CN110086445B - 声波器件、滤波器以及复用器 - Google Patents

声波器件、滤波器以及复用器 Download PDF

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Abstract

声波器件、滤波器以及复用器。一种声波器件包括：该Y切割X传播钽酸锂基板具有5°以上且18°以下的切割角；和格栅电极，该格栅电极由层叠在钽酸锂基板上的一个或更多个金属膜形成，一个或更多个金属膜的数量为n(n为自然数)，该格栅电极激发声波，并且满足以下条件：
Figure DDA0001943263350000011
其中，ρi表示一个或更多个金属膜中的各金属膜的密度，hi表示各金属膜的膜厚，ρ0表示Mo的密度，并且λ表示节距。

Description

声波器件、滤波器以及复用器
技术领域
本发明的特定方面涉及声波器件、滤波器以及复用器。
背景技术
在由移动电话代表的高频通信系统中，使用高频滤波器来去除除了在用于通信的频带中的信号之外的不必要信号。在高频滤波器中使用包括表面声波(SAW)谐振器的声波器件。表面声波谐振器是叉指换能器(IDT)的格栅电极形成在压电基板上的元件。已知如例如在日本专利申请公报No.2016-136712中公开的通过使得由格栅电极激发的表面声波的声速低于穿过压电基板传播的体波的声速来降低损失。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种声波器件，该声波器件包括：Y切割X传播钽酸锂基板，该Y切割X传播钽酸锂基板具有5°以上且18°以下的切割角；和格栅电极，该格栅电极由层叠在钽酸锂基板上的一个或更多个金属膜形成，一个或更多个金属膜的数量为n，n为自然数，该格栅电极激发声波，并且满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000011
其中，ρi表示一个或更多个金属膜中的各金属膜的密度，hi表示各金属膜的膜厚，ρ0表示Mo的密度，并且λ表示节距。
根据本发明的第二方面，提供了一种声波器件，该声波器件包括：Y切割X传播钽酸锂基板，该Y切割X传播钽酸锂基板具有5°以上且18°以下的切割角；和格栅电极，该格栅电极设置于钽酸锂基板上，并且激发声波，声波的主模式是SH型振荡模式，声波的声速低于瑞利模式寄生的声速。
根据本发明的第三方面，提供了一种包括上述声波器件的滤波器。
根据本发明的第四方面，提供了一种包括上述滤波器的复用器。
附图说明
图1A是第一实施方式中的声波谐振器的平面图，并且图1B是沿着图1A中的线A-A截取的剖面图；
图2是包括根据第一实施方式的声波谐振器的梯型滤波器的电路图；
图3A至图3C分别例示了串联谐振器、并联谐振器以及滤波器的通过特性；
图4A和图4B分别是在仿真1中的旋转Y切割角是0°和3°时的归一化频率对|Y|的图；
图5A和图5B分别是在仿真1中的旋转Y切割角是5°和8°时的归一化频率对|Y|的图；
图6A和图6B分别是在仿真1中的旋转Y切割角是10°和11°时的归一化频率对|Y|的图；
图7A和图7B分别是在仿真1中的旋转Y切割角是13°和14°时的归一化频率对|Y|的图；
图8A和图8B分别是在仿真1中的旋转Y切割角是15°和16°时的归一化频率对|Y|的图；
图9A和图9B分别是在仿真1中的旋转Y切割角是18°和20°时的归一化频率对|Y|的图；
图10A和图10B分别是在仿真1中的旋转Y切割角是25°和30°时的归一化频率对|Y|的图；
图11是仿真2中的对旋转Y切割角的瑞利波不必要响应强度的图；
图12是仿真2中的对旋转Y切割角的瑞利波不必要响应强度的图；
图13是仿真2中的对旋转Y切割角的瑞利波不必要响应强度的图；
图14是仿真3中的对旋转Y切割角的瑞利波不必要响应强度的图；
图15是仿真3中的对旋转Y切割角的瑞利波不必要响应强度的图；
图16A至图16C分别是根据第一实施方式的第一至第三变型例的声波谐振器的剖面图；以及
图17是根据第二实施方式的第一变型例的双工器的框图。
具体实施方式
通过减小格栅电极的节距λ，减小了表面声波谐振器的尺寸。节距λ随着表面声波的声速降低而减小。在用作表面声波时，瑞利波比剪切水平(SH)波慢。然而，在瑞利波用作主模式时，压电基板被电介质膜覆盖，以减少作为不必要波的SH波。由此，制造步骤的数量增加。在SH波用作主模式时，瑞利波生成不必要的响应(寄生)。
下文中，参照附图，将描述本发明的实施方式。
第一实施方式
作为声波器件，将描述声波谐振器。图1A是第一实施方式中的声波谐振器的平面图，并且图1B是沿着图1A中的线A-A截取的剖面图。如图1A和图1B例示，在压电基板10上形成IDT 21和反射器22。IDT 21和反射器22由被形成在压电基板10上的具有膜厚h的金属膜12形成。IDT 21包括面向彼此的一对梳状电极20。梳状电极20包括电极指14和电极指14耦接到的母线18。电极指14形成格栅电极16。
该对梳状电极20中的一个的格栅电极16与另一个的格栅电极16交叠的区域是交叠区域15。交叠区域15的长度对应于孔径长度。该对梳状电极20被设置为面向彼此，使得梳状电极20中的一个的电极指14和另一个的电极指14大致交替地设置在交叠区域15的至少一部分中。在交叠区域15中由格栅电极16激发的声波主要沿电极指14的设置方向传播。一个梳状电极20的格栅电极16的节距λ与声波的波长大致对应。格栅电极16的设置方向被定义为X方向，并且格栅电极16的延伸方向被定义为Y方向。X方向和Y方向不是必须与压电基板10的晶体方位的X轴方位和Y轴方位对应。压电基板10是旋转的Y切割X传播钽酸锂(LiTaO3)基板。
图2是包括根据第一实施方式的声波谐振器的梯型滤波器的电路图。如图2例示，在输入端子Tin与输出端子Tout之间，串联谐振器S1至S4串联，并且并联谐振器P1至P3并联。串联谐振器S1至S4和并联谐振器P1至P3是图1A和图1B所例示的声波谐振器。梯型滤波器向输出端子Tout发送从输入端子Tin输入的高频信号中在通带中的信号，并且抑制具有其他频率的信号。
图3A至图3C分别例示了串联谐振器、并联谐振器以及滤波器的通过特性。如图3A例示，在串联在节点N1与N2之间的串联谐振器S的节点N1与N2之间的通过特性中，衰减在谐振频率fr处小，并且衰减在反谐振频率fa处大。在比反谐振频率fa高的频率fs处生成不必要的响应。
如图3B例示，在并联在节点N1与N2之间的并联谐振器P的节点N1与N2之间的通过特性中，衰减在谐振频率fr处大，并且衰减在反谐振频率fa处小。在比反谐振频率fa高的频率fs处生成不必要的响应。如图3C例示，在梯型滤波器中，主要在通带Pass内的频率fs处生成并联谐振器P的不必要响应。
通过减小格栅电极16的节距λ，减小了声波谐振器的尺寸。将具有低声速的瑞利波用作主模式减小声波谐振器的尺寸。然而，在瑞利波用作主模式时，具有比瑞利波高的声速(即，较高的频率)的SH波生成不必要的响应。为了将瑞利波用作主模式来在声波谐振器中减小SH波的不必要响应强度，用电介质膜覆盖压电基板10，并且将电介质膜的表面平面化。因此，制造步骤的数量增加。
仿真1
为了获得SH波的声速低于瑞利波的声速且瑞利波的不必要响应的强度小的旋转Y切割角和膜厚的范围，凭借使用有限元法来进行仿真。仿真条件如下。
压电基板10：旋转的Y切割X传播钽酸锂基板
节距λ：4μm
电极指的占空比：50％
IDT中的电极指的对数：55.5对
反射器中的电极的数量：20
孔径长度：35λ
金属膜12：具有膜厚h的钼
对于Mo的材料值，密度被假定为1.028×104kg/m3，杨氏模量被假定为329GPa，并且泊松比被假定为0.31。
旋转的Y切割角从0°到30°变化，并且膜厚h从0.14λ到0.26λ变化，以仿真导纳|Y|相对于归一化频率的大小。
图4A至图10B是在旋转的Y切割角分别为0°、3°、5°、8°、10°、11°、13°、14°、15°、16°、18°、20°、25°以及30°时在仿真1中的归一化频率对|Y|的图。图4A至图10B例示了膜厚h/λ为0.14、0.16、0.18、0.20、0.22、0.24以及0.26时的|Y|。白色三角形指示SH波响应，并且开口圆指示瑞利波响应。
如图4A至图10B例示，SH波响应的频率低于瑞利波响应的频率。由此，在旋转的Y切割角在0°到30°的范围内时，SH波的声速低于瑞利波的声速。
如图4A例示，在旋转的Y切割角为0°的情况下，瑞利波响应和SH波响应在膜厚h/λ为0.14时具有大致相同的大小。随着膜厚h/λ增大，瑞利波响应强度减小，但不足够小。如图4B例示，在旋转的Y切割角为3°时，瑞利波响应小。如图5A例示，在旋转的Y切割角为5°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.26时最小且非常小。如图5B例示，在旋转的Y切割角为8°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.24时最小且几乎观察不到。
如图6A例示，在旋转的Y切割角为10°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.22时最小且无法观察到。如图6B例示，在旋转的Y切割角为11°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.20时最小且无法观察到。如图7A例示，在旋转的Y切割角为13°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.18时最小且无法观察到。如图7B例示，在旋转的Y切割角为14°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.18时最小且无法观察到。
如图8A例示，在旋转的Y切割角为15°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.18时最小。如图8B例示，在旋转的Y切割角为16°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.16时最小。如图9A例示，在旋转的Y切割角为18°的情况下，瑞利波响应在膜厚h/λ为0.16时最小。如图9B例示，在旋转的Y切割角为20°时的情况下，瑞利波响应对于任意膜厚h/λ都大。如图10A和图10B例示，在旋转的Y切割角为25°和30°时的情况下，瑞利波响应对于任意膜厚h/λ都大。
仿真2
所仿真的是当在仿真1中仿真的声波谐振器用作图2所例示的梯型滤波器的串联谐振器S1至S4和并联谐振器P1至P3时在如图3C例示的梯型滤波器的通带Pass中生成的瑞利波不必要响应的强度。
图11至图13是仿真2中的对旋转Y切割角的瑞利波不必要响应强度的图。旋转的Y切割角还可以由欧拉(Euler)角(0,θ,0)[°]来表达。0°、5°、10°、15°、20°、25°以及30°的旋转Y切割角分别对应于(0,-90,0)、(0,-85,0)、(0,-80,0)、(0,-75,0)、(0,-70,0)、(0,-65,0)以及(0,-60,0)的欧拉角。
如图11至图13例示，随着膜厚h/λ减小，瑞利波不必要响应强度最小所在的旋转Y切割角增大。
瑞利波的不必要响应强度在旋转Y切割角和膜厚h/λ在以下各范围内时变成3dB以下。如图11例示，瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在5.5°以上7.5°以下的范围内且膜厚h/λ在0.22以上0.24以下的范围内时为3dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在7.5°以上且10.5°以下的范围内且膜厚h/λ在0.20以上0.24以下的范围内时为3dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在10.5°以上且12°以下的范围内且膜厚h/λ在0.18以上0.24以下的范围内时为3dB以下。
瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在12°以上且14°以下的范围内且膜厚h/λ在0.17以上0.24以下的范围内时为3dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在14°以上且16°以下的范围内且膜厚h/λ在0.16以上0.20以下的范围内时为3dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在16°以上且19°以下的范围内且膜厚h/λ在0.16以上0.17以下的范围内时为3dB以下。
瑞利波的不必要响应强度在旋转Y切割角和膜厚h/λ在以下各范围内时变成1dB以下。如图12例示，瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在7.5°以上9°以下的范围内且膜厚h/λ在0.22以上0.24以下的范围内时为1dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在9°以上且11°以下的范围内且膜厚h/λ在0.20以上0.24以下的范围内时为1dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在11°以上且13°以下的范围内且膜厚h/λ在0.18以上0.20以下的范围内时为1dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在13°以上且15.5°以下的范围内且膜厚h/λ在0.17以上0.18以下的范围内时为1dB以下。
瑞利波的不必要响应强度在旋转Y切割角和膜厚h/λ在以下各范围内时变成0.5dB以下。如图13例示，瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在8°以上且10°以下的范围内且膜厚h/λ在0.22以上0.24以下的范围内时为0.5dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在10°以上且11°以下的范围内且膜厚h/λ在0.20以上0.22以下的范围内时为0.5dB以下。瑞利波不必要响应强度在旋转Y切割角在13.5°以上且15°以下的范围内且膜厚h/λ在0.17以上0.18以下的范围内时为0.5dB以下。
在梯型滤波器的规范中，瑞利波不必要响应强度经常被指定为1dB以下。如图12例示，在旋转的Y切割角为5°以上且18°以下时，瑞利波不必要响应强度为1dB以下的膜厚h/λ的范围在0.16至0.24的范围内。
仿真3
对于金属膜12由钌(Ru)或铑(Rh)制成的情况进行与仿真1和仿真2相同的仿真。表1列出了Mo、Ru以及Rh各自的密度、杨氏模量以及泊松比。
表1
Figure BDA0001943263330000071
图14和图15是仿真3中的对旋转Y切割角的瑞利波不必要响应强度的图。图14例示了假定金属膜12由Ru制成的情况，并且图15例示了假定金属膜12由Rh制成的情况。归一化膜厚被定义为
Figure BDA0001943263330000072
其中，ρ0表示Mo的密度，并且ρ表示Ru或Rh的密度。
如图14和图15例示，在使用归一化膜厚
Figure BDA0001943263330000073
时，结果与图11例示的、在金属膜12由Mo制成的情况下的结果几乎相同，而不管金属膜12的材料如何。仿真通过使用与表1中呈现的不同密度、不同杨氏模量以及不同泊松比的材料来进行，并且仿真揭示瑞利波不必要响应几乎不依赖于杨氏模量和泊松比，而是依赖于密度。如上所述，通过使用密度ρ归一化金属膜12的膜厚h获得的归一化膜厚的使用使图11至图13的结果一般化。
第一实施方式的变型例
图16A至图16C分别是根据第一实施方式的第一变型例至第三变型例的声波谐振器的剖面图。如图16A例示，在压电基板10上形成有电介质膜13以覆盖金属膜12。电介质膜13是用于频率调节和/或保护的膜。电介质膜13例如可以是氧化硅膜、氮化硅膜或氧化铝膜。电介质膜13比金属膜12轻。由此，电介质膜13的有无几乎不影响上述仿真的结果。
如图16B例示，粘合层17可以形成在金属膜12与压电基板10之间。粘合层17是用于提高金属膜12与压电基板10的粘合的膜。粘合层17例如可以由钛(Ti)或铬(Cr)制成。粘合层17的材料比金属膜12轻且薄。由此，粘合层17的有无几乎不影响上述仿真的结果。
如图16C例示，金属膜12可以通过层叠金属膜12a和12b来形成。在该结构中，归一化膜厚是金属膜12a和12b的归一化膜厚的和。金属膜12a的膜厚和密度分别由h1和ρ1来表示，并且金属膜12b的膜厚和密度分别由h2和ρ2来表示。金属膜12a的归一化膜厚是
Figure BDA0001943263330000081
并且金属膜12b的归一化膜厚是
Figure BDA0001943263330000082
由此，金属膜12的归一化膜厚是
Figure BDA0001943263330000083
更一般地，在格栅电极16由层叠在钽酸锂基板上的一个或更多个金属膜12(一个或更多个金属膜12的数量为n，其中，n为自然数)并且一个或更多个金属膜中的各金属膜的密度由ρi来表示、各金属膜的膜厚由hi来表示、Mo的密度由ρ0来表示且节距由λ来表示时，归一化膜厚由下式来计算：
Figure BDA0001943263330000084
格栅电极16的节距在IDT 21与反射器22之间可以相差10％以下(优选地为5％以下)。另外，节距在格栅电极16之间可以相差10％以下(优选地为5％以下)。在这种情况下，即使在格栅电极16中的任意节距用作h/λ的λ时，h/λ的误差为10％以下或5％以下，由此几乎不影响仿真结果。另选地，格栅电极16中的平均节距可以用作λ。
在第一实施方式及其变型例中，Y切割X传播钽酸锂基板的Y切割角为5°以上且18°以下。格栅电极16设置为是钽酸锂基板的压电基板10上，将SH型振荡模式用作主模式，并且激发声速低于瑞利模式寄生的声速的声波。如图4A至图10B例示，该构造使得SH波慢于瑞利波。因此，可以使得格栅电极16的节距小，从而，可以减小声波谐振器的尺寸。另外，如图12例示，金属膜12的膜厚的适当选择减小瑞利模式寄生。Y切割角优选地为6°以上，更优选地为7°以上，进一步优选地为8°以上。Y切割角优选地为16°以下，更优选地为15°以下。
另外，格栅电极16满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000085
如图12例示，该条件的满足减小瑞利模式寄生。归一化膜厚优选地为0.17λ以上，更优选地为0.18λ以上，进一步优选地为0.20λ以上。归一化膜厚优选地为0.22λ以下，更优选地为0.20λ以下。
如图11例示，在切割角为5.5°以上7.5°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000091
在切割角为7.5°以上且10.5°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000092
在切割角为10.5°以上且12°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000093
在切割角为12°以上且14°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000094
在切割角为14°以上且16°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000095
在切割角为16°以上且19°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000096
如图12例示，在切割角为7.5°以上9°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000097
在切割角为9°以上且11°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000098
在切割角为11°以上且13°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000101
在切割角为13°以上且15.5°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000102
如图13例示，在切割角为8°以上且10°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000103
在切割角为10°以上且11°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000104
在切割角为13.5°以上且15°以下时，格栅电极16优选地满足以下条件：
Figure BDA0001943263330000105
一个或更多个金属膜主要由铜(Cu)、钨(W)、Ru、Mo、钽(Ta)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、Rh、铼(Re)以及碲(Te)中的至少一种组成。因为这些金属膜具有大密度，所以即使在金属膜薄时，也可以如由算式(1)表达的使得归一化膜厚大。陈述“膜主要由特定元素组成”意指膜将特定元素包含到实现第一实施方式及其变型例的优点的程度。例如，包含50原子％以上(或者，例如，90原子％以上)的特定元素。
如在第一实施方式的第二变型例中，粘合层17可以设置于金属膜12与压电基板10之间。另外，另外的膜可以设置于金属膜12上和/或金属膜中。粘合层17和另外的膜例如可以由铝(Al)、镍(Ni)或Ni-Cr(镍铬合金)制成，而不是由Ti和Cr制成。在粘合层17和另外的膜具有比金属膜12小的密度且比金属膜12薄的情况下，在计算算式(1)时，可以忽略粘合层17和另外的膜。另选地，在计算算式(1)时，可以将粘合层17和另外的膜假定为金属膜12中的膜。
第二实施方式
第二实施方式是示例性滤波器。如图2例示，第一实施方式及其变型例中的任一个的声波谐振器可以用于梯型滤波器中。另外，第一实施方式及其变型例中的任一个的声波谐振器可以用于多模类型滤波器中。
第二实施方式的第一变型例
图17是根据第二实施方式的第一变型例的双工器的框图。如图17例示，发送滤波器40连接在公共端子Ant与发送端子Tx之间。在输入到发送端子Tx的高频信号中，发送滤波器40向公共端子Ant输出处于发送频带中的信号作为发送信号，并且抑制具有其他频率的信号。接收滤波器42连接在公共端子Ant与接收端子Rx之间。在输入到公共端子Ant的高频信号中，接收滤波器42向接收端子Rx输出处于接收频带中的信号作为接收信号，并且抑制具有其他频率的信号。第二实施方式的滤波器可以用于发送滤波器40和接收滤波器42中的至少一个。双工器被描述为复用器的示例，但复用器可以为三工器或四工器。
虽然已经详细描述了本发明的实施方式，但应理解，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对其进行各种改变、替代以及变更。

Claims (12)

1.一种声波器件，该声波器件包括：
Y切割X传播钽酸锂基板，该Y切割X传播钽酸锂基板具有5°以上且18°以下的切割角；和
格栅电极，该格栅电极由层叠在所述钽酸锂基板上的一个或更多个金属膜形成，所述一个或更多个金属膜的数量为n，n为自然数，该格栅电极激发声波，并且满足以下条件：
Figure FDA0001943263320000011
其中，ρi表示所述一个或更多个金属膜中的各金属膜的密度，hi表示所述各金属膜的膜厚，ρ0表示Mo的密度，并且λ表示节距。
2.根据权利要求1所述的声波器件，其中，
所述切割角是5.5°以上7.5°以下，并且
所述格栅电极满足以下条件：
Figure FDA0001943263320000012
3.根据权利要求1所述的声波器件，其中，
所述切割角是7.5°以上且10.5°以下，并且
所述格栅电极满足以下条件：
Figure FDA0001943263320000013
4.根据权利要求1所述的声波器件，其中，
所述切割角是10.5°以上且12°以下，并且
所述格栅电极满足以下条件：
Figure FDA0001943263320000021
5.根据权利要求1所述的声波器件，其中，
所述切割角是12°以上且14°以下，并且
所述格栅电极满足以下条件：
Figure FDA0001943263320000022
6.根据权利要求1所述的声波器件，其中，
所述切割角是14°以上且16°以下，并且
所述格栅电极满足以下条件：
Figure FDA0001943263320000023
7.根据权利要求1所述的声波器件，其中，
所述切割角是16°以上且19°以下，并且
所述格栅电极满足以下条件：
Figure FDA0001943263320000024
8.根据权利要求1至7中任一项所述的声波器件，其中，
所述声波的主模式是SH型振荡模式，并且
所述声波的声速低于瑞利模式寄生的声速。
9.根据权利要求2至7中任一项所述的声波器件，其中，
所述一个或更多个金属膜包括主要由Cu、W、Ru、Mo、Ta、Pt、Pd、Ir、Rh、Re以及Te中的至少一种组成的金属膜。
10.一种声波器件，该声波器件包括：
Y切割X传播钽酸锂基板，该Y切割X传播钽酸锂基板具有5°以上且18°以下的切割角；和
格栅电极，该格栅电极设置于所述钽酸锂基板上，并且激发声波，所述声波的主模式是SH型振荡模式，所述声波的声速低于瑞利模式寄生的声速。
11.一种滤波器，该滤波器包括：
根据权利要求1至7以及10中任一项所述的声波器件。
12.一种复用器，该复用器包括根据权利要求11所述的滤波器。
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