CN108649920B - 压电声波谐振器、压电声波滤波器、双工器及射频通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电声波谐振器，其有效工作区的形状是多边形，该有效工作区中的第一边和第二边分别对应于压电声波谐振器的输入边和输出边，有效工作区的外框定义为可以包围有效工作区、且存在一条边与第一边或第二边重合的面积最小的矩形；外框中与第一边或第二边重合的一条边具有第一长度，外框中与一条边垂直的边具有第二长度，第一长度与第二长度的比例范围是1～4；第一边和第二边的长度之和与有效工作区的周长的比例范围是0.4～0.7，其中，第一边和第二边的长度与有效工作区的周长的比例范围均是0.2～0.35。本发明还提供了压电声波滤波器、双工器及射频通信模块。实施本发明能够改善压电声波谐振器的电学传输损耗，进而改善压电声波滤波器的插入损耗。

Description

压电声波谐振器、压电声波滤波器、双工器及射频通信模块

技术领域

本发明涉及电子通讯技术器件领域，尤其涉及一种压电声波谐振器、压电声波滤波器、双工器及射频通信模块。

背景技术

压电声波滤波器是现代智能手机的关键部件之一，而压电声波谐振器则是压电声波谐振器的核心构成部分，其中，压电声波谐振器性能的优劣直接决定这压电声波滤波器性能的优劣。现有技术中，常用的压电声波谐振器包括空气隙型谐振器、体硅背刻蚀型谐振器以及布拉格反射层型谐振器。下面以空气隙型谐振器对压电声波谐振器的结构进行说明。请参考图1，图1是现有技术中空气隙型的压电声波谐振器的剖面示意图。如图所示，压电声波谐振器从上往下依次是上电极层101、压电层102、下电极层103、种子层104以及衬底106，在种子层104与衬底106之间还进一步存在用于在交界面处实现对声能限制以防声波泄露的空气隙105。其中，压电层102与上电极层101、下电极层103的重叠区域是压电声波谐振器的有效工作区。请参考图2，图2是现有技术中压电声波谐振器的电路符号图。如图所示，压电声波谐振器还至少包括两个端口，一个端口与压电声波谐振器的上电极层连接，另一个端口与压电声波谐振器的下电极层连接，该两个端口用于激励信号的输入和输出，其中，电极层中与输入端连接的边称为压电声波谐振器的输入边，电极层中与输出端连接的边称为压电声波谐振器的输出边。压电声波谐振器工作时，当与上电极层连接的端口被施加激励信号时，激励信号沿“输入端—>上电极层—>压电层—>下电极层—>输出端”的路径传输。当外电场作用在电极上时，由于逆压电反应使得压电层产生机械振动发生形变，产生的声波在电极与外界的接触面反射，被束缚在压电声波谐振器内部。

现有技术中，压电声波谐振器的上电极层、压电层以及下电极层通常被设计为具有相同的版图形状。在实际应用中，最为常见的版图形状是正多边形，例如正四边形、正五边形、正六边形等。研究表明，采用正多边形作为版图形状可以有效地避免横生模式对压电声波滤波器性能造成的影响。压电声波谐振器工作时，激励信号会根据版图形状以及边连接方式的设计进行定向地传输。对于版图形状为正多边形的压电声波谐振器而言，其输入边和输出边的情况视情况而定，并不唯一。以最为常见的正五边形版图形状为例说明，请参考图3，图3是现有技术中采用正五边形设计的压电声波谐振器的版图形状。如图3所示，该正五边形的五个边分别以编号1至5表示，其中，设计边1作为压电声波谐振器的输入边、边3作为压电声波谐振器的输出边，激励信号在版图上的传输路径如图中箭头所示。

图4是压电声波谐振器的频率阻抗曲线图。如图所示，压电声波谐振器的串联谐振频率fs低于并联谐振频率fp，压电声波谐振器的阻抗随着频率变化。压电声波谐振器处于串联谐振时的阻抗(下文以Rs表示)小于其处于并联谐振时的阻抗(下文以Rp表示)。其中，Rs主要影响压电声波谐振器的电性能，Rp主要影响压电声波谐振器的声学性能，压电声波谐振器的品质因数定义为Rp和Rs的比值，即Qs＝Rp/Rs。Qs的值随Rs和Rp的值的变化而变化，其中，Rs的值越小、Rp的值越大，则压电声波谐振器的品质因数Qs越大，相应地压电声波谐振器的电学性能和声学性能就越佳。目前，改善压电声波谐振器电学性能和声学性能的研究主要是从压电声波谐振器各层材料的选择、各层厚度的设置以及层堆栈工艺结构的角度出发。

压电声波滤波器是通过采用例如梯型、π型、网格型等方式对压电声波谐振器进行级联而得到的。其中，插入损耗是压电声波滤波器的关键性能参数之一，业界从未间断对如何减小压电声波滤波器插入损耗的研究。现有技术中，减小压电声波谐振器插入损耗的主要方法是从压电声波谐振器的外围电路出发，在压电声波滤波器的串联级或者并联级串联或并联一定大小的电感/电容。电感/电容的引入能够在一定程度上增大压电声波滤波器的有效机电耦合系数、以及增大压电声波滤波器的带宽，折中考虑后虽然能够通过牺牲部分带宽的方式得到压电声波滤波器插入损耗的改善，但与此同时会增加压电声波滤波器的寄生效应从而压电声波导致滤波器性能的部分恶化，此外还会导致压电声波滤波器体积的增加以及制造成本的提高。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种压电声波谐振器，该压电声波谐振器从上至下依次包括上电极层、压电层、下电极层以及衬底，所述上电极层、所述压电层和所述下电极层的重叠区域为所述压电声波谐振器的有效工作区，该有效工作区的形状是多边形，其中：

所述有效工作区中的第一边对应于所述压电声波谐振器的输入边，所述有效工作区中的第二边对应于所述压电声波谐振器的输出边，所述有效工作区的外框定义为可以包围所述有效工作区、且存在一条边与所述第一边或所述第二边重合的面积最小的矩形；

所述外框中与所述第一边或所述第二边重合的一条边具有第一长度，所述外框中与所述一条边垂直的边具有第二长度，所述第一长度与所述第二长度的比例范围是1～4；

所述第一边和所述第二边的长度之和与所述有效工作区的周长的比例范围是0.4～0.7，其中，所述第一边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35，所述第二边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35。

根据本发明的一个方面，该压电声波谐振器中，所述第一长度与所述第二长度的比例范围是2.5～3.2，所述第一边和所述第二边的长度之和与所述有效工作区的周长的比例范围是0.5～0.6，其中，所述第一边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.25～0.3，所述第二边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.25～0.3。

根据本发明的另一个方面，该压电声波谐振器中，所述多边形是四边形、五边形或六边形。

根据本发明的又一个方面，该压电声波谐振器中，所述压电声波谐振器是体硅背刻蚀型谐振器、空气隙型谐振器或布拉格反射层型谐振器。

本发明还提供了一种压电声波滤波器，该压电声波滤波器包括至少一个串联级压电声波谐振器，该串联级压电声波谐振器采用上述压电声波谐振器。

本发明还提供了一种双工器，该双工器还包括发射滤波器和接收滤波器，其中，所述发射滤波器和/或所述接收滤波器采用上述压电声波滤波器。

本发明还提供了一种射频通信模块，该射频通信模块包括天线、射频开关、双工器组以及功率放大器，其中，所述双工器组包括多个上述双工器。

与现有技术中通过对压电声波谐振器各层材料的选择、对压电声波谐振器各层厚度的设置、以及对压电声波谐振器层堆栈工艺结构的改进来改善压电声波谐振器性能的方式相比，本发明通过改变压电声波谐振器的有效工作区的形状来改善压电声波谐振器的性能。本发明针对于压电声波谐振器的有效工作区提出了外框的概念，即可以包围有效工作区、且存在一条边与压电声波谐振器的第一边(对应于压电声波谐振器输入边的边)或第二边(对应于压电声波谐振器输出边的边)重合的面积最小的矩形，其中，外框中与第一边或第二边重合的一条边具有第一长度，外框中与该一条边垂直的边具有第二长度。通过设定第一长度与第二长度的比例范围是1～4、第一边和第二边的长度之和与有效工作区的周长的比例范围是0.4～0.7、第一边的长度与有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35、以及第二边的长度与有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35，对压电声波谐振器的形状进行限定。相较于现有的压电声波谐振器，本发明所提供的具有上述形状的压电声波谐振器其横向路径阻抗得到了有效的改善，进而有效地减小了压电声波谐振器的电学传输损耗。相应地，本发明还提出了基于上述压电声波谐振器的压电声波滤波器，使用上述压电声波谐振器可以有效地减小压电声波滤波器的横向路径长度，进而有效地减小压电声波谐振器的插入损耗。此外，本发明还提出了基于上述压电声波滤波器的双工器、以及基于上述双工器的射频通信模块，由于压电声波滤波器具有良好的插入损耗，因此有效地提高了双工器的性能、进而提高了射频通信模块的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是现有技术中空气隙型的压电声波谐振器的剖面示意图；

图2是现有技术中压电声波谐振器的电路符号图；

图3是现有技术中采用正五边形设计的压电声波谐振器的版图形状；

图4是压电声波谐振器的频率阻抗曲线图；

图5是根据本发明的一个具体实施例的压电声波谐振器的俯视示意图；

图6是图5所示压电声波谐振器的有效工作区的示意图；

图7是图5所示压电声波谐振器的有效工作区的一个边框的示意图；

图8是图5所示压电声波谐振器的有效工作区的另一个边框的示意图；

图9是图5所示压电声波谐振器的有效工作区的又一个边框的示意图；

图10是根据本发明的一个具体实施例的四个压电声波谐振器的有效工作区的示意图，其中，该四个有效工作区其面积形同但形状不同；

图11是图10中有效工作区(a)所对应的压电声波谐振器的Smith阻抗圆图以及品质因数-频率曲线图；

图12是图10中有效工作区(b)所对应的压电声波谐振器的Smith阻抗圆图以及品质因数-频率曲线图；

图13是图10中有效工作区(c)所对应的压电声波谐振器的Smith阻抗圆图以及品质因数-频率曲线图；

图14是图10中有效工作区(d)所对应的压电声波谐振器的Smith阻抗圆图以及品质因数-频率曲线图；

图15是图10中四个有效工作区所对应的压电声波谐振器在串联谐振频率处的阻抗值以及品质因数的数值列表；

图16是根据本发明的一个具体实施例的采用T型结构的压电声波滤波器的电路结构图；

图17是图16所示压电声波滤波器电路结构中串联级压电声波谐振器之间的连接关系的剖面示意图；

图18是实现图16所示压电声波滤波器的四种版图布局；

图19是图18中四种版图布局下的压电声波滤波器的插入损耗的仿真图；

图20是图18中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度、通带边缘以及中心频率处插入损耗的具体数值列表；

图21是图18中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度-平均插入损耗曲线图；

图22是实现图16所示压电声波滤波器的又四种版图布局；

图23是图22中四种版图布局下的压电声波滤波器的插入损耗的仿真图；

图24是图22中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度、通带边缘以及中心频率处插入损耗的具体数值列表；

图25是图22中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度-平均插入损耗曲线图；

图26是根据本发明的一个具体实施例的采用“四串三并”结构的压电声波滤波器的电路结构图；

图27是图26所示压电声波滤波器电路结构中串联级压电声波谐振器之间的连接关系的剖面示意图；

图28是实现图26所示压电声波滤波器的四种版图布局；

图29是图28中四种版图布局下的压电声波滤波器的插入损耗的仿真图；

图30是图28中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度、通带边缘以及中心频率处插入损耗的具体数值列表；

图31是图28中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度-平均插入损耗曲线图；

图32是根据本发明的一个具体实施例的采用网格型结构的压电声波滤波器的电路结构图；

图33是图32所示压电声波滤波器电路结构中串、并联级压电声波谐振器之间的连接关系的剖面示意图；

图34是实现图32所示压电声波滤波器的四种版图布局；

图35是图34中四种版图布局下的压电声波滤波器的插入损耗的仿真图；

图36是图34中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度、通带边缘以及中心频率处插入损耗的具体数值列表；

图37是图34中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度-平均插入损耗曲线图；

图38是根据本发明的一个具体实施例的双工器的结构示意图；

图39是根据本发明的一个具体实施例的射频通信模块的结构示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明提供了一种压电声波谐振器，该压电声波谐振器从上至下依次包括上电极层、压电层、下电极层以及衬底，所述上电极层、所述压电层和所述下电极层的重叠区域为所述压电声波谐振器的有效工作区，该有效工作区的形状是多边形，其中：

所述有效工作区中的第一边对应于所述压电声波谐振器的输入边，所述有效工作区中的第二边对应于所述压电声波谐振器的输出边，所述有效工作区的外框定义为可以包围所述有效工作区、且存在一条边与所述第一边或所述第二边重合的面积最小的矩形；

所述外框中与所述第一边或所述第二边重合的一条边具有第一长度，所述外框中与所述一条边垂直的边具有第二长度，所述第一长度与所述第二长度的比例范围是1～4；

所述第一边和所述第二边的长度之和与所述有效工作区的周长的比例范围是0.4～0.7，其中，所述第一边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35，所述第二边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35。

下面，将对本发明所提供的压电声波谐振器的结构进行说明。

具体地，现有技术中，改善压电声波谐振器电学性能和声学性能的研究主要是从压电声波谐振器各层材料的选择、各层厚度的设置以及层堆栈工艺结构的角度出发。而本发明则是从压电声波谐振器上电极层、压电层、下电极层的版图形状入手，通过改变该版图形状实现压电声波谐振器电学性能的改善。在本发明中，压电声波谐振器包括但不限于体硅背刻蚀型谐振器、空气隙型谐振器以及布拉格反射层型谐振器。

本发明所提供的压电声波谐振器从上至下依次包括上电极层、压电层、下电极层以及衬底。上电极层、压电层和下电极层具有相同的版图形状，该版图形状采用多边形设计。版图形状优选采用四边形、五边形或者六边形。本领域技术人员可以理解的是，上述四边形、五边形以及六边形仅为优选实施方式，凡是适用于压电声波谐振器版图形状设计的其他多边形均包括在本发明所保护的范围内。上电极层、压电层以及下电极层以层堆栈的方式重叠设置，其三者重叠的区域是压电声波谐振器的有效工作区，该有效工作区具有与上电极层、压电层以及下电极层相同的版图形状，也就是说，压电声波谐振器的有效工作区的形状也是多边形。

请参考图5，图5是根据本发明的一个具体实施例的压电声波谐振器的俯视示意图。如图所示，压电声波谐振器从上至下依次包括上电极层200、压电层210、下电极层220以及衬底230。上电极层200、压电层210以及下电极层220具有相同的版图形状，均为五边形。在本实施例中，上电极层200的面积最小，压电层210的面积最大，下电极层220的面积居中(由于下电极层220面积小于压电层210且被压电层210完全覆盖，因此在图5中下电极层200的边缘通过虚线表示)。上电极层200、压电层210和下电极层220的重叠区域即为压电声波谐振器的有效工作区，请参考图6，图6是图5所示压电声波谐振器的有效工作区的示意图。在本实施例中，由于上电极层200的面积最小，因此上电极层200的版图形状和大小即为有效工作区的形状和大小。本发明的发明点在于通过合理改变压电声波谐振器上电极层、压电层以及下电极层的版图形状，进而改善压电声波谐振器的电学性能。由于压电声波谐振器的有效工作区的形状与上电极层、压电层、下电极层的版图形状是相同的，因此在下文中将通过对有效工作区形状的描述来代替对上电极层、压电层以及下电极层版图形状的描述。

本发明针对于压电声波谐振器的有效工作区提出了外框的概念。在对外框这一概念进行解释之前，需要说明的是，将有效区工作区中与压电声波谐振器的输入边所对应的边称为第一边，将有效工作区中与压电声波谐振器的输出边所对应的边称为第二边。举例说明，请参考图5和图6，图5中压电声波谐振器的上电极层200和下电极层220的五条边均使用编号1-5表示，图6中压电声波谐振器的有效工作区的五条边也使用编号1-5表示，其中，上电极层200、下电极层220和有效工作区是形状相同的五边形，上电极层200、下电极层220和有效工作区中相同编号的边对应于该五边形中的同一条边。若压电声波谐振器的输入边和输出边分别设定为上电极层200的边1和下电极层220的边3，则有效工作区中与压电声波谐振器输入边对应的第一边即为有效工作区的边1，有效工作去中与压电声波谐振器输出边对应的第二边即为有效工作区的边3。

下面，对压电声波谐振器的有效工作区的外框进行说明。压电声波谐振器的有效工作区的外框是：可以包围有效工作区、且存在一条边与有效工作区第一边或第二边重合的面积最小的矩形。也就是说，压电声波谐振器的有效工作的外框需要满足以下条件：①该外框的形状是矩形；②该有效工作区的所有顶点位于该外框中或者位于该外框上；③有效工作区中与压电声波谐振器输入边所对应的第一边与该外框中的一条边重合，或者有效工作区中与压电声波谐振器输出边所对应的第二边与该外框中的一条边重合；④符合上述条件的所有矩形中面积最小。

请参考图5和图7，其中，图7是图5所示压电声波谐振器的有效工作区的一个边框的示意图。假定图5所示的压电声波谐振器的输入边和输出边分别是上电极层200的边1和下电极层220的边3，那么图7中有效工作区的第一边为边1、第二边为边3，该有效工作区的外框如图7中虚线框所示。此处需要说明的是，由于有效工作区的外框并不真实存在，只是本发明提出的用于限定有效工作区形状的概念，因此在图7中用虚线表示。

本发明所提供的压电声波谐振器，其有效工作区的外框中与第一边或第二遍重合的一条边具有第一长度，外框中与该一条边垂直的边具有第二长度，其中，第一长度与第二长度的比例范围是1～4。下文中将第一长度称为外框的宽度，将第二长度称为外框的长度，将第一长度与第二长度之比称为宽长比。也就是说，本发明所提供的压电声波谐振器，其有效工作的外框的宽长比是1～4，例如宽长比可以等于1、1.5、2、2.5、3、3.5、4等。进一步地，有效工作区的第一边和第二边的长度之和与有效工作区的周长的比例范围是0.4～0.7，其中，第一边的长度与有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35，第二边的长度与有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35。针对于图7所示的有效工作区及其外框来说，宽长比等于W/L，第一边和第二边的长度之和与有效工作区周长之比等于(边1长度+边3长度)/(边1长度+边2长度+边3长度+边4长度+边5长度)，第一边的长度与有效工作区周长之比等于边1长度/(边1长度+边2长度+边3长度+边4长度+边4长度)，第二边的长度与有效工作区周长之比等于边3长度/(边1长度+边2长度+边3长度+边4长度+边4长度)。

此处需要说明的是，针对于同一有效工作区来说，若压电声波谐振器设定不同的输入边和输出边，则有效工作区外框也不相同。下面仍以图5所示的压电声波谐振器为例说明。请参考图5和图8，其中，图8是图5所示压电声波谐振器的有效工作区的另一个边框的示意图。假定图5所示的压电声波谐振器的输入边和输出边分别是上电极层200的边2和下电极层220的边3，那么图8中有效工作区的第一边为边2、第二边为边3，该有效工作区的外框如图8中虚线框所示。请参考图5和图9，其中，图9是图5所示压电声波谐振器的有效工作区的又一个边框的示意图。假定图5所示的压电声波谐振器的输入边和输出边分别是上电极层200的边5和下电极层220的边3，那么图9中有效工作区的第一边为边5、第二边为边3，该有效工作区的外框如图9中虚线框所示。也就是说，有效工作区的外框与压电声波谐振器输入边和输出边的设置有关，而且，同一有效工作区的不同外框，其宽长比、第一边与第二边长度之和与有效工作区周长之比、第一边长度与有效工作区周长之比以及第二边长度与有效工作区周长之比也不同。针对于本发明来说，虽然同一有效工作区具有不同的外框，但是只要通过恰当设置压电声波谐振器的输入边和输出边，使得与该输入边和输出边对应的外框满足前文中的比例范围要求，该压电声波谐振器即落入本发明所保护的范围之内。

针对于压电声波谐振器来说，其有效工作区的第一边对应于压电声波谐振器的输入边，有效工作区的第二边对应于压电声谐振器的输出边，因此，压电声波谐振器输入边和输出边之间的路径方向即为有效工作区的第一边和第二边之间的路径方向。此处定义有效工作区的第一边和第二边之间的路径方向为横向，那么其对应的阻抗定义为横向路径阻抗。压电声波谐振器的横向路径阻抗越小，压电声波谐振器的电学传输损耗则越小，也就是说压电声波谐振器的性能越好。前文中通过宽长比的比例范围、第一边与第二边长度之和与有效工作区周长的比例范围、第一边长度与有效工作区周长的比例范围以及第二边长度与有效工作区周长的比例范围对本发明所提供的压电声波谐振器的有效工作区进行了限定，落入该限定范围内的压电声波谐振器与现有技术中有效工作区面积相同、且有效工作区为正多边形的压电声波谐振器相比，在上电极层、压电层以及下电极层除了版图形状不同之外其他参数(例如材料、层厚度等)均相同的前提下，本发明所提供的压电声波谐振器的横向路径阻抗小于现有技术中压电声波谐振器的横向路径阻抗。也就是说，与现有技术相比，本发明所提供的压电声波谐振器其电学传输损耗更小、器件电学性能更佳。

本发明所提供的压电声波谐振器层堆栈中各层的版图形状并非规则的正多边形，综合考虑压电声波谐振器层堆栈中各层制作工艺的难度以及压电声波谐振器电学性能的好坏，压电声波谐振器的有效工作区外框的宽长比的比例范围优选是2.5～3.2，例如宽长比可以是2.5、2.8、3、3.2等。相应地，第一边和第二边的长度之和与有效工作区的周长的比例范围是0.5～0.6，其中，第一边的长度与有效工作区的周长的比例范围是0.25～0.3，第二边的长度与有效工作区的周长的比例范围是0.25～0.3。

针对于本发明所提供的压电声波谐振器来说，在压电声波谐振器有效工作区面积相同形状不同、以及其他参数(例如层堆栈中各层的厚度、材料等)均相同的前提下，有效工作区外框的宽长比越大，压电声波谐振器的电学性能越好。下面以一个具体实施例进行说明。请参考图10，图10是根据本发明的一个具体实施例的四个压电声波谐振器的有效工作区的示意图。需要说明的是，针对于图10所示的每个有效工作区来说，与压电声波谐振器输入边对应的第一边是边a，与压电声波谐振器输出边对应的第二边是边b，有效工作区的外框依然沿用虚线表示。在本实施例中，图10所示的压电声波谐振器的四个有效工作区(a)-(d)所对应的压电声波谐振器具有厚度相同的上电极层、压电层和下电极层，其中，上电极层、压电层、下电极层的厚度依次为182μm、850μm、243μm。此外，有效工作区(a)、(b)、(c)、(d)的面积相同，均为10⁴μm²，但其外框的宽长比(即W/L)不一致，其中，有效工作区(a)外框的宽长比等于1、有效工作区(b)外框的宽长比等于2、有效工作区(c)外框的宽长比等于3、有效工作区(d)外框的宽长比等于4，也就是说，图10中四个有效工作区所对应的压电声波谐振器其信号传输的横向路径依次减小。

请参考图11至图15，其中，图11至图14分别是图10中有效工作区(a)-(d)所对应的压电声波谐振器的Smith阻抗圆图以及品质因数-频率曲线图。在Smith阻抗圆图中，反射系数S11曲线与横轴相交的左边点m1是阻抗值最大的点，即压电声波谐振器的并联谐振点；反射系统S11曲线与横轴相交的右边点m2是阻抗值最小的点，即压电声波谐振器的串联谐振点。在品质因数-频率曲线图中，点m3是压电声波谐振器处于串联谐振时的阻抗值Rs，点m4是压电声波谐振器处于并联谐振时的阻抗值Rp。从图11至图14可以看出，随着有效工作区宽长比的增加，压电声波谐振器的Rs逐渐减小，Rp几乎无变化，也就是说，Rp/Rs逐渐增大，即品质因数Qs逐渐增大。图15是图10中四个有效工作区所对应的压电声波谐振器在串联谐振频率处的阻抗值以及品质因数的数值，从图15中可以更直观地看出，压电声波谐振器的品质因数Qs随着有效工作区宽长比的增加而增大。上述结果也印证了，在压电声波谐振器有效工作区面积相同形状不同、以及其他参数(例如层堆栈中各层的厚度、材料等)均相同的前提下，有效工作区外框的宽长比越大，压电声波谐振器的电学性能越好。

本发明还提供了一种压电声波滤波器，该压电声波滤波器包括至少一个串联级压电声波谐振器以及其他电学元器件，其中，该至少一个串联级压电声波谐振器与其他电学元器件通过一定的方式级联而成。进一步地，本发明所提供的压电声波谐振器还可以包括至少一个并联级压电声波谐振器，该并联级压电声波谐振器位于两个串联级压电声波谐振器之间、或者位于串联级压电声波谐振器与输入/输出端之间。其中，串联级压电声波谐振器中至少一个采用前述本发明所提供的压电声波谐振器。由于压电声波谐振器的结构在前文中已经进行了详细说明，为了简明起见，在此不再赘述。

与现有技术中的压电声波谐振器相比，本发明所提供的压电声波谐振器通过合理设计其版图形状有效地减小了横向路径阻抗从而减小了压电声波谐振器的电学传输损耗、进而提高了压电声波谐振器的电学性能，而且并不会改变压电声波谐振器的机电耦合系数(Kt²)。因此，采用本发明所提供的压电声波谐振器构成的压电声波滤波器，一方面可以有效地减小压电声波滤波器在输入输出端方向上的传输路径阻抗进而减小压电声波滤波器的插入损耗，另一方面由于压电声波谐振器的机电耦合系数没有发生变化，因此不会影响到压电声波滤波器的带宽。

需要说明的是，凡是利用本发明所提供的压电声波谐振器级联形成的压电声波滤波器均落入本发明所保护的范围内。由于联方式众多，为了简明起见，在此不再对所有可能的级联方式进行一一列举。

下面，对本发明所提供的压电声波滤波器的插入损耗与压电声波谐振器有效工作区外框的宽长比之间的关系进行说明。具体地，随着压电声波谐振器有效工作区外框的宽长比的增大，压电声波滤波器的插入损耗在整个通频带均减小，也就是说，压电声波滤波器的插入损耗在通带边缘以及中心频率处均会减小。接下来，以具体实施例、仿真图以及具体数据进行说明。

请参考图16，图16是根据本发明的一个具体实施例的采用T型结构的压电声波滤波器的电路结构图。如图所示，压电声波滤波器采用的是两串一并的结构，其中，串联级压电声波谐振器se1和串联级压电声波谐振器se2串联在输入输出端(I/O)之间，并联级压电声波谐振器sh1的一端位于串联级压电声波谐振器se1和串联级压电声波谐振器se2之间、另一端与地(Ground)连接。

请参考图17，图17是图16所示压电声波滤波器电路结构中串联级压电声波谐振器之间的连接关系的剖面示意图。其中801～805依次为上电极层、压电层、下电极层、压电声波谐振器之间用于隔离的空气隙、以及压电声波谐振器之间用于连接的电极部分，其中，se1、se2是串联级压电声波谐振器，Ld为两个串联级压电声波谐振器之间的间距，LD为串联级压电声波谐振器版图中横向路径总的长度。压电声波谐振器在通带频率范围内可视为短路低阻状态，也就是说，图17所示的通带信号可以经由输入端口I/O进入串联级压电声波谐振器se1的上电极层801(此处需要说明的是，本文中均假设通带信号从串联级压电声波谐振器的上电极层输入，而实际应用中，通带信号也可以从串联级压电声波谐振器的下电极层输入。为了简明起见，针对于通带信号从串联级压电声波谐振器下电极层输入的情况，本文中不再给出图示以及具体说明)，穿过串联级压电声波谐振器se1压电层802，再从串联级压电声波谐振器se1的下电极层803输出，损耗较小；在阻带范围内可视为开路高阻状态。当串联级压电声波谐振器Se1、串联级压电声波谐振器Se2的上电极分别作为电路的输入输出端口时，信号经由“I/O→Se1→Se2→I/O”这样的路径传输，相邻谐振器之间通过电极805直接电连接，不需要连接的谐振器之间均有空隙804。

请参考图18，图18是实现图16所示压电声波滤波器的四种版图布局，该四种版图布局分别以(a)、(b)、(c)、(d)表示。在该四种版图布局中，与输入端连接的串联级压电声波谐振器se1的有效工作区外框的宽长比不同但是面积相同，而与输出端连接的串联级压电声波谐振器se2和并联级压电声波谐振器sh1均相同，此外其他电路参数均一致。版图布局(a)、(b)、(c)、(d)中，串联级压电声波谐振器se1的有效工作区外框的宽长比(W/L)依次是1、2、3、4。图中每个版图布局下标尺两端之间的长度即为信号输入输出间的距离，也就是横向路径的实际大小。每种版图布局下，串联级压电声波谐振器se1和se2之间的距离Ld保持不变。串联级压电声波谐振器se1有效工作区形状外框的宽长比变化导致压电声波滤波器的横向路径长度LD发生变化。从图18可以看出，随着串联级压电声波谐振器se1有效工作区外框的宽长比的逐步增大，压电声波滤波器的横向路径长度逐渐减小。

请参考图19、图20以及图21，其中，图19是图18中四种版图布局下的压电声波滤波器的插入损耗的仿真图，图20是图18中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度、通带边缘以及中心频率处插入损耗的具体数值列表，图21是图18中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度-平均插入损耗曲线图，其中，图21中的横向路径长度-平均插入损耗是指，在横向路径长度一定的情况下通带边缘和中心频率处插入损耗的平均值。图18中版图布局(a)、(b)、(c)、(d)中压电声波滤波器横向路径长度依次为190.265μm、168.439μm、164.765μm、157.765μm，图19中压电声波滤波器通带边缘以及中心频率分别是2.555GHz(即点m1)、2.655GHz(即点m2)以及2.605GHz(即点m3)。从图19至图21可以看出，随着串联级压电声波谐振器se1有效工作区外框的宽长比的增大，压电声波滤波器的插入损耗在整个通频带均减小，也就是说，压电声波滤波器的插入损耗在通带边缘以及中心频率处均会减小。通过计算可知，在此结构下，压电声波滤波器的插入损耗在通频带内随着横向传输路径长度的平均变化率(ΔS21/ΔLD)为-0.00354dB/μm。

请参考图22，图22是实现图16所示压电声波滤波器的又四种版图布局，该四种版图布局分别以(a)、(b)、(c)、(d)表示。在该四种版图布局中，串联级压电声波谐振器se1的有效工作区外框的宽长比不同但是面积相同，串联级压电声波谐振器se2的有效工作区外框的宽长比不同但是面积相同，而并联级压电声波谐振器sh1均相同，此外其他电路参数均一致。版图布局(a)、(b)、(c)、(d)中，串联级压电声波谐振器se1的有效工作区外框的宽长比(W/L)依次是1、2、3、4，串联级压电声波谐振器se2的有效工作区外框的宽长比(W/L)依次是1、2、3、4。图中每个版图布局下标尺两端之间的长度即为信号输入输出间的距离，也就是横向路径的实际大小。每种版图布局下，串联级压电声波谐振器se1和se2之间的距离Ld保持不变。串联级压电声波谐振器se1和se2有效工作区形状外框的宽长比变化导致压电声波滤波器的横向路径长度LD发生变化。从图22可以看出，随着串联级压电声波谐振器se1和se2有效工作区外框的宽长比的逐步增大，压电声波滤波器的横向路径长度逐渐减小。

请参考图23、图24和图25，其中，图23是图22中四种版图布局下的压电声波滤波器的插入损耗的仿真图，图24是图22中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度、通带边缘以及中心频率处插入损耗的具体数值列表，图25是图22中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度-平均插入损耗曲线图。图22中版图布局(a)、(b)、(c)、(d)中压电声波滤波器横向路径长度依次为218.3μm、190.2μm、166.9μm、141.4μm，图23中压电声波滤波器通带边缘以及中心频率分别是2.555GHz(即点m1)、2.655GHz(即点m2)以及2.605GHz(即点m3)。从图23至图25可以看出，随着串联级压电声波谐振器se1和se2有效工作区外框的宽长比的增大，压电声波滤波器的插入损耗在整个通频带均减小，也就是说，压电声波滤波器的插入损耗在通带边缘以及中心频率处均会减小。通过计算可知，在此结构下，压电声波滤波器的插入损耗在通频带内随着横向传输路径长度的平均变化率(ΔS21/ΔLD)为-0.00158dB/μm。与图18中所示的压电声波滤波器只改变版图中一个串联级压电声波谐振器有效工作区外框的宽长比相比，同时改变串联级所有压电声波谐振器有效工作区外框的宽长比更能有效改善压电声波滤波器的插入损耗。

请参考图26，图26是根据本发明的一个具体实施例的采用“四串三并”结构的压电声波滤波器的电路结构图。如图所示，串联级压电声波谐振器se1、se2、se3和se4串联在输入输出端(I/O)之间，并联级压电声波谐振器sh1的一端位于串联级压电声波谐振器se1和se2之间、另一端与地连接，并联级压电声波谐振器sh2的一端位于串联级压电声波谐振器se2和se3之间、另一端与地连接，并联级压电声波谐振器sh3的一端位于串联级压电声波谐振器se3和se4之间、另一端与地连接。

请参考图27，图27是图26所示压电声波滤波器电路结构中串联级压电声波谐振器之间的连接关系的剖面示意图。如图所示，1501～1505依次为上电极层、压电层、下电极层、压电声波谐振器之间用于隔离的空气隙、以及压电声波谐振器之间用于连接的电极部分，se1～se4为串联级压电声波谐振器，L1～L3是依次从输入端看相邻串联级压电声波谐振器之间的间距，LD为串联级压电声波谐振器版图中横向路径总的长度。压电声波谐振器在通带频率范围内可视为短路低阻状态，也就是说，图27所示的通带信号可以经由输入端口I/O进入串联级压电声波谐振器se1的上电极层1501，穿过串联级压电声波谐振器se1压电层1502，再从串联级压电声波谐振器se1的下电极1503输出，损耗较小；在阻带范围内可视为开路高阻状态。当Se1、Se4的上电极分别作为电路的输入输出端口时，信号经由“I/O→Se1→Se2→Se3→Se4→I/O”这样的路径传输，相邻谐振器之间通过电极1505直接电连接，不需要连接的谐振器之间均有空气隙1504。

请参考图28，图28是实现图26所示压电声波滤波器的四种版图布局，该四种版图布局分别以(a)、(b)、(c)、(d)表示。在该四种版图布局中，串联级压电声波谐振器se1-se4的有效工作区外框的宽长比不同但是面积相同，而并联级压电声波谐振器sh1-sh3均相同，此外其他电路参数均一致。版图布局(a)、(b)、(c)、(d)中，串联级压电声波谐振器se1-se4的有效工作区外框的宽长比(W/L)依次是1、2、3、4。图中每个版图布局下标尺两端之间的长度即为信号输入输出间的距离，也就是横向路径的实际大小。每种版图布局下，串联级压电声波谐振器之间的距离Ln(n＝1、2、3、4)对应相等。串联级压电声波谐振器se1-se4有效工作区形状外框的宽长比变化导致压电声波滤波器的横向路径长度LD发生变化。从图28可以看出，随着串联级压电声波谐振器se1-se4有效工作区外框的宽长比的逐步增大，压电声波滤波器的横向路径长度逐渐减小。

请参考图29、图30和图31，其中，图29是图28中四种版图布局下的压电声波滤波器的插入损耗的仿真图，图30是图28中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度、通带边缘以及中心频率处插入损耗的具体数值列表，图31是图28中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度-平均插入损耗曲线图。图28中版图布局(a)、(b)、(c)、(d)中压电声波滤波器横向路径长度依次为430.66μm、372.709μm、324.655μm、278.420μm，图29中压电声波滤波器通带边缘以及中心频率分别是2.555GHz(即点m1)、2.655GHz(即点m2)以及2.605GHz(即点m3)。从图29至图31可以看出，随着串联级压电声波谐振器se1-se4有效工作区外框的宽长比的增大，压电声波滤波器的插入损耗在整个通频带均减小，也就是说，压电声波滤波器的插入损耗在通带边缘以及中心频率处均会减小。通过计算可知，在此结构下，压电声波滤波器的插入损耗在通频带内随着横向传输路径长度的平均变化率(ΔS21/ΔLD)为-0.00133dB/μm。

请参考图32，图32是根据本发明的一个具体实施例的采用网格型结构的压电声波滤波器的电路结构图。如图所示，压电声波滤波器采用的是两串两并的结构，该结构下的电路有两个输入端(IN1、IN2)以及两个输出端(OUT1、OUT2)。

请参考图33，图33是图32所示压电声波滤波器电路结构中串、并联级压电声波谐振器之间的连接关系的剖面示意图。如图所示，1901～1904依次为上电极层、压电层、下电极层、压电声波谐振器之间用于隔离的空气隙，se1和se2是串联级压电声波谐振器。压电声波谐振器在通带频率范围内可视为短路低阻状态，也就是说，当通带信号经由输入端口IN1进入压电声波谐振器se1的上电极层，穿过压电声波谐振器se1的压电层，再从压电声波谐振器se1的下电极层经OUT1时，损耗较小；在阻带范围内可视为开路高阻状态。该网格型滤波器的输入、输出端口各两个，版图中以se1、sh1的上电极作为输入端口IN1，se2、sh2的上电极作为输入端口IN2，以se2、sh1的下电极作为输入端口OUT1,以se1、sh2的下电极作为输入端口OUT1，信号经输入端口输入，由输出端口输出，不需要连接的压电声波谐振器之间均有空隙2004，用于隔离各个压电声波谐振器之间的相互影响。

请参考图34，图34是实现图32所示压电声波滤波器的四种版图布局，该四种版图布局分别以(a)、(b)、(c)、(d)表示。在该四种版图布局中，串联级压电声波谐振器se1和se2的有效工作区外框的宽长比不同但是面积相同，而并联级压电声波谐振器sh1和sh2均相同，此外其他电路参数均一致。版图布局(a)、(b)、(c)、(d)中，串联级压电声波谐振器se1和se2的有效工作区外框的宽长比(W/L)依次是1、2、3、4。图中每个版图布局下标尺两端之间的长度即为信号输入输出间的距离，也就是横向路径的实际大小。每种版图布局下，压电声波谐振器之间的距离对应相等。串联级压电声波谐振器se1和se2有效工作区形状外框的宽长比变化导致压电声波滤波器的横向路径长度LD发生变化。从图34可以看出，随着串联级压电声波谐振器se1和se2有效工作区外框的宽长比的逐步增大，压电声波滤波器的横向路径长度逐渐减小。

请参考图35、图36和图37，其中，图35是图34中四种版图布局下的压电声波滤波器的插入损耗的仿真图，图36是图34中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度、通带边缘以及中心频率处插入损耗的具体数值列表，图37是图34中四种版图布局下的压电声波滤波器的横向路径长度-平均插入损耗曲线图。图34中版图布局(a)、(b)、(c)、(d)中压电声波滤波器横向路径长度依次为231.001μm、202.791μm、174.425μm、154.903μm，图35中压电声波滤波器通带边缘以及中心频率分别是2.555GHz(即点m1)、2.655GHz(即点m2)以及2.605GHz(即点m3)。从图35至图37可以看出，随着串联级压电声波谐振器se1和se2有效工作区外框的宽长比的增大，压电声波滤波器的插入损耗在通带边缘以及中心频率均会减小，也就是说，压电声波滤波器的插入损耗在整个通频带均减小。通过计算可知，在此结构下，压电声波滤波器的插入损耗在通频带内随着横向传输路径长度的平均变化率(ΔS21/ΔLD)为-0.0013dB/μm。

本发明还提供了一种双工器，该双工器包括发射滤波器和接收滤波器，其中，发射滤波器和/或接收滤波器采用前述压电声波滤波器。请参考图38，图38是根据本发明的一个具体实施例的双工器的结构示意图。如图所示，双工器包括发射滤波器、接收芯片以及移相器，其中，发射滤波器和/或接收滤波器采用前述本发明所提供的压电声波滤波器实现。双工器的工作原理如下：从天线接收的信号，经由接收滤波器进行滤波获取期望的带通信号，然后发送至后续电路；需要从天线发送的信号经由发射滤波器进行滤波，然后经天线发射出去。如图38所示，双工器中的发射滤波器采用四串三并的电路结构、接收滤波器采用三串四并的结构。需要说明的是，图38所示的发射滤波器和接收滤波器仅为示意性举例，凡是利用本发明所提供的前述压电声波滤波器形成的双工器均落入本发明所保护的范围内。由于本发明所提供的压电声波滤波器的结构具有众多可能性，为了简明起见，在此不再对压电声波滤波器所有可能的结构进行一一列举。本发明所提供的压电声波谐振器由于其电学性能得到了改善，从而使得基于该压电声波谐振器形成的压电声波滤波器的插入损耗得到了改善，进而使得基于该压电声波滤波器形成的双工器的性能也得到了相应地改善。

本发明还提供了一种射频通信模块，该射频通信模块包括天线、射频开关、双工器组以及功率放大器，其中，双工器组包括多个前述双工器。请参考图39，图39是根据本发明的一个具体实施例的射频通信模块的结构示意图。本领域技术人员可以理解的是，图39所示的射频通信模块仅为示意性举例，凡是利用本发明所提供的前述双工器形成的射频通信模块均落入本发明所保护的范围内。本发明所提供的压电声波谐振器由于其电学性能得到了改善，从而使得基于该压电声波谐振器形成的压电声波滤波器的插入损耗得到了改善、以及使得基于该压电声波滤波器形成的双工器的性能得到了改善，进而使得基于该双工器形成的射频通信模块的性能也得到了相应地改善。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。

与现有技术中通过对压电声波谐振器各层材料的选择、对压电声波谐振器各层厚度的设置、以及对压电声波谐振器层堆栈工艺结构的改进来改善压电声波谐振器性能的方式相比，本发明通过改变压电声波谐振器的有效工作区的形状来改善压电声波谐振器的性能。本发明针对于压电声波谐振器的有效工作区提出了外框的概念，即可以包围有效工作区、且存在一条边与压电声波谐振器的第一边(对应于压电声波谐振器输入边的边)或第二边(对应于压电声波谐振器输出边的边)重合的面积最小的矩形，其中，外框中与第一边或第二边重合的一条边具有第一长度，外框中与该一条边垂直的边具有第二长度。通过设定第一长度与第二长度的比例范围是1～4、第一边和第二边的长度之和与有效工作区的周长的比例范围是0.4～0.7、第一边的长度与有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35、以及第二边的长度与有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35，对压电声波谐振器的形状进行限定。相较于现有的压电声波谐振器，本发明所提供的具有上述形状的压电声波谐振器其横向路径阻抗得到了有效的改善，进而有效地减小了压电声波谐振器的电学传输损耗。相应地，本发明还提出了基于上述压电声波谐振器的压电声波滤波器，使用上述压电声波谐振器可以有效地减小压电声波滤波器的横向路径长度，进而有效地减小压电声波谐振器的插入损耗。此外，本发明还提出了基于上述压电声波滤波器的双工器、以及基于上述双工器的射频通信模块，由于压电声波滤波器具有良好的插入损耗，因此有效地提高了双工器的性能、进而提高了射频通信模块的性能。

以上所揭露的仅为本发明的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种压电声波谐振器，该压电声波谐振器从上至下依次包括上电极层、压电层、下电极层以及衬底，所述上电极层、所述压电层和所述下电极层的重叠区域为所述压电声波谐振器的有效工作区，该有效工作区的形状是多边形，其中：

所述有效工作区中的第一边对应于所述压电声波谐振器的输入边，所述有效工作区中的第二边对应于所述压电声波谐振器的输出边，所述有效工作区的外框定义为可以包围所述有效工作区、且存在一条边与所述第一边或所述第二边重合的面积最小的矩形；

所述外框中与所述第一边或所述第二边重合的一条边具有第一长度，所述外框中与所述一条边垂直的边具有第二长度，所述第一长度与所述第二长度的比例范围是1～4；

所述第一边和所述第二边的长度之和与所述有效工作区的周长的比例范围是0.4～0.7，其中，所述第一边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35，所述第二边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.2～0.35。

2.根据权利要求1所述的压电声波谐振器，其中：

所述第一长度与所述第二长度的比例范围是2.5～3.2；

所述第一边和所述第二边的长度之和与所述有效工作区的周长的比例范围是0.5～0.6，其中，所述第一边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.25～0.3，所述第二边的长度与所述有效工作区的周长的比例范围是0.25～0.3。

3.根据权利要求1或2所述的压电声波谐振器，其中，所述多边形是四边形、五边形或六边形。

4.根据权利要求1所述的压电声波谐振器，其中，所述压电声波谐振器是体硅背刻蚀型谐振器、空气隙型谐振器或布拉格反射层型谐振器。

5.一种压电声波滤波器，该压电声波滤波器包括：

至少一个串联级压电声波谐振器，该串联级压电声波谐振器采用如权利要求1至4中任一项所述的压电声波谐振器。

6.一种双工器，该双工器包括：

发射滤波器和接收滤波器，其中，所述发射滤波器和/或所述接收滤波器采用权利要求5所述的压电声波滤波器。

7.一种射频通信模块，该射频通信模块包括：

天线、射频开关、双工器组以及功率放大器，其中，所述双工器组包括多个如权利要求6所述的双工器。

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