CN101145768A - 声波器件、谐振器及滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声波器件、谐振器和滤波器。该声波器件包括压电基板；形成在所述压电基板上的梳状电极；以及设置为覆盖所述梳状电极的第一介电膜，所述第一介电膜具有与所述梳状电极的多个指相关的多个空隙。
Description
技术领域
本发明涉及声波器件、谐振器及滤波器，并且更具体地涉及一种具有覆盖梳状电极的介电膜的声波滤波器，以及使用该声波滤波器的谐振器及滤波器。
背景技术
使用声波的滤波器被用于诸如蜂窝电话的高频无线电设备。示例性的声波是表面声波(SAW)。图1A为SAW谐振器的平面图，图1B沿图1A所示的线A-A’的截面图。为了简明，图1A示出的电极12的指少于实际数量。在压电基板10上形成电极12，该压电基板10可以是钽酸锂(LiTaO3)基板或铌酸锂(LiNbO3)基板。电极12可以用铝合金、铜合金或金形成。电极12包括一对梳状电极IDT0和一对反射电极RO。该对梳状电极IDT0形成交指型晶体管。该反射电极RO包括光栅电极。该对梳状电极IDT0设置在反射电极RO之间。当高频信号施加到该对梳状电极IDT0其中之一时，在该压电基板10的表面，表面声波被激发。SAW谐振的频率取决于该对梳状电极IDT0的电极指的周期λ和SAW的传播速度。该谐振频率的高频信号在IDT0的另一梳状电极产生。因此，图1A和1B所示的器件被用作谐振器。
实践中，SAW器件需要具有频率温度系数(经常被简写为TCF)的被减小的绝对值。TCF是频率响应于环境温度的变化而改变的比率。在该谐振器中，谐振频率相对于1℃的环境温度改变的变化以单位ppm/℃来表示。TCF基本上取决于在压电基板的表面上传播的SAW的速度温度系数。对于LiTaO3或LiNbO3的压电基板SAW器件的TCF恶劣到-80～-40ppm/℃ ，因此需要进行改进。
下述文献公开的技术关注改善SAW器件的TCF：国际公开第WO98/52279号(此后称为D1)，以及“Highly Piezoelectric Boundary Wavesin Si/SiO2/LiNbO3 Structure”(Masatsune Yamaguchi，Takashi Yamashita，Ken-ya Hashimoto，Tatsuya Omori，Proceeding of 1998 IEEE InternationalFrequency Control Symposium，IEEE，1998，pp.484-488)。参照图2，电极12覆盖有第一介电膜14，其可由氧化硅制成并且厚度可为0.2λ到0.4λ。被称为Love波的声波在图2所示的声波器件中被激发。该Love波在压电基板10和第一介电膜14中变化。参照图3，在第一介电膜14上设置第三介电膜16，该第三介电膜16可以由氧化铝制成。图3所示的声波器件具有被激发的、被称为边缘波的声波，其在压电基板10和第一介电膜14中变化。在图2和图3所示的SAW器件中，声波不仅在压电基板10中传播，也在第一介电膜14中传播。在第一介电膜14中传播的声波的传播速度的温度系数被设计为具有与在压电基板10中传播的声波的传播速度的温度系数相反的符号。当第一介电膜14的厚度被最优选择时，声波的总传播速度可基本被保持为恒定。即，通过最优选择第一介电膜14的厚度，TCF可被减小。
然而，图2和图3所示的声波器件具有如下缺陷：第一介电膜14的机械谐振锐度Qm显著小于压电基板10的机械谐振锐度。因此，在第一介电膜14中传播的声波会发生损耗，从而声波器件具有较大损耗。
发明内容
本发明针对上述情况，提供了一种声波器件，该声波器件改善了的频率温度系数和损耗。
根据本发明的一方面，提供了一种声波器件，该声波器件包括：压电基板；形成在所述压电基板上的多个梳状电极；以及设置为覆盖所述梳状电极的第一介电膜，所述第一介电膜具有与所述梳状电极的多个指相关的多个空隙。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述声波器件的谐振器和滤波器。
附图说明
参照下述附图来说明本发明的实施方式，在附图中：
图1A为使用传统表面声波器件的谐振器的平面图；
图1B为沿图1A所示的线A-A’的截面图；
图2为使用边缘声波的传统声波器件的截面图；
图3为使用Love波的传统声波器件的截面图；
图4A为根据第一实施方式的声波器件的平面图；
图4B为沿图4A所示的线A-A’的截面图；
图5示出了第一比较示例的声波器件的模拟中所使用的结构；
图6示出了第一实施方式的声波器件的模拟中所使用的结构；
图7为作为空隙的高度ha的函数的、第一比较示例和第一实施方式的插入损失的图；
图8为根据第二实施方式的截面图；
图9示出了第二实施方式的声波器件的模拟中所使用的结构；
图10为作为空隙的高度ha的函数的、第二实施方式的插入损失的图；
图11为根据第三实施方式的声波器件的截面图；
图12示出了第三实施方式的声波器件的模拟中所使用的结构；
图13为作为空隙的高度ha的函数的、第三实施方式的插入损失的图；
图14为根据第四实施方式的声波器件的截面图；
图15示出了第四实施方式的声波器件的模拟中所使用的结构；
图16A为作为空隙下的第一介电膜的厚度hd的函数的、第四实施方式的插入损耗的图；
图16B为作为空隙的横向偏移wd的函数的、第四实施方式的插入损耗的图；
图17为作为空隙的高度ha的函数的、第一比较示例和第一实施方式的TCF的图；
图18为根据第五实施方式的声波器件的截面图；
图19示出了第五实施方式的声波器件的模拟中所使用的结构；
图20为作为第二介电膜的厚度hb的函数的、第二比较示例和第五实施方式的插入损耗的图；
图21为作为第二介电膜的厚度hb的函数的、第二比较示例和第五实施方式的TCF的图；
图22为根据第五实施方式的第一变型例的声波器件的截面图；
图23为根据第五实施方式的第二变型例的声波器件的截面图；
图24为根据第六实施方式的滤波器的电路图；
图25为根据第七实施方式的滤波器的平面图；
图26为根据第八实施方式的双工器的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施方式进行详细描述。
[第一实施方式]
图4A为根据本发明第一实施方式的声波器件的平面图，图4B为沿图4A所示的线A-A’的截面图。在压电基板10的上方，更具体的是，在压电基板10上，设置电极12，该压电基板10可例如由LiTaO3或LiNbO3制成。该电极12可例如由铜制成。电极12包括一对梳状电极IDT0和在该对IDT0两侧沿声波的传播方向设置的一对反射电极RO。梳状电极IDT0具有多个电极指，并具有如图4B所示的截面。由氧化硅制成的第一介电膜14被设置成覆盖电极12。由氧化铝制成的第三介电膜16被设置在第一介电膜14上。第一介电膜14具有与电极12相关的多个空隙20a。第一介电膜14中的空隙20a被设置为与电极12的多个指的上表面相接触。在电极12的上方，更具体的是，在电极12上设置空隙20a。牺牲层(sacrificing layer)用于形成空隙。
本发明通过模拟来获得根据第一实施方式的谐振器的插入损耗的量值。图5示出了用于第一比较示例的模拟中所使用的结构，在该结构中，介电膜14在电极12上不具有任何空隙。在该模拟中，在包括声波传播方向和基板深度方向的二维模型中，仅抽取了0.5对梳状电极并测量其频率响应。梳状电极的电极指的周期λ被设定为等于2.084μm。即，该0.5对的宽度是1.042μm。压电基板10由30°Y切割X传播LiNbO3制成并且厚度为10.6μm。电极12由铜制成并且厚度为0.2μm。第一介电膜14由氧化硅(SiO2)制成并且厚度为1.05μm。第三介电膜16由氧化铝(Al2O3)制成并且厚度为2.0μm。氧化硅膜的机械谐振锐度Qm被设定为等于50，并且其他材料的Qm被设定为等于1000。
图6示出了用于第一实施方式的模拟所使用的结构，在该结构中，第一介电膜14具有空隙20a。第一实施方式与第一比较示例不同在于：第一介电膜14具有设置在电极12上方的、与电极12上表面接触的空隙20a。空隙20a具有的宽度等于电极12的各指的宽度，并且具有高度ha。
图7示出了在谐振点处第一实施方式的插入损耗[dB]的计算结果，该结算结果为高度ha[nm]的函数。第一比较示例具有为0[nm]的高度ha。图7示出了该空隙20a的存在改善了插入损耗。另外，高度ha变得越高，插入损耗被改善得越多。当空隙20a的高度ha是100nm时，插入损耗被减小到几乎是第一比较示例的插入损耗的一半。空隙20a的存在使得电极12的振动难于传到第一介电膜。这减小了在具有较小Qm的第一介电膜14中传播的声波的能量。
[第二实施方式]
第二实施方式具有这样的示例性结构，其中空隙不仅被设置在电极的上表面而且沿电极的侧表面设置该空隙。图8为根据第二实施方式的谐振器的截面图。空隙20b被设置在电极12的上表面上并且沿电极12的侧表面设置该空隙20b。第二实施方式中的其他结构与图4B所示的第一实施方式中的结构相同。图9示出了用于第二实施方式的模拟所使用的结构。空隙20b具有从电极12的上表面起算的40nm的高度并且从电极12侧表面其测量具有30nm的宽度。
图10示出了作为高度ha[nm]的函数的、在谐振点处的第二实施方式的插入损耗[dB]的计算结果。通过将空隙20b设置为不仅与电极12的上表面接触而且与电极的侧表面接触，可极大的改善谐振器的插入损耗。
[第三实施方式]
第三实施方式具有这样的示例性结构，在该结构中，空隙被设置在电极12的各指之间。图11为根据第三实施方式的谐振器的截面图。如图11所示，空隙20c被连续设置在多个电极指之间，从而相邻交织的电极指的相对侧面彼此相对。换句话说，空隙20c被设置为连接相邻的电极指。空隙20c对于电极指是连续的。第三实施方式中的其他结构与图4B所示的第一实施方式中的结构相同。图12示出了用于第三实施方式的模拟所使用的结构。空隙20c具有0.2μm的高度，其等于电极12的高度。
图13示出了作为高度ha[nm]的函数的、在谐振点处的第三实施方式的插入损耗[dB]的计算结果。将空隙20c连续地设置在电极12的电极指之间进一步改善插入损耗。
[第四实施方式]
第四实施方式具有这样的示例性结构，在该结构中，隔着部分第一介电膜14，在电极12的上方设置空隙。图14是依据第四实施方式的谐振器的截面图。参照图4，空隙20d被设置在第一介电膜14中，使得空隙20d位于电极12的电极指的上方，隔着部分第一介电膜14与所述电极指相间隔。第四实施方式中的其他结构与图4B所示的第一实施方式中的结构相同。图15示出了第四实施方式的模拟所使用的结构。隔着部分第一介电膜14，在电极12的上方设置空隙20d。符号hd是电极12的指与空隙20d之间的部分第一介电膜14的高度。空隙20d的高度ha为100nm，并且空隙20d的侧表面比所述电极的指12的侧表面向内偏移了宽度wd。
图16A和16B示出了在谐振点处第四实施方式的插入损耗。更具体的是，图16A示出了作为空隙下的第一介电膜的厚度hd的函数的、在谐振点处的插入损；图16B示出了作为偏移宽度wd的函数的、在谐振点处的插入损耗。从图16A可以看出，随着空隙20d下的第一介电膜的厚度hd的增加，插入损耗恶化。从图16B可以看出，随着图15所示的偏移宽度wd增加，插入损耗恶化。然而，应注意到，图16A和16B所示的插入损耗小于以虚线示出的第一比较示例。可见，即使空隙20d不靠近于电极12，也可以减小插入损耗。另外可以看出，即使空隙20d的侧表面比所述电极的指的侧表面更靠内，也可以减小插入损耗。
由于在第一、第二和第四实施方式中，与电极12相接触地，或者隔着部分第一介电膜14地设置空隙，因而可以减小具有较小Qm的第一介电膜14中传播的声波的能量。因此，可以改善谐振器的插入损耗。可进行几种变形。优选地，为所有电极12的指设置空隙。在另一方式中，可以仅对一些电极指设置空隙。部分地设置的空隙用以减小在第一介电膜14中传播的声波的能量。空隙优选地被设置在孔径长度方向(指的长度方向)的电极12的指的整个长度上。在另一方式中，空隙被设置在电极指的整个长度的一部分上。部分地设置的空隙用以减小在第一介电膜14中传播的声波的能量。优选地，空隙具有在声波传播方向(电极指的宽度方向)等于电极12的指的宽度。通过另一实施例，如第四实施方式中的情况，空隙可窄于电极指。
在第二实施方式的情况下，空隙优选地设置在电极12的多个指之间。利用该结构，可进一步减小在第一介电膜14中传播的声波的能量以实现谐振器的插入损耗的进一步减小。
在第一和第二实施方式的情况下，空隙被形成为与电极12相接触。空隙可部分接触于电极12。因此，可进一步减小在第一介电膜14中传播的声波的能量并实现谐振器的插入损耗的进一步减小。
更具体地，如在第一实施方式的情况下，优选地是空隙20a接触电极12的上表面。更优选地是，如在第二实施方式的情况下，空隙20b接触于电极12的上表面和侧表面。由图16A和16B可知，当空隙接触电极12时，可进一步减小谐振器的插入损耗。
在第二和第三实施方式的情况下，对至少部分电极12设置空隙，从而在具有较小Qm的第一介电膜14中传播的声波的能量以及谐振器的插入损耗可被改善。
在第三实施方式的情况下，空隙被连续地设置在电极12的多个指之间。由此可减小图13所示的谐振器的插入损耗。
当空隙不接触电极12时，空隙和电极12间的第一介电膜14的厚度hd在整个电极12上可不相等。例如，在该对梳状电极上的第一介电膜的厚度hd可不同于反射电极上的第一介电膜的厚度。也可使第一介电膜14在该对梳状电极或反射电极上具有不同的厚度hd。
图17示出了作为第一实施方式中采用的作为空隙20a的高度ha的函数的、在谐振频率下的TCF的计算结果。点划线表示未设置有第一介电膜14和第三介电膜16的SAW器件的TCF。第一实施方式的谐振器的TCF被认为不会下降-70ppm/℃那么多，-70ppm/℃为装备有该未设置有第一介电膜14和第三介电膜16的SAW器件的谐振器的TCF。然而，第一实施方式的谐振器具有比第一比较示例的谐振器的TCF差30ppm/℃到40ppm/℃的TCF。与第一比较示例相比，为改善插入损耗而形成在第一介电膜14中的空隙可能会降低TCF。
[第五实施方式]
参照图18，第五实施方式具有这样的示例性结构，在该结构中，由氧化硅膜形成的第二介电膜18a被设置在电极12的下方。由此，电极12被设置在压电基板10的上方。第五实施方式中的其他结构与图4B所示的第一实施方式中的结构相同。图19示出了用于第五实施方式的模拟所使用的结构。第一介电膜14具有形成在电极12上方且高度为40nm的空隙20a。第二介电膜18a被设置在电极12和压电基板10之间并且由氧化硅制成，该氧化硅也用于形成第一介电膜14。第二介电膜18a具有厚度hb。进行了针对第二比较示例的模拟，该第二比较示例具有设置在第一比较示例的电极12下方的第二介电膜18a。
图20是作为第二介电膜18a的厚度hb[nm]的函数的、第二比较示例和第五实施方式的谐振器在谐振频率下的插入损耗[dB]的图。0[nm]的hb的第五实施方式对应于第一实施方式，并且0[nm]的hp的第二比较示例对应于第一比较示例。在第五实施方式和第二比较示例中，第二介电膜18a的厚度hb越大，插入损耗越优。
图21示出了作为第二介电膜18a的厚度hb[nm]的函数的、第二比较示例和第五实施方式的谐振器在谐振频率下的TCF[ppm/℃]的图。在第五实施方式和第二比较示例中，第二介电膜18a的厚度hb越大，TCF越大。在第五实施方式中，第二介电膜18a的厚度hb越大，TCF越接近于0。由图20和21可知，在第五实施方式中，通过增加第二介电膜18a的厚度hb，可以减小插入损耗以及TCF的绝对值。
参照图22，图22示出了根据第五实施方式的第一变型例的谐振器。由例如氧化铝制成的第二介电膜18b被设置在电极12和压电基板10之间。应注意到，第二介电膜18b未被设置在电极12的相邻指之间。由此，第一介电膜14与电极12的多个指之间的压电基板10相接触。参照图23，其示出了根据第五实施方式的第二变型例的谐振器。由例如氧化铝制成的第二介电膜18c被设置在电极12和压电基板10之间。应注意到，第二介电膜18c被连续设置，即使在电极12的相邻指之间也是如此。
第五实施方式及其第一和第二变型例在压电基板10和电极12之间被装备有第二介电膜18a、18b和18c。如图21和22所示，其可减小插入损耗和TCF。
在第五实施方式的情况下，第二介电膜18a可由与第一介电膜14相同的材料制成。在第五实施方式的第一和第二变型例中，第二介电膜18b和18c可由不同于第一介电膜14的材料制成。具有这样的情况：第二介电膜18的介电常数大大小于压电基板10的介电常数。在这种情况下，第二介电膜18可减小该对梳状电极IDT0的静电容量。电极对IDT0的静电容量的减小可导致声波器件的阻抗失配。为了最小化阻抗失配，优选的是使第二介电膜18具有较大介电常数。由此优选的是由具有比第一介电膜14的介电常数大的介电常数的材料来制成第二介电膜18。
优选地，第二介电膜18为氧化铝膜。由此可减小第二介电膜18的电机耦合常数的厚度依赖。由此可抑制由第二介电膜18的厚度差异导致的声波器件的性能差异。另外，可提高对第二介电膜18的干刻或湿刻的阻抗并由此更易于制造声波器件。
第五实施方式使用了第二介电膜18，该第二介电膜18施加到第一实施方式的声波器件。第二介电膜18可被施加到第二至第四实施方式的任何声波器件。具有第二介电膜18的声波器件提供的优点类似于第五实施方式。
第一至第五实施方式的声波器件使用边缘声波并且具有设置在第一介电膜14上的第三介电膜16。图2所示的使用Love波而不具有第三介电膜16的声波器件可被变形，从而如在第一至第五实施方式中的情况那样，空隙被设置在第一介电膜14中。这些变型例可具有类似于第一至第五实施方式的优点。
优选地，在第三介电膜16中的声波的传播速度大于第一介电膜14中的声波的传播速度。由此可将声波限制在第一介电膜14中。
优选地，第三介电膜16可以是氧化铝膜，从而可易于形成该膜16。
在第一至第五实施方式中，压电基板10可包括铌酸锂或钽酸锂，从而较大的机电耦合系数可被增大并且插入损耗可被减小。
优选地，电极12包括诸如铜的重元素。电极12由密度大于第一介电膜14的密度的元素制成。利用该结构，可通过电极12获得满意的声波反射。
[第六实施方式]
第六实施方式为一种示例性阶梯滤波器，其具有依据第一至第五实施方式配置的声波器件。参照图24，其在输入端Tin和输出端Tout之间设置串联的谐振器S1到S4。并联谐振器P1被连接到串联的谐振器S1和S2之间的节点与接地点之间。类似地，并联谐振器P2被连接到串联的谐振器S3和S4之间的节点与接地点之间。使用第一至第五实施方式中的任一实施方式所设置的谐振器的阶梯滤波器具有较小的插入损耗和较小的TCF。
[第七实施方式]
第七实施方式为一种示例性多模式滤波器，其使用第一至第五实施方式中任一实施方式所设置的谐振器。参照图25，梳状电极的输入对IDT1被连接到输入端Tin，并且两个梳状电极输出对IDT2被连接到输出端Tout。两个梳状电极输出对IDT2沿声波传播方向被设置在梳状电极的输入对IDT1的两侧。两个反射电极R0被设置为比所述两个输出对IDT2更靠外。使用第一至第五实施方式中任一实施方式所设置的谐振器的该多模式滤波器具有较小的插入损耗和较小的TCF。
[第八实施方式]
第八实施方式为一种示例性双工器，其使用第一至第五实施方式中任一实施方式所设置的谐振器。参照图26，发送滤波器31被设置在公共端Ant和发送端Tx之间。接收滤波器32被设置在公共端Ant和接收端Rx之间。匹配电路30被连接在公共端Ant和接收滤波器32之间。发送滤波器31是具有串联谐振器S11至S14以及并联谐振器P11和P12的阶梯滤波器。接收滤波器32是具有串联谐振器S21至S24以及并联谐振器P21至P23的阶梯滤波器。使用第一至第五实施方式中任一实施方式所设置的谐振器的双工器具有较小的插入损耗和较小的TCF。
如以上结合第六至第八实施方式中所描述的，阶梯滤波器和多模式滤波器可被设置为使用第一至第五实施方式中任一实施方式所设置的声波器件。另外，双工器可被设置为使用这样的滤波器，该滤波器使用第一至第五实施方式中任一实施方式的声波器件。
本发明不限于上述具体描述的实施方式，而包括不背离本发明范围的其他实施方式和变形。
本发明基于2006年9月13日提交的日本专利申请第2006-248030号，在此通过引用并入其全部公开。
Claims (20)
1.一种声波器件，该声波器件包括：
压电基板；
形成在所述压电基板上的梳状电极；以及
设置为覆盖所述梳状电极的第一介电膜，
所述第一介电膜具有与所述梳状电极的多个指相关的空隙。
2.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，形成在所述第一介电膜中的所述空隙设置在所述梳状电极的指的上方。
3.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，形成在所述第一介电膜中的所述空隙位于所述梳状电极的两个相邻指之间。
4.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，形成在所述第一介电膜中的所述空隙还位于所述梳状电极的两个相邻指之间。
5.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，形成在所述第一介电膜中的空隙位于所述梳状电极的两个相邻指之间，以连接所述两个相邻指。
6.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，形成在所述第一介电膜中的所述空隙包括与所述电极指中的相应电极指相接触的空隙。
7.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，形成在所述第一介电膜中的空隙包括与所述电极指中的相应电极指的上表面相接触的空隙。
8.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，形成在所述第一介电膜中的空隙包括与所述电极指中的相应电极指的上表面和侧表面相接触的空隙。
9.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，所述声波器件还包括设置在所述压电基板和所述梳状电极之间的第二介电膜。
10.根据权利要求9所述的声波器件，其特征在于，所述第二介电膜包括的材料与所述第一介电膜所包括的材料相同。
11.根据权利要求9所述的声波器件，其特征在于，所述第二介电膜包括的材料与所述第一介电膜相比具有较高的介电常数。
12.根据权利要求9所述的声波器件，其特征在于，所述第二介电膜包括氧化铝膜。
13.根据权利要求9所述的声波器件，其特征在于，所述第一介电膜与所述梳状电极的相邻指间的压电膜相接触。
14.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，所述声波器件还包括设置在所述第一介电膜上的第三介电膜。
15.根据权利要求14所述的声波器件，其特征在于，所述第三介电膜所具有的声波传播速度高于所述第一介电膜中的声波传播速度。
16.根据权利要求14所述的声波器件，其特征在于，所述第三介电膜包括氧化铝膜。
17.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，所述压电基板包括铌酸锂和钽酸锂两者中的一种。
18.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，所述梳状电极包括铜。
19.一种谐振器，该谐振器包括：
压电基板；
形成在所述压电基板上的梳状电极；
反射电极，在所述反射电极之间设置所述梳状电极；以及
设置为覆盖所述梳状电极和所述反射电极的第一介电膜，
所述第一介电膜具有与所述梳状电极和所述反射电极的指相关的多个空隙。
20.一种滤波器，包括多个谐振器，所述多个谐振器中的一个谐振器包括：
压电基板；
形成在所述压电基板上的梳状电极；
反射电极，在所述反射电极之间设置所述梳状电极；以及
设置为覆盖所述梳状电极和所述反射电极的第一介电膜，
所述第一介电膜具有与所述梳状电极和所述反射电极的指相关的多个空隙。
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