CN111200417B - 一种具有横模抑制功能的声表面波换能器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有横模抑制功能的声表面波换能器及其制备方法，涉及声表面波器件及其制造领域，该结构包括压电基板以及设置在其上的叉指换能器，叉指换能器包括相对交叉设置的第一叉指电极和第二叉指电极、第一汇流条和第二汇流条，根据叉指换能器的结构还将其划分为叉指区、第一单指区和第二单指区，在叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内开设凹槽，凹槽位于叉指区分别和第一单指区、第二单指区的边缘交界处的叉指区内；通过开设凹槽使得声表面波换能器的叉指区边缘的声速低于叉指区中心的声速，第一单指区和第二单指区的声速高于叉指区中心的声速，从而能够有效抑制声波的横波模式，抑制杂波响应，因此声表面波换能器的性能大幅提高。

Description

一种具有横模抑制功能的声表面波换能器及其制备方法
技术领域
本发明涉及声表面波器件及其制造领域，特别是涉及一种用于无线通信设备的信号处理时所需的声表面波谐振器或滤波器，具体为一种具有横模抑制功能的声表面波换能器及其制备方法。
背景技术
声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)技术是集声学、电子学、压电材料和半导体平面工艺相结合的一门射频电子学科。由于SAW换能器工作在射频频段，因此SAW换能器具有电－声转换损耗低、设计灵活而且制作容易的独特优势，因而得到广泛应用，是各种SAW器件的重要组成部分。
随着应用范围的不断扩大和通讯技术的飞速发展，SAW器件使用的频率越来越高，同时人们对于高性能的SAW器件也越来越渴望。鉴于电声换能器是SAW器件的主要组成部分，经过优化设计的电声换能器对于获得高性能的SAW器件来说尤为重要。但是，目前采用传统设计的电声换能器具有带内波动大、插入损耗大、矩形系数差、品质因数低、杂波干扰严重等缺点。SAW换能器的其中一个问题就是在主模激发的同时，还会产生不必要的横模，这些横模会产生杂散响应，会增加SAW器件的插入损耗，并会引起通带内波动，影响SAW器件的性能。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种具有横模抑制功能的声表面波换能器及其制备方法，利用凹槽结构来实现横模抑制，减小插入损耗并提升声表面波换能器的性能。本发明的技术方案如下：
一种具有横模抑制功能的声表面波换能器，包括压电基板以及设置在压电基板上的叉指换能器，叉指换能器包括相对交叉设置的第一叉指电极和第二叉指电极、以及与第一叉指电极的梳柄部分相连的第一汇流条和与第二叉指电极的梳柄部分相连的第二汇流条，每个叉指电极分别置于另一个叉指电极的相邻两个电极指之间且互不接触；
第一叉指电极的末端边缘与第二叉指电极的末端边缘之间形成叉指区，第一叉指电极的末端边缘与第二叉指电极的梳柄边缘之间形成第一单指区，第二叉指电极的末端边缘与第一叉指电极的梳柄边缘之间形成第二单指区；
压电基板上在叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内还开设有凹槽，凹槽分别位于叉指区和第一单指区的边缘交界处的叉指区内以及叉指区和第二单指区的边缘交界处的叉指区内。
其进一步的技术方案为，凹槽的深度为叉指换能器的叉指电极的周期长度的12％以内，凹槽的长度为垂直声波传播方向且长度为叉指换能器的叉指电极的周期长度的10％-150％，凹槽的宽度为声波传播方向且宽度为叉指区内的叉指间隙宽度的50％-100％。
其进一步的技术方案为，叉指区内的叉指电极的叉指宽度与叉指间隙的宽度比例为1:4-4:1，叉指区内的叉指电极的金属化比率为0.2-0.8，叉指区内的叉指电极的厚度为叉指换能器的叉指电极的周期长度的3-25％。
其进一步的技术方案为，叉指换能器的叉指电极的材料包括Ti、Al、Cu、Ag、Ni、Cr、Pt、Au、Mo中的至少一种。
其进一步的技术方案为，压电基板的材料为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或氧化锌。
一种具有横模抑制功能的声表面波换能器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、获取压电基板并清洗表面；
步骤2、在压电基板上制备叉指换能器；
叉指换能器包括相对交叉设置的第一叉指电极和第二叉指电极、以及与第一叉指电极的梳柄部分相连的第一汇流条和与第二叉指电极的梳柄部分相连的第二汇流条，每个叉指电极分别置于另一个叉指电极的相邻两个电极指之间且互不接触；
第一叉指电极的末端边缘与第二叉指电极的末端边缘之间形成叉指区，第一叉指电极的末端边缘与第二叉指电极的梳柄边缘之间形成第一单指区，第二叉指电极的末端边缘与第一叉指电极的梳柄边缘之间形成第二单指区；
步骤3、在压电基板上通过光刻和湿法腐蚀或光刻和干法腐蚀的方式制备凹槽；
凹槽分别设置在叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内、且位于叉指区和第一单指区的边缘交界处的叉指区内以及叉指区和第二单指区的边缘交界处的叉指区内。
其进一步的技术方案为，凹槽的深度为叉指换能器的叉指电极的周期长度的12％以内，凹槽的长度为垂直声波传播方向且长度为叉指换能器的叉指电极的周期长度的10％-150％，凹槽的宽度为声波传播方向且宽度为叉指区内的叉指间隙宽度的50％-100％。
其进一步的技术方案为，叉指区内的叉指电极的叉指宽度与叉指间隙的宽度比例为1:4-4:1，叉指区内的叉指电极的金属化比率为0.2-0.8，叉指区内的叉指电极的厚度为叉指换能器的叉指电极的周期长度的3-25％。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开的具有横模抑制功能的声表面波换能器，通过在叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内开设凹槽，使得声表面波换能器的叉指区和第一单指区之间、叉指区和第二单指区之间形成声波传播的活塞模式，也就是叉指区边缘的声速低于叉指区中心的声速，并且第一单指区和第二单指区的声速高于叉指区中心的声速，从而能够有效抑制声波的横波模式，降低了声表面波换能器的杂波响应，使得声表面波换能器的带内波动大幅度减小、插入损耗降低、矩形系数更佳、品质因数更高，因此声表面波换能器的性能大幅提高，并且本申请公开的具有横模抑制功能的声表面波换能器的制作方法，所使用的制备工艺容易实现，易于大规模推广，因此具有较高的应用价值。
附图说明
图1是本申请实施例1公开的声表面波换能器的俯视图。
图2是本申请实施例1公开的声表面波换能器的剖视图。
图3是本申请实施例2公开的声表面波换能器的俯视图。
图4是本申请实施例2公开的声表面波换能器的剖视图。
图5是本申请公开的声表面波换能器的制备方法流程图。
图6是本申请实施例1公开的声表面波滤波器的性能测试图。
图7是不具有凹槽结构的声表面波滤波器的性能测试图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
结合图1-图4所示，本申请公开了一种具有横模抑制功能的声表面波换能器，包括压电基板1以及设置在压电基板1上的叉指换能器，压电基板1的材料为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或氧化锌。叉指换能器包括相对交叉设置的第一叉指电极2和第二叉指电极3、以及与第一叉指电极2的梳柄部分相连的第一汇流条4和与第二叉指电极3的梳柄部分相连的第二汇流条5，每个叉指电极分别置于另一个叉指电极的相邻两个电极指之间且互不接触。在本申请中，叉指换能器的叉指电极的材料包括Ti、Al、Cu、Ag、Ni、Cr、Pt、Au、Mo中的至少一种。并且声表面波换能器的波长与叉指换能器的叉指电极的周期长度λ相同。
第一叉指电极2的末端边缘与第二叉指电极3的末端边缘之间形成叉指区，叉指区内的叉指电极的叉指宽度与叉指间隙的宽度比例为1:4-4:1，叉指区内的叉指电极的金属化比率为0.2-0.8，叉指区内的叉指电极的厚度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的3-25％。第一叉指电极2的末端边缘与第二叉指电极3的梳柄边缘之间形成第一单指区，第二叉指电极3的末端边缘与第一叉指电极2的梳柄边缘之间形成第二单指区。
压电基板1上在叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内还开设有凹槽6，凹槽6分别位于叉指区和第一单指区的边缘交界处的叉指区内以及叉指区和第二单指区的边缘交界处的叉指区内。凹槽6的深度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的12％以内，凹槽6的长度为垂直声波传播方向且长度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的10％-150％，凹槽6的宽度为声波传播方向且宽度为叉指区内的叉指间隙宽度的50％-100％。
通过在叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内开设凹槽6，使得声表面波换能器的叉指区和第一单指区之间、叉指区和第二单指区之间形成声波传播的活塞模式，即叉指区边缘的声速低于叉指区中心的声速，并且第一单指区和第二单指区的声速高于叉指区中心的声速，从而能够有效抑制声波的横波模式，降低了声表面波换能器的杂波响应，使得声表面波换能器的带内波动大幅度减小、插入损耗降低、矩形系数更佳、品质因数更高，因此声表面波换能器的性能大幅提高。
为了得到上述具有横模抑制功能的声表面波换能器，本申请还公开了一种具有横模抑制功能的声表面波换能器的制备方法，其制备流程图如图5所示，以下通过两个实施例进行说明。
实施例1：
制备一种具有横模抑制功能的声表面波换能器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、获取压电基板1并清洗表面。压电基板1使用高机电耦合系数的128°YX-LiNbO3晶片。
步骤2、通过光刻、蒸发、剥离等工艺在压电基板1上制备叉指换能器。
具体的，结合图1-图2所示，叉指换能器包括相对交叉设置的第一叉指电极2和第二叉指电极3、以及与第一叉指电极2的梳柄部分相连的第一汇流条4和与第二叉指电极3的梳柄部分相连的第二汇流条5，每个叉指电极分别置于另一个叉指电极的相邻两个电极指之间且互不接触。在本申请中，叉指换能器的叉指电极的材料使用Ti/Cu/Ti或Cr/Cu/Cr或Cr/Ag/Cu/Cr形成多层金属结构。
第一叉指电极2的末端边缘与第二叉指电极3的末端边缘之间形成叉指区，叉指区内的叉指电极的金属化比率为0.4-0.6，叉指区内的叉指电极的厚度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的6％-8％。第一叉指电极2的末端边缘与第二叉指电极3的梳柄边缘之间形成第一单指区，第二叉指电极3的末端边缘与第一叉指电极2的梳柄边缘之间形成第二单指区。在本实施中，叉指换能器的叉指电极的周期长度λ可以设置为2.00μm-2.12μm。
步骤3、在压电基板1上通过光刻和湿法腐蚀或光刻和干法腐蚀的方式制备凹槽6。
凹槽6分别设置在叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内、且位于叉指区和第一单指区的边缘交界处的叉指区内以及叉指区和第二单指区的边缘交界处的叉指区内。凹槽6的深度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的1％-3％，凹槽6的长度为垂直声波传播方向且长度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的75％，凹槽6的宽度为声波传播方向且宽度与叉指区内的叉指间隙宽度相同。
以本实施例1所述的方法制备的声表面波滤波器的性能测试结果如图6所示。横坐标代表频率、纵坐标代表器件的插入损耗，其中心频率为1722M，最小插损为-1.1dB，1dB带宽为77.9M。请参考图7，其示出了不具有凹槽结构的声表面波滤波器的性能测试图。其中心频率为1737M，最小插损为-1.4dB，1dB带宽为60.9M，从图7可以看出，其通带内存在很多不稳定波动即横向模式的杂波信号。对比可知，采用本申请凹槽结构的声表面波滤波器的通带内的横向模式已抑制，带内波动非常小。
实施例2：
制备另一种具有横模抑制功能的声表面波换能器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、获取压电基板1并清洗表面。压电基板1使用高机电耦合系数的36°石英晶片。
步骤2、通过蒸发、光刻、腐蚀等工艺在压电基板1上制备叉指换能器。
具体的，结合图3-图4所示，叉指换能器包括相对交叉设置的第一叉指电极2和第二叉指电极3、以及与第一叉指电极2的梳柄部分相连的第一汇流条4和与第二叉指电极3的梳柄部分相连的第二汇流条5，每个叉指电极分别置于另一个叉指电极的相邻两个电极指之间且互不接触。在本申请中，叉指换能器的叉指电极的材料使用Ti/Al或Ti/Cu/Al形成多层金属结构。
第一叉指电极2的末端边缘与第二叉指电极3的末端边缘之间形成叉指区，叉指区内的叉指电极的金属化比率为0.5-0.7，叉指区内的叉指电极的厚度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的7％-10％。第一叉指电极2的末端边缘与第二叉指电极3的梳柄边缘之间形成第一单指区，第二叉指电极3的末端边缘与第一叉指电极2的梳柄边缘之间形成第二单指区。在本实施中，叉指换能器的叉指电极的周期长度λ可以设置为2.00μm-2.12μm。
步骤3、在压电基板1上通过光刻和湿法腐蚀或光刻和干法腐蚀的方式制备凹槽6。
凹槽6分别设置在叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内、且位于叉指区和第一单指区的边缘交界处的叉指区内以及叉指区和第二单指区的边缘交界处的叉指区内。凹槽6的深度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的3％-6％，凹槽6的长度为垂直声波传播方向且长度为叉指换能器的叉指电极的周期长度λ的75％，凹槽6的宽度为声波传播方向且宽度为叉指区内的叉指间隙宽度的50％。
本申请公开的具有横模抑制功能的声表面波换能器的制作方法，所使用的制备工艺容易实现，易于大规模推广，因此具有较高的应用价值。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有横模抑制功能的声表面波换能器，其特征在于，所述声表面波换能器包括压电基板以及设置在所述压电基板上的叉指换能器，所述叉指换能器包括相对交叉设置的第一叉指电极和第二叉指电极、以及与所述第一叉指电极的梳柄部分相连的第一汇流条和与所述第二叉指电极的梳柄部分相连的第二汇流条，每个叉指电极分别置于另一个叉指电极的相邻两个电极指之间且互不接触；
所述第一叉指电极的末端边缘与所述第二叉指电极的末端边缘之间形成叉指区，所述第一叉指电极的末端边缘与所述第二叉指电极的梳柄边缘之间形成第一单指区，所述第二叉指电极的末端边缘与所述第一叉指电极的梳柄边缘之间形成第二单指区；
所述压电基板上在所述叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内还开设有凹槽，所述凹槽分别位于所述叉指区和所述第一单指区的边缘交界处的叉指区内以及所述叉指区和所述第二单指区的边缘交界处的叉指区内，使叉指区边缘的声速低于叉指区中心的声速，并且第一单指区和第二单指区的声速高于叉指区中心的声速，形成声波传播的活塞模式。
2.根据权利要求1所述的声表面波换能器，其特征在于，所述凹槽的深度为所述叉指换能器的叉指电极的周期长度的12%以内，所述凹槽的长度为垂直声波传播方向且所述长度为所述叉指换能器的叉指电极的周期长度的10%-150%，所述凹槽的宽度为声波传播方向且所述宽度为所述叉指区内的叉指间隙宽度的50%-100%。
3.根据权利要求1所述的声表面波换能器，其特征在于，所述叉指区内的叉指电极的叉指宽度与叉指间隙的宽度比例为1:4-4:1，所述叉指区内的叉指电极的金属化比率为0.2-0.8，所述叉指区内的叉指电极的厚度为所述叉指换能器的叉指电极的周期长度的3-25%。
4.根据权利要求1至3任一所述的声表面波换能器，其特征在于，所述叉指换能器的叉指电极的材料包括Ti、Al、Cu、Ag、Ni、Cr、Pt、Au、Mo中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的声表面波换能器，其特征在于，所述压电基板的材料为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或氧化锌。
6.一种具有横模抑制功能的声表面波换能器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤 1、获取压电基板并清洗表面；
步骤2、在所述压电基板上制备叉指换能器；
所述叉指换能器包括相对交叉设置的第一叉指电极和第二叉指电极、以及与所述第一叉指电极的梳柄部分相连的第一汇流条和与所述第二叉指电极的梳柄部分相连的第二汇流条，每个叉指电极分别置于另一个叉指电极的相邻两个电极指之间且互不接触；
所述第一叉指电极的末端边缘与所述第二叉指电极的末端边缘之间形成叉指区，所述第一叉指电极的末端边缘与所述第二叉指电极的梳柄边缘之间形成第一单指区，所述第二叉指电极的末端边缘与所述第一叉指电极的梳柄边缘之间形成第二单指区；
步骤3、在所述压电基板上通过光刻和湿法腐蚀或光刻和干法腐蚀的方式制备凹槽；
所述凹槽分别设置在所述叉指区内的相邻叉指电极之间的叉指间隙内、且位于所述叉指区和所述第一单指区的边缘交界处的叉指区内以及所述叉指区和所述第二单指区的边缘交界处的叉指区内，使叉指区边缘的声速低于叉指区中心的声速，并且第一单指区和第二单指区的声速高于叉指区中心的声速，形成声波传播的活塞模式。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述凹槽的深度为所述叉指换能器的叉指电极的周期长度的12%以内，所述凹槽的长度为垂直声波传播方向且所述长度为所述叉指换能器的叉指电极的周期长度的10%-150%，所述凹槽的宽度为声波传播方向且所述宽度为所述叉指区内的叉指间隙宽度的50%-100%。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述叉指区内的叉指电极的叉指宽度与叉指间隙的宽度比例为1:4-4:1，所述叉指区内的叉指电极的金属化比率为0.2-0.8，所述叉指区内的叉指电极的厚度为所述叉指换能器的叉指电极的周期长度的3-25%。
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