１４、Ｔ１４ａおよびＴ１４ｂのそれぞれ倍である。共振器Ｂ１～Ｂ３と対応する共振器Ａ１～Ａ３とでは、共振周波数ｆｒはほぼ同じであり、反共振周波数ｆａはほぼ同じである。

【0044】

共振器Ａ１～Ａ３では、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａの高い圧電薄膜共振器を作製するためには、圧電層１４の厚さＴ１４を薄くすることになる。しかし、圧電層１４と支持基板との間に空隙３４が存在するため、圧電層１４を薄くすると、圧電層１４が破壊されやすくなる。また、圧電層１４の厚さの製造ばらつきにより、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａ等の特性がばらつきやすくなる。共振器Ｂ１～Ｂ３では、共振器Ａ１～Ａ３と同じ共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａを有する圧電薄膜共振器を作製する場合に、圧電層１４の厚さを共振器Ａ１～Ａ３の約２倍にできる。これにより、圧電層１４の破壊を抑制できる。また、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａ等の特性のばらつきを抑制できる。

【0045】

図５（ａ）から図５（ｃ）は、それぞれ共振器Ａ１～Ａ３における厚さ方向の位置Ｚに対する規格化弾性ひずみエネルギーを示す図である。図６（ａ）から図６（ｃ）は、それぞれ共振器Ｂ１～Ｂ３における厚さ方向の位置Ｚに対する規格化弾性ひずみエネルギーを示す図である。共振器Ａ１～Ａ３では、基本波の共振周波数における規格化弾性ひずみエネルギーを示し、共振器Ｂ１～Ｂ３では、第２高調波の共振周波数における規格化弾性ひずみエネルギーを示す。規格化弾性ひずみエネルギーは、最大の弾性ひずみエネルギーを１とするように規格化された弾性ひずみエネルギーである。規格化弾性ひずみエネルギーはＺに対し階段状に変化している。これは、有限要素法のメッシュに起因するものであり、実際の規格化弾性ひずみエネルギーはＺに対し滑らかに変化していると考えられる。

【0046】

図５（ａ）に示すように、共振器Ａ１では、下部電極１２および上部電極１６における弾性ひずみエネルギーは小さく、圧電層１４のＺ方向における中央において弾性ひずみエネルギーが最大となる。表１のように、共振器Ａ１では電気機械結合係数ｋ^２は大きいものの、温度速度係数ＴＣＶの絶対値が大きい。

【0047】

図５（ｂ）に示すように、共振器Ａ２では、温度補償膜１８は弾性ひずみエネルギーの大きい箇所に設けられ、温度補償膜１８における弾性ひずみエネルギーが大きい。表１のように、共振器Ａ２では温度速度係数ＴＣＶの絶対値は共振器Ａ１より小さくなる。電気機械結合係数ｋ^２は共振器Ａ１より小さい。

【0048】

図５（ｃ）に示すように、共振器Ａ３では、温度補償膜１８ａおよび１８ｂは弾性ひずみエネルギーの小さい箇所に設けられ、温度補償膜１８ａおよび１８ｂにおける弾性ひずみエネルギーは共振器Ａ２ほど大きくない。表１のように、共振器Ａ３では温度速度係数ＴＣＶの絶対値は共振器Ａ１より小さくなるものの共振器Ａ２よりは大きい。電気機械結合係数ｋ^２は共振器Ａ２と同程度である。

【0049】

このように、共振器Ａ１～Ａ３では、共振器Ａ２のように、温度補償膜１８を圧電層１４ａと１４ｂの間に設けることで、温度速度係数の絶対値を小さくできる。これは、共振器Ａ２では、温度補償膜１８が弾性ひずみエネルギーの大きい箇所に設けられているためと考えられる。

【0050】

図６（ａ）に示すように、共振器Ｂ１では、下部電極１２および上部電極１６における弾性ひずみエネルギーは小さく、かつ圧電層１４ａと１４ｂとの間において弾性ひずみエネルギーは小さい。圧電層１４ａのＺ方向における中央および圧電層１４ｂのＺ方向における中央において弾性ひずみエネルギーが最大となる。表１のように、共振器Ｂ１では電気機械結合係数ｋ^２は大きいものの、温度速度係数ＴＣＶの絶対値が大きい。

【0051】

図６（ｂ）に示すように、共振器Ｂ２では、温度補償膜１８は弾性ひずみエネルギーの小さい箇所に設けられ、温度補償膜１８における弾性ひずみエネルギーが小さい。表１のように、共振器Ｂ２では温度速度係数ＴＣＶの絶対値は共振器Ｂ１より小さくなるものの共振器Ａ２ほどではない。電気機械結合係数ｋ^２は共振器Ｂ１より小さい。

【0052】

図６（ｃ）に示すように、共振器Ｂ３では、温度補償膜１８ａおよび１８ｂは共振器Ｂ２の温度補償膜１８より弾性ひずみエネルギーの大きい箇所に設けられ、温度補償膜１８ａおよび１８ｂにおける弾性ひずみエネルギーは共振器Ｂ２より大きい。表１のように、共振器Ｂ３では温度速度係数ＴＣＶの絶対値は共振器Ｂ２より小さくなる。電気機械結合係数ｋ^２は共振器Ｂ２より若干小さい。

【0053】

このように、共振器Ｂ１～Ｂ３では、共振器Ｂ３のように、温度補償膜１８ａおよび１８ｂを下部電極１２と圧電層１４ａとの間および圧電層１４ｂと上部電極１６との間に設けることで、温度速度係数の絶対値を小さくできる。これは、共振器Ｂ３では、共振器Ｂ２に比べ温度補償膜１８ａおよび１８ｂが弾性ひずみエネルギーの大きい箇所に設けられているためと考えられる。

【0054】

［シミュレーション２］
共振器Ａ２、Ａ３、Ｂ２およびＢ３について、温度補償膜１８、１８ａおよび１８ｂの厚さＴ１８、Ｔ１８ａおよびＴ１８ｂを変え、温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２をシミュレーションした。シミュレーション２では、圧電層１４、１４ａおよび１４ｂとして、１６５°回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板と１６５°回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板を用いた。その他のシミュレーション条件はシミュレーション１と同じである。共振器Ａ２およびＡ３では、基本波の共振周波数における温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２をシミュレーションし、共振器Ｂ２およびＢ３では、第２高調波の共振周波数における温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２をシミュレーションした。

【0055】

図７（ａ）および図７（ｂ）は、シミュレーション２における共振器Ａ２およびＢ２の厚さＴ１８に対する温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２をそれぞれ示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、シミュレーション２における共振器Ａ３およびＢ３の厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂに対する温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２をそれぞれ示す図である。図７（ａ）および図７（ｂ）において、厚さＴ１８が０のとき、共振器Ａ２およびＢ２はそれぞれ共振器Ａ１およびＢ１に相当する。図８（ａ）および図８（ｂ）において、厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂが０のとき、共振器Ａ３およびＢ３はそれぞれ共振器Ａ１およびＢ１に相当する。ＬＮは圧電層１４、１４ａおよび１４ｂが１６５°回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板であることを示し、ＬＴは圧電層１４、１４ａおよび１４ｂが１６５°回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板であることを示す。

【0056】

図７（ａ）に示すように、共振器Ａ２では、ＬＮおよびＬＴともに厚さＴ１８を大きくすると温度速度係数ＴＣＶは大きくなり負から正に変化し、厚さＴ１８が１０ｎｍ付近で温度速度係数ＴＣＶがほぼ０となる。共振器Ｂ２では、ＬＴは厚さＴ１８を大きくすると温度速度係数ＴＣＶは小さくなり、ＬＮは厚さＴ１８を大きくすると温度速度係数ＴＣＶは大きくなる。ＬＴよびＬＴのいずれにおいても厚さＴ１８を大きくしても温度速度係数は０とはならない。

【0057】

図７（ｂ）に示すように、共振器Ａ２およびＢ２ともに、厚さＴ１８が大きくなると電気機械結合係数ｋ^２が小さくなる。厚さＴ１８が同じときには、共振器Ｂ２の方が共振器Ａ２より電気機械結合係数ｋ^２が大きいが、共振器Ｂ２の圧電層の厚さは共振器Ａ２の圧電層の厚さの約２倍であり、共振器Ａ２とＢ２とで電気機械結合係数ｋ^２を単純に比較することができない。

【0058】

図７（ａ）および図７（ｂ）のように、基本波を主モードとする共振器では、共振器Ａ２のように、圧電層１４ａと１４ｂとの間に温度補償膜１８を設けることで、温度速度係数ＴＣＶの絶対値を小さくすることができる。第２高調波を主モードとする共振器では、共振器Ｂ２のように、圧電層１４ａと１４ｂとの間に温度補償膜１８を設けても、温度速度係数ＴＣＶの絶対値を０に近づけることができない。

【0059】

これは、図５（ｂ）のように、共振器Ａ２では、温度補償膜１８を弾性ひずみエネルギーの大きい箇所に設けているのに対し、図６（ｂ）のように、共振器Ｂ２では、温度補償膜１８を弾性ひずみエネルギーの小さい箇所に設けているためと考えられる。このように、第２高調波を主モードとする共振器Ｂ２では、圧電層１４ａと１４ｂとの間の箇所の弾性ひずみエネルギーが小さく、温度補償効果が小さいことは、発明者らがシミュレーションを行うことにより初めて得られた知見である。

【0060】

図８（ａ）に示すように、共振器Ａ３およびＢ３ともに、ＬＮにおいて厚さＴ１８ａおよび１８ｂを大きくすると温度速度係数ＴＣＶは大きくなり負から正に変化する。ＬＴにおいて厚さＴ１８ａおよび１８ｂを大きくすると温度速度係数ＴＣＶは小さくなるがその後大きくなり負から正に変化する。共振器Ａ３では、ＬＮおよびＬＴともに厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂが３０ｎｍ～４０ｎｍにおいて温度速度係数ＴＣＶがほぼ０となる。共振器Ｂ３では、ＬＮおよびＬＴともに厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂが２０ｎｍにおいて温度速度係数ＴＣＶがほぼ０となる。

【0061】

図８（ｂ）に示すように、共振器Ａ３およびＢ３ともに、厚さＴ１８ａおよび１８ｂを大きくすると電気機械結合係数ｋ^２が小さくなる。厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂが同じとき、共振器Ｂ３の電気機械結合係数ｋ^２は共振器Ａ３の電気機械結合係数ｋ^２より大きくなる。共振器Ａ３では、温度速度係数ＴＣＶが０となる厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂである３０ｎｍ～４０ｎｍ（図８（ａ）参照）における電気機械結合係数ｋ^２は５％以下である。共振器Ｂ３では、温度速度係数ＴＣＶが０となる厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂである２０ｎｍ（図８（ａ）参照）における電気機械結合係数ｋ^２は１０％以上である。このように、共振器Ｂ３では共振器Ａ３に比べ、温度速度係数ＴＣＶが０となる厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂにおける電気機械結合係数ｋ^２が大きい。

【0062】

図８（ａ）および図８（ｂ）のように、基本波を主モードとする共振器では、共振器Ａ３のように、温度補償膜１８ａおよび１８ｂを設けることで、温度速度係数ＴＣＶの絶対値を小さくしようとすると、電気機械結合係数ｋ^２が小さくなってしまう。一方、第２高調波を主モードとする共振器では、共振器Ｂ３のように、下部電極１２と圧電層１４ａとの間に温度補償膜１８ａを設け、圧電層１４ｂと上部電極１６との間に温度補償膜１８ｂを設けることで、電気機械結合係数ｋ^２の低下を抑制しかつ温度速度係数ＴＣＶの絶対値を小さくすることができる。

【0063】

これは、図６（ａ）から図６（ｃ）のように、第２高調波を主モードとする共振器Ｂ１～Ｂ３では、圧電層１４ａと１４ｂとの間では弾性ひずみエネルギーが最も小さくなる。下部電極１２の下面および上部電極１６の上面では弾性ひずみエネルギーが最も小さくなるものの、下部電極１２と圧電層１４ａとの間、および圧電層１４ｂと上部電極１６との間では、下部電極１２の厚さＴ１２および上部電極１６の厚さＴ１６に対応する分弾性ひずみエネルギーが大きくなる。このため、共振器Ｂ３では、温度補償膜１８ａおよび１８ｂを設けることで、共振器Ｂ２に比べ温度速度係数ＴＣＶの絶対値を小さくできるものと考えられる。このように、第２高調波を主モードとする共振器における下部電極１２と圧電層１４ａとの間、および圧電層１４ｂと上部電極１６との間の箇所では、圧電層１４ａと１４ｂとの間の箇所より弾性ひずみエネルギーが大きく、温度補償膜１８ａおよび１８ｂを設けることで温度補償効果が大きくなることは、発明者らがシミュレーションを行うことにより初めて得られた知見である。

【0064】

図６（ａ）から図６（ｃ）のように、圧電層１４ａのＺ方向における中央および圧電層１４ｂのＺ方向における中央において弾性ひずみエネルギーが最大となる。よって、圧電層１４ａのＺ方向における中央および圧電層１４ｂのＺ方向における中央に温度補償膜を設けることで、圧電薄膜共振器の温度特性を向上できると考えられる。しかしながら、この場合には、圧電層１４ａおよび１４ｂを４層積層することになり、製造工程の増大およびコストの増大となる。

【0065】

実施例１によれば、圧電層１４ａ（第１圧電層）と圧電層１４ｂ（第２圧電層）とは、積層されている。圧電層１４ｂは圧電層１４ａの自発分極の方向と略反対方向の自発分極の方向を有する。下部電極１２（第１電極）は、圧電層１４ａにおける圧電層１４ｂに対し反対側に設けられている。上部電極１６（第２電極）は、圧電層１４ｂにおける圧電層１４ａに対し反対側に設けられ、下部電極１２とで圧電層１４ａの少なくとも一部および圧電層１４ｂの少なくとも一部を挟む。温度補償膜１８ａおよび１８ｂ（絶縁膜）は、圧電層１４ａと下部電極１２との間および圧電層１４ｂと上部電極１６との間に設けられている。これにより、共振器Ｂ３のように、温度速度係数ＴＣＶを小さくし、圧電薄膜共振器の温度特性を向上できる。さらに、圧電層１４ａおよび１４ｂを２層積層すればよいため、圧電層を４層積層するより製造工程の削減およびコスト削減が可能となる。

【0066】

温度補償膜１８ａおよび１８ｂは、少なくとも一方が設けられていればよい。温度補償膜１８ａおよび１８ｂの両方設けることで、温度補償効果をより得ることができる。

【0067】

圧電層１４ａおよび１４ｂは、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板、または、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板である。これにより、基本波モードに起因するスプリアスを抑制できる。また、シミュレーション１および２の結果を適用することができる。

【0068】

圧電層１４ａの自発分極の方向と圧電層１４ｂの自発分極の方向とを反対方向（略反対方向）とするため、圧電層１４ａにおける結晶方位のＸ軸方向と、圧電層１４ｂにおける結晶方位のＸ軸方向と、のなす角度は５°以下であることが好ましく、２°以下であることがより好ましい。

【0069】

温度補償膜１８ａおよび１８ｂは、酸化シリコン膜またはフッ素を含む酸化シリコン膜である。すなわち、温度補償膜１８ａおよび１８ｂは、酸化シリコンを主成分とする。温度補償膜１８ａおよび１８ｂが酸化シリコンを主成分とするとは、温度補償膜１８ａおよび１８ｂが意図的または意図せず添加された不純物（例えばフッ素）を含むことを許容する。温度補償膜１８ａおよび１８ｂ内の酸素濃度とシリコン濃度との合計は、例えば５０原子％以上、８０原子％以上または９０原子％以上であり、酸素濃度およびシリコン濃度は、例えば各々１０原子％以上または２０原子％以上である。

【0070】

図８（ａ）のように、厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂが１０ｎｍ以上のとき、温度速度係数ＴＣＶは厚さＴ１８ａおよびＴ１８ｂに対し大きく依存する。圧電層１４ａおよび１４ｂの合計の厚さＴ１４ａ＋Ｔ１４ｂは３００ｎｍである。よって、温度補償膜１８ａまたは１８ｂの厚さＴ１８ａまたはＴ１８ｂは、圧電層１４ａおよび１４ｂの合計の厚さＴ１４ａ＋Ｔ１４ｂの１／３０倍以上が好ましく、１／２０倍以上がより好ましく、１／１５倍以上がさらに好ましい。厚さＴ１８ａまたはＴ１８ｂは、合計の厚さＴ１４ａ＋Ｔ１４ｂの１／５倍以下が好ましい。これにより、図８（ｂ）のように、電気機械結合係数ｋ^２の低下を抑制できる。温度補償膜１８ａまたは１８ｂの両方を設ける場合には、温度補償膜１８ａおよび１８ｂの合計の厚さＴ１８ａ＋Ｔ１８ｂは、合計の厚さＴ１４ａ＋Ｔ１４ｂの１／１５倍以上が好ましく、１／１０倍以上がより好ましい。厚さＴ１８ａまたはＴ１８ｂは合計の厚さＴ１４ａ＋Ｔ１４ｂの１／２．５倍以下が好ましい。

【0071】

圧電層１４ａの厚さＴ１４ａと圧電層１４ｂの厚さＴ１４ｂとが異なると、基本波モードの弾性波に起因するスプリアスが生じる。また、電気機械結合係数ｋ^２が低下する。よって、厚さＴ１４ａとＴ１４ｂとは同じであることが好ましい。厚さＴ１４ａとＴ１４ｂとが同じ（略同じ）とは、基本波モードの弾性波に起因するスプリアスが問題とならない程度の厚さＴ１４ａとＴ１４ｂとの差を許容する。例えば２×｜Ｔ１４ａ－Ｔ１４ｂ｜／（Ｔ１４ａ＋Ｔ１４ｂ）が０．１以下であればよい。

【0072】

圧電層１４ａと１４ｂとは直接接合され、圧電層１４ａと１４ｂとの界面は平坦面（例えば算術表面粗さＲａは１０ｎｍ以下）である。これにより、圧電層１４に第２高調波が励振できる。

【実施例0073】

図９（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、圧電層１４ａの厚さＴ１４ａと圧電層１４ｂの厚さＴ１４ｂとは異なる。圧電層１４ａと１４ｂとの間に温度補償膜１８が設けられている。下部電極１２と圧電層１４ａとの間、および圧電層１４ｂと上部電極１６との間には温度補償膜は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

【0074】

［シミュレーション３］
第２高調波を主モードとする共振器Ｃ１およびＣ２について、異方性を考慮したモデルで２次元有限要素法を用いシミュレーションを行った。共振器Ｃ１は比較例に相当し、共振器Ｃ２は実施例に相当する。

【0075】

共振器Ｃ１における圧電薄膜共振器の模式図は図４（ｂ）の共振器Ｂ２と同じである。図１０（ａ）は、共振器Ｃ２における圧電薄膜共振器の模式図である。図１０（ａ）に示すように、共振器Ｃ２では、圧電層１４ａの厚さＴ１４ａが圧電層１４ｂの厚さＴ１４ｂより大きい。その他の構成は共振器Ｂ２と同じである。

【0076】

共振器Ｃ１およびＣ２のシミュレーション１の条件は以下である。
圧電層１４ａ、１４ｂ：１６５°回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板
下部電極１２、上部電極１６：アルミニウム膜
温度補償膜１８：酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜

【0077】

表２は、共振器Ｃ１およびＣ２における下部電極１２の厚さＴ１２、上部電極１６の厚さＴ１６、圧電層１４ａと１４ｂの合計の厚さＴ１４ａ＋Ｔ１４ｂ、厚さＴ１４ａに対する厚さＴ１４ｂの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａ、温度補償膜１８の厚さＴ１８、共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａ、電気機械結合係数ｋ^２および共振周波数ｆｒにおける温度速度係数ＴＣＶを示す。共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは第２高調波における共振周波数および反共振周波数である。

【表2】

【0078】

表２に示すように、共振器Ｃ２の厚さＴ１４ｂ＋Ｔ１４ａは共振器Ｃ１の厚さＴ１４ａ＋Ｔ１４ｂと同じであり、共振器Ｃ２の厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを共振器Ｃ１の比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａより小さくしている。

【0079】

図１０（ｂ）は、共振器Ｃ２における厚さ方向の位置Ｚに対する規格化弾性ひずみエネルギーを示す図である。図１０（ｂ）に示すように、共振器Ｃ２では、温度補償膜１８は弾性ひずみエネルギーの大きい箇所に設けられ、温度補償膜１８における弾性ひずみエネルギーは図６（ｂ）の共振器Ｂ２より大きい。表２のように、共振器Ｃ２では温度速度係数ＴＣＶの絶対値は共振器Ｃ１より小さくなる。電気機械結合係数ｋ^２は共振器Ｃ１より若干小さい。

【0080】

共振器Ｃ２について、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを変え、電気機械結合係数ｋ^２および温度速度係数ＴＣＶをシミュレーションした。圧電層１４ａおよび１４ｂは、１６５°回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板である。

【0081】

図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、シミュレーション３における共振器Ｃ２の厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａに対する温度速度係数ＴＣＶおよび電気機械結合係数ｋ^２を示す図である。厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが１のとき、共振器Ｃ１に相当する。

【0082】

図１１（ａ）に示すように、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを小さくすると、温度速度係数ＴＣＶの絶対値は小さくなる。厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが０．３より小さくなると温度速度係数ＴＣＶはほぼ一定になる。これは、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが１／３のとき、弾性ひずみエネルギーが最大の箇所に温度補償膜１８が設けられるためと考えられる。

【0083】

図１１（ｂ）に示すように、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを小さくすると、電気機械結合係数ｋ^２が小さくなる。これは、温度補償膜１８が設けられたことに加え、厚さＴ１４ａとＴ１４ｂとが異なることが起因すると考えられる。さらに、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが小さくなると、基本波モードに起因するスプリアスが大きくなる。

【0084】

このように、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを１より小さくすることで、圧電層１４ａと１４ｂとの間の箇所では弾性ひずみエネルギーが大きくなる。そこで、圧電層１４ａと１４ｂとの間に温度補償膜１８を設けることで、温度補償効果が大きくなる。これは、発明者らがシミュレーションを行うことにより初めて得られた知見である。

【0085】

実施例２によれば、圧電層１４ｂの厚さＴ１４ｂは圧電層１４ａの厚さＴ１４ａと異なり、温度補償膜１８（絶縁膜）は圧電層１４ａと１４ｂとの間に設けられている。これにより、共振器Ｃ２のように、温度速度係数ＴＣＶを小さくし、圧電薄膜共振器の温度特性を向上できる。さらに、圧電層１４ａおよび１４ｂを２層積層すればよいため、圧電層を４層積層するより製造工程の削減およびコスト削減が可能となる。

【0086】

共振器Ｃ２では、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが１より小さい例を説明したが、厚さの比Ｔ１４ａ／Ｔ１４ｂが１より小さくてもよい。

【0087】

圧電層１４ａおよび１４ｂは、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板、または、１５８°以上かつ１６８°以下回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板である。これにより、基本波モードに起因するスプリアスを抑制できる。また、シミュレーション３の結果を適用することができる。

【0088】

圧電層１４ａの自発分極の方向と圧電層１４ｂの自発分極の方向とを反対方向（略反対方向）とするため、圧電層１４ａにおける結晶方位のＸ軸方向と、圧電層１４ｂにおける結晶方位のＸ軸方向と、のなす角度は５°以下であることが好ましく、２°以下であることがより好ましい。

【0089】

温度補償膜１８は、酸化シリコン膜またはフッ素を含む酸化シリコン膜である。すなわち、温度補償膜１８は、酸化シリコンを主成分とする。温度補償膜１８内の酸素濃度とシリコン濃度との合計は、例えば５０原子％以上、８０原子％以上または９０原子％以上であり、酸素濃度およびシリコン濃度は、例えば各々１０原子％以上または２０原子％以上である。

【0090】

厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが０．９以下において、温度速度係数ＴＣＶの絶対値を小さくでき、温度特性を向上できる。図１１（ａ）のように、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが０．８以上では、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが変わっても温度速度係数ＴＣＶの絶対値はあまり変化しないが、０．８以下では、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが大きくなると温度速度係数ＴＣＶの絶対値が急激に小さくなる。このように、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを０．８以下とすることで、温度特性をより向上できる。厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを０．７以下とすることで、温度特性をより向上できる。

【0091】

厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａが０．２付近では、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを小さくしても温度速度係数ＴＣＶの絶対値はあまり変わらないのに対し、電気機械結合係数ｋ^２は小さくなる。よって、厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａは０．２以上が好ましく、０．３以上がより好ましい。厚さの比Ｔ１４ｂ／Ｔ１４ａを０．５以上とすることで、電気機械結合係数ｋ^２の低下をより抑制できる。

【0092】

図１２（ａ）は、実施例１および２の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（ａ）に示すように、圧電層１４ａの分極方向５２ａは上方向であり、圧電層１４ｂの分極方向５２ｂは下方向である。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１および２の変形例１のように、圧電層１４ａの分極方向５２ａと圧電層１４ｂの分極方向５２ｂとは略反対方向であればよい。実施例２においても圧電層１４ａの分極方向５２ａは上方向であり、圧電層１４ｂの分極方向５２ｂは下方向でもよい。

【0093】

図１２（ｂ）は、実施例１および２の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（ｂ）に示すように、空隙３４の代わりに、基板１０と下部電極１２との間に音響反射膜３０が設けられている。音響反射膜３０は、音響インピーダンスの低い膜３１と音響インピーダンスの高い膜３２とが交互に設けられている。膜３１および３２の膜厚は例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。これにより、音響反射膜３０は弾性波を反射する。膜３１と膜３２の積層数は任意に設定できる。音響反射膜３０は共振領域５０に重なり、音響反射膜３０は共振領域５０と同じ大きさまたは共振領域５０より大きい。音響反射膜３０の膜３１は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等である。膜３２は、例えばタングステン、タンタル、モリブデン、ルテニウム等である。

【0094】

実施例１、２およびそれらの変形例１のように、圧電薄膜共振器は、空隙３４が弾性波を反射するＦＢＡＲでもよい。実施例１および２の変形例２のように、圧電薄膜共振器は音響反射膜３０が弾性波を反射するＳＭＲでもよい。実施例１、２およびそれらの変形例では、第２高調波を主モードとする例を説明したが、偶数次モードを主モードとすればよい。共振領域５０の平面形状が矩形の例を説明したが、共振領域５０は、楕円形状または五角形状等の多角形状でもよい。