CN110048691B

CN110048691B - 声波谐振器、滤波器和复用器

Info

Publication number: CN110048691B
Application number: CN201811494251.4A
Authority: CN
Inventors: 松田隆志; 岩城匡郁
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2023-08-25
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: JP7055023B2; JP2019125856A; US10763822B2; CN110048691A; US20190222195A1

Abstract

声波谐振器、滤波器和复用器。一种声波谐振器，该声波谐振器包括：压电基板；以及IDT，其位于压电基板上并且包括彼此面对的梳形电极，梳形电极中的每个梳形电极具有栅状电极以及连接到栅状电极的汇流条，在栅状电极的排布方向上，在交叠区域的中心区域中的梳形电极的栅状电极的占空比与在交叠区域的边缘区域中的梳形电极的栅状电极的占空比不同，梳形电极中的每个的栅状电极与另一个梳形电极的栅状电极在交叠区域中交叠，中心区域中的梳形电极的第一梳形电极的栅状电极的宽度与中心区域中的梳形电极的第二梳形电极的栅状电极的宽度不同。

Description

声波谐振器、滤波器和复用器

技术领域

本发明的某一方面涉及声波谐振器、滤波器和复用器。

背景技术

在以移动电话为代表的高频通信系统中，使用高频滤波器来去除除了用于通信的频带中的信号之外的不必要的信号。诸如表面声波(SAW)谐振器的声波谐振器被用于高频滤波器中。在表面声波谐振器中，在诸如钽酸锂(LiTaO3)基板或铌酸锂(LiNbO3)基板的压电基板上形成具有一对梳形电极的叉指换能器(IDT)。

在声波谐振器中，可以通过设定一对梳形电极之间的静电电容来设定期望的输入和输出阻抗，例如，如日本专利申请公开No.2004-146861(以下称为专利文献1)中所公开的。可以通过改变孔径长度和对的数量来设定梳形电极对的静电电容。已知通过使梳形电极对的交叠区域的边缘区域中的声波的声速低于交叠区域的中心区域中的声波的声速，来减少杂散(spurious)，例如，如日本专利申请公开No.2011-101350和No.2017-112603(以下分别称为专利文献2和专利文献3)中所公开的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种声波谐振器，该声波谐振器包括：压电基板；以及IDT，其位于压电基板上并且包括彼此面对的梳形电极对，梳形电极对中的每个梳形电极具有激发声波的栅状电极(grating electrode)以及连接到栅状电极的汇流条，在IDT的排布栅状电极的方向上的至少一部分区域中，在交叠区域的中心区域中的梳形电极对的栅状电极的占空比与在交叠区域的边缘区域中的梳形电极对的栅状电极的占空比不同，梳形电极对中的每个梳形电极的栅状电极与另一个梳形电极的栅状电极在交叠区域中交叠，中心区域中的梳形电极对中的第一梳形电极的栅状电极的宽度与中心区域中的梳形电极对中的第二梳形电极的栅状电极的宽度不同。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括上述声波谐振器的滤波器。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括上述滤波器的复用器。

附图说明

图1A是声波谐振器的平面图，并且图1B是沿图1A中的线A-A截取的截面图；

图2例示了声波谐振器在Y方向上的声速；

图3是模拟1中使用的一对栅状电极的平面图；

图4是模拟1中的每对的静电电容相对于占空比D的图；

图5是模拟1中的谐振频率相对于占空比D的图；

图6是根据第一比较例的声波谐振器的平面图；

图7是模拟2中的谐振频率相对于占空比Da的图；

图8A至图8C分别是点64、62和66处的各对栅状电极的平面图；

图9A是根据第一实施方式的声波谐振器的平面图，并且图9B是一对栅状电极的平面图；

图10是根据第一实施方式的第一变型的声波谐振器的一对栅状电极的平面图；以及

图11A是根据第二实施方式的滤波器的电路图，并且图11B是根据第二实施方式的第一变型的双工器的电路图。

具体实施方式

可以考虑增加IDT的占空比以减小IDT的面积而不改变声波谐振器的输入和输出阻抗。然而，当使边缘区域中的占空比大于中心区域中的占空比，以使得边缘区域中的声波的声速低于中心区域中的声波的声速时，中心区域中的占空比没有增加。因此，IDT的面积减小是困难的。

声波谐振器的描述

图1A是声波谐振器的平面图，并且图1B是沿图1A中的线A-A截取的截面图。如图1A和图1B所例示，IDT 21和反射器22形成在压电基板10上。IDT 21和反射器22由形成在压电基板10上的金属膜12形成。IDT 21包括彼此面对的梳形电极对20a和20b。梳形电极20a包括栅状电极14a(即，电极指)和汇流条18a，栅状电极14a连接至该汇流条18a，梳形电极20b包括栅状电极14b(即，电极指)和汇流条18b，栅状电极14b连接至该汇流条18b。梳形电极对20a和20b被布置成彼此面对，使得栅状电极14a和14b被大致交替地布置在IDT 21的至少一部分中。

梳形电极20a的栅状电极14a和梳形电极20b的栅状电极14b交叠的区域是交叠区域50。由交叠区域50中的栅状电极14a和14b激发的声波主要沿栅状电极14a和14b的排布方向传播。栅状电极14a或14b的间距λ大致对应于声波的波长。栅状电极14a与汇流条18b之间的区域以及栅状电极14b与汇流条18a之间的区域是间隙区域56。汇流条18a和18b的区域是汇流条区域58。梳形电极20a和20b可以具有虚设电极指。将栅状电极14a和14b的排布方向定义为X方向，将栅状电极14a和14b延伸的方向定义为Y方向，并且将压电基板10的上表面的法线方向定义为Z方向。X方向、Y方向和Z方向不一定对应于压电基板10的晶体取向的X轴取向、Y轴取向和Z轴取向。压电基板10例如是钽酸锂基板或铌酸锂基板。金属膜12例如是铝膜或铜膜。

活塞模式的说明

将描述当各向异性系数γ为正时的活塞模式。图2例示了声波谐振器在Y方向上的声速。如图2所例示，交叠区域50具有在Y方向上位于中间的中心区域52和在Y方向上位于两端的边缘区域54。间隙区域56中的声速高于交叠区域50中的声速。因此，声波被限制在交叠区域50中。汇流条区域58中的声速低于交叠区域50中的声速。边缘区域54中的声速低于中心区域52中的声速。因此，交叠区域50中的基本横向模式的强度分布在Y方向上是平坦的。此外，高阶横向模式的耦合系数小。因此，实现了减少横向模式杂散(lateral-modespurious)的活塞模式。当旋转的Y向切割X向传播铌酸锂基板用作压电基板10时，各向异性系数γ为正。当使用旋转的Y向切割X向传播钽酸锂基板并且栅状电极14a和14b由重材料(例如，铜或钼)制成时，各向异性系数γ为正。

用于使声波在边缘区域54中的声速低以实现活塞模式的方法的示例包括：使中心区域52与边缘区域54之间的占空比不同的方法；使边缘区域54中的栅状电极比中心区域52中的栅状电极厚的方法；以及在边缘区域54中提供附加膜的方法。使栅状电极之间的膜厚度不同的方法以及提供额外的膜的方法增加了制造步骤的数量。因此，使边缘区域54与中心区域52之间的栅状电极的占空比不同的方法是简单的。

通过改变栅状电极14a和14b的占空比的模拟计算出静电电容和声速。

模拟1

在声速与谐振频率成比例的假设下，将考虑通过特征值分析获得的谐振频率。图3是模拟1中使用的一对栅状电极的平面图。如图3所例示，交叠区域50的长度对应于孔径长度L。在特征值分析中，孔径长度L不影响结果。栅状电极14a和14b的宽度分别由Wa和Wb表示。相邻栅状电极14a和14b的间距为λ/2。梳形电极20a的占空比Da为2Wa/λ，梳形电极20b的占空比Db为2Wb/λ。梳形电极对20a和20b的占空比为D＝Da＝Db。

模拟条件如下。

压电基板10：42°旋转的Y向切割X向传播钽酸锂基板

间距λ：4.4μm

孔径长度L：20λ

栅状电极14a和14b：膜厚度为0.11λ的钼膜

图4是模拟1中每对的静电电容相对于占空比D的图。所述对包括一个栅状电极14a和一个栅状电极14b。如图4所例示，随着占空比D增加，静电电容增加。例如，当占空比D从50％增加到65％时，静电电容增加1.17倍。因此，占空比D为65％的声波谐振器的面积是占空比为50％且静电电容相同的声波谐振器的面积的1/1.17≈0.855(85.5％)。如上所述，通过增加占空比D，增加了梳形电极20a与20b之间的静电电容。因此，减小了声波谐振器的尺寸。

图5是模拟1中的谐振频率相对于占空比D的图。如图5所例示，随着占空比D增加到超过50％，谐振频率降低。如在点62处，当占空比D为65％时，谐振频率最小。随着占空比D进一步增加，谐振频率增加。谐振频率与声波的声速成比例。因此，声波相对于点62的谐振频率处的声波速度的速度比在图5的右侧示出。点62处的速度比被定义为0％，并且谐振频率相对于点62处的谐振频率的增加率被定义为速度比[％]。

第一比较例

在专利文献3中，如段落0083中所述，使边缘区域中的声波的声速比中心区域中的声波的声速低0.5％，以实现活塞模式。因此，将中心区域52中的占空比D设定为点60处的56％，并且将边缘区域54中的占空比D设定为点62处的65％。该配置使中心区域52与边缘区域54之间的声波的速度比的差Δv约为0.5％。

图6是根据第一比较例的声波谐振器的平面图。如图6所例示，边缘区域54中的栅状电极14a和14b中的每个的宽度W'大于中心区域52中的栅状电极14a和14b中的每个的宽度W。边缘区域54中的占空比D'为2W'/λ＝65％，中心区域52中的占空比D为2W/λ＝56％。

当边缘区域54的长度设定为2λ并且中心区域52的长度设定为16λ时，IDT 21的静电电容主要取决于中心区域52中的占空比D。因此，第一比较例中的静电电容仅比当中心区域52中的占空比D设定为50％时的静电电容大1.04倍。也就是说，声波谐振器的面积仅减少了1/1.04倍。

参照图5，当中心区域52中的占空比D设定为大约75％(点61)时，可以使中心区域52中的声波的声速与当占空比D为56％(点60)时的声速相同。然而，太大的占空比D使栅状电极14a与14b之间的间隔变小。这使得制造困难。

如上所述，当通过使边缘区域54与中心区域52之间的占空比不同来实现活塞模式时，声波谐振器的尺寸减小是困难的。因此，考虑使栅状电极14a和14b的占空比在梳形电极20a与20b之间不同。

模拟2

梳形电极20a的占空比由Da表示，梳形电极20b的占空比由Db表示。梳形电极对20a和20b的占空比D是Da和Db的平均值。在模拟2中，占空比Db设定为50％，占空比Da从50％变化到80％。

图7是模拟2中的谐振频率相对于占空比Da的图。实线表示模拟1的结果，其中D＝Da＝Db。虚线表示模拟2的结果，其中Db＝50％且Da是变化的。在模拟1中D＝Da＝Db＝50％的点定义为点64。D＝Da＝Db＝65％的点为点62。在模拟2中Da＝80％且Db＝50％的点定义为点66。

图8A至图8C分别是点64、62和66处的各对栅状电极的平面图。如图8A所例示，在点64处，梳形电极20a的栅状电极14a的宽度Wa等于梳形电极20b的栅状电极14b的宽度Wb。梳形电极20a的占空比Da为2Wa/λ＝50％，并且梳形电极20b的占空比Db为2Wb/λ＝50％。

如图8B所例示，点62处的宽度Wa和Wb大于点64处的宽度Wa和Wb。占空比Da和Db都是65％。

如图8C所例示，在点66处，栅状电极14a的宽度Wa大于栅状电极14b的宽度Wb。梳形电极20a的占空比Da为2Wa/λ＝80％，并且梳形电极20b的占空比Db为2Wb/λ＝50％。梳形电极对20a和20b的占空比D是占空比Da和Db的平均值，其等于如在点62处的65％。因此，在点66处相邻的栅状电极14a与14b之间的间隔与点62处的间隔相同。

如图7所例示，当占空比Da为50％时，在模拟1与模拟2之间结构相同并且谐振频率相同。在模拟2中，当占空比Da为65％时，谐振频率最小。然而，此时的谐振频率高于模拟1中占空比D为65％时的谐振频率。模拟2中占空比Da为80％时的谐振频率近似等于模拟1中占空比D为80％时的谐振频率。

第一实施方式

在图7中，边缘区域54中的栅状电极14a和14b的结构被配置为模拟1中占空比D为54％的点68处的结构，并且中心区域52中的栅状电极14a和14b的结构被配置为模拟2中占空比Da为80％的点66处的结构。该配置使边缘区域54中的声波的速度比与中心区域52中的声波的速度比之间的差Δv约为0.5％。

图9A是根据第一实施方式的声波谐振器的平面图，并且图9B是一对栅状电极的平面图。如图9A和图9B所例示，中心区域52中的栅状电极14a的宽度Wa大于栅状电极14b的宽度Wb。边缘区域54中的栅状电极14a和14b的宽度Wa'和Wb'是相同的。

中心区域52中的梳形电极20a的占空比Da为2Wa/λ＝80％，并且中心区域52中的梳形电极20b的占空比Db为2Wb/λ＝50％。占空比D为65％。因此，谐振频率为700.86MHz，并且声波的声速为3083.8m/s。

边缘区域54中的梳形电极20a的占空比Da'为2Wa'/λ＝54％，并且边缘区域54中的梳形电极20b的占空比Db'为2Wb'/λ＝54％。占空比D'为54％。因此，谐振频率为697.05MHz，声波的声速为3067.0m/s。

声波在边缘区域54中的声速比声波在中心区域52中的声速小约0.54％。以上述方式，实现了活塞模式。

在第一实施方式中，中心区域52中的占空比D(Da和Db的平均值)为65％。因此，与图6中的第一比较例相比，第一实施方式减小了声波谐振器的尺寸。另外，第一实施方式中相邻栅状电极14a与14b之间的间隔等于第一比较例中的间隔。因此，与第一比较例中一样，在第一实施方式中制造是容易的。

在第一实施方式中，中心区域52中的梳形电极对20a和20b的栅状电极14a和14b的占空比与边缘区域54中的梳形电极对20a和20b的栅状电极14a和14b的占空比不同。例如，在图9A和图9B的示例中，中心区域52中的占空比D为65％，边缘区域54中的占空比D'为54％。

中心区域52中的梳形电极对20a和20b的第一梳形电极20a的栅状电极14a的宽度与中心区域52中的梳形电极对20a和20b的第二梳形电极20b的栅状电极14b的宽度不同。

因此，使边缘区域54中的声波的声速与中心区域52中的声波的声速不同。因此，实现了活塞模式，从而减少了横向模式杂散。另外，由于可以使中心区域52中的占空比D很大，因此可以使IDT 21的静电电容很大。因此，减小了声波谐振器的尺寸。

为了减小声波谐振器的尺寸，比边缘区域54长的中心区域52中的梳形电极对20a和20b的占空比D优选为60％或更大，更优选为65％或更大，进一步优选为75％或更大。为了使制造工艺容易，中心区域52中的占空比D优选为80％或更小，更优选为75％或更小，进一步优选为70％或更小。为了减小声波谐振器的尺寸，另外在比中心区域52短的边缘区域54中，梳形电极对20a和20b的占空比D'优选为50％或更大。边缘区域54中的占空比D'优选为80％或更小，更优选为75％或更小，进一步优选为70％或更小。占空比D与D'之间的差优选为1％或更大，更优选为5％或更大，进一步优选为10％或更大。占空比Da与Db之间的差优选为1％或更大，更优选为5％或更大，进一步优选为10％或更大。

在IDT 21的X方向上的至少一部分区域中实现上述栅状电极14a与14b之间的关系。优选地，在IDT 21的X方向上的整个区域中实现上述栅状电极14a与14b之间的关系。

中心区域52中的梳形电极对20a和20b的栅状电极14a和14b的占空比D大于边缘区域54中的梳形电极对20a和20b的栅状电极14a和14b的占空比D'。因此，减小了声波谐振器的尺寸。

为了实现活塞模式，中心区域52在Y方向上的长度和边缘区域54在Y方向上的长度优选地满足特定条件。例如，中心区域52在Y方向上的长度优选地大于边缘区域54在Y方向上的总长度。边缘区域54在Y方向上的长度的和优选为5λ或更小(例如，孔径长度的四分之一或更小)，更优选为2λ或更小(例如，孔径长度的十分之一或更小)。边缘区域54在Y方向上的宽度优选为0.1λ或更大(例如，孔径长度的二百分之一或更大)，更优选为0.5λ或更大(例如，孔径长度的四十分之一或更大)。边缘区域54可以位于中心区域52的一侧。

中心区域52中的各向异性系数γ为正。因此，通过使由边缘区域54中的栅状电极14a和14b激发的声波的声速低于中心区域52中的声波的声速，来实现活塞模式。优选地，边缘区域54中的声波的声速比中心区域52中的声波的声速低2.5％或更多，更优选地低1.0％或更多。中心区域52中的各向异性系数γ可以为负。在这种情况下，通过使边缘区域54中的声波的声速高于中心区域52中的声波的声速，来实现活塞模式。

第一实施方式的第一变型

图10是根据第一实施方式的第一变型的声波谐振器的一对栅状电极的平面图。如图10所例示，边缘区域54中的栅状电极14a和14b的宽度Wa'和Wb'彼此不同。

如在第一实施方式的第一变型中，边缘区域54中的栅状电极14a的宽度可以与边缘区域54中的栅状电极14b的宽度不同。

中心区域52中的栅状电极14a比中心区域52中的栅状电极14b宽。即，Wa>Wb。边缘区域54中的栅状电极14a比边缘区域54中的栅状电极14b窄。即，Wa'<Wb'。边缘区域54中的栅状电极14a比中心区域52中的栅状电极14a窄。即，Wa>Wa'。边缘区域54中的栅状电极14b比中心区域52中的栅状电极14b宽。即，Wb<Wb'。第一实施方式的第一变型也实现了活塞模式并且减小了声波谐振器的尺寸。

在第一实施方式及其变型中，在IDT 21的X方向上的至少一部分区域中实现上述栅状电极14a与14b之间的关系。优选地，在IDT 21的X方向上的整个区域中实现上述栅状电极14a与14b之间的关系。

第二实施方式

图11A是根据第二实施方式的滤波器的电路图。如图11A所例示，一个或更多个串联谐振器S1至S4串联连接在输入端子T1与输出端子T2之间。一个或更多个并联谐振器P1至P4并联连接在输入端子T1与输出端子T2之间。根据第一实施方式及其变型中的任一个的声波谐振器可以用于一个或更多个串联谐振器S1至S4以及一个或更多个并联谐振器P1至P4中的至少一个。可以适当地设定梯型滤波器中的谐振器的数量。

第二实施方式的第一变型

图11B是根据第二实施方式的第一变型的双工器的电路图。如图11B所例示，发送滤波器40连接在公共端子Ant与发送端子Tx之间。接收滤波器42连接在公共端子Ant与接收端子Rx之间。发送滤波器40将从发送端子Tx输入的高频信号中的发送频带中的信号作为发送信号发送到公共端子Ant，并且抑制具有其他频率的信号。接收滤波器42将从公共端子Ant输入的高频信号中的接收频带中的信号作为接收信号发送到接收端子Rx，并且抑制具有其他频率的信号。发送滤波器40和接收滤波器42中的至少一个可以是第二实施方式的滤波器。

作为复用器的示例，已经描述了双工器，但是复用器可以是三工器(triplexer)或四工器(quadplexer)。

尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。

Claims

1.一种声波谐振器，该声波谐振器包括：

压电基板；以及

IDT，该IDT位于所述压电基板上并且包括彼此面对的梳形电极对，所述梳形电极对中的每个梳形电极具有激发声波的栅状电极以及连接到所述栅状电极的汇流条，所述梳形电极对中的第一梳形电极的栅状电极和所述梳形电极对中的第二梳形电极的栅状电极交替地排布在所述IDT的在所述栅状电极排布的方向上的至少一部分区域中，在所述IDT的所述至少一部分区域中，在交叠区域的中心区域中的所述梳形电极对的栅状电极的占空比与在所述交叠区域的边缘区域中的所述梳形电极对的栅状电极的占空比不同，所述梳形电极对中的每个梳形电极的栅状电极与另一个梳形电极的栅状电极在所述交叠区域中交叠，在所述IDT的所述至少一部分区域中，所述中心区域中的所述梳形电极对中的所述第一梳形电极的栅状电极的宽度与所述中心区域中的所述梳形电极对中的所述第二梳形电极的栅状电极的宽度不同。

2.根据权利要求1所述的声波谐振器，其中

所述边缘区域中的所述第一梳形电极的栅状电极的宽度等于所述边缘区域中的所述第二梳形电极的栅状电极的宽度。

3.根据权利要求1所述的声波谐振器，其中

所述边缘区域中的所述第一梳形电极的栅状电极的宽度与所述边缘区域中的所述第二梳形电极的栅状电极的宽度不同。

4.根据权利要求1所述的声波谐振器，其中

所述中心区域中的所述第一梳形电极的栅状电极比所述中心区域中的所述第二梳形电极的栅状电极宽，

所述边缘区域中的所述第一梳形电极的栅状电极比所述边缘区域中的所述第二梳形电极的栅状电极窄，

所述边缘区域中的所述第一梳形电极的栅状电极比所述中心区域中的所述第一梳形电极的栅状电极窄，

所述边缘区域中的所述第二梳形电极的栅状电极比所述中心区域中的所述第二梳形电极的栅状电极宽。

5.根据权利要求1所述的声波谐振器，其中

所述中心区域在所述梳形电极对的每个梳形电极的栅状电极的延伸方向上的长度大于所述边缘区域在所述梳形电极对的每个梳形电极的栅状电极的延伸方向上的总长度。

6.根据权利要求1所述的声波谐振器，其中

所述中心区域中的各向异性系数为正。

7.根据权利要求6所述的声波谐振器，其中

由所述边缘区域中的所述梳形电极对的栅状电极激发的声波的声速低于由所述中心区域中的所述梳形电极对的栅状电极激发的声波的声速。

8.一种声波谐振器，该声波谐振器包括：

压电基板；以及

IDT，该IDT位于所述压电基板上并且包括彼此面对的梳形电极对，所述梳形电极对中的每个梳形电极具有激发声波的栅状电极以及连接到所述栅状电极的汇流条，在所述IDT的在所述栅状电极排布的方向上的至少一部分区域中，在交叠区域的中心区域中的所述梳形电极对的栅状电极的占空比大于在所述交叠区域的边缘区域中的所述梳形电极对的栅状电极的占空比，所述梳形电极对中的每个梳形电极的栅状电极与另一个梳形电极的栅状电极在所述交叠区域中交叠，所述中心区域中的所述梳形电极对中的第一梳形电极的栅状电极的宽度与所述中心区域中的所述梳形电极对中的第二梳形电极的栅状电极的宽度不同。

9.根据权利要求8所述的声波谐振器，其中

10.根据权利要求8所述的声波谐振器，其中

11.根据权利要求8所述的声波谐振器，其中

12.根据权利要求8所述的声波谐振器，其中

13.根据权利要求8所述的声波谐振器，其中

所述中心区域中的各向异性系数为正。

14.根据权利要求13所述的声波谐振器，其中

15.一种滤波器，该滤波器包括：

根据权利要求1或8所述的声波谐振器。

16.一种复用器，该复用器包括：

根据权利要求15所述的滤波器。