CN107733393B - 一种声子晶体声表面波滤波器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声子晶体声表面波滤波器及制作方法。通过使用多个接收换能器，来实现多频信号的输出；利用发散状叉指发送换能器，来减小器件的插入损耗及实现激励的声表面波带宽的展宽；利用刻蚀的方法，在压电衬底中形成声子晶体点阵，声子晶体点阵不易受外部应力损坏，延长了器件的使用寿命；利用在声子晶体点阵与接收换能器之间插入栅阵列，来进一步增强了器件的滤波特性；通过在器件表面生长一层二氧化硅温度补偿层，来抑制器件的温漂特性。

Description

一种声子晶体声表面波滤波器及制作方法

技术领域

本发明涉及滤波器，具体涉及一种声子晶体声表面波滤波器及制作方法。

背景技术

滤波器作为电路系统的底层和信息采集的关键，决定着整个电路系统的信号精度。很多场景都需要对信号进行滤波，滤波器作为传感器家族中的重要一员具有越来越重要的用途。与传统的滤波器相比，声表面波滤波器具有加工方便、结构简单、滤波效果好等优点，在基站、雷达、卫星、手机等射频收发端具有更为广泛的应用。

声表面滤波器利用压电材料的压电效应和声特性工作。压电效应包括正压电效应和反压电效应，正压电效应是指压电材料受力形变产生电荷，因而产生电场的效应；反压电效应是指压电材料在外加电场的作用下，产生机械形变的效应，即电能转换为机械能。普通的声表面波滤波器包括一个压电基片、一个发送换能器以及一个接收换能器。电信号加到发送电极，通过反压电效应，电信号转换为声表面波，声表面波传送到接收换能器，由正压电效应产生电信号。

普通的声表面波滤波器具有单一的带宽，在多信号检测时往往需要频率中心相近的几种滤波器实现滤波功能，增加了硬件成本。为了适应多信号采样需求，本申请提供了一种基于声子晶体声表面波滤波器及制作方法。

综上所述，如何提供一种声子晶体声表面波滤波器，同时具备能够实现多频信号输出、插入损耗小、使用寿命长、滤波特性好、不易受外界温度影响、激励的声表面波带宽较宽的优点是本领域研究人员需要解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种声子晶体声表面波滤波器，其能够实现多频信号输出、插入损耗小、使用寿命长、滤波特性好、不易受外界温度影响、激励的声表面波带宽较宽。

(二)技术方案

本发明提供了一种声子晶体声表面波滤波器，包括：压电衬底、发送换能器、声子晶体点阵、接收换能器；其中，所述接收换能器的数量为N个，其中N至少等于2；所述发送换能器、接收换能器，形成于压电衬底上表面；所述声子晶体点阵位于所述发送换能器、接收换能器围成区域的中心位置。

在本发明的一些实施例中，还包括：栅阵列；其中栅阵列的数量至少一个，形成于所述压电衬底的上表面，分别置于声子晶体点阵与各个接收换能器之间。

在本发明的一些实施例中，还包括：温度补偿层；所述温度补偿层形成于所述声子晶体声表面波滤波器表面，用于抑制滤波器的温漂特性。

在本发明的一些实施例中，发送换能器为发散状叉指换能器，单个叉指电极与指根电极的垂直方向的夹角在0°～60°之间。

在本发明的一些实施例中，声子晶体点阵形成于压电衬底内，靠近压电衬底上表面。

在本发明的一些实施例中，声子晶体点阵分为至少2个区域，用于偏转声表面波的传播方向。

在本发明的一些实施例中，接收换能器为平行状叉指换能器。

在本发明的一些实施例中，接收换能器的叉指电极宽度各不相同，用于接收不同频率的声表面波。

本发明提供了一种声子晶体声表面波滤波器的制作方法，用于制作上述声子晶体声表面波滤波器，包括：压电衬底上表面抛光，下表面打磨；制备发送换能器与接收换能器；在压电衬底中开孔，形成声子晶体点阵。

在本发明的一些实施例中，还包括：制备栅阵列；形成温度补偿层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种声子晶体声表面波滤波器具有以下有益效果：

(1)通过使用多个接收换能器，器件实现了多个频率信号的输出。

(2)通过采用发散状叉指发送换能器减小了器件的插入损耗，并对激励声表面波的带宽进行了展宽。

(3)通过刻蚀的方法，在压电衬底中形成声子晶体点阵，声子晶体点阵不易受外部应力损坏，延长了器件的使用寿命。

(4)通过在声子晶体点阵与接收换能器之间插入栅阵列，进一步增强了器件的滤波特性。

(5)通过在器件表面生长一层二氧化硅温度补偿层，抑制了器件的温漂特性。

附图说明

图1为本发明提供的一种声子晶体声表面波滤波器结构示意图；

图2为本发明实施例的一种声子晶体声表面波滤波器制作方法的流程图。

【符号说明】

1-压电衬底；2-发送换能器；3-声子晶体点阵；4-第一接收换能器；5-第二接收换能器；6-第三接收换能器；7-第一栅阵列；8-第二栅阵列。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的方式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明实施例提供了一种声子晶体声表面波滤波器，如图1所示，图1为本发明一种声子晶体声表面波滤波器结构示意图，该声子晶体声表面波滤波器包括压电衬底1、发送换能器2、声子晶体点阵3、第一接收换能器4、第二接收换能器5、第三接收换能器6、第一栅阵列7、第二栅阵列8。发送换能器2、第一接收换能器4、第二接收换能器5、第三接收换能器6、第一栅阵列7、第二栅阵列8皆形成于压电衬底1之上。其中，压电衬底1为矩形或正方形结构，其相邻两个侧边的延伸方向分别为第一方向和第二方向。沿着第一方向，发送换能器2与第一接收换能器4依次排列；沿着第二方向，第二接收换能器5与第三接收换能器6依次排列。声子晶体点阵3的中心重合于发送换能器2与第一接收换能器4的连线、第二接收换能器5与第三接收换能器6的连线的交点。位于压电衬底1正面的中心位置，发送换能器2位于声子晶体点阵3的左侧，第一接收换能器4位于声子晶体点阵3的右侧，第二接收换能器5位于声子晶体点阵3的上侧，第三接收换能器6位于声子晶体点阵3的下侧，第一栅阵列7位于声子晶体点阵3、第二接收换能器5之间，第二栅阵列8位于声子晶体点阵3、第三接收换能器6之间。但这只是示例性说明，接收换能器的数量不仅限于3个，接收换能器至少为2个；栅阵列的数量不仅限于2个，数量不多于接收换能器的个数；叉指接收换能器2、第一接收换能器4、第二接收换能器5、第三接收换能器6的位置关系并不限于以上所述的位置关系。

压电衬底1的材料可采用硅酸镓镧、铌酸锂或者石英，压电衬底上表面抛光，下表面高精度打磨。

发送换能器2用于将电信号激励为声表面波，形成于压电衬底1正面之上，为发散叉指换能器，发散叉指换能器由两个发散的手指状电极结构交叉形成，其中单个叉指电极与指根电极垂直方向的夹角在0°～60°之间。叉指电极由铝或金等金属材料制作而成，为了提高金属同衬底间的粘附性，可以在生长叉指电极之前，在衬底上表面先生长一层厚度5纳米左右的钛或铬，单个叉指电极宽度为声表面波中心波长的1/4，叉指电极的长度大于100个声表面波中心波长，其中声表面波中心波长为声表面波器件中心频率对应的波长。但这只是示例性说明，发送换能器的形状、叉指电极的长度、单个叉指电极宽度皆不限于本实施例所述，当以上参数改变时，激励的声表面波的长度即带宽会发生改变。通过采用发散状叉指发送换能器减小了器件的插入损耗，并对激励的声表面波的带宽进行了展宽。

声子晶体点阵3为二维正方周期点阵。

在图1中，第一方向为入射声波传播方向，沿着第二方向，声子晶体点阵分为第一区域、第二区域、第三区域，三个区域第一方向的长度相等。第三区域为等腰直角三角形区域，第三区域内刻蚀有圆柱孔阵列。其中斜边平行于二维正方周期点阵晶格的排列方向。

第一区域为等腰直角三角形区域，第一区域内刻蚀有圆柱孔阵列。其中至少有一条边平行于二维正方周期点阵晶格的排列方向。

其中，在压电衬底上表面，沿着垂直于压电衬底上表面的方向，对压电衬底刻蚀，在压电衬底1内部靠近上表面的位置形成圆柱孔结构，圆柱孔的直径为声表面波中心波长的9/10，圆柱孔深度大于500纳米，晶格常数为1个声表面波中心波长。第一区域与第三区域之间的第二区域内未刻蚀圆柱孔。但这只是示例性说明，声子晶体的形状并不仅限于圆柱状孔结构，声子晶体点阵的排列方式及晶格常数、孔的结构参数并不限于本实施例所示，具体由接收换能器的数量、空间位置等因素决定。通过刻蚀的方法，在压电衬底中形成声子晶体点阵，声子晶体点阵不易受外部应力损坏，延长了器件的使用寿命。

接收换能器4、5、6皆形成于压电衬底1正面之上，叉指电极由铝或金制结构为平行状指条结构，叉指电极材料为铝或金制作，叉指电极的长度大于100个声表面波中心波长，但不同的是，第一接收换能器4的单个叉指电极宽度与发送换能器2的单个叉指电极宽度相同，第二接收换能器5的单个叉指电极宽度为声表面波中心波长的3/10，第三接收换能器6的单个叉指电极宽度为声表面波中心波长的1/5，因此三个接收换能器具有不同的工作频率。其中，发送换能器2到接收换能器之间的距离在20-200个声表面波中心波长之间，优选为100个声表面波中心波长；发送换能器2到声子晶体点阵3中心的距离与第二接收换能器5到声子晶体点阵3中心的距离的和在20-200个声表面波中心波长间，优选为100个声表面波中心波长；发送换能器2到声子晶体点阵3中心的距离与第三接收换能器6到声子晶体点阵3中心的距离的和在30-200个声表面波中心波长间，优选为100个声表面波波长，发送换能器和接收换能器之间的距离越长，声表面波的能量损失越大。但这只是示例性说明，叉指接收换能器的形状并不仅限于平行状叉指结构，各换能器之间的距离并不限于本实施例所述，且叉指接收换能器单个叉指电极的宽度并不限于本实施例所述，不同叉指电极宽度的接收换能器能够接收不同频率的声表面波，因此可由需要的输出信号频率来选用特定叉指电极宽度的接收换能器。通过使用多个接收换能器，器件实现了多个频率信号的输出。

第一栅阵列7位于声子晶体点阵3与第二接收换能器5之间，具有一特定周期结构，该周期结构由第二接收换能器5的工作频率决定；第二栅阵列8位于声子晶体点阵3与第三接收换能器5之间，具有另一特定周期结构，该周期结构由第三换能器6的工作频率决定。但只是示例性说明，声子晶体点阵3与多个接收换能器之间是否插入栅阵列并不影响滤波器的工作。通过在声子晶体点阵与接收换能器之间插入栅阵列，进一步增强了器件的滤波特性。

发送换能器2用于接收电信号，并将其转换为声表面波信号。发送换能器激励的声表面波在压电衬底内部靠近上表面的位置沿着第一方向传播。当声表面波传至声子晶体点阵3，部分声表面波穿过声子晶体点阵3的第二区域，由第一接收换能器4将其转换为第一电信号；部分声表面波传入声子晶体点阵3的第三区域，声子晶体点阵将声表面波的传播方向反射90°，使声表面波经第一栅阵列7滤波后，由第二接收换能器将其转换为第二电信号；部分声表面波由声子晶体点阵2的第一区域反射90°后，经由第二栅阵列8滤波后，被第三接收换能器接收并转换为第三电信号。其中，第一电信号、第二电信号、第三电信号的频率互不相同。

本发明另一实施例提供了一种声子晶体声表面波滤波器制作方法，其制作方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤S1：压电衬底的下表面打磨，上表面抛光。

步骤S2：制备发送换能器与接收换能器。

具体地，在制备好的压电衬底的上表面通过溅射的方法形成发送换能器、第一接收换能器、第二接收换能器、第三接收换能器，并通过剥离的方法除去非图形区，其中，为了提高金属同衬底间的粘附性，可以在生长发送换能器与接收换能器之前，在衬底上表面先生长一层厚度5纳米左右的钛或铬。

步骤S3：在压电衬底中开孔，形成声子晶体点阵。

具体地，采用刻蚀的方法在压电衬底上表面刻蚀多个圆柱孔，刻蚀的圆柱孔构成二维正方周期点阵。

步骤S4：制备栅阵列。

具体地，在压电衬底上表面，通过溅射的方法，在声子晶体点阵与接收换能器之间形成栅阵列。

步骤S5：形成温度补偿层。

具体地，在制备好的声表面波滤波器的表面由化学气相沉积的方法均匀生成二氧化硅补偿层作为温度补偿层。

通过在声子晶体点阵与接收换能器之间插入栅阵列，进一步增强了器件的滤波特性。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的声子晶体声表面波滤波器及制作方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和步骤的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供的一种声子晶体声表面波滤波器及制作方法能够实现多频信号输出、插入损耗小、使用寿命长、滤波特性好、不易受外界温度影响、激励的声表面波带宽较宽。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种声子晶体声表面波滤波器，包括：压电衬底、发送换能器、声子晶体点阵、接收换能器；其中，

所述接收换能器的数量为N个，其中N至少等于2；

所述发送换能器、接收换能器，形成于压电衬底上表面；

所述声子晶体点阵位于所述发送换能器、接收换能器围成区域的中心位置；

所述发送换能器为发散状叉指换能器，单个叉指电极与指根电极的垂直方向的夹角在0°～60°之间；

所述声子晶体点阵分为至少2个区域，用于偏转声表面波的传播方向。

2.如权利要求1所述的声子晶体声表面波滤波器，其特征在于，还包括：栅阵列；其中

栅阵列的数量至少一个，形成于所述压电衬底的上表面，分别置于声子晶体点阵与各个接收换能器之间。

3.如权利要求1或2所述的声子晶体声表面波滤波器，其特征在于，还包括：温度补偿层；

所述温度补偿层形成于所述声子晶体声表面波滤波器表面，用于抑制滤波器的温漂特性。

4.如权利要求1所述的声子晶体声表面波滤波器，其特征在于，声子晶体点阵形成于压电衬底内，靠近压电衬底上表面。

5.如权利要求1所述的声子晶体声表面波滤波器，其特征在于，接收换能器为平行状叉指换能器。

6.如权利要求1所述的声子晶体声表面波滤波器，其特征在于，各接收换能器之间的叉指电极宽度各不相同，用于接收不同频率的声表面波。

7.一种声子晶体声表面波滤波器的制作方法，用于制作权利要求1至6任一项所述的声子晶体声表面波滤波器，包括：

压电衬底上表面抛光，下表面打磨；

制备发送换能器与接收换能器；

在压电衬底中开孔，形成声子晶体点阵。

8.如权利要求7所述的声子晶体声表面波滤波器的制作方法，其特征在于，还包括：

制备栅阵列；

形成温度补偿层。

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