CN1052589C - 表面声波器件 - Google Patents
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Abstract
一种SAW器件，制造时先在一个压电衬底上提供至少一个叉指换能器(23)，然后在该叉指换能器(23)两侧沿表面波传播的方向上形成反射器(24，25)。所述压电衬底(22)是通过在一个(0112)平面α-Al2O3衬底(22a)上形成一个(1120)Zno压电薄膜(22b)而制备成的。各反射器(24，25)系构制得使其厚度H对表面波的波长λ的比值H/λ在0.015至0.041的范围内。
Description
本发明涉及采用ZnO压电薄膜的一种表面声波(SAW)器件，更具体地说，涉及对IDT(叉指换能器)两侧配置有栅状反射器的SAW器件进行的一种改进。
近几年来，移动无线通信器件引起了广泛的兴趣。表1示出了这类系统中的一些频带和所要求的带宽(通带宽/中心频率)。
表1
| 系统 | 频带(兆赫) | 比带宽(％) | 1.5倍比带宽 |
| 800至900兆赫的便携式电话机 | 800-900 | 2.7-3.8 | 4.1-5.7 |
| 1.5吉赫的JDC | 1400-1500 | 1.6-1.7 | 2.4-2.6 |
| PHP | 1900 | 1.3 | 2.0 |
| DECT | 1900 | 1.1 | 1.65 |
参看表1，系统的各缩写符号其意义如下：
JDC： 日本数字移动电话机
PHP： 个人手提式电话机
DECT： 数字欧洲无绳电话机
从表1中可知，各通信系统中的比带宽起码为1％。因此，用作这种系统的一个终端的射频级滤波器，其比带宽起码应为1％，同时频带中的插入损耗必须减小到大约几个分贝的非常小的量级。
IIDT式(交指叉指式)SAW滤波器广泛用作宽带和低插入损耗的滤波器。这种IIDT式SAW滤波器之所以得到广泛的应用，其理由如下：
如图1中的示意图所示，在输入侧叉指换能器(以下称之为“IDT”)1中受激的表面波传播到输出侧ID2，于是在普通的两个IDT式SAW滤波器的输出侧ID2中就有输出出来。然而，表面波是双向从IDT1和2发射出来的。于是产生如图1中的虚线箭头所示的漏泄信号，其双向损耗非常大，约为6分贝。
另一方面，在图2示意图中所示的SAW滤波器中，输出侧IDT 4和5是配置在输入侧IDT 3的两侧的。因此，输入侧IDT 3中没有产生任何双向损耗。但漏泄信号仍然从输出侧IDT 4和5向外发出，如图2中的虚线箭头所示，双向损耗大，约为3分贝。
但在图3典型平面图所示的IIDT式SAW滤波器6中，压电衬底7上沿表面波传播的方向配置有许多IDT 8。按照这种结构，各IDT 8的第一梳状电极沿表面波传播的方向交替接输入端IN和输出端OUT。在IIDT式SAW滤波器中，增加IDT 8的数目N可以减小双向损耗，从而减小能量沿表面波传播方向向外部的漏泄。
假设IIDT式SAW滤波器由(N-1)/2输入IDT和(N+1)/2输出IDT组成，即总共有N个IDT，则双向损耗可用下式表示：
10 log{(N+1)/(N-1)} (1)
在IDT总共9个的多电极滤波器中，双向损耗可减小到大约0.97分贝。
尽管比起两个IDT式或三个IDT式SAW滤波器来，上述IIDT式SAW滤波器中的双向损耗是大大地减小了，但IIDT式SAW滤波器的损耗仍然约为0.97分贝，有待进一步减小。
因此，如图4中所示，在多个IDT 8的各外侧，沿表面波传播的方向配置了反射器9和10，其目的就是基本上完全防止表面波能从最外的IDT沿表面波传播的方向漏泄。通过配置这种反射器9和10，理论上可将双向损耗减到0。
图5示出了其结构近来引起广泛兴趣的垂直耦合式的SAW共振滤波器。这是典型的平面图，图中只示出了一个电极构件。输出侧IDT 12和13配置在输入侧IDT 11的两侧。此外，反射器14和15配置在IDT 11和13的两侧。在这种垂直耦合式表面波共振滤波器11中，和上述具有反射器9和10的IIDT式SAW滤波器一样，可以扩大频带，减少损耗。
上面说过，目前越来越多地有人研制这种在IDT两侧表面波传播的方向上配置有一些反射器的结构，其目的就是要扩大频带和减小SAW滤波器中的损耗。
为了制造这种频带宽、损耗小的表面声波滤波器，经常采用机电耦合因数大的衬底材料。这种衬底的典型例子有36°Y-X LiTaO3衬底和64°Y-X LiNbO3衬底。图2示出了这些衬底的材料常数。
表2
| VP(米/秒) | K2(％) | α(奈培/λ) | |
| 36°Y-X LiTaO3 | 4100 | 6.5 | 0.004 |
| 64°Y-X LiNbO3 | 4450 | 10.4 | 0.009 |
| (1120)ZnO/(0112)α-Al2O3 | 5200-5700 | 4-4.7 | 0.001 |
参看表2，VP表示相速度，K2表示机电耦合因数，α表示金属栅状部分中在1吉赫下测出的衰减系数，包括因体波发射引起的衰减。
从表2中可以清楚地知道，采用机电耦合因数特大的36°Y-XLiTaO3衬底或64°Y-X LiNbO3衬底可以扩大频带。但由于衰减系数较大，因而阻碍了耗损的进一步减小。
另一方面，从表2中还可以看出，压电衬底(以下称ZnO/α-Al2O3衬底)的材料常数由(01
12)平面[0
111]α-Al2O3衬底和在该衬底上形成的(11
20)平面[0001]ZnO压电薄膜组成。从表2中可以清楚地看到，ZnO/α-Al2O3衬底不仅机电耦合因数K2大，相速度VP也大。因此，这种衬底满足了高声速和高耦合性能的要求，同时衰减常数α也极小。所以不难想象用这种衬底的滤波器，其损耗是不难减小的。
因此，不难理解，表1所示的各移动通信装置的射频级滤波器最好采用配备有反射器的IIDT式SAW滤波器或采用ZnO/α-Al2O3衬底的垂直耦合式SAW共振滤波器。
但为了扩大通带，当然需要扩大各反射器的阻带。表1中虽然示出了各移动通信装置通带中的比带宽，但这些比带宽都是所需的最小值。在大量生产的情况下，中心频率和比带宽不可避免地会分散，同时还必须考虑到因环境温度等引起的频率波动等。因此可以理解，反射器阻带的带宽起码应为表1中所示值的1.5倍。表1还示出了各移动通信装置的比带宽乘1.5得出的数值，供参考。
因此用上述衬底材料制造SAW滤波器时，从表1中可以清楚地了解到，各反射器阻带的比带宽最好起码应大约1.5％。
为扩大各反射器阻带的比带宽，可以增加各反射器的导纳比，即可以增加各反射器的厚度。然而，反射器的厚度增加时，反射器垂直于表面波方向延伸的金属条部分中的体波辐射增加，从而提高体波的转换损失。
此外，表面波因加上大量的金属条而极度衰减，从而使传播损失增加，即衰减常数α增大。
考虑到导纳比因厚度的增加而增加与体波辐射或衰减常数因所加上金属而增加，两者之间必须平衡，不可避免地要将阻带的比带宽加以限制。就是说，为了扩大反射器的频带，在某种程度上需要牺牲插入损耗上的减小。
因此，可以设想，通过采用衰减常数小的ZnO/α-Al2O3是可以制造出损耗比其它器件小的SAW滤波器，但现在已搞清楚，能实现这种SAW器件的具体条件是没有的。
本发明的目的是通过采用能减小插入损耗的ZnO/α-Al2O3衬底提供一种插入损耗小、频带宽同时能有效地扩大反射器阻带的比带宽的SAW器件。
本发明的SAW器件包括：一个压电衬底，由(01
12)平面α-Al2O3衬底和配置在该Al2O3衬底上的(11
20)平面ZnO压电薄膜组成；至少一个叉指换能器，在该压电衬底上形成；和一些反射器，沿表面波传播方向配置在叉指换能器的两侧。各反射器系形成得使其厚度H对表面波波长λ的比值H/λ在0.015至0.041的范围。
本发明的特征在于，衬底材料采用ZnO/α-Al2O3衬底，且各反射器的厚度取上述特定厚度。因此，其它结构，例如配置在反射器之间的叉指换能器的结构，和周知的两电极、三电极或IIDT式SAW滤波器或垂直耦合式表面波共振滤波器一样，可以妥善加以改变。
本发明人注意到上述ZnO/α-Al2O3衬底损耗小的性能，并通过用这种压电衬底制造各种SAW滤波器衬底进行深入研究。因此，本发明人发现，通过将反射器的厚度控制在特定范围内可以显著扩大形成在IDT两侧的反射器的阻带比带宽而无需牺牲插入损耗的减小。就是说，本发明通过使各反射器的厚度H对表面波波长λ的比值H/λ如上述那样处在0.015至0.014的范围内，既可以减小插入损耗，又可以扩大阻带的比带宽。本发明人进行的实验首先证实了这种结构。
按照本发明，令各反射器的厚度H对表面波的波长λ的比值H/λ处在上述特定范围内可以提供插入损耗低、阻带比带宽达1.5至4.2％之大且衰减常数不大于0.003奈培/λ的SAW器件，从稍后即将说明的本发明的一些实例即可清楚了解上述情况。
因此可以制造出带宽得以扩大而无需牺牲ZnO/α-Al2O3衬底的小损耗性能的SAW器件。因此可以提供作为任一移动无线通信系统的射频级滤波器的最佳SAW器件。
结合附图阅读下面对本发明的详细说明，可以更清楚地了解本发明的上述和其它目的、特点、情况和优点。
图1是传统的两IDT式SAW滤波器的示意平面图。
图2是传统的三IDT式SAW滤波器的示意平面图。
图3是传统的IIDT式SAW滤波器的典型平面图。
图4是传统的配备有反射器的IIDT式SAW滤波器的典型平面图。
图3是传统的垂直耦合式SAW共振滤波器典型的平面图。
图6A和6B是实例中分别制备的单端口SAW振动滤波器典型的平面图和沿图6A的B-B线截取的部分分段剖视图。
图7示出了H/λ×100＝3.37％情况下各反射器的反射特性。
图8示出了H/λ×100＝2.81％情况下各反射器的反射特性。
图9示出了H/λ×100＝2.24％情况下各反射器的反射特性。
图10示出了H/λ×100＝1.68％情况下各反射器的反射特性。
图11示出了阻带的比值H/λ(％)、衰减常数α和比带宽(％)之间的关系。
为说明本发明的内容，现在参照各附图说明本发明的实例。
用溅射法令(11
20)平面ZnO薄膜在α-Al2O3衬底的(01
12)平面上外延生长。衬底与薄膜之间的结晶取向关系如下：
(11
20)[0001]ZnO//(01
12)[0
111]α-Al2O3就是说，形成了上述ZnO/α-Al2O3。
如图6A中所示，在上述压电衬底上形成铝电极，从而形成单端口表面波共振器21。参看图6A，单端口表面波共振器21由压电衬底22制成，衬底22则由上述ZnO/α-Al2O3衬底组成。数字22a表示α-Al2O3衬底，数字22b表示ZnO压电薄膜。在ZnO/α-Al2O3压电衬底22的上表面形成单叉指换能器23，且在叉指换能器23两侧沿表面波传播方向上配置反射器24和25。叉指换能器23配备有一对具有多个彼此交指的电极指的梳状电极23a和23b。反射器24和25叫做叶栅式反射器，它们由铝制成，与IDT23类似呈如图6A和6B所示的格子的形式。
在这种单端口SAW共振器21中，ZnO薄膜22b的厚度h对表面波波长λ的比值h/λ约为0.3。表面波的波长λ为3.52微米，且IDT23具有10对电极指。此外，反射器部分24a(垂直于表面波传播方向延伸的金属条部分)的数目系选取得使反射系数至少为0.97。
在具上述结构的单端口SAW共振器21中，为测定反射特性，改变反射器24和25的厚度，其结果如图7至10所示。
图7至10所示的各特性曲线是在反射器24和25的厚度H对表面波的波长λ的比值H/λ乘以100分别为3.37％、2.81％、2.24％和1.68％时测定的。参看图7至10。横坐标轴示出了通过中心频率标准化过的标准化频率，纵坐标轴示出了反射系数。
从图7至10中可以清楚地看到，各反射器的反射特性是随比值H/λ而变化的。
从上述结果得出反射器24和25的阻带宽，再根据阻带宽计算出各阻带的比带宽。另一方面，分别测定反射器24和25中的衰减常数α。图11示出了各阻带的比值H/λ、衰减常数α与阻带的比带宽之间的关系。
假设制造配备有反射器供大幅度减小插入损耗使其比36°Y-XLiTaO3衬底或64°Y-X LiNbO3衬底的小所需要的衰减常数α如表2中所示不大于0.003奈培/λ，则从图11中可知，要将阻带的比带宽增加到起码1.5％所需的H/λ×100％的范围为1.5至4.1％。就是说，比值H/λ必须在0.015至0.041的范围内，而且当H/λ为0.41时，阻带的比带宽约为4.2％。因此，按照本发明可以制取对表1所示的大多数移动通信装置的适用情况都极理想的SAW滤波器。
此外，在此情况下，ZnO/α-Al2O3特大优点的小损耗性能并不因衰减常数不大于0.003奈培/λ而受损。
因此，当令比值H/λ处在0.015至0.041的范围时，可以扩大阻带的比带宽而不致损害ZnO/α-Al2O3的小损耗性能，从而可以提供插入损耗小、频带宽的SAW滤波器。
虽然上述实例是就制成图6所示的单端口SAW共振器进行说明的，但本发明也适用于带有反射器的其它SAW滤波器，例如，两IDT式或三IDT式SAW滤波器、图4所示的多电极SAW滤波器或图5所示的垂直耦合式SAW共振滤波器。
Claims (6)
1.一种表面声波器件，包括：
一个压电衬底，由一个(0112)平面α-Al2O3衬底和在该衬底上形成的(11
20)平面ZnO压电薄膜组成；
至少一个叉指换能器，在所述压电衬底上形成；和
多个反射器，配置在所述至少一个叉指换能器的两侧沿表面波传播的方向上；
各所述反射器系制造得使其厚度H对表面波的波长λ的比值H/λ在0.015至0.041的范围内。
2.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，该器件是个有一个所述叉指换能器的单端口表面波共振器。
3.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，所述器件是个多电极表面声波滤波器，至少三个所述叉指换能器沿所述表面波传播的方向配置。
4.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，所述表面声波器件是个具有起码三个所述叉指换能器的垂直耦合式表面声波滤波器。
5.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，各所述反射器具有多个垂直于所述表面波传播的方向延伸的金属条部分。
6.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，所述叉指换能器和所述各反射器由铝制成。
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