CN1075287C - 表面声波谐振腔滤波器 - Google Patents

Abstract

一种表面声波谐振腔滤波器，包括多个IDT，彼此紧挨地在36°Y截面X向传播式LiTaO₃基片上设置；多个反射器，设置在所述多个IDT的两侧，IDT和反射器的各电极由或主要由铝构成的铝合金制成；SiO₂薄膜形成得将IDT和反射器都覆盖住。电极厚度比H/λ和SiO₂薄膜厚度比H/λ设定在2.6%≤T/λ≤4.8%，22%≤H/λ≤38%的范围内，其中T表示所述IDT各电极的厚度，H表示所述SiO₂薄膜的厚度，λ表示表面声波的波长。

Description

表面声波谐振腔滤波器

本发明涉及压电基片上有多个叉指换能器和反射器的一种表面声波谐振腔滤波器。

近来发展的各种通信设备都采用表面声波滤波器，特别是在数字通信系统中近来已有一种应用中频(IF)级的趋势，要求有一个选择性好、宽的通带宽、平坦的组合延迟特性的小巧滤波器。有一种周知的传统小巧表面声波滤波器，插入损耗小，宽的通带宽。这是一种纵向耦合的谐振腔滤波器，这种谐振腔滤波器在其36°Y截面X向传播式的LiTaO₃基片上包括许多叉指换能器(IDT)彼此紧密配置，并在各IDT的两侧设有反射器。

然而，在采用36°Y截面X向传播LiTaO₃基片的传统谐振腔滤波器中，频率的温度系数约为35ppm/℃，在例如室温±50℃温度范围内频率的变化高达±1750ppm的范围，因而有这样的问题：实际应用这种滤波器时有效的通带宽度狭窄得使通带附近的选择性(毗邻通道中的衰减)不足。此外还有这样的问题：出于与反射系数大小有关的原因，要将这类滤波器做得足够小巧是有困难的，因为这种滤波器需要有很大数目的反射电极叉指的反射器来收集足够的能量。

本发明的最佳实施例是提供一种温度特性优异、性能好、宽的通带宽的价廉小巧的表面声波谐振腔滤波器，具体措施是：通过限制IDT的电极和反射器的厚度、SiO₂薄膜的厚度，和将IDT电极叉指的数目限制在最佳的范围。

为取得上述优点，按照本发明实施例的第一方面，表面声波谐振腔滤波器包括：一个36°Y截面X向传播LiTaO₃基片；多个在LiTaO₃基片上彼此紧密设置的IDT；在多个IDT两侧面上设置的反射器；和一个SiO₂薄膜安置得使SiO₂薄膜将各IDT和反射器都覆盖住。IDT的电极和反射器最好由铝或由铝组成的合金制成。电极厚度比T/λ和SiO₂薄膜厚度比H/λ最好取满足下列范围的值：

    2.6％≤T/λ≤4.8％；22％≤H/λ≤38％；其中T表示IDT电极和反射器的厚度，H表示SiO₂薄膜的厚度，λ表示表面声波的波长，其长度是反射器电极间距的两倍。

按照本发明最佳实施例的第二方面的表面声波谐振腔滤波器，其特征在于，在36°Y截面X向传播式的LiTaO₃基片上设置有许多级，各级由谐振腔结构组成，这种谐振腔包括按本发明最佳实施例第一方面的多个IDT和反射器，各级按级联连接。

按照本发明最佳实施例的第三方面，在本发明最佳实施例的第一或第二方面的表面声波谐振腔滤波器中，其SiO₂薄膜最好采用射频磁控管溅射法形成。

按照本发明最佳实施例的第四方面，本发明最佳实施例的第一、第二、第三方面的表面声波谐振腔滤波器的IDT，其一级中的电极叉指总对数Nt最好设在不等式14≤Nt≤68范围内。

按照本发明最佳实施例的第五方面，在本发明最佳实施例的第一方面、第二方面、第三方面和第四方面的表面声波谐振腔滤波器中，其SiO₂薄膜厚度比H/λ最好设在不等式26％≤H/λ≤36％的范围内。

按照本发明最佳实施例的第一方面，通过将电极厚度比T/λ和SiO₂薄膜厚度比H/λ限制在最佳范围内可以按稍后将详述的那样提供具有插入损失小、温度特性良好的小巧表面声波谐振腔滤波器。

按照本发明最佳实施例的第二方面，通过连接多个上述级联级，可以得出选择性提高的滤波器。

按照本发明最佳实施例的第三方面，由于采用射频磁控管溅射法形成SiO₂薄膜，提高了成批生产的生产率。

按照本发明最佳实施例的第四方面，通过将IDT电极叉指对的数目限制在最佳范围内，可以保持所要求的通带宽，并减小通带波纹。

按照本发明最佳实施例的第五方面，通过将SiO₂薄膜厚度比H/λ限制在最佳范围，可以进一步改善频率的温度特性。

从下面对本发明附图所示的最佳实施例的说明，本发明的的其他特征和优点将变得显明。

图1(a)是沿图1中的X-X线截取的剖视图。

图2是本发明第二实施例的表面声波谐振腔滤波器的平面图。

图3示出了用电极厚度T/λ作为参数时一个电极叉指的SiO₂薄膜厚度比H/λ与反射系数之间的关系曲线，是根据本发明最佳实施例所进行的一次实验得出的。

图4示出了根据本发明最佳实施例所进行的一次实验得出的电极厚度比T/λ与插入损失之间的关系曲线。

图5示出了采用电极厚度比T/λ作为参数时SiO₂薄膜厚度比H/λ与频率的温度系数之间的关系曲线，是根据本发明最佳实施例进行的一次实验取得的。

图6示出了IDT的电极叉指对总数Nt、通带波纹和3分贝相对带宽之间的关系，是根据本发明的最佳实施例进行的一次实验取得的。

图7示出了本发明另一最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器特性曲线的一个例子。

图8示出了本发明最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器和一般的表面声波谐振腔滤波器在中心频率方面相对于温度的变化情况。

本发明的发明者同人研究了用射频磁控管溅射法在IDT和反射器上形成SiO₂薄膜来改善频率的温度特性的可能性，发现了通过将铝电极和SiO₂薄膜等的厚度限制到最佳范围可以改善频率的温度特性，且通过减少反射器电极叉指的数目可缩小表面声波谐振腔滤波器的体积。

现在参看本发明一些最佳实施例的附图说明本发明的内容。以后各平面图中的加点区表示被覆有SiO₂薄膜的部位。

图1(a)和1(b)示出了本发明第一个最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器的结构。图1(a)的平面图示出了本发明最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器最小单元基本结构的平面图。图1(b)的剖面图是沿图1(a)的X-X线截取的。

如图1(a)和1(b)中所示，在此最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器中，在36°Y截面X向传播式LiTaO₃基片1上彼此紧密配置有IDT2和IDT3和反射器4，IDT2和IDT3各自的一对梳状电极2a和2b以及各自的一对梳状电极3a和3b，其电极指彼此交叉成叉指，反射器4则由多个在IDT2和IDT3两侧设置的反射电极指构成。此外，36°Y截面X向传播LiTaO₃基片上还形成有SiO₂薄膜5将IDT2、IDT3和反射器4都覆盖住。

梳状电极2a、2b、3a和3b各自具有暴露的电极部分2c、2d、3c和3d，供在其连接部分输入和输出信号用。暴露的电极部分2c和3c接输入/输出端子6，暴露的电极部分2d和3d接地。

本发明最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器的最佳制造过程说明如下：

首先，通过蒸发、溅射等之类的方法在36°Y截面X向传播式LiTaO₃基片上形成铝膜或含大约1％重量的铜的铝合金膜。然后用光刻法等之类的方法在薄膜上形成一定的图形，从而形成IDT2、IDT3和反射器4。接着用射频磁控管溅射等之类的方法形成SiO₂薄膜5，将IDT2、IDT3和反射器4都覆盖上。

暴露的电极部分2c、2d、3c和3d是例如在CF₄等离子体中进行离子蚀刻除去SiO₂薄膜5的一部分或在形成SiO₂薄膜5的过程中用掩膜形成的。

在36°Y截面X向传播式LiTaO₃母板(圆片)上形成上述多个表面声波谐振腔滤波器，各滤波器则用切割机之类的工具将表面声波谐振器切开制成的。图1(b)中，T表示IDT2、IDT3和反射器4各自的电极的厚度，H表示SiO₂薄膜5的厚度，λ表示表面声波的波长，其长度两倍于反射器电极的间距。

图2示出了本发明第二最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器的结构。图2是具有多个谐振腔的表面声波谐振腔滤波器的平面图，谐振腔上形成有图1所示的构件。从图2中可以看到，本最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器是在36°Y截面X向传播LiTaO₃基片1上包括三个由图1所示的IDT2、IDT3和反射器4的表面声波谐振腔滤波器彼此平行配置并级联起来构成的。IDT和反射器的结构基本上与图1的相同，因而这里不再介绍。

通过形成各包括IDT和反射器的多个表面声波谐振腔滤波器组成的级联级，由于通带之外的衰减大，因而可以得出选择性高的表面声波谐振腔滤波器。

现在说明根据本发明的最佳实施例的表面声波谐振腔滤波器之所以取根据实验结果得出的设计条件的原因，实验是对所制成的许多样品通过改变电极厚度、SiO₂薄膜的厚度、电极叉指的间隙、电极叉指的对数等进行的。

图3示出了IDT或反射器的一个电极叉指的反射系数对SiO₂薄膜厚度比H/λ的关系曲线图，采用电极厚度比T/λ作为参数。

从图3中可以看出，一个电极叉指的反射系数取决于SiO₂薄膜的厚度H或电极的厚度T且与上述两种情况下的厚度成线性地增加。

在一般的36°Y截面X向传播式(无SiO₂薄膜)的LiTaO₃基片的情况下，为例如通过将表面声波的能量充分收集在谐振腔滤波器中得出所要求的特性(插λ损失)，当电极厚度比T/λ为4.5％，反射器需要大约50个电极叉指。在此情况下(T/λ=4.5％,H/λ=0)，如图3中所示，一个电极叉指的反射系数为0.06。

为使表面声波谐振腔滤波器小巧化，需要减少反射器电极叉指的数目。为将反射器电极叉指的数目减少到50个以下，和现有技术不同，一个电极叉指的反射系数必须起码大于0.06。但SiO₂薄膜的厚度大会增加形成薄膜的时间，从而降低生产率。此外，还导致在基片中产生应力，从而使基片在装配的过程中或装配之后断裂，并使电极薄膜和SiO₂薄膜产生裂纹。因此，在实际应用中，SiO₂薄膜的厚度比H/λ必须等于或小于40％。

从图3中可以看出，电极厚度比T/λ必须为2.6％或以上，则SiO₂薄膜厚度比H/λ在0至40％实用范围中时，一个电极叉指的反射系数可以在0.06以上。因此，要使滤波器小巧，电极厚度比T/λ要取2.6％或以上。

图4示出了SiO₂薄膜厚度比H/λ为29.5％时滤波器电极厚度比T/λ与最小插λ损失的关系曲线。

从图4中可以看出，在电极薄膜厚度比T/λ达到大约2.5％时，插入损失随电极薄膜厚度比T/λ的增大而减小，因为各反射器将表面声波的能量限制在谐振腔滤波器中。然而，超过大约2.5％时，插入损失随着电极薄膜厚度比T/λ的增大而增加。我们认为这是由于电极的模从表面声波转变为体波而使损失增加所致。

由于中频级中使用的滤波器通常必须具有高的选择能力，因而这种滤波器必须构制得使其多个级如图2所示的那样级联。三个级如图2中那样级联时，插入损失会比一级结构的大两倍。就是说，实际使用的滤波器的最小插入损失为图4所示插入损失的三倍。

另一方面，按照经常用作宽带滤波器的横向滤波器的设计技术，最小插入损失等于6分贝双向损失和其它种类损失的和。因此，本发明最佳实施例旨在减少插入损失，取三级联级的目标最小插入损失为6分贝。就是说，目标是图4中等于或小于2分贝的插入损失，而这一点不用说可以通过取等于或小于4.8％的电极厚度比T/λ来达到。此外，在电极厚度比T/λ取等于4.3％或以下的情况下，插入损失可以减小到1.5分贝。

图5示出了SiO₂厚度比H/λ和频率的温度系数的关系曲线，采用电极厚度比T/λ作为参数。

如图5中所示，频率的温度系数不仅取决于SiO₂薄膜厚度比H/λ，而且还取决于电极厚度比T/λ，而温度系数为0的SiO₂薄膜厚度比H/λ随电极厚度比T/λ而变化。

设计频率的温度系数的指标取现有技术指标的三分之一，即等于或小于±10ppm/℃。图5示出了在电极厚度比T/λ如上述那样取2.6至4.8％范围的情况下取SiO₂薄膜H/λ在22至38％的范围可以得出等于或小于±10ppm/℃的频率的温度系数。

此外，使用石英基片时通过取SiO₂薄膜厚度比H/λ在26至36％的范围内，频率的温度系数还可以取等于或优于±5ppm/℃。由于频率的温度系数可以取0ppm/℃，因而最好取SiO₂薄膜厚度比H/λ在大约27至35％的范围。

现在谈谈妥善取IDT电极叉指对数以抑制通带波纹和取得所要求的通带宽度的过程。假设N表示图1中各IDT2和IDT3的电极叉指对的数目，Nt表示该两个IDT电极叉指对的总数(电极叉指的总数)，图6示出了电极叉指对总数Nt变化时通带波纹和3分贝相对带宽的变化情况。

例如，在欧洲数字无绳电话(DECT)系统110.6兆赫中心频率用的中频波滤器的情况下，所要求的通带宽度为±0.6兆赫或以上的标称中心频率，即1.2兆赫或以上。采用36°Y截面X向传播式LiTaO₃基片的一般表面声波谐振腔滤波器当考虑到频率的温度特性和老化时其通带宽度须为1.5兆赫或以上。然而，由于本发明最佳实施例的频率的温度系数可以非常小，1.3兆赫的通带宽度和大约1.2％的相对带宽，即使把频率的温度特性和老化容限考虑进去也不会在实际应用中产生任何问题。此外，在实际应用中，通带波纹应为1分贝或以下。

图6示出，电极叉指对总数Nt和电极叉指对数N(等于Nt的一半)分别取14至68和7至34的范围时，可以使3分贝相对带宽达1.2％或以上和1分贝或以下的通带波纹。IDT的电极叉指对数越大，插入损失越大。但业已确定，当电极叉指总对数Nt的最大值为68时，插入损失等于或小于2分贝。

如上所述，为提供频率的温度系数为±10ppm/℃或以下、可以制成小巧型、损耗和波纹较低的表面声波谐振腔滤波器，采用了36°Y截面X向传播式LiTaO₃基片，对设计条件严加限制。得出的设计条件概括起来如下：

(1)电极厚度比T/λ最好在2.6％≤T/λ≤4.8％的范围内。

(2)SiO₂薄膜厚度比H/λ最好在22％≤H/λ≤38％，更好是26％≤H/λ≤36％的范围内。

(3)电极叉指总对数Nt最好在14≤Nt≤68的范围内。

图7示出了按上述结果制成的标称中心频率为110.6兆赫的表面声波谐振腔波器特性曲线的一实例。

当在图2所示的具三级结构的表面声波谐振腔滤波器的情况下，该表面声波谐振腔滤波器的IDT和反射器由铝电极构成，SiO₂薄膜用射频磁控管溅射法形成，电极厚度比T/λ、SiO₂薄膜厚度比H/λ和电极叉指总对数Nt分别取3.7％、29.5％和28。

3分贝通带宽约为1.5兆赫，得出的相对通带宽为1.36％。此外，得出的频率的温度系数非常小，这使衰减在±50℃室温度范围要求大衰减量的110.6兆赫±1.728兆赫的频率下维持在46分贝或以上。此外，一个电极叉指反射系数的测定值约为0.075。

图8示出了一般没有SiO₂薄膜形成的表面声波谐振腔滤波器和上述实施例的滤波器、它们的中心频率相对于温度而变化的曲线。从图8可以看到，一般表面声波谐振腔滤波器的频率的温度系数为-35ppm/℃，上述实施例滤波器的频率的温度系数为+0.6ppm/℃。因此大大改善了中心频率相对于温度的变化情况。

此外，一个电极叉指的反射系数可以达约0.075之大，这使反射器的电极叉指数可以从50个减少到40个。此外，由于IDT的辐射电导增加了，因而可以减少IDT的电极叉指对数。这样就可以得出面积比为现有技术的三分之二的芯片，并提供一种表面声波滤波器其包装尺寸只有现有技术的三分之一。

虽然上述实施例是采用0级纵向模和1级纵向模、各IDT按上述最佳实施例在各反射器之间形成的双模谐振腔滤波器，但本发明最佳实施例还可应用于在各反射器之间形成有三个或以上的IDT的表面声波谐振腔滤波器，以促进更高次的模。

综上所述，按照本发明的最佳实施例，通过下列措施可以得出温度特性好、性能高和宽的通带宽的小巧表面声波谐振腔滤波器：SiO₂薄膜形成得使其覆盖住在36°Y截面X向传播LiTaO₃基片上形成的IDT和反射器；电极的厚度、SiO₂薄膜的厚度和电极叉指总对数取最佳范围的值。

此外，用射频磁控管溅射法形成SiO₂薄膜，由于生产率高，因而降低了SiO₂薄膜的造价；由于芯片体积减小了，因而从一个圆片得出的芯片数加到1.5倍；而温度特性的改善提高了滤波器的产量，既降低了材料成本，又提高了生产率。

虽然已相对于具体的最佳实施例来说明本发明，对于本领域的一般技术人员来说将清楚了解有许多别的变化和变型及其他使用。因此，最好不要用其中的具体公开，而只应由所附权利要求来限定本发明。

Claims (11)

1．一种表面声波谐振腔滤波器，其特征在于，它包括：

一种36°Y截面X向传播的LiTaO₃基片；

多个IDT，设置在所述LiTaO₃基片上；

多个反射器，设置在所述多个IDT的两侧；和

SiO₂薄膜，设置得使其覆盖住所述IDT和所述反射器；其中

电极厚度比T/λ和SiO₂薄膜厚度比H/λ取得满足以下不等式的条件：

            2.6％≤T/λ≤4.8％

            22％≤H/λ≤38％

其中T表示所述IDT和反射器的各电极的厚度，H表示所述SiO₂薄膜的厚度，λ表示在所述基片上产生的表面声波的波长，其长度为反射器电极间距的两倍。

2．根据权利要求1的一种表面声波谐振腔滤波器，其特征在于它还包括多个级，各级由多个设置在所说LiTaO₃基片上的所述IDT构成，其中所说级是级联的。

3．如权利要求1所述的表面声波谐振腔滤波器，其特征在于所述SiO₂薄膜是用射频磁控管溅射法制成的薄膜。

4．如权利要求1所述的表面声波谐振腔滤波器，其特征在于，其中所述多个IDT的电极叉指总对数Nt取满足以下不等式条件的值：14≤Nt≤68。

5．如权利要求1所述的表面声波谐振腔滤波器，其特征在于，SiO₂薄膜厚度比H/λ取满足以下不等式条件的值：26％≤H/λ≤36％。

6．如权利要求1所述的表面声波谐振腔滤波器，其特征在于，SiO₂薄膜厚度比H/λ取满足以下不等式条件的值：27％≤H/λ≤35％。

7．根据权利2的表面声波谐振腔滤波器，其特征在于，所述SiO₂薄膜是一种由射频磁控管溅射法形成的薄膜。

8．根据权利要求2的表面声波谐振腔滤波器，其特征在于，设定所述多个IDT电极叉指的总对数，使其满足14≤Nt≤68。

9．根据权利要求2的表面声波谐振腔滤波器，其特征在于，设定SiO₂薄膜厚度比H/λ，使其满足26％≤H/λ≤36％。

10．一种制造表面声波谐振腔滤波器的方法，包括下列步骤：

在一36°Y截面X向传播的LiTaO₃基片上形成多个电极供形成叉指换能器(IDT)和反射器之用，其中所述多个电极的厚度T和在所述基片上产生的表面声波的波长λ设定得使其满足2.6％≤T/λ≤4.8％；以及

在所述IDT上用RF磁控管溅射法形成SiO₂薄膜，其中所述SiO₂薄膜的厚度H和所述波长λ设定得使其满足22％≤H/λ≤35％。

11．根据权利要求10的方法，其特征在于，形成所述多个电极的步骤包括：

在所述基片上形成金属膜；以及

将所述金属膜构图，以形成具有电极叉指总对数为Nt的所述IDT，其中所述Nt设定得使其满足14≤Nt≤68。

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