CN108449068A

CN108449068A - 双工器

Info

Publication number: CN108449068A
Application number: CN201810098374.XA
Authority: CN
Inventors: 周冲; 周文喜
Original assignee: Hubei Zeaun Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Hubei Zeaun Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2018-08-24

Abstract

本发明公开了一种双工器。该双工器包括：衬底、第一电极、压电层、第二电极，其中，第一电极，位于衬底上，第一电极的一部分与衬底之间具有声波谐振部；压电层，位于第一电极上；第二电极的一部分位于压电层上；声波谐振部、第一电极、压电层、第二电极位于压电层上的一部分构成至少一个薄膜体声波谐振器；压电层与第一电极或第二电极中的至少一个构成至少一个声表面波谐振器。通过本发明，解决了具有差分输出的体声波双工器的制作工艺复杂的问题。

Description

双工器

技术领域

本发明涉及电子通信技术器件领域，具体而言，涉及一种双工器。

背景技术

压电双工器是手持移动通信产品的重要组成部分之一。目前，手持移动通信产品主要采用基于压电材料制作的双工器，如体声波双工器。在现代收发器设计中，接收端口常采用差分的形式，从而更好的抑制共模噪声，获得更好的接收灵敏度。

图1是现有技术中的由两个体声波滤波器组成的双工器的示意图，接收滤波器100采用差分输出的形式。每个滤波器由三个串联谐振器和三个并联谐振器组成。如图1所示，接收滤波器100由串联谐振器111、112、113、114和并联谐振器121、122、123组成。其中，串联谐振器和并联谐振器可以采用薄膜体声波谐振器(FBAR)、固态装配谐振器(SMR)。此外，滤波器100还包括接地的电感103、104、105，其中，该电感103、104、105分别与并联谐振器121、122、123相连接，这些接地的电感可以与并联谐振器121、122、123形成传输零点，从而提高滤波器100的阻带抑制。同时，在滤波器100的输入端口131以及输出端口132还分别存在电感101、102。其中接收滤波器连接了一个巴伦(Balun)，以实现滤波器单端到差分的转换。

巴伦可以采用变压器、L-C/C-L阻抗变换器等多种实现形式。随着移动手持设备不断朝小型化和轻薄化方向发展，对所使用的双工器的尺寸有着越来约小的要求，在体声波滤波器中额外引入巴伦会直接影响到双工器芯片的尺寸，同时巴伦也会增加双工器的插入损耗。

体声波双工器实现差分输出的另一种方案是接收滤波器采用耦合谐振滤波器(CRF)，结构如图2所示。图3是现有技术的一种耦合谐振滤波器(CRF)的横截面的示意图，如图3所示，耦合谐振滤波器有两个体声波谐振器上下堆叠而成，两个谐振器之间有耦合层隔离。因为耦合谐振滤波器是由两个体声波滤波器堆叠在一起，同时要保证两个谐振器的一致性，因此耦合谐振滤波器(CRF)的需要的光刻次数很多，制造工艺非常复杂。

针对相关技术中具有差分输出的体声波双工器的制作工艺复杂的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种双工器，以解决相关技术中双工器制造工艺复杂的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种双工器，该双工器包括：衬底、第一电极、压电层、第二电极，其中，第一电极，位于衬底上，第一电极的一部分与衬底之间具有声波谐振部；压电层，位于第一电极上；第二电极的一部分位于压电层上；声波谐振部、第一电极、压电层、第二电极位于压电层上的一部分构成至少一个薄膜体声波谐振器；压电层与第一电极或第二电极中的至少一个构成至少一个声表面波谐振器。

进一步地，衬底具有凹槽，第一电极的一部分覆盖凹槽形成空腔，空腔作为声波谐振部。

进一步地，还包括：位于衬底和第一电极之间的声学反射镜，其中，声学反射镜为声波谐振部。

进一步地，声学反射镜包括至少两层声阻抗材料。

进一步地，至少两层声阻抗材料为第一声阻抗材料和第二声阻抗材料交替构成，其中，第一声阻抗材料的声阻抗小于第二声阻抗材料。

进一步地，第一电极构成声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅，或者，第二电极构成声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅。

进一步地，第一电极在衬底上间隔设置的部分构成声表面谐振器的叉指换能器和反射栅。

进一步地，第一电极和第二电极的材料为以下至少之一：钼、钨、铝；和/或，压电层的材料为以下至少之一：氮化铝、氧化锌、PZT；和/或，衬底的材料包括以下至少之一：硅、玻璃、蓝宝石、GaAs。

进一步地，在压电材料上层或下层还具有压电或非压电材料，用来调节声波的传播速度和谐振器的机电耦合系数。

进一步地，至少一个薄膜体声波谐振器组成发送滤波器；至少一个声表面波谐振器构成接收滤波器，接收滤波器包括至少两个极性相反的叉指换能器。

本发明通过衬底、第一电极、压电层、第二电极，其中，第一电极，位于衬底上，第一电极的一部分与衬底之间具有声波谐振部；压电层，位于第一电极上；第二电极的一部分位于压电层上；声波谐振部、第一电极、压电层、第二电极位于压电层上的一部分构成至少一个薄膜体声波谐振器；压电层与第一电极或第二电极中的至少一个构成至少一个声表面波谐振器，解决了相关技术中具有差分输出的体声波双工器制造工艺复杂的问题，进而达到了简化双工器制造工艺的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中的由两个体声波滤波器组成的双工器的示意图；

图2是现有技术中的另一种由两个体声波滤波器组成的双工器的示意图；

图3是根据现有技术的一种耦合谐振滤波器(CRF)的横截面双工器的结构示意图；

图4是根据本发明第一实施例的双工器的子器件的横截面的示意图；

图5是根据本发明第二实施例的双工器的子器件的横截面的示意图；

图6是根据本发明第三实施例的双工器的子器件的横截面的示意图；

图7是根据本发明第四实施例的双工器的子器件的横截面的示意图；

图8是根据本发明第五实施例的双工器的子器件的横截面的示意图；

图9是根据本发明第一实施例的双工器的示意图；

图10是根据本发明第二实施例的双工器的示意图；以及

图11是根据本发明第三实施例的双工器的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供了一种双工器，该双工器包括：衬底、第一电极、压电层、第二电极，其中，第一电极，位于衬底上，第一电极的一部分与衬底之间具有声波谐振部；压电层，位于第一电极上；第二电极的一部分位于压电层上；声波谐振部、第一电极、压电层、第二电极位于压电层上的一部分构成至少一个薄膜体声波谐振器；压电层与第一电极或第二电极中的至少一个或其他多层结构构成至少一个声表面波谐振器。

图4是根据本发明第一实施例的双工器的子器件的横截面的示意图，双工器可以是压电双工器，例如，差分输出压电双工器，如图4所示，该衬底401，第一电极412与衬底401之间有空腔411，空腔可以通过在衬底上刻蚀的方式形成的，衬底具有凹槽，第一电极的一部分覆盖凹槽形成空腔，空腔作为声波谐振部。第一电极构成声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅，或者，第二电极构成声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅。多个声波谐振部和多个电学连接层重复设置可以作为一种压电双工器。

双工器还包括压电层413和第二电极414。第一电极和第二电极的材料包括但不限于钼、钨、铝等。压电层材料包括但不限于氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT等材料。空腔411、第一电极412、压电层413、第二电极414共同构成一个薄膜体声波谐振410。衬底401、第一电极412共同组成一个声表面波谐振器。第一电极412可以形成声表面波谐振器的叉指换能器(IDT)和反射栅。第二电极414可以构成声表面波谐振器420的电学连接层。有一个或多个410和420相互连接，就构成了一个压电双工器，该双工器的接收滤波器采用差分输出的形式。

衬底401的材料包括但不限于硅、玻璃、蓝宝石、GaAs或其他衬底材料等。第一电极和第二电极的材料为以下至少之一：钼、钨、铝或其它金属材料；和/或，压电层的材料为以下至少之一：氮化铝、氧化锌、PZT或其它压电材料；至少一个薄膜体声波谐振器组成发送滤波器；至少一个声表面波谐振器构成接收滤波器，接收滤波器包括至少两个极性相反的叉指换能器。

可选地，在压电材料413上还覆盖有一层或多层其它压电或非压电材料415，如LiNbO₃、金刚石、Diamond等，用来调节声波在该结构中的传播速度和谐振器的机电耦合系数。同时415可以位于压电材料413的下方。

该实施例采用衬底、第一电极、压电层、第二电极，其中，第一电极，位于衬底上，第一电极的一部分与衬底之间具有声波谐振部；压电层，位于第一电极上；第二电极的一部分位于压电层上；声波谐振部、第一电极、压电层、第二电极位于压电层上的一部分构成至少一个薄膜体声波谐振器；压电层与第一电极或第二电极中的至少一个构成至少一个声表面波谐振器，这样的结构能够解决具有差分输出的体声波双工器的制作工艺复杂的问题，从而达到了简化双工器的制作工艺的效果。

图5是根据本发明第二实施例的双工器的子器件的横截面的示意图。该双工器包括：衬底501；在衬底上刻蚀形成的空腔511；第一电极512；压电层513；第二电极514。衬底501的材料包括但不限于硅、玻璃、蓝宝石、GaAs等。第一电极和第二电极的材料包括但不限于钼、钨、铝等。压电层材料包括但不限于氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT等材料。空腔511、第一电极512、压电层513、第二电极514共同构成一个薄膜体声波谐振510。可选地，在压电材料513上还覆盖有一层或多层其它压电或非压电材料515，如LiNbO₃、Diamond等，用来调节声波在该结构中的传播速度和谐振器的机电耦合系数。同时515可以位于压电材料513的下方。衬底501、第一电极512、第二电极514、压电层513和结构515共同组成一个多层膜结构的声表面波谐振器520。第一电极512可以形成声表面波谐振器的叉指换能器(IDT)和反射栅。第二电极514为叉指换能器(IDT)提供一个短路电学边界条件。有一个或多个510和520相互连接，就构成了一个压电双工器，该双工器的接收滤波器采用差分输出的形式。

图6是根据本发明第三实施例的双工器的子器件的横截面的示意图。该实施例的双工器包括：衬底601；在衬底上刻蚀形成的空腔611；第一电极612；压电层613；第二电极614。衬底601的材料包括但不限于硅、玻璃、蓝宝石、GaAs等。第一电极和第二电极的材料包括但不限于钼、钨、铝等。压电层材料包括但不限于氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT等材料。空腔611、第一电极612、压电层613、第二电极614共同构成一个薄膜体声波谐振610。可选地，在压电材料613下还覆盖有一层或多层其它压电或非压电材料615，如LiNbO₃、Diamond等，用来调节声波在该结构中的传播速度和谐振器的机电耦合系数。同时615可以位于压电材料613的上方。衬底601、第二电极614、压电层613和结构615共同组成一个多层膜结构的声表面波谐振器。第二电极614可以形成声表面波谐振器的叉指换能器(IDT)和反射栅。有一个或多个610和620相互连接，就构成了一个压电双工器，该双工器的接收滤波器采用差分输出的形式。

图7是根据本发明第四实施例的双工器的子器件的横截面的示意图。该实施例的双工器包括：衬底701；在衬底上刻蚀形成的空腔711；第一电极712；压电层713；第二电极714。衬底701的材料包括但不限于硅、玻璃、蓝宝石、GaAs等。第一电极和第二电极的材料包括但不限于钼、钨、铝等。压电层材料包括但不限于氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT等材料。空腔711、第一电极712、压电层713、第二电极714共同构成一个薄膜体声波谐振710。可选地，在压电材料713下还覆盖有一层或多层其它压电或非压电材料715，如LiNbO₃、Diamond等，用来调节声波在该结构中的传播速度和谐振器的机电耦合系数。同时715可以位于压电材料713的上方。衬底701、第一电极712、第二电极714、压电层713和结构715共同组成一个多层膜结构的声表面波谐振器。第二电极714可以形成声表面波谐振器的叉指换能器(IDT)和反射栅。第一电极712为叉指换能器(IDT)提供一个短路电学边界条件。有一个或多个710和720相互连接，就构成了一个压电双工器，该双工器的接收滤波器采用差分输出的形式。

图8是根据本发明第五实施例的双工器的子器件的横截面的示意图。该实施例的双工器包括：衬底801；在衬底上沉积形成的声学反射镜子830，830由薄膜815、816、817、818、819组成，其中815、817、819为低声阻抗材料，如二氧化硅。816、818为高声阻抗材料，如钨；衬底801的材料包括但不限于硅、玻璃、蓝宝石、GaAs等。第一电极和第二电极的材料包括但不限于钼、钨、铝等。压电层材料包括但不限于氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT等材料。声学反射镜子830、第一电极812、压电层813、第二电极814共同构成一个薄膜体声波谐振810。可选地，在压电材料813上还覆盖有一层或多层其它压电或非压电材料815，如LiNbO₃、Diamond等，用来调节声波在该结构中的传播速度和谐振器的机电耦合系数。同时815可以位于压电材料813的下方。衬底801、第一电极812、压电层813和结构815共同组成一个多层膜结构的声表面波谐振器。第一电极812可以形成声表面波谐振器的叉指换能器(IDT)和反射栅。有一个或多个810和820相互连接，就构成了一个压电双工器，该双工器的接收滤波器具有差分输出的形式。图4、图5、图6、图7中的薄膜体声波谐振器中的空腔结构也可以采用图8中声反射镜830的形式，因此不再重复叙述。

图9是根据本发明第一实施例的双工器的示意图，压电双工器900由发送滤波器910和接收滤波器920组成。滤波器910由串联谐振器911、912、913和并联谐振器914、915、916组成。其中，串联谐振器和并联谐振器的结构为图4中410所示的薄膜体声波滤波器或图5中510，或图6中610，或图7中710，或图8中810所示的薄膜体声波滤波器。此外，滤波器910还包括接地的电感917、918、919，其中，该电感917、918、919分别与并联谐振器914、915、916相连接，这些接地的电感可以与并联谐振器914、915、916形成传输零点，从而提高滤波器910的阻带抑制。

滤波器920由叉指换能器(IDT)922、923、924和反射栅921、925组成，叉指换能器(IDT)922、923、924和反射栅921、925的结构为图4中420所示或图5中520,或图6中620,或图7中720，或图8中820所示。叉指换能器(IDT)923的一端与滤波器的输入端口相连接，另一端接地。叉指换能器(IDT)922的一端与滤波器的输出端口943相连接，另一端接地。叉指换能器(IDT)924的一端与滤波器的输出端口944相连接，另一端接地。滤波器920有一个信号输入端口和两个信号输出端口943、944。因为叉指换能器(IDT)922和924的极性相反，因此两个信号输出端口943、944输出的信号幅度相等，相位相差180^o。

931和932为移相器，移相器931和932是的滤波器910和滤波器920在各自的通带内不会相互影响。移相器931和932可以有电感、电容、传输线等多种形式组成。同时在某些电路中移相器931和932可以合并为一个。

图10是根据本发明第二实施例的双工器的示意图，如图10所示，该实施例的双工器结构与该双工器与上述实施例的双工器结构相同，不同之处在于，在移相器1032和滤波器1020之间还设置有谐振器1031。

图11是根据本发明第三实施例的双工器的示意图，如图11所示，该实施例的双工器结构与该双工器与第二实施例的双工器结构相同，不同之处在于，该实施例的叉指换能器由三个更改为五个，谐振器1131与叉指换能器1126和1127也连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：在不增加薄膜体声波滤波器制造工艺复杂度和增加额外巴伦(Balun)的前提下，实现了薄膜体声波滤波器单端到差分的输出形式，减小了差分薄膜体声波双工器的尺寸，同时改善了双工器接收滤波器的插入损耗，从而使接收机获得更好的接收灵敏度。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双工器，其特征在于，包括：衬底、第一电极、压电层、第二电极，其中，

所述第一电极，位于所述衬底上，所述第一电极的一部分与所述衬底之间具有声波谐振部；

所述压电层，位于所述第一电极上；

所述第二电极的一部分位于所述压电层上；

所述声波谐振部、所述第一电极、所述压电层、所述第二电极位于所述压电层上的一部分构成至少一个薄膜体声波谐振器；

所述压电层与所述第一电极或所述第二电极中的至少一个构成至少一个声表面波谐振器。

2.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，所述衬底具有凹槽，所述第一电极的一部分覆盖所述凹槽形成空腔，所述空腔作为所述声波谐振部。

3.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，还包括：位于所述衬底和所述第一电极之间的声学反射镜，其中，所述声学反射镜为所述声波谐振部。

4.根据权利要求3所述的双工器，其特征在于，所述声学反射镜包括至少两层声阻抗材料。

5.根据权利要求4所述的双工器，其特征在于，所述至少两层声阻抗材料为第一声阻抗材料和第二声阻抗材料交替构成，其中，所述第一声阻抗材料的声阻抗小于所述第二声阻抗材料。

6.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，所述第一电极构成所述声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅，或者，所述第二电极构成所述声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅。

7.根据权利要求6所述的双工器，其特征在于，所述第一电极在所述衬底上间隔设置的部分构成所述声表面谐振器的叉指换能器和反射栅。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的双工器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材料为以下至少之一：钼、钨、铝；和/或，所述压电层的材料为以下至少之一：氮化铝、氧化锌、PZT；和/或，所述衬底的材料包括以下至少之一：硅、玻璃、蓝宝石、GaAs。

9.根据权利要求8所述的双工器，其特征在于，在压电材料上层或下层还具有压电或非压电材料，用来调节声波的传播速度和谐振器的机电耦合系数。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的双工器，其特征在于，所述至少一个薄膜体声波谐振器组成发送滤波器；所述至少一个声表面波谐振器构成接收滤波器，所述接收滤波器包括至少两个极性相反的叉指换能器。