圧電現象を利用した民生用弾性波デバイスでは、水晶や圧電セラミックを用いたバルク波(BAW)の共振子やフィルタなどが古くから実用化されてきた。一方、弾性表面波(SAW)については、1885年のレイリー波の発見以来、弾性表面波(SAW)の研究は長い歴史があるが、民生品への応用は歴史が浅く、1960年代のすだれ状電極の発明と1970年代のテレビの映像中間周波数用フィルタにSAWを応用した論文の報告以降,全世界の多くの研究機関や産業界でSAWフィルタの開発・実用化の取り組みが始まった。LiNbO3(LN)やLiTaO3(LT)の単結晶、ガラス基板上の酸化亜鉛薄膜、圧電セラミックを用いたトランスバーサル型SAWフィルタが、民生用にはじめて実用化された。
その後、携帯電話やスマートフォンの登場により、小型,高周波,高性能な高周波フィルタが要求され、それらに適したAlN多結晶薄膜を用いたBAWフィルタやLNやLTを用いたSAWフィルタが開発され、今では、それらの機器に欠かせないキーデバイスとなっている。近年のスマートフォンの普及により、(1)第4世代では多バンド化のため、使用周波数帯(バンド)がより細かく配置され、(2)高速・大容量中心を目指した第5世代では、より高周波帯が使用されている。前者(1)では、従来特性より高性能な特性が要求され、その特性を満足する新しい構造のSAWデバイスが開発されている。後者(2)では、従来に比べ高い周波数デバイスとして、板波、音響多層膜構造縦波漏洩SAW、高調波SAWなどの高周波デバイスが研究されている。今後もスマートフォンなどの移動帯通信には、弾性波デバイスはますます、重要な役目を果たすものと考える。
BAWおよびSAWの弾性波デバイスを解説した本は今までも多く出版されているが、それらの本には上述のような新構造SAWデバイス、高周波SAWデバイス、高周波板波デバイス、高周波用単結晶BAWデバイスなどについてはほとんど記されていない。本書ではそれらに加え、BAWやSAWを学ぶための基礎的な内容、開発・実用化に従事された執筆者による実用化されたデバイス、今後期待されるデバイスなどについても記されており、豊富な内容になっている。御多忙にもかかわらず御執筆いただいた方々には、深く感謝致したい。本書が新しいヒント、アイデア、あるいは新製品開発などにつながれば、非常に大きな喜びである。
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| 第１章 | 圧電基板(固体)を伝わる波
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| 1． | バルク波 |
| 2． | 弾性表面波(Surface Acoustic Wave : SAW) |
| 2．1 | 圧電基板単板を伝わる弾性表面波 |
| 2．1．1 | レイリー波、LSAW、LLSAW |
| 2．1．2 | BGS波 |
| 2．2 | LSAWにおける漏洩成分の消去 |
| 2．2．1 | Love波 |
| 2．2．2 | 他の下地基板と組み合わせることによる漏洩成分の消去 |
| 2．3 | 層状構造 |
| 2．3．1 | レイリー波とセザワ波、およびその高次モード |
| 2．3．2 | 境界波 |
| 2．3．3 | 異基板層状構造SAW (Hetero Acoustic Layer SAW) |
| 3． | 板波 |
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| 第２章 | 弾性体の基礎
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| 1． | 結晶構造 |
| 2． | 結晶内の面の位置と方向(ミラー定数) |
| 3． | 弾性体における応力と歪 |
| 3．1 | 歪と変位 |
| 3．2 | 応力と歪 |
| 4． | 立方晶系基板における運動方程式 |
| 5． | 立方晶系基板における[100](x)方向のバルク波縦波 |
| 6． | 立方晶系基板におけるバルク波横波 |
| 7． | 立方晶系基板におけるレイリー波の解析 |
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| 第３章 | 圧電方程式を用いた解析
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| 1． | 圧電方程式 |
| 1．1 | 圧電方程式と材料定数 |
| 1．2 | 電気機械結合係数 |
| 2． | バルク波の振動 |
| 2．1 | 薄板の厚み縦振動 |
| 2．2 | 薄板の厚みすべり振動 |
| 2．3 | メイソンの等価回路 |
| 2．3．1 | 矩形板上の長さ振動 |
| 2．3．2 | 薄板の厚み縦振動 |
| 2．4 | 高次モード(オーバートーン)の励振 |
| 3． | 圧電基板におけるSAWの解析(Campbell-Joneの方法) |
| 3．1 | 圧電基板上のSAW |
| 3．2 | 2層構造(圧電膜/基板)におけるSAW |
| 4． | 共振子の等価回路 |
| 5． | オイラー角 |
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| 第４章 | SAWデバイスの基本原理と構造
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| 【4.1】 | SAWデバイスの種類と構造 |
| 1． | SAWの基礎 |
| 2． | SAW共振子 |
| 2．1 | 1ポートSAW共振子 |
| 2．2 | 2ポートSAW共振子 |
| 3． | SAW フィルタ |
| 3．1 | トランスバーサル型SAWフィルタ |
| 3．2 | 共振子型多重モードSAWフィルタ |
| 3．3 | SAWラダーフィルタ |
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| 【4.2】 | SAWセンサ |
| 1． | はじめに |
| 2． | SAWセンサの基本構造 |
| 3． | SAWセンサの分類 |
| 4． | SAWセンサの特徴と相対測定の必要性 |
| 5． | SAWセンサの測定系 |
| 6． | SAWセンサの測定原理 |
| 7． | SAWセンサの測定例 |
| 7．1 | 温度の影響の低減 |
| 7．2 | SAWバイオセンサの例〜阻害反応を利用した残留農薬測定〜 |
| 7．3 | SAWを用いた液体の連続測定 |
| 7．4 | インピーダンス負荷SAWセンサ |
| 8． | あとがき |
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| 【4.3】 | SAWアクチュエータ |
| 1． | はじめに |
| 2． | モータの構成と摩擦駆動 |
| 2．1 | モータの構成 |
| 2．2 | スライダ |
| 2．3 | 摩擦駆動 |
| 3． | 波動の駆動方法と弾性表面波素子 |
| 3．1 | 電極の基本構成 |
| 3．2 | 受波電極での整合負荷条件 |
| 3．3 | 励振波動 |
| 4． | 出力特性 |
| 4．1 | モータの無負荷速度応答 |
| 4．2 | モータの推力 |
| 4．3 | 予圧変化による応答の変化 |
| 5． | 摩擦駆動モデルとシミュレーション |
| 6． | その他の試作例 |
| 6．1 | エネルギー環流駆動 |
| 6．2 | 高周波化 |
| 6．3 | 平面2軸モータ |
| 7． | まとめ |
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| 【4.4】 | 弾性波材料 |
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| 第５章 | SAWデバイス作製プロセス
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| 1． | エッチング方法による電極作製プロセス |
| 2． | リフトオフによる電極形成 |
| 3． | 後(加工工程)工程 |
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| 第６章 | SAWの特性向上
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| 【6.1】 | SAW特性に必要とされる特性 |
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| 【6.2】 | Q特性の向上 |
| 1． | 漏洩成分の削除 |
| 2． | 低抵抗Al電極 |
| 3． | IDT形状 |
| 4． | Hetero Acoustic Layer(HAL)SAW |
| 5． | SAWの電極設計 |
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| 【6.3】 | 温度特性の改善されたSAWデバイス |
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| 【6.4】 | LSAW共振子からの弾性波漏洩(要約) |
| 【6.4】 | Acoustic leakages from LSAW resonators |
| 1． | Analysis of LSAW side radiation |
| 2． | Suppression of LSAW side radiation by narrow finger electrodes |
| 3． | Suppression of LSAW side radiation by thick busbars |
| 4． | Analysis of Rayleigh wave radiation |
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| 【6.5】 | デュプレクサにおけるアイソレーション(要約) |
| 【6.5】 | Enhancement of isolation in acoustic duplexers |
| 1． | Importance of isolation in acoustic duplexers |
| 2． | Duplexer isolation |
| 3． | Enhancement of duplexer isolation |
| 3．1 | Example.1 |
| 3．2 | Example.2 |
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| 【6.6】 | 耐電力特性 |
| 1． | 合金Al電極 |
| 2． | 積層電極 |
| 3． | エピタキシャルAl電極 |
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| 【6.7】 | 横モードの抑制(要約) |
| 【6.7】 | Suppression of transverse modes |
| 1． | Apodization |
| 2． | Piston mode |
| 3． | Vertical slowness curve |
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| 【6.8】 | フィルタカットオフの急峻化(要約) |
| 【6.8】 | Steep cut-off filters |
| 1． | Coupling reduction for ladder filters |
| 2． | Reactance effect for DMS filters |
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| 第７章 | 注目されるSAW技術
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| 【7.1】 | 異基板層状構造(Hetero Acoustic Layer)SAWデバイス |
| 1． | ZnO膜/基板 |
| 2． | SiO2 膜/電極/圧電基板 |
| 3． | LT,LN薄板と線膨張係数の小さな基板との組み合わせ |
| 3．1 | LT薄板/サファイア |
| 3．2 | LT薄板/Si基板 |
| 3．3 | LT, LN/スピネル基板 |
| 3．4 | LT, LN/ガラス基板 |
| 4． | LT/SiO2/Si基板 |
| 5． | LT, LN/水晶構造 |
| 6． | MEMS構造(空洞型)板波デバイス |
| 6．1 | 高音速板波 |
| 6．2 | 広帯域板波 |
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| 【7.2】 | 音響多層膜SAW |
| 1． | X LN薄板と音響多層膜を組み合わせたLLSAW共振子 |
| 2． | 25〜30°YX-LN薄板と音響多層膜を組み合わせた広帯域SAWデバイス |
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| 【7.3】 | 高音速・高周波数化 |
| 1． | はじめに |
| 2． | 高音速LLSAWを用いた高周波化 |
| 3． | 高次モードSAW |
| 4． | ハーモニックSAW |
| 4．1 | IDTのMRを0.8にしたハーモニックSAW |
| 4．2 | 基板中にIDT電極を埋め込んだ構造 |
| 5． | 高音速板波 |
| 5．1 | LN薄板 |
| 5．2 | LT薄板 |
| 5．3 | AlN薄膜 |
| 6． | むすび |
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| 【7.4】 | 圧電単結晶基板(ウェハ)の製造技術 |
| 1． | はじめに |
| 2． | 圧電単結晶ウェハの製造工程 |
| 3． | 精密研削加工技術 |
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| 第８章 | SAWデバイスの設計
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| 【8.1】 | FEMのよるSAWの解析 |
| 1． | 有限要素法(Finite Element Method)の概略 |
| 1．1 | 無限領域の扱い |
| 1．2 | Perfectly matched layer |
| 2． | Finite element method のSAW への応用 |
| 2．1 | 変分原理 |
| 2．2 | 不連続領域Ω2 の離散化 |
| 2．3 | 半無限基板領域Ω1 の離散化 |
| 2．4 | 半無限真空領域Ω3 の離散化 |
| 2．5 | 有限要素モデルの行列方程式 |
| 2．6 | 分散曲線の算出 |
| 2．7 | 無限長IDT の周波数特性 |
| 3． | モード結合理論 |
| 3．1 | 弾性表面波 |
| 3．1．1 | 結合係数と変換係数の決定 |
| 3．2 | 漏洩弾性表面波 |
| 3．3 | デバイス特性の計算 |
| 4． | 等価回路 |
| 4．1 | 短絡グレーティングの等価回路を用いたr とbs の決定 |
| 4．2 | 開放グレーティングの等価回路を用いた変成比の決定 |
| 4．3 | アドミタンス行列を用いるデバイス特性計算 |
| 4．3．1 | アドミタンス行列 |
| 4．3．2 | アドミタンス行列の数値計算上の注意 |
| 4．3．3 | IDT,一端子対共振器の入力アドミタンス |
| 4．3．4 | 二端子対デバイスのアドミタンス行列と挿入損失 |
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| 【8.2】 | トランスバーサルフィルタ |
| 1． | SAWトランスバーサルフィルタの基本原理 |
| 2． | IDTの構造と重み付け方法 |
| 3． | IDTの電気的特性と外部回路の影響 |
| 4． | その他のスプリアス |
| 5． | 一方向性IDT |
| 6． | 周波数特性の解析方法 |
| 6．1 | デルタ関数モデル |
| 6．2 | 等価回路モデル |
| 6．3 | Pマトリクスモデル |
| 6．4 | モード結合理論による解析 |
| 7． | トランスバーサルフィルタの設計法 |
| 7．1 | 窓関数法 |
| 7．2 | ビルデイングブロック法 |
| 7．3 | レメッツ交換法 |
| 7．4 | 線形計画法および非線形計画法 |
| 7．5 | 確率論的アルゴリズム |
| 7．6 | TV用VIFフィルタの設計 |
| 8． | トランスバーサルフィルタの応用例 |
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| 【8.3】 | 共振子型多重モードSAWフィルタ |
| 1． | SAW共振子と共振モード |
| 1．1 | SAW共振子の基本構成 |
| 1．2 | グレーティング反射器と1ポート共振子の等価回路 |
| 1．3 | 縦モード共振 |
| 1．4 | 横モード共振 |
| 2． | 共振子型多重モードSAWフィルタの原理 |
| 2．1 | 共振子型SAWフィルタと共振モードの結合 |
| 2．2 | 共振子型多重モードSAWフィルタの実現方法 |
| 2．3 | 共振子型多重モードSAWフィルタの等価回路 |
| 2．4 | フィルタの縦続接続 |
| 3． | 縦結合多重モードSAWフィルタの設計 |
| 3．1 | IDTの反射の影響 |
| 3．2 | 2─IDT構成の設計 |
| 3．3 | 3─IDT構成の設計 |
| 3．4 | 5─IDT構成の設計 |
| 3．5 | エネルギー蓄積効果とQARP構造 |
| 3．6 | 分散ギャップ構造 |
| 3．7 | ピッチ変調構造 |
| 3．8 | 電気的結合による広帯域化 |
| 3．9 | 減衰特性の改善とスプリアス抑圧 |
| 4． | 横結合多重モードSAWフィルタの設計 |
| 4．1 | 導波路モードの周波数とフィルタ特性解析 |
| 4．2 | 広帯域化 |
| 4．2．1 | 高次横モードを用いる方法 |
| 4．2．2 | 横モードと縦モードを組み合わせる方法 |
| 4．2．3 | 結合ギャップのSAW音速をIDT部の音速に近づける方法 |
| 5． | SH波を用いた多重モードフィルタの小型化 |
| 5．1 | 端面反射型SAW多重モードフィルタ |
| 5．1．1 | 端面反射型縦結合多重モードSAWフィルタ |
| 5．1．2 | 端面反射型横結合多重モードSAWフィルタ |
| 5．2 | 重い金属を用いた電極によるSH波多重モードフィルタ |
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| 【8.4】 | ラダー型SAWフィルタ |
| 1． | 1ポートSAW共振子 |
| 2． | ラダー型SAWフィルタの構成 |
| 3． | ラダー型SAWフィルタの動作原理 |
| 4． | ラダー型SAWフィルタの設計方法と特性向上 |
| 4．1 | インピーダンス整合 |
| 4．2 | 帯域外抑圧度 |
| 4．3 | 広帯域化 |
| 4．4 | 最適化手法によるフィルタの設計方法 |
| 4．5 | 実用化例 |
| 4．6 | 高周波化 |
| 4．7 | 共振子型多重モードフィルタ(DMS型フィルタ)との比較および特徴 |
| 5． | ラダー型SAWフィルタを用いたアンテナデュプレクサの設計 |
| 5．1 | アンテナデュプレクサとは |
| 5．2 | アンテナデュプレクサの設計方法と特性 |
| 6． | ラダー型SAWフィルタのさらなる改善について ─特に横モードスプリアス解析について─ |
| 6．1 | COMSOL PDEによる2次元COMの解析 |
| 6．2 | スカラーポテンシャル法による解析 |
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| 第９章 | BAWデバイス
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| 【9.1】 | 基本原理と特性 |
| 1． | 構造と動作原理 |
| 2． | 材料と構成 |
| 3． | 基本性能 |
| 3．1 | フィルタ設計手法,SAWとの比較 |
| 3．2 | BAW共振器を使用したラダー型フィルタの基本動作 |
| 3．3 | BAWフィルタ特性 |
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| 【9.2】 | 製作プロセス・成膜技術 |
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| 【9.3】 | フィルタ・マルチプレクサの設計 |
| 1． | ラダーフィルタの設計 |
| 2． | デュプレクサ・マルチプレクサ |
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| 【9.4】 | 性能改善技術 |
| 1． | 温度特性の改善 |
| 1．1 | 基板の放熱について |
| 1．2 | TCFの改善手法 |
| 2． | ドーピングによる結合係数の改善 |
| 3． | 単結晶薄膜の利用 |
| 3．1 | LNを使用したFBAR |
| 3．2 | LTを使用したSMR型BAW |
| 4． | Q値の改善 |
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| 【9.5】 | 弾性波のエネルギー閉じ込め |
| 1． | 分散特性 |
| 1．1 | 支配方程式 |
| 1．2 | 材料定数 |
| 1．3 | 境界条件 |
| 1．4 | 振動解の仮定 |
| 2． | エネルギー閉じ込め理論 |
| 3． | スプリアスの抑制とピストンモード |
| 4． | 分散特性のデザイン |
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| 【9.6】 | 耐電力および非線形特性 |
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| 【9.7】 | 実装とパッケージ |
| 1． | ウエハレベルパッケージ(WLP) |
| 2． | 境界波 |
| 3． | Active素子との集積化 |
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| 【9.8】 | 今後の開発動向 |
| 1． | 高周波領域への展開 |
| 2． | 発振器への応用 |
| 3． | BAWセンサー |
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| 第10章 | 5G/ポスト5Gに向けたディジタルRF技術とマイクロ波/ミリ波フィルタへの期待
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| 第11章 | SAWデバイス実用化例
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| 1． | まえがき |
| 2． | 圧電セラミックを用いたTV用SAWフィルタの実用化 |
| 3． | ZnO/ガラス構造TV用フィルタ |
| 3．1 | ガラスの割れや反り |
| 3．2 | ワックスぬけ不良 |
| 3．3 | 吸音剤の改善 |
| 3．4 | 部分的に段差を持つ金属マスクの考案 |
| 3．5 | ターゲット研磨 |
| 3．6 | ガラス基板に起因した周波数ばらつき |
| 3．7 | 有機高分子樹脂による周波数調整方法の開発 |
| 3．8 | ZnO膜表面研磨による特性ばらつきの低減 |
| 3．9 | ZnO膜クラック |
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英文タイトル:
Surface and Bulk Acoustic Wave Devices : Fundamentals to latest Applications
