CN102273072A - 利用多次谐波共振在共振结构上横向耦合的体波滤波器元件 - Google Patents
利用多次谐波共振在共振结构上横向耦合的体波滤波器元件 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有高阶谐波HBAR的初级体波滤波器，该滤波器包括：两个HBAR型的共振器(20、22)，各共振器由换能器(8)和基片(12)形成，换能器和基片通过电声波以恰当的方式耦合。第一共振器(20)、第二共振器(22)和通过衰减波耦合的元件(28)包括同一整体式声波基片(12)，该声波基片设置成与所述压电换能器(8)相对，且利用同一参考电极(10)通过具有相同的剪切振动模式或纵向振动模式的波与所述压电换能器耦合。
Description
技术领域
本发明涉及一种HBAR(HBAR/谐波体声波谐振器)型的初级滤波器及相应的制造方法，该初级滤波器用于形成更复杂的滤波器。
背景技术
用于构造涉及通过窄过渡区耦合两个相同的电声体波共振器的过滤器的原理是已知的，其中每个电声体波共振器由夹在两个电极间的电声换能器构成。所述换能器的过渡区足够窄，以在此处形成由两个共振器发射的场的衰减波的重叠，由此产生了所述两个共振器的谐振之间的耦合条件。这些耦合条件允许数据在滤波器的结构的输入位置和输出位置之间在频谱区中传输，当在耦合模式时，频谱区非常大，也就是说，两个共振器的过渡分离区窄。
此原理已用于使用传统的体波共振器在1-30MHz的频率范围中操作的频率滤波器，所述的使用传统体波共振器即使用通常是石英或压电陶瓷材料的单晶材料板的基谐模式，以产生这样的耦合。
然而，朝更高频率发展看来是复杂的，由于就此观点来看板的薄度会增加，从而导致脆弱的结构，该脆弱的结构的厚度为几十微米到几微米且因此不适于工业生产技术。
此原理还用于氮化铝(AlN)的薄膜滤波器，但层本身的厚度构成严重的问题，因为它们仅允许存在极少程度的横向模式的存在，该横向模式提供两个振动器间的能量的有效耦合。名称为“Simulation，conception et réalisation de filtre àondes de volume dans des couches piézoélectriques”(“压电层的体波滤波器的模拟、设计和生产”，法国贝桑松市的弗朗什孔泰大学的论文，由A.Hernhart于2005所著)的文献表明实际上不可能设想产生这样的滤波器，除非通过提高使用于表面波的交指型换能器返回的力偶。
该技术的问题在于增大了由两个HBAR型的共振器在初级滤波器内产生的波的横向振动模式提供的耦合的强度，所述的两个HBAR型的共振器耦合在一起且可以在高达20GHz的高频下操作。
发明内容
为达到上述目的，本发明涉及一种HBAR型的初级滤波器，该初级滤波器用于以预定的工作频率操作，且包括分别为HBAR型的第一共振器和第二共振器及通过衰减波的重叠而耦合的耦合元件，
所述第一共振器和所述第二共振器的每一个分别包括相应的第一电激励电极和第二电激励电极、同一参考电极和同一单体式压电换能器，第一电激励电极和第二电激励电极是分立的且由沟道隔开，
所述耦合元件包括换能器的过渡区，其设置在第一共振器和第二共振器之间，
所述压电换能器由第一厚度的第一材料层构成，该第一材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的角
定位，且根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ定义的第一切割角θ1切割而成，使得仅在所述材料内，按照纵向模式或横向模式的波的电声耦合度大于5％，且其特征在于，
所述第一共振器、所述第二共振器和所述耦合元件包括同一单块式声波基片，该基片被设置成面对所述压电换能器，且通过具有相同的纵向振动模式或横向振动模式并穿过所述参考电极的波与所述压电换能器耦合。
根据具体实施方式，HBAR型的初级滤波器包括一个或多个以下特征：
-声波基片由第二厚度的第二材料层构成，该第二材料层具有至少为5.1012的工作频率音质的乘积系数，且该第二材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的、等于零的角度定向，并根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ定义的第二切割角θ2切割而成，且具有至少一个对应于振动模式的极化方向
且换能器和基片的相对布局使得换能器的振动模式的极化方向和基片的对应于第二切割角θ2的至少一个振动模式的极化方向一致；
-声波基片的厚度与换能器的厚度的比率大于或等于1；
-由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的角
等于0；
-由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的角
不等于0；
-所述波的振动模式是纵向的；
-所述波的振动模式是横向的；
-换能器的材料包括在由下述材料构成的组中：氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸钾；
-换能器的材料优选地包括在由下述材料构成的组中：铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)；
-声波基片的材料包括在由下述材料构成的组中：石英、铌酸钾、磷酸镓单晶(GaPO4)、四硼酸锂(LiB4O7)、硅酸镓镧(La3Ga5SO14)、钽酸镓镧和锂酸镓镧；
-所述声波基片的材料是石英；
-所述共用参考电极由热压金属构成；
-所述共用参考电极由金、铜或铟构成；及
-所述共用参考电极通过两个连接元件侧向地延伸，该两个连接元件围绕换能器延伸且均具有与电激励电极在相同水平高度的端部。
本发明还涉及一种制造HBAR型初级滤波器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供由第一厚度的第一材料层构成的压电换能器，所述第一材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义为等于0或不等于0的角
定位，且根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ定义的第一切割角θ1切割而成，使得仅在所述材料内，根据纵向模式或横向模式的波的电声耦合度大于5％，
提供由第二厚度的第二材料层构成的声波基片，所述第二材料层具有至少为5.1012的工作频率音质的乘积系数，且所述第二材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义为等于0的角定位，且根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ限定的第二切割角θ2而切割而成，且具有至少一个对应于来自纵向振动模式和横向振动模式的振动模式的极化方向，
采用热压缩金属在所述基片的表面和所述换能器的第一表面涂覆金属；
组装所述换能器和所述声波基片，且彼此相对地设置换能器和声波基片，使得换能器的振动模式的极化方向和对应于第二切割角θ2的基片的至少一个振动模式的极化方向一致；
通过压缩来结合基片和换能器的在所述步骤中涂覆金属的表面；
其特征在于，所述方法还包括下述步骤：
在换能器的第二表面上金属涂覆彼此分开的第一电激励电极和第二电激励电极，以便形成两个HBAR型的共振器，该两个HBAR型的共振器通过由换能器、共用参考电极和声波基片形成的组件的过渡耦合区互相隔开。
根据具体实施方式，HBAR型的初级滤波器的制造方法包括一个或多个以下特征：
金属涂覆第一电激励电极和第二电激励电极的步骤包括：在换能器的第二表面上金属涂覆整体电极的步骤，和随后的在整体电极中切割具有预定宽度的沟道以形成互相分开的第一电极和第二电极的步骤。
附图说明
通过阅读如下仅通过示例且参照附图给出的两个实施方式的描述，将更好的理解本发明，其中：
图1是根据本发明的HBAR型的初级滤波器的第一实施方式的透视图；
图2是沿线Ⅱ-Ⅱ穿过图1的初级滤波器的截面图；
图3表示形成压电换能器的晶体的第一切割角θ1；
图4是铌酸锂晶体的体波的相速根据切割角θ1的演化图，该组晶体取向通常称为“采用单向旋转切割”；
图5是铌酸锂的上述波的耦合系数按照角θ1的演化图；
图6是对应于第一实施方式的波的极化的、与换能器的板关联的平面表示；
图7是形成声波基片的晶体的第二切割角θ2的表示；
图8是对应于第一实施方式的波的极化的、与声波基片的板关联的平面表示；
图9是根据第一实施方式的滤波器的宽带传递函数的曲线图；
图10是图9的曲线图的一区域的放大图；
图11是对应于横向波的耦合的根据本发明的HBAR型初级滤波器的第二实施方式的立体图；
图12是图11的初级过滤器根据线Ⅻ-Ⅻ的截面图；
图13是对应于第二实施方式的波的极化的、与换能器的板关联的平面表示；
图14是对应于第二实施方式的波的极化的、与声波基片的板关联的平面表示；
图15是用于根据第二实施方式的滤波器在约1.24GHz处的宽带传递函数的曲线图；
图16是图15的曲线的一区域的放大图；
图17是用于进行图1、图2、图11和图12描述的初级滤波器的制造方法的流程图。
具体实施方式
图1和图2示出根据本发明的HBAR型初级滤波器2的第一实施方式。
初级滤波器2包括连续的叠层，所述层包括：
-用于电激励的第一上电极4和第二上电极6，该第一上电极4和第二上电极6并排设置且都由厚度为e1的铝构成；
-单块式压电换能器8，该单块式压电换能器8由单晶体形式的第一材料构成且具有第一厚度t1，在该示例中第一材料为铌酸锂(LiNbO3)；
-整体式反电极10，该整体式反电极10形成电极4和电极6共用的参考电极，且在该示例中整体式反电极10为平行六面体形式、由金构成、是嵌入式的且厚度为e2；
-单块式声波基片12，该单块式声波基片12由单晶形式的第二材料构成且具有第二厚度t2，在该示例中第二材料为铌酸锂(LiNbO3)。
滤波器2还包括第一连接元件14和第二连接元件16，第一连接部件14和第二连接部件16分别在上电极4侧和上电极6侧连接到反电极10。
图1中，所有的层4、6、8、10、12具有相同的长度l且宽度为W1、W2、W、W、W，长度l明显大于宽度W1、W2、W中的任一个，且各层的厚度为e1、t1、e2和t2。
为简化图1，将反电极10示出为具有和压电换能器8的表面积相同的表面积。
第一电极4和第二电极6的总表面积小于嵌入的反电极10的表面积。
第一电极4和第二电极6沿各自的宽度W1和宽度W2的方向由沟道18隔开，沟道18的宽度为WC，WC相对于W1和W2很小。
相对于换能器8的厚度t1，沟道18的宽度WC也是小的。
第一上电极4和第二上电极6的表面分别设置成面向反电极10并与其平行，当边缘设置成尽可能地平行时，表面中的面向区域最大。
在这种方式中，假定波的激励分别对应于第一共振器20和第二共振器22的结构，第一共振器20和第二共振器22被称为平-平腔，对于共振器20和共振器22，分别通过非常薄的电极4、10和非常薄的电极6、10来激励波，其以图2中的箭头24指出的方向沉积在压电换能器8的相对表面上，以在换能器8中传导波。
第一共振器20包括第一电极4和在同一剖面中垂直地位于第一电极4下方的层的区域，在此示例中所述层包括声波基片12的相应层。
第二共振器22包括第二电极6和在同一剖面中垂直地位于第二电极6下方的层的区域，在此示例中所述层包括声波基片12的相应层。
在这种方式中，第一共振器20和第二共振器22的波通过衰减波、横向波在滤波器2的过渡区26中耦合，在图中该过渡区由虚线大致限定，过渡区26将两个共振器20、22隔开且形成这两个共振器20、22之间的耦合元件28。
耦合元件28包括换能器8的位于过渡区26中且紧接在沟道18下方的部分和位于过渡区26中且垂直地位于沟道18下方的其它层的在同一剖面中的部分，所述其它层包括声波基片12的相应层。
在这种方式中，通过加入声波基片12增大了经过耦合元件28的在两个共振器20、22之间的耦合区的范围。
在此示例中，压电换能器8具有纵向振动模式，该纵向振动模式按照沿着两个共振器16、18的厚度e1、t1、e2、t2的方向的极化而被激励，由向量表示。
在此示例中，声波基片12具有纵向振动模式
在图1中，与换能器8的纵向模式对应的激励的极化向量
与声波基片12的表示为
的纵向极化向量一致。
置于换能器8和基片12间的反电极10还用作包括两个共振器20、22的滤波器的结构的粘合剂。
构成换能器8的铌酸锂(LiNbO3)层是从形成晶圆的粗单晶材料上按照第一切割角θ1切割成的板。
构成声波基片12的铌酸锂层是从粗单晶材料的晶圆上按照第二切割角θ2而切割成的板。
在此示例中，第一连接元件14是反电极10的延续部分，该第一连接元件14在第一上电极4侧延伸。第一连接元件14为条形件30的形式，条形件30的宽度等于反电极10的长度且具有相同的厚度，且条形件30包括第一部分32、第二部分38，第一部分32沿着换能器8的第一下边34延伸且紧贴着换能器8的位于电极4侧的侧面36，第二部分38沿着换能器8的第一上边40延伸，且部分紧贴换能器8的裸露面42，裸露面42与基片12相对且自电极4凹陷。因此第一连接元件14具有与第一上电极4位于相同水平高度的端部。
在该示例中，第二连接元件16是反电极10的延续部分，该第二连接元件16在第二上电极6侧延伸。第二连接元件16为条形件44的形式，条形件44的宽度和反电极10的长度相同，且具有相同的厚度，条形件44包括第一部分46和第二部分52，第一部分46沿着换能器8的第二下边48延伸，且紧贴着换能器8的位于电极6侧的侧面50，第二部分52沿着换能器8的第二上边54延伸，且紧贴换能器8的裸露面56，裸露面56自电极6凹陷。因此，第二连接元件16具有与第二上电极6位于相同水平高度的端部。
初级滤波器2能够插入电路中作为第一电四极子，第一电四极子的两个输入由电极4和第一连接元件14形成，且两个输出由电极6和第二连接元件16形成，连接部件14和连接部件16处于相同的电位。
当输入端为6、16，输出端为4、14时，还可以认为初级滤波器2是具有相对于第一电四极子反向传输的功能的第二电四极子。
根据图3，换能器8的板自晶圆材料根据第一切割角θ1切割而成，该晶圆材料没有示出但由其晶轴X1、Y1、Z1表示，轴Z1是晶圆的纵轴，且当制造单晶体时，晶轴X1、Y1被预先确定。
在此示例中角度θ1是在IEEE标准Std-176(1949修订版)中定义的一个角，即绕晶轴X1单向旋转切割的角θ1，在IEEE标准中该切割表示为(Y1，X11)/θ1，X11是与根据图3所示的厚度为t1且长度为11的下直边对齐的轴。
与切割板8关联的坐标由三个轴X′1、Y′1、Z′1示出，且轴X′1与轴X1成一直线。分别将轴X1、Y1绕轴X1旋转角度θ1获得两个轴Y′1、Z′1。
图4示出了纵波和横波的相速关于绕由铌酸锂构成的换能器8的晶轴X11单向旋转切割的演进图。
线62表示根据第一切割角θ1的横波的相速，该横波在换能器8中沿垂直于电极4、6和10的平面的轴传输，第一切割角θ1以度表示。
线64表示根据第一角θ1的纵波的相速，该纵波的相速以km/s表示，该纵波在换能器8中沿长度为l的轴传输，第一切割角θ1以度表示。
图5表示沿绕换能器8的晶轴X1单向旋转切割时纵波和横波的耦合，该换能器8由铌酸锂构成。
线66表示耦合系数K2 T根据第一切割角θ1的演进图，该耦合系数表示横波的电能转换成声能的百分比，该第一切割角θ1以度表示。
线68表示耦合系数K2 T根据第一切割角θ1的演进图，该耦合系数表示纵波的电能转换成声能的百分比，该第一切割角θ1以度表示。
在图5中，显然线66和线68具有角区70，在该角区中横波实际上没有被压电耦合，且因此没有被电激励。在由20％到30％之间的K2 T表示的电机耦合下，纵波激励尤其有效。
角区70以角度为36°的θ1为中心且具有10°的范围。
图1中描述的换能器的切割角θ1选自图5中的以约36°为中心的角区70。
当考虑换能器8的板在图6示出的根据平面轴X′1、Y′1的平面表示时，显然，由压电激励的振动模式具有根据轴Y′1的标量极化，轴Y′1在图8中示为竖直线，即相对于平面(X1，Z′1)垂直，但其空间相关性根据激励平面的空间坐标而变。极化向量
和轴Y′1共线。
根据图7，声波基片板12自粗单晶晶圆根据第二切割角θ2切割而成，该晶圆未被示出，但由石英的晶轴X2、Y2、Z2表示，轴Z2是光轴C，光轴C在水晶宝石的生长期间出现。
在此示例中，角度θ2也是在IEEE标准Std-176(1949年修订版)中定义的一个角，即绕晶轴X2单向旋转切割的角θ2，在IEEE标准Std-176中该切割表示为(Y2，X12)/θ2，X12是与根据图3所示的具有厚度t2和长度l2的下直边成一直线的轴。
与切割成的声波基片板12关联的坐标由三个轴X′2、Y′2、Z′2表示，且轴X′2与轴X2成一直线。分别将轴Y2、Z2绕轴X2旋转角度θ2获得两个轴Y′2、Z′2。
当考虑声波基片板12的在图8示出的根据轴X′2、Y′2的平面表示时，类似于图6示出的用于换能器8的平面图解，可能描述纵向振动模式的极化，在切割成的声波基片12中期望利用纵向振动模式的极化，声波基片12的工作频率音质的乘积系数至少是5×1012。
由铌酸锂构成的声波基片12的纵向振动模式也具有标量极化且根据Y′2轴建立，并且该纵向振动模式根据激励平面取决于与板关联的局部坐标。对于由铌酸锂构成、采用根据IEEE标准符号表示法1949年修订版(IEEE standard onpiezoelectricity Std 176-1949，IRE会议，第37卷，第1378-1395页，1949)表示为(YX1/θ)的单向旋转的换能器板8来说，有利地如果换能器8和声波基片12的晶轴被选定对齐时，仅选定的纵波耦合。因此，当组装换能器和声波基片的材料时必须考虑那些极化以使声波耦合，期望在声波传播基片12中激励该耦合，在此示例中声传播基片12为铌酸锂。
在此示例中，以这样的方式使换能器8的轴Z′1和声波基片12的轴Z′2成一直线来实现声波耦合效应：使极化等于声波基片12中的横向模式的表示为
的极化。
根据图1描述的第一实施方式构造的滤波器2的响应的特征在于，测量是依据用于不同频带的传递函数而进行的，所述的不同频带对应于纵向模式的强耦合的频谱区。
图9示出换能器的基模的约5次谐波的典型宽带频谱响应，在此示例中是基模是100MHz，换言之，图9示出换能器的约500MHz处的宽带频谱相应。可以看见形成梳状104的多个滤波函数102，且滤波函数102彼此相距约10MHz。在此示例中，初级滤波器2的带外抑制是25dB，该初级滤波器2也称为滤波元件。
在该示例中，测量到的初级滤波器的插入损耗是10dB，但考虑到被测滤波器和50Ω的阻抗不匹配，该插入损耗可以降低。
图10以模量线为实线且相位线为虚线的形式示出滤波传递函数102的放大图，滤波传递函数102以频率501.1MHz为中心，且在图9中示出。
放大图非常清楚地示出形成滤波器的频谱响应的两个分开的电极，该放大图证明了滤波器通过耦合振动模式操作，所述振动模式为对称模式和非对称模式，在对称模式中，两个共振器20、22中的声波振动同相，在非对称模式中，两个共振器20、22中的声波振动反相。
图11和图12示出根据本发明的HBAR型的初级滤波器202的第二实施方式。
滤波器的外部几何结构和第一实施方式的滤波器的外部几何结构相同。与图1、图2和图10、图11中相同的元件具有相同的附图标记。
仅滤波器202的换能器208和声波基片212不同于图1中的滤波器2的换能器8和声波基片12。
单块式压电换能器208由单晶体形式的铌酸锂(LiNbO3)构成。
单块式声波基片212由单晶体形式的石英构成。
在此示例中，还假设波的激励分别对应于第一共振器220和第二共振器222的结构，第一共振器220和第二共振器222被称为平腔/平腔，对于共振器220和共振器222，分别通过极薄的电极4、10和电极6、10激励波，其以图11中箭头24表示的方向沉积在压电换能器208的相对表面上，用以传导换能器208中的波。
第一共振器220包括第一电极4和同一剖面中垂直地位于下方的层的区域，在此示例中，所述层包括声波基片212的相应层。
第二共振器222包括第二电极6和同一剖面中垂直地位于下方的层的区域，在此示例中所述层包括声波基片212的相应层。
在这种方式中，第一共振器220和第二共振器222的波通过横向衰减波耦合在在滤波器2的过渡区226中，过渡区226将两个共振器220、222隔开，且形成两个共振器之间的耦合元件228。
耦合元件228包括位于过渡区226中且紧接在沟道18下方的换能器部分208和位于过渡区226中且垂直地位于沟道18下方的在同一剖面中的其它层的部分，所述其它层包括声波基片12的相应层。
在这种方法中，通过加入声波基片212而增大了经过耦合元件228的在两个共振器220、222之间的耦合区的范围。
压电换能器208具有横向模式，该横向模式按照沿着共振器的长度l的方向的极化而被激励，该极化由向量
表示。
声波基片212具有两种横向模式，第一种是慢速模式，第二种是快速模式。
所谓的快速横波和所谓的慢速横波定义为正交极化的横波，所谓的快速波的相速比所谓的慢速波的相速大。
在图11中，与换能器208的横向模式对应的激励的极化向量
与对应于声波基片的慢速横向模式的、表示为
的极化向量一致。
对应于快速横向模式的激励的极化向量在图1中以
表示，
与
正交，且
包括在基片212的延伸平面中。
置于换能器208和基片212之间的反电极10还用于结合共振器2的结构。
构成换能器208的铌酸锂(LiNbO3)层是从形成晶圆的粗单晶材料按照第一切割角θ1切割成的板。用与图3中所述的标记相同的标记定义该切割角θ1。
构成声波基片212的石英层是从粗单晶的石英晶圆上按照第二切割角θ2切割成的板。用与图7中的标记相同的标记定义切割角θ2。
根据用于铌酸锂的单旋转切割的图5，很明显，线66和线68具有角区272，在该角区中，实际上纵波没有被压电耦合，且因此没有被电激励。在由50％和60％之间的K2 T表示的电机耦合下，横波激励尤其有效。
角区272以角度为163°的θ1为中心且具有10°的范围。
图10中描述的换能器208的切割角θ1在图5中的角区272中选为163°。
对铌酸锂的单旋转切割来说，仅对应于快速横波的模式具有通过压电方式的电机耦合。当平面轴X′1、Y′1考虑换能器208的板在图13中示出的平面表示时，显然，由压电激励的横向模式具有沿Z′1轴的标量极化，在图13中Z′1表示为来自端点，即垂直于平面(X′1、Y′1)，但其空间相关性根据激励平面的空间坐标而变。极化向量
相对于Z′1是共线的。
当考虑石英板212的如图14示出的根据轴X′2、Y′2的平面表示时(其类似于图13示出的用于换能器208的平面表示)，描述横向模式的极化是可能的，期望在石英中利用该横向模式的极化，所述石英例如为切割成的石英，其在一级温度方面的敏感性接近0而不会改变迹象。石英的切割还是标量的但根据轴X′2产生，且取决于与沿激励平面的板关联的局部坐标系。对于具有根据1949年修订版的IEEE的标准符号表示法(IEEE standard on piezoelectricityStd-176-1949，IRE会议，第37卷，第1378-1395页，1949)表示的单向旋转(YX1/θ)的铌酸锂板或钽酸锂板来说，因此选定的横波具有互相正交的极化，且有利地，只有当换能器208和声波基片212的晶轴被选定对准时，选定的横波才耦合。因此当组装换能器208和声波基片212的材料时必须考虑那些极化，以使声波耦合，期望在声波基片212中激励该耦合以使其传播，在此示例中，声波基片212为石英。
在此示例中，通过将换能器208的轴Z′1和声波基片212的轴X′2成一直线，或者以将换能器208的轴X′1和声波基片212的轴Z′2成一直线的相同方式，来实现声波耦合效应，使得极化
和声波基片212中以
表示的切割模式的极化相同，以补偿相应波的相速的热漂移。
在石英的示例中，在切割角θ2约为-24°时，慢速横向模式和快速横向模式改变它们的极化。所述模式保持正交，但对于-24°和-90°间的角θ2的切割来说，快速切割模式替换慢速切割模式。
这导致了图11的图示对应于少于-24°的切割角θ2，且极化向量
对应于轴X2的慢速切割。
如果切割角θ2大于-24°，图11的极化向量
和
重新排列，且将换能器的板(即换能器的激励波的极化向量
)旋转90°是有利的，使得如果期望以匀速切割模式进行操作，则将向量
和用于慢速切割的
一致。
实际上，当期望在温度方面稳定滤波器202的传递函数，在角区内选择切割角θ2，在角区内用于慢速切割波的一阶的频率的第一温度系数接近0且逐步地向0靠近。此角区以约+35°为中心，且具有22°的范围，由此确保一阶的频率的第一温度系数CTFB1的绝对值小于20ppm.K-1。
在这种方式中，图11的换能器208的第一切割角(角θ1)在图5的区272中选择，且将声波基片212的第二角θ2选择为约+35°。
图15示出换能器的基本模式的约5次谐波(即约1.24GHz)的典型宽带频谱响应。可看到形成梳状的多个滤波函数且滤波函数彼此相距约3MHz。初级滤波器的带外抑制是16dB，该初级滤波器还被称为滤波器单元。
在此示例中，测量到的初级滤波器的插入损耗是10dB，但考虑到被测滤波器和50Ω的阻抗不匹配，则该插入损耗可以降低。
图16以模量线为实线且相位线为虚线的形式示出滤波器传递函数的放大图，该滤波器传递函数以频率1.2337GHz为中心且在图15中示出。
放大图非常清楚地示出形成滤波器的频谱响应的两个分开的电极，该放大图证明了滤波器通过耦合振动模式(对称模式和非对称模式)而操作，在对称模式时，在两个共振器220、222内的声波振动是同相的，在非对称模式时在两个共振器220、222内的声波振动是反相的。
图17是图11描述的共振器202的制造方法300的流程图。
在第一步骤302中，提供压电换能器208，该压电换能器208由第一厚度的第一材料层构成，第一材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的、等于零的角
定向，且根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ限定的第一切割角θ1切割，使得横向波的电声耦合度大于5％。
换能器208的材料选自氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸钾。
优选地，将自铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)选择材料，因为该材料易于控制具有明显厚度的单晶体的制造过程。
铌酸锂和钽酸锂可制造为按照上述标准的直径为4″且厚度为500μm和350μm的晶圆。
在第二步骤304中，提供声波基片212，该声波基片由第二厚度的第二材料层构成，该第二材料层具有至少为5×1012的工作频率音质的乘积系数，且该材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
限定的、等于0的角
定向，且根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ限定的第二切割角θ2切割而成，且该材料层具有至少一个对应于振动模式的极化方向
声波基片的材料包括在由如下材料形成的组中：石英和典型的同构替代物、磷酸镓(GaPO4)、铌酸钾、四硼酸锂(LiB4O7)、硅酸镓镧(La3Ga5SO14)、钽酸镓镧、锂酸镓镧和它们的各种变型体，典型的同构替代物例如为GeO2、TeO2，磷酸镓(GaPO4)也是同构结构。
声波基片的材料优选地为石英，因为石英在温度方面具有显著的稳定性，且在结晶学领域中已经是公知的。
在下面的步骤306中，在换能器208的一个表面上和声波基片212的一个表面上面涂覆厚度在100nm和200nm之间的热压缩金属或冷压缩金属，例如金、铜或铟，以便将两个表面结合且由此形成反电极。实际上且传统地，通常由铬或钛构成的接合层包含在形成反电极的层中，且铬接合层或钛接合层的厚度为形成反电极的层的总厚度的10％。
考虑到金的塑性及它的机械强度，金是一种特别有利于这种类型的结合的材料，足以确保在换能器208和声波基片212之间音频连接。
在组装步骤308中，以这样的方式布置换能器208和声波基片212：使换能器208的切割模式的极化方向
和对应于第二切割角θ2的基片212的至少一个切割模式的极化方向
一致。
在下面的步骤310中，通过压缩且根据使用的金属而采用或不采用升高温度来进行结合。
当使用金时，无需加热阶段，且进行持续长时间的紧压操作，利用面向的表面的特性和金属材料的延展性以确保结合。
因此，能够以此方式制造多个铌酸锂复合板/石英复合板而没有任何缺陷，对于直径为3英寸的晶圆而言，需要在16个小时期间施加3000牛顿的压力、温度保持在30°。
在步骤312中，共振器的板接着被磨削及抛光。
在步骤314中，接着在换能器208的与基片212相对的一个表面上金属涂覆互相分开的第一电激励电极4和第二电激励电极6，以便形成两个HBAR共振器220、222，共振器220、222通过过渡区226互相分开，过渡区226用于耦合由换能器208、共用参考电极10和声波基片212形成的组件。
两个分开的电极4和6可以单独地涂覆金属或可以通过蚀刻预先准备好的初始涂有金属的电极获得。
尤其是因为第二切割角θ2的值的宽范围，使得该方法简单易行，该宽范围使得能够在温度稳定性方面获得良好效果。
利用此方法获得的共振器还可以在高达20GHz的频率下操作。共振器轻且占据很少的空间，从而提供高集成度。
例如，这样的共振器可以集成在零差振荡器中或集成在用于滤高滤波器的单元中。
当然，还可以设想其它应用。
在一个变型中，步骤302、步骤304和步骤308由相似的步骤替换，在相似的步骤中，换能器8和声波基片12的切割角以及换能器8和声波基片12的相对布局使得由具有纵向振动模式的波的耦合被选定。
在一个变型中，压电换能器(8、208)由第一厚度的第一材料层构成，该材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的不为零的角
取向，且该材料层根据IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ定义的第一切割角θ1切割而成，因此仅在该材料内根据纵向模式或横向模式的波的电声耦合度大于5％。
在称为包含双旋转的切割变型中，换能器的模式的激励级优先于其他两个可能的模式，就此来说，优先模式和其它可能的模式之间振幅比大于或等于10。
Claims (16)
1.一种HBAR型的初级滤波器，所述初级滤波器用于以预定的工作频率操作，且所述初级滤波器包括HBAR型的第一共振器(20、220)和第二共振器(22、222)以及用于通过衰减波的重叠而耦合的耦合元件(28、228)，
所述第一共振器(20、220)和所述第二共振器(22、222)分别包括相应的第一电激励电极(4)和第二电激励电极(6)、同一参考电极(10)和同一单块式压电换能器(8、208)，第一电激励电极(4)和第二电激励电极(6)是分立的且由沟道(18)隔开，
所述耦合元件(28、228)包括所述换能器(8、208)的过渡区(26、226)，所述换能器(8、208)的过渡区(26、226)设置在所述第一共振器和所述第二共振器(20、22；220、222)之间，
所述压电换能器(8、208)由第一厚度的第一材料层构成，所述第一材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的角
定向，且根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ定义的第一切割角θ1切割而成，使得仅在所述材料内，按照纵向模式或横向模式的波的电声耦合度大于5％，及
其特征在于，
所述第一共振器(20、220)、所述第二共振器(22、222)和所述耦合元件(28、228)包括同一单块式声波基片(12、212)，所述单块式声波基片(12、212)设置成面对所述压电换能器(8、208)且通过具有相同的纵向振动模式或横向振动模式且穿过所述参考电极(10)的波与所述压电换能器(8、208)耦合。
2.如权利要求1所述的初级滤波器，其特征在于，所述声波基片(12、212)由第二厚度的第二材料层构成，所述第二材料层具有至少为5×1012的工作频率音质的乘积系数，且所述第二材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的、等于零的角度
定向，并根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ定义的第二切割角θ2切割而成，且具有至少一个对应于振动模式的极化方向
以及
特征在于，所述换能器(8、208)和所述基片(12、212)的相对布局使得所述换能器(8、208)的所述振动模式的极化方向和所述基片(12、212)的对应于所述第二切割角θ2的至少一个振动模式的极化方向一致。
3.如权利要求2所述的初级滤波器，其特征在于，所述声波基片(12)的厚度与所述换能器(8)的厚度的比率大于或等于1。
4.如权利要求1至3中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法定义的角
等于0。
5.如权利要求1至3中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义的角
不等于0。
6.如权利要求1至5中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述波的振动模式是纵向的。
7.如权利要求1至5中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述波的振动模式是横向的。
8.如权利要求1至7中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述换能器(8、208)的材料包括在由下述材料构成的组中：氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸钾。
9.如权利要求8所述的初级滤波器，其特征在于，所述换能器(8、208)的材料优选包括在由下述材料构成的组中：铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)。
10.如权利要求1至9中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述声波基片(12、212)的材料选自：石英、铌酸钾、磷酸镓单晶(GaPO4)、四硼酸锂(LiB4O7)、硅酸镓镧(La3Ga5SO14)、钽酸镓镧和锂酸镓镧。
11.如权利要求10所述的初级滤波器，其特征在于，所述声波基片(12、212)的材料是石英。
12.如权利要求1至11中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述共用参考电极(10)由热压缩金属构成。
13.如权利要求1至12中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述共用参考电极(10)由金、铜或铟构成。
14.如权利要求1至13中任一项所述的初级滤波器，其特征在于，所述共用参考电极(10)通过两个连接元件(14和16)侧向地延伸，所述两个连接元件(14和16)围绕所述换能器(8、208)延伸且均具有与所述电激励电极(4)和(6)在相同水平高度的端部。
15.一种制造初级滤波器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供由第一厚度的第一材料层构成的压电换能器(8、208)，所述第一材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义为等于0或不等于0的角
定向，且根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ定义的第一切割角θ1切割而成，使得仅在所述材料内，根据纵向模式或横向模式的波的电声耦合度大于5％；
提供由第二厚度的第二材料层构成的声波基片(12、212)，所述第二材料层具有至少为5×1012的工作频率音质的乘积系数，且所述第二材料层根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法
定义为等于0的角
定向，且根据由IEEE标准Std-176(1949年修订版)的命名法(YX1)/θ定义的第二切割角θ2切割而成，且具有至少一个对应于来自纵向振动模式和横向振动模式的振动模式的极化方向；
采用热压缩金属在所述基片的表面和所述换能器的第一表面涂覆金属；
组装所述换能器(8、208)和所述声波基片(12、212)且彼此相对地布置所述换能器(8、208)和所述声波基片(12、212)，使得所述换能器(8、208)的所述振动模式的极化方向和对应于第二切割角θ2的所述基片(12、212)的至少一个振动模式的极化方向一致；
通过压缩来结合所述基片(12、212)和所述换能器(8、208)的在所述步骤中涂覆金属的表面；
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
在所述换能器(8、208)的第二表面上金属涂覆彼此分开的第一电激励电极(4)和第二电激励电极(6)，以便形成两个HBAR共振器(20、220；22、222)，所述两个HBAR共振器(20、220；22、222)通过由所述换能器(8、208)、所述共用参考电极(10)和所述声波基片(12、212)形成的组件的过渡耦合区(26、226)互相隔开。
16.如权利要求15所述的初级滤波器的制造方法，其特征在于，所述的金属涂覆第一电激励电极(4)和第二电激励电极(6)的步骤包括在所述换能器的所述第二表面上金属涂覆整体电极的步骤，接着是在所述整体电极中切割具有预定宽度的沟道以形成互相分开的所述第一电极和所述第二电极的步骤。
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