(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】P2024029118
(43)【公開日】2024-03-05
(54)【発明の名称】バルク超音波（ＢＡＷ）共振器
(51)【国際特許分類】
H03H 9/17 20060101AFI20240227BHJP
【ＦＩ】
H03H9/17 F
【審査請求】有
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023219116
(22)【出願日】2023-12-26
(62)【分割の表示】P 2019058733の分割
【原出願日】2019-03-26
(31)【優先権主張番号】62/649,343
(32)【優先日】2018-03-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/290,175
(32)【優先日】2019-03-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】517090646
【氏名又は名称】コーボ ユーエス，インコーポレイティド
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100162846
【弁理士】
【氏名又は名称】大牧 綾子
(72)【発明者】
【氏名】ジョティ・スワロープ・サドゥー
(72)【発明者】
【氏名】ゲルノート・ファティンガー
(72)【発明者】
【氏名】ロベルト・アイグナー
(72)【発明者】
【氏名】ミヒャエル・シェーファー
(57)【要約】 （修正有）
【課題】音響共振器の電気機械結合係数を増加させ、それによってその性能を改善する。
【解決手段】音響共振器２２は、第１の圧電層２４、第２の圧電層２６、カプラ層３６、第１の電極２８及び第２の電極３０を含む。第１の圧電層２４は第１の極性を有する。第２の圧電層２６は第１の極性の反対側に第２の極性を有する。カプラ層３６は第１の圧電層２４と第２の圧電層２６との間にある。第１の電極２８はカプラ層３６の反対側の第１の圧電層２４上にある。第２の電極３０はカプラ層３６の反対側の第２の圧電層２６上にある。
【選択図】図５
【解決手段】音響共振器２２は、第１の圧電層２４、第２の圧電層２６、カプラ層３６、第１の電極２８及び第２の電極３０を含む。第１の圧電層２４は第１の極性を有する。第２の圧電層２６は第１の極性の反対側に第２の極性を有する。カプラ層３６は第１の圧電層２４と第２の圧電層２６との間にある。第１の電極２８はカプラ層３６の反対側の第１の圧電層２４上にある。第２の電極３０はカプラ層３６の反対側の第２の圧電層２６上にある。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
音響共振器であって、
第１の極性を有する第１の圧電層と、
前記第１の極性の反対側に第２の極性を有する第２の圧電層と、
前記第１の圧電層と前記第２の圧電層との間にあるカプラ層と、
前記カプラ層の反対側の前記第１の圧電層上の第１の電極と、
前記カプラ層の反対側の前記第２の圧電層上の第２の電極と、
を備える、前記音響共振器。
第１の極性を有する第１の圧電層と、
前記第１の極性の反対側に第２の極性を有する第２の圧電層と、
前記第１の圧電層と前記第２の圧電層との間にあるカプラ層と、
前記カプラ層の反対側の前記第１の圧電層上の第１の電極と、
前記カプラ層の反対側の前記第２の圧電層上の第２の電極と、
を備える、前記音響共振器。
【請求項2】
前記カプラ層は第１の音響インピーダンスを有し、
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は、第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスが１．０よりも大きくなるように、前記第２の音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の音響共振器。
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は、第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスが１．０よりも大きくなるように、前記第２の音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の音響共振器。
【請求項3】
前記第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスは１．５よりも大きくなる、請求項２に記載の音響共振器。
【請求項4】
前記第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスは２．０よりも大きくなる、請求項２に記載の音響共振器。
【請求項5】
前記第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスは３．０よりも大きくなる、請求項２に記載の音響共振器。
【請求項6】
前記カプラ層は金属層である、請求項２に記載の音響共振器。
【請求項7】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は窒化アルミニウムである、請求項６に記載の音響共振器。
【請求項8】
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、請求項７に記載の音響共振器。
【請求項9】
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つである、請求項６に記載の音響共振器。
【請求項10】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は窒化アルミニウムである、請求項９に記載の音響共振器。
【請求項11】
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、請求項１０に記載の音響共振器。
【請求項12】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の厚さは、３５０ｎｍ～１０５０ｎｍであり、
前記カプラ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍである、
請求項２に記載の音響共振器。
前記カプラ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍである、
請求項２に記載の音響共振器。
【請求項13】
前記カプラ層は第１の厚さを有し、
前記第１の電極及び前記第２の電極は、第２の厚さで除算される前記第１の厚さが０．１～０．４であるような前記第２の厚さを有する、
請求項２に記載の音響共振器。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、第２の厚さで除算される前記第１の厚さが０．１～０．４であるような前記第２の厚さを有する、
請求項２に記載の音響共振器。
【請求項14】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の厚さは、３５０ｎｍ～１０５０ｎｍであり、
前記カプラ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極の厚さは、１００ｎｍ～３００ｎｍである、
請求項１３に記載の音響共振器。
前記カプラ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極の厚さは、１００ｎｍ～３００ｎｍである、
請求項１３に記載の音響共振器。
【請求項15】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は窒化アルミニウムであり、
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、
請求項１４に記載の音響共振器。
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、
請求項１４に記載の音響共振器。
【請求項16】
前記第２の厚さで除算される前記第１の厚さは、０．２～０．３である、請求項１３に記載の音響共振器。
【請求項17】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の厚さは、３５０ｎｍ～１０５０ｎｍであり、
前記カプラ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極の厚さは、１００ｎｍ～３００ｎｍである、請求項１６に記載の音響共振器。
前記カプラ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極の厚さは、１００ｎｍ～３００ｎｍである、請求項１６に記載の音響共振器。
【請求項18】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は窒化アルミニウムであり、
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、
請求項１７に記載の音響共振器。
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、
請求項１７に記載の音響共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本願は、その開示がその全体が本明細書に参照により援用される、２０１８年３月２８日に出願された仮特許出願第６２／６４９，３４３号の利益を主張する。
本願は、その開示がその全体が本明細書に参照により援用される、２０１８年３月２８日に出願された仮特許出願第６２／６４９，３４３号の利益を主張する。
【0002】
本開示は、向上した圧電カップリングを伴う高次モードで動作することが可能であるバルク超音波（ＢＡＷ）共振器に関する。
【背景技術】
【0003】
図１は基本モードバルク超音波（ＢＡＷ）共振器１０を示す。基本モードＢＡＷ共振器１０は、第１の電極１４と第２の電極１６との間に圧電層１２を含む。圧電層１２、第１の電極１４、及び第２の電極１６の厚さは、基本モードＢＡＷ共振器１０の厚さの中心からの距離に関して示され、ｄは圧電層１２の半分の厚さであり、ｔは第１の電極１４及び第２の電極１６の両方の厚さである。
【0004】
図２は、基本モードＢＡＷ共振器１０の応力プロファイル（実線１８）及び変位プロファイル（破線２０）を示す。示されるように、基本モードＢＡＷ共振器１０は、正弦曲線の波長の半分と一致する応力プロファイルが圧電層１２の厚さの範囲内で適合する基本モードで動作する。基本モードＢＡＷ共振器１０の効果的な電気機械結合（ｋ２
ｅｆｆ）は、圧電層１２の厚さにわたって応力プロファイルの全体に依存する。概して、より高い電気機械結合係数が望ましい。示されないが、当業者は、応力プロファイルが圧電層１２と、第１の電極１４と、第２の電極１６との間の接触界面で急勾配になり得ることを認識するであろう。
【0005】
ＢＡＷ共振器の高次モードを励起する可能性として、従来の基本モードＢＡＷ共振器が妥当な品質係数、サイズ、及び電極厚さを維持しながら使用される場合、より高い周波数で動作することが可能であるフィルタを期待する。高次モードでは、基本モードの周波数の整数の倍数と一致する応力プロファイルは、圧電層内で励起される。例えば、２次モードでは、また、本明細書では、第２のオーバーモードと称され、正弦曲線の全波長（基本モードの周波数の２倍）は、圧電層の厚さの範囲内で適合される。
【0006】
高次モードで動作することが可能であるＢＡＷ共振器は高周波数における性能の改善の望みがあるが、係るデバイスを作成する試みは、上記に説明された基本モードＢＡＷ共振器１０等の基本モードデバイスと比較して、かなり不十分な電気機械結合を提供している。したがって、改善された電気機械結合を伴う、２次モード等の高次モードで動作することが可能であるＢＡＷ共振器の必要性がある。
【発明の概要】
【0007】
一実施形態では、音響共振器は、第１の圧電層、第２の圧電層、カプラ層、第１の電極、及び第２の電極を含む。第１の圧電層は第１の極性を有する。第２の圧電層は第１の極性の反対側に第２の極性を有する。カプラ層は第１の圧電層と第２の圧電層との間にある。第１の電極はカプラ層の反対側の第１の圧電層上にある。第２の電極はカプラ層の反対側の第２の圧電層上にある。第１の圧電層と第２の圧電層との間にカプラ層を提供することは、音響共振器の電気機械結合係数を増加させ、それによって、その性能を改善する。
【0008】
当業者は、添付の図面に関連する好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に、本開示の範囲を認識し、その付加態様を理解するであろう。
【0009】
本明細書の一部に組み込まれ及びそれを形成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を示し、その説明と一緒に、本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】基本モードバルク超音波（ＢＡＷ）共振器を示す。
【図2】基本モードＢＡＷ共振器の応力応答及び変位プロファイルを示す。
【図3】本開示の一実施形態による、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器を示す。
【図4】本開示の一実施形態による、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器の応力プロファイル及び変位プロファイルを示す。
【図5】本開示の一実施形態による、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器を示す。
【図6】本開示の様々な実施形態による、２つの第２のオーバーモードＢＡＷ共振器の応力プロファイルを示す。
【図7】本開示の様々な実施形態による、いくつかの第２のオーバーモードＢＡＷ共振器の性能特徴を示すグラフである。
【図8】本開示の一実施形態による、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器を示す。
【図9】本開示の一実施形態による、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器を示す。
【発明を実施するための形態】
【0011】
下記に説明される実施形態は、当業者が本実施形態を実践することと、本実施形態を実践する最良の形態を示すこととが可能になるような必要情報を表す。添付の図面に照らして以下の説明を読むと、当業者は、本開示の概念を理解し、特に、本明細書で扱われないこれらの概念の適用を認識するであろう。これらの概念及び適用が本開示の範囲内に及び添付の特許請求の範囲内にあることを理解されたい。
【0012】
第１の、第２の等の用語が様々な要素を説明するために本明細書に使用され得るが、これらの要素は、これらの用語によって限定するべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素を別の要素と区別するためだけに使用される。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素は第２の要素と名付けられ得、同様に、第２の要素は第１の要素と名付けられ得る。本明細書に使用されるような用語「及び／または」は、１つ以上の関連する列挙された事項の任意及び全ての組み合わせを含む。
【0013】
層、領域、または基板等の要素が別の要素の「上（ｏｎ）」にある、またはその「上（ｏｎｔｏ）」に延在するといわれるとき、それは、他の要素の上に直接あり、もしくはその上に直接延在する可能性がある、または介在要素がまた存在し得ることが理解されるであろう。対照的に、ある要素が、別の要素「上に直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」ある、またはその「上に直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎｔｏ）」に延在するといわれるとき、介在要素は存在しない。同様に、層、領域、または基板等の要素が別の要素の「上にわたって」存在する、またはその「上にわたって」延在するといわれるとき、それは、直接他の要素の上にわたってあり、もしくは直接その上にわたって延在する可能性がある、または介在要素がまた存在し得ることが理解されるであろう。対照的に、ある要素が、別の要素の「直接上にわたって」存在する、またはその「直接上にわたって」延在するといわれるとき、介在要素は存在しない。また、要素が別の要素に「接続」または「結合」されるとき、それは、他の要素に直接接続される、もしくはそれに直接結合される可能性がある、または介在要素が存在し得ることが理解されるであろう。対照的に、ある要素が、別の要素に「直接接続される」またはそれに「直接結合される」といわれるとき、介在要素は存在しない。
【0014】
「下方に」もしくは「上方に」、または「上側に」もしくは「下側に」、または「水平に」もしくは「垂直に」等の相対語は、図に示されるような別の要素、層、または領域に
対する１つの要素、層、または領域の関係を説明するために本明細書に使用され得る。これらの用語及び上記で説明されたものが、図に描かれた配向に加えて、デバイスの異なる配向を包含することが意図されることが理解されるであろう。
対する１つの要素、層、または領域の関係を説明するために本明細書に使用され得る。これらの用語及び上記で説明されたものが、図に描かれた配向に加えて、デバイスの異なる配向を包含することが意図されることが理解されるであろう。
【0015】
本明細書に使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためのものであり、本開示を限定することを意図していない。本明細書に使用されるような単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈で他に明確に示さない限り、同様に、複数形を含むことが意図される。さらに、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書に使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／または構成要素の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／またはそれらの群の存在または追加を除外するわけではないことが理解されるであろう。
【0016】
別様に定義されない限り、本明細書に使用される全ての用語（技術用語及び特定用語を含む）は、本開示が属する当業者によって共通して理解されるように同じ意味を有する。さらに、本明細書に使用される用語は、本明細書及び従来技術に関連する意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、したがって、本明細書に明示的に定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されないであろうことを理解されるであろう。
【0017】
図３は、本開示の一実施形態による、第２のオーバーモードバルク超音波（ＢＡＷ）共振器２２を示す。第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２は、第１の圧電層２４、第１の圧電層２４上の第２の圧電層２６、第２の圧電層２６の反対側の第１の圧電層２４上の第１の電極２８、及び第１の圧電層２４の反対側の第２の圧電層２６上の第２の電極３０を含む。第１の圧電層２４、第２の圧電層２６、第１の電極２８、及び第２の電極３０の厚さは、ＢＡＷ共振器１０の厚さの中心からの距離に関して示され、ｄ’は第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の厚さであり、ｔは第１の電極２８及び第２の電極３０の両方の厚さである。
【0018】
特に、第１の圧電層２４は第１の極性を有する一方、第２の圧電層２６は第１の極性の反対側に第２の極性を有する。これは、下記で説明されるように、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２が２次モードを励起することを可能にする。一実施形態では、第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６は、異極性を有する窒化アルミニウム（ＡＩＮ）層である。例えば、第１の圧電層２４は窒化アルミニウム（ｃ－ＡｌＮ）の窒素極層であり得る一方、第２の圧電層２６は窒化アルミニウム（ｆ－ＡｌＮ）のアルミニウム極層であり得る。当該窒化アルミニウムは、スカンジウム（Ｓｃ）、エルビウム（Ｅｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）等の１つ以上で、非ドープまたはでドープされ得る。第１の電極２８及び第２の電極３０は金属層であり得る。例えば、第１の電極２８及び第２の電極３０は、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等であり得る。第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の厚さ（ｄ’）と、第１の電極２８及び第２の電極３０の厚さ（ｔ）は、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の１つ以上の動作パラメータを変更するために、特有の電気特性及び／または音響特性を提供するために選ばれ得る。
【0019】
図４は、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の応力プロファイル（実線３２）及び変位プロファイル（破線３４）を示す。示されるように、ＢＡＷ共振器は、２次モード（また、本明細書では、第２のオーバーモードと称される）で動作し、正弦曲線の全波長と一致する応力プロファイルが第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の組み合わせの厚さの範囲内で適合する。示されないが、当業者は、応力プロファイルが、第１の圧電層２４
及び第１の電極２８の接触界面と、第２の圧電層２６及び第２の電極３０の接触界面とで急勾配になり得ることを認識するであろう。
及び第１の電極２８の接触界面と、第２の圧電層２６及び第２の電極３０の接触界面とで急勾配になり得ることを認識するであろう。
【0020】
上記で説明されたように、高次モードを励起することを試みる際のＢＡＷ共振器に直面する１つの問題は、そのＢＡＷ共振器が、概して、その基本モードの一部のものよりも小さい電気機械結合係数（ｋ２
ｅｆｆ）を有することである。これは、上記の「背景技術」で説明された基本モードＢＡＷ共振器１０と第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２との比較によって示される。基本モードＢＡＷ共振器１０及び第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の両方の電極がその中の圧電層（複数可）と同じ材料特性を有すると仮定すると、デバイスの変位プロファイルｕ（ｚ）は、方程式（１）によって表されることができる。
式中、ａはモード振幅であり、波長ベクトルｋｐは、応力がない境界条件Ｔ（±ｄ＋ｔ）＝０を使用することによって取得され、そのとき、基本モードＢＡＷ共振器１０に関してｋｐ＝ｎ／２（ｄ＋ｔ）、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２に関してｋｐ＝ｎ／（ｄ´＋ｔ）である。これらの構造の効率的な電気機械結合を計算するプリミティブ方法は、電気ドメイン及び機械的ドメインで記憶されるエネルギーを比較するＢｅｌｉｎｃｏｕｒｔ公式から生じる。より精緻な方法は、ｋ２ ｅｆｆを計算するために利用可能である一方、下記に示される処理は、本明細書で説明される原理の直観的理解をもたらす。
Ｂｅｌｉｎｃｏｕｒｔの関係式を使用して、電気機械結合係数ｋ２ ｅｆｆは、方程式（２）によって表される。
式中、Ｕｍは、電気ドメインと機械ドメインとの間の交換によって圧電層内に記憶されるエネルギーであり、方程式（３）によって表される。
Ｕｅは、圧電層で記憶される機械エネルギーであり、方程式（４）によって表される。
式中、Ｕｄは、誘電体の内部で記憶される電気エネルギーであり、方程式（５）によって表される。
式中、ｅ（ｚ）は圧電定数であり、Ｅは電場であり、ｃｐ及びεは、圧電層の電気定数及
び誘電率である。窒化アルミニウムのような圧電フィルムに関して、ｅ（ｚ）はｃ軸に沿った圧電定数であるｅ３３である。ｕ（ｚ）に関する方程式を方程式（１）から方程式（２）に置換すると、基本モードＢＡＷ共振器１０の電気機械結合係数は、方程式（６）によって表されることができる。
第２のオーバーモードＢＡＷ共振器１０の電気機械結合係数は、方程式（７）によって表されることができる。
基本モードＢＡＷ共振器１０の電気機械結合係数と、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数との間の関係は、方程式（８）によって表されることができる。
方程式（８）は、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２が常に基本モードＢＡＷ共振器１０よりも小さい電気機械結合係数を有することを示す。ほとんどの適用に関して、ｍに関する標準値は０．２～０．３であり、その場合、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器の電気機械結合係数は、基本モードＢＡＷ共振器１０の電気機械結合係数の８０～９０％のものだけが該当する。
【数1】
式中、ａはモード振幅であり、波長ベクトルｋｐは、応力がない境界条件Ｔ（±ｄ＋ｔ）＝０を使用することによって取得され、そのとき、基本モードＢＡＷ共振器１０に関してｋｐ＝ｎ／２（ｄ＋ｔ）、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２に関してｋｐ＝ｎ／（ｄ´＋ｔ）である。これらの構造の効率的な電気機械結合を計算するプリミティブ方法は、電気ドメイン及び機械的ドメインで記憶されるエネルギーを比較するＢｅｌｉｎｃｏｕｒｔ公式から生じる。より精緻な方法は、ｋ２ ｅｆｆを計算するために利用可能である一方、下記に示される処理は、本明細書で説明される原理の直観的理解をもたらす。
Ｂｅｌｉｎｃｏｕｒｔの関係式を使用して、電気機械結合係数ｋ２ ｅｆｆは、方程式（２）によって表される。
【数2】
式中、Ｕｍは、電気ドメインと機械ドメインとの間の交換によって圧電層内に記憶されるエネルギーであり、方程式（３）によって表される。
【数3】
Ｕｅは、圧電層で記憶される機械エネルギーであり、方程式（４）によって表される。
【数4】
式中、Ｕｄは、誘電体の内部で記憶される電気エネルギーであり、方程式（５）によって表される。
【数5】
式中、ｅ（ｚ）は圧電定数であり、Ｅは電場であり、ｃｐ及びεは、圧電層の電気定数及
び誘電率である。窒化アルミニウムのような圧電フィルムに関して、ｅ（ｚ）はｃ軸に沿った圧電定数であるｅ３３である。ｕ（ｚ）に関する方程式を方程式（１）から方程式（２）に置換すると、基本モードＢＡＷ共振器１０の電気機械結合係数は、方程式（６）によって表されることができる。
【数6】
第２のオーバーモードＢＡＷ共振器１０の電気機械結合係数は、方程式（７）によって表されることができる。
【数7】
基本モードＢＡＷ共振器１０の電気機械結合係数と、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数との間の関係は、方程式（８）によって表されることができる。
【数8】
方程式（８）は、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２が常に基本モードＢＡＷ共振器１０よりも小さい電気機械結合係数を有することを示す。ほとんどの適用に関して、ｍに関する標準値は０．２～０．３であり、その場合、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器の電気機械結合係数は、基本モードＢＡＷ共振器１０の電気機械結合係数の８０～９０％のものだけが該当する。
【0021】
第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数を改善するために、カプラ層３６は、図５に示されるように、第１の圧電層２４と第２の圧電層２６との間に追加される。カプラ層は厚さ２ｌを有する。下記に説明されるように、カプラ層３６は、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の応力プロファイルの全体を増加させるために、第１の圧電層２４と第２の圧電層２６との間に所望の音響インピーダンスを提供し、それによって、その電気機械結合係数を改善する。代替実施形態では、カプラ層は、２つの目的（ｉ）その音響インピーダンスによって効果的な電気機械結合を改善すること、（ｉｉ）その上部に堆積される第２の圧電層に関する極性の反転を生じさせる層としての役割を果たすことの役割を果たし得る。
【0022】
方程式（１）は、方程式（９）によって表されるように、カプラ層３６を含む第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の変位プロファイルｕ（ｚ）を表すために書き直されることができる。
式中、ｋｐは第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の波数ベクトルであり、ｋｃはカプラ層３６内の波数ベクトルである。ｚ＝±ｌにおける変位及び応力連続境界条件を使用して、方程式（１０）を得る。
式中、Ｚｐは第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の音響インピーダンスであり、Ｚｃはカプラ層３６の音響インピーダンスである。カプラ層３６がない第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械エネルギーＵｍは、方程式（１１）によって表される。
カプラ層３６がある第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械エネルギーＵｍは、方程式（１２）によって表される。
弾性エネルギーＵｅに対する閉形式解は、ｋｃとｋｐとの間の複雑な関係のために難しい一方、数値的方法は、モード形ｕ（ｚ）及び応力プロファイルσ（ｚ）を取得するために、方程式（１２）によって方程式（９）の系を解くために使用されることができる。ｕ（ｚ）を使用して、方程式（５）によって方程式（２）を使用して電気機械結合係数を計算し、カプラ層３６が第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数を増加させることを示す。
【数9】
式中、ｋｐは第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の波数ベクトルであり、ｋｃはカプラ層３６内の波数ベクトルである。ｚ＝±ｌにおける変位及び応力連続境界条件を使用して、方程式（１０）を得る。
【数10】
式中、Ｚｐは第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の音響インピーダンスであり、Ｚｃはカプラ層３６の音響インピーダンスである。カプラ層３６がない第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械エネルギーＵｍは、方程式（１１）によって表される。
【数11】
カプラ層３６がある第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械エネルギーＵｍは、方程式（１２）によって表される。
【数12】
弾性エネルギーＵｅに対する閉形式解は、ｋｃとｋｐとの間の複雑な関係のために難しい一方、数値的方法は、モード形ｕ（ｚ）及び応力プロファイルσ（ｚ）を取得するために、方程式（１２）によって方程式（９）の系を解くために使用されることができる。ｕ（ｚ）を使用して、方程式（５）によって方程式（２）を使用して電気機械結合係数を計算し、カプラ層３６が第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数を増加させることを示す。
【0023】
図６は、カプラ層３６を含む第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の応力プロファイル（実線３８）と、カプラ層３６がない第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の変位プロファイル（破線４０）とを示す。示されるように、カプラ層３６は、さらなる音響エネルギーを第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６に押し込み、応力プロファイルの全体、ひいては、電気機械結合係数を増加させる。示されないが、当業者は、応力プロファイルが、第１の圧電層２４及び第１の電極２８の接触界面と、第２の圧電層２６及び第２の電極３０の接触界面とで急勾配になり得ることを認識するであろう。
【0024】
カプラ層３６の音響インピーダンス（Ｚｃ）と、第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の音響インピーダンス（Ｚｐ）との間の関係は、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数を変更し得る。カプラ層３６の音響インピーダンスが第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の音響インピーダンスで除算される値（Ｚｃ／Ｚｐ）が、様々な実施形態では、１．０よりも大きい、１．５よりも大きい、２．０よりも大きい、及び３．０よりも大きいとき、望ましい電気機械結合係数に達し得る。カプラ層３６の音響インピーダンスが第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の音響インピーダンスで除算される値（Ｚｃ／Ｚｐ）は、様々な実施形態では、カプラ層３６の物質に利用可能な音響インピーダンスによって制約され得、ひいては、１０．０未満、８．０未満、６．０未満であり得る。カプラ層３６の厚さ（２ｌ）と、第１の電極２８及び第２の電極３０の厚さ（ｔ）との間の関係は、また、電気機械結合係数を変更し得る。カプラ層３６の厚さが第１の電極２８及び第２の電極３０の厚さで除算される値（２ｌ／ｔ）が、０．１～０．４、より具体的には、０．１～０．２、０．１～０．３、０．２～０．３、０．２～０．４、及び０．３～０．４であるとき、望ましい電気機械結合係数に達し得る。図７は、これらの関係を示すグラフである。具体的には、図７は、ｘ軸（第１の電極２８及び第２の電極３０の厚さで除算されるカプラ層３６の厚さ（２ｌ／ｔ））と、ｙ軸（カプラ層３６がない
ものに対するカプラ層３６がある第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２に関する電気機械結合係数の改善された比率（すなわち、カプラ層３６がある第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数（ｋ２ ｅｆｆ，ｃ）が、カプラ層３６がない第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数（ｋ２ ｅｆｆ，ｎｃ）で除算される値））とを示すグラフである。グラフの各線は、カプラ層３６の音響インピーダンスと、第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の音響インピーダンスとの間の特定の関係（Ｚｃ／Ｚｐ）を示す。
ものに対するカプラ層３６がある第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２に関する電気機械結合係数の改善された比率（すなわち、カプラ層３６がある第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数（ｋ２ ｅｆｆ，ｃ）が、カプラ層３６がない第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数（ｋ２ ｅｆｆ，ｎｃ）で除算される値））とを示すグラフである。グラフの各線は、カプラ層３６の音響インピーダンスと、第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の音響インピーダンスとの間の特定の関係（Ｚｃ／Ｚｐ）を示す。
【0025】
一実施形態では、カプラ層３６は金属層である。カプラ層３６は、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、またはオスミウム（Ｏｓ）であり得る。カプラ層３６のために選ばれた物質に応じて、カプラ層３６の厚さは、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の電気機械結合係数を増加させるために、所望の音響応答を提供するために修正され得る。６０ｎｍの厚さがあるカプラ層３６と、７００ｎｍの厚さがある窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６とに関して、カプラ層３６の音響インピーダンスが、第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の音響インピーダンスで除算される値（Ｚｃ／Ｚｐ）は、アルミニウム（Ａｌ）のカプラ層３６に対して０．５０であり、モリブデン（Ｍｏ）のカプラ層３６に対して１．９０であり、タングステン（Ｗ）のカプラ層３６に対して２．７５であり、オスミウム（Ｏｓ）のカプラ層３６に対して３．２５である。種々の実施形態では、第１の圧電層２４及び第２の圧電層２６の厚さは３５０ｎｍ～１０５０ｎｍであり得、第１の電極２８及び第２の電極３０の厚さは１００ｎｍ～３００ｎｍであり得、カプラ層３６の厚さは３０ｎｍ～９０ｎｍであり得る。カプラ層３６の厚さは、この範囲内に任意の部分的範囲を含み得、そのとき、カプラ層３６の厚さは、様々な実施形態では、３０ｎｍ～４０ｎｍ、３０ｎｍ～５０ｎｍ、３０ｎｍ～６０ｎｍ、３０ｎｍ～７０ｎｍ、３０ｎｍ～８０ｎｍ、４０ｎｍ～５０ｎｍ、４０ｎｍ～６０ｎｍ、４０ｎｍ～７０ｎｍ、４０ｎｍ～８０ｎｍ、４０ｎｍ～９０ｎｍ、５０ｎｍ～６０ｎｍ、５０ｎｍ～７０ｎｍ、５０ｎｍ～８０ｎｍ、５０ｎｍ～９０ｎｍ、６０ｎｍ～７０ｎｍ、６０ｎｍ～８０ｎｍ、６０ｎｍ～９０ｎｍ、７０ｎｍ～８０ｎｍ、７０ｎｍ～９０ｎｍ、及び８０ｎｍ～９０ｎｍであり得る。第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２の２次モードの励起に起因して、デバイスは、約３．０ＧＨｚよりも大きい共振周波数を提供し得る。したがって、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２は、高周波数適用において非常に有用であり得る。
【0026】
第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２は、図８に示されるように、堅固に搭載される共振器（ＳＭＲ）であり得る。係る実施形態では、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２は、いくつかの介在層４４が第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２と基板４２との間に位置するように提供される、基板４２上に提供される。介在層４４は、高い及び低い音響インピーダンス物質のいくつかの交代層を含み得る。基板４２及び介在層４４の詳細は、当業者によって容易に認識するであろう、したがって、本明細書では詳細に議論されない。
【0027】
第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２は、また、図９に示されるように、薄膜バルク超音波共振器（ＦＢＡＲ）であり得る。係る実施形態では、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２は、支持層４６上に提供され、基板５０によって空気腔４８にわたって浮かぶようになる。支持層４６、空気腔４８、及び基板５０の詳細は、当業者によって容易に認識するであろう、したがって、本明細書では詳細に議論されない。
【0028】
示されないが、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２は、任意の数の異なる回路トポロジを作成するために、任意の数の異なる支持構造で使用され得る。種々の実施形態では、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器２２は、デュープレクサ、マルチプレクサ等のフィルタリング回路を形成する１つ以上の他の共振器または構成要素と、電気的にまたは音響
的にのいずれかで結合され得る。これらの構造の詳細は、当業者によって容易に認識するであろう、したがって、本明細書では詳細に議論されない。
的にのいずれかで結合され得る。これらの構造の詳細は、当業者によって容易に認識するであろう、したがって、本明細書では詳細に議論されない。
【0029】
当業者は、本開示の好ましい実施形態に対する改善及び修正を認識するであろう。全ての係る改善及び修正は、本明細書に開示される概念及び以下に続く特許請求の範囲の範囲内にあるものと見なされる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2024-01-24
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第２のオーバモードバルク超音波（ＢＡＷ）共振器であって、
第１の極性を有する第１の圧電層と、
第２の極性を有する第２の圧電層であって、前記第１の極性と前記第２の極性とは圧電定数の符号が反対である、第２の圧電層と、
前記第１の圧電層と前記第２の圧電層との間にあるカプラ層と、
前記カプラ層の反対側の前記第１の圧電層上の第１の電極と、
前記カプラ層の反対側の前記第２の圧電層上の第２の電極と、
を備え、前記第２のオーバーモードＢＡＷ共振器は、前記第１の圧電層、前記カプラ層、および前記第２の圧電層を介して２次モードを励起するように構成される、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
第１の極性を有する第１の圧電層と、
第２の極性を有する第２の圧電層であって、前記第１の極性と前記第２の極性とは圧電定数の符号が反対である、第２の圧電層と、
前記第１の圧電層と前記第２の圧電層との間にあるカプラ層と、
前記カプラ層の反対側の前記第１の圧電層上の第１の電極と、
前記カプラ層の反対側の前記第２の圧電層上の第２の電極と、
を備え、前記第２のオーバーモードＢＡＷ共振器は、前記第１の圧電層、前記カプラ層、および前記第２の圧電層を介して２次モードを励起するように構成される、第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項2】
前記カプラ層は第１の音響インピーダンスを有し、
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は、第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスが１．０よりも大きくなるように、前記第２の音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は、第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスが１．０よりも大きくなるように、前記第２の音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項3】
前記第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスは１．５よりも大きくなる、請求項２に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項4】
前記第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスは２．０よりも大きくなる、請求項２に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項5】
前記第２の音響インピーダンスで除算される前記第１の音響インピーダンスは３．０よりも大きくなる、請求項２に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項6】
前記カプラ層は金属層である、請求項２に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項7】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は窒化アルミニウムである、請求項６に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項8】
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、請求項７に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項9】
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つである、請求項６に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項10】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は窒化アルミニウムである、請求項９に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項11】
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、請求項１０に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項12】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の厚さは、３５０ｎｍ～１０５０ｎｍであり、
前記カプラ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍである、
請求項２に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
前記カプラ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍである、
請求項２に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項13】
前記カプラ層は第１の厚さを有し、
前記第１の電極及び前記第２の電極は、第２の厚さで除算される前記第１の厚さが０．１～０．４であるような前記第２の厚さを有する、
請求項２に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、第２の厚さで除算される前記第１の厚さが０．１～０．４であるような前記第２の厚さを有する、
請求項２に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項14】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の厚さは、３５０ｎｍ～１０５０ｎｍであり、
前記カプラ層の第１の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極の第２の厚さは、１００ｎｍ～３００ｎｍである、
請求項１３に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
前記カプラ層の第１の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極の第２の厚さは、１００ｎｍ～３００ｎｍである、
請求項１３に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項15】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は窒化アルミニウムであり、
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、
請求項１４に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、
請求項１４に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項16】
前記第２の厚さで除算される前記第１の厚さは、０．２～０．３である、請求項１３に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項17】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の厚さは、３５０ｎｍ～１０５０ｎｍであり、
前記カプラ層の第１の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極の第２の厚さは、１００ｎｍ～３００ｎｍである、請求項１６に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
前記カプラ層の第１の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極の第２の厚さは、１００ｎｍ～３００ｎｍである、請求項１６に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項18】
前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は窒化アルミニウムであり、
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、
請求項１７に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
前記カプラ層は、モリブデン、タングステン、及びオスミウムのうちの１つであり、
前記第１の電極及び前記第２の電極はタングステンである、
請求項１７に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項19】
前記カプラ層は、前記第２のオーバーモードＢＡＷ共振器の応力プロファイルの全体を増加させるために、前記第１の圧電層と前記第２の圧電層との間に音響インピーダンスを提供する、請求項１に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【請求項20】
前記カプラ層によって提供される音響インピーダンスは、前記第２のオーバーモードＢＡＷ共振器の改善された効率的な電気機械結合を提供する、請求項１９に記載の第２のオーバーモードＢＡＷ共振器。
【外国語明細書】