CN111342810B - 具有改进的支撑结构的滤波器单元、滤波器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种滤波器单元，包括：功能基底，设置有空腔；和功能器件，设置于所述功能基底且包括多个体声波谐振器，所述多个谐振器共用压电层，每个谐振器具有设置于共用压电层的对应部分的两侧的顶电极和底电极，所述顶电极、底电极和共用压电层形成三明治结构，且每个谐振器构成子三明治结构，其中：所述子三明治结构与其下方的空腔型声学镜形成对应谐振器的有效区域，所述空腔型声学镜为所述空腔的一部分；所述三明治结构由所述空腔支撑且至少两个谐振器的空腔型声学镜彼此相通。本发明也涉及一种滤波器以及具有该滤波器的电子设备。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种滤波器单元，具有该滤波器单元的滤波器以及一种具有该滤波器单元或者滤波器的电子设备。
背景技术
通常，由若干个体声波谐振器构成的传统滤波器具有如图1a所示的俯视结构。沿图1a中的直线AA’剖开，可得到如图1B所示的剖视结构。
图1a和1b中所示的滤波器包含若干个体声波谐振器，每个谐振器的具体结构包含基底P100；嵌于基底表面的空腔型声学镜P200(P210、P220)；位于声学镜上方并覆盖部分基底表面的底电极P300(P310、P320)；覆盖底电极和部分基板表面的压电层薄膜P400，且P400由多个谐振器共享；位于压电层上方的顶电极P500(P510、P520)。其中压电层和每个谐振器的声学镜、底电极、顶电极在横向上的重合部分定义了该谐振器的有效声学区域(P600，P610和P620)。
若从图1a和1b中将底电极，压电层和顶电极完全移除，则可以获得图1c和图1d所示的具有空腔的基底结构。
由于构成滤波器的各个膜层的厚度仅为微米级别，薄膜很容易受到应力的影响而发生形变。三明治结构扭曲形变会严重降低构成滤波器的谐振器的Q值，从而严重影响滤波器的性能。因此具有空腔型声学镜的传统体声波滤波器通常采用分立空腔结构的基底：即滤波器中的每个谐振器拥有自己独立的空腔。
这种结构的好处是可在谐振器之间的下方形成支撑结构(图1c中的P110)，从而增强滤波器整体结构的稳定性。
但是，这种结构的缺陷是：理想状态下，谐振器在工作时，能量转换只发生在有效声学区域内。然而，实际情况下，谐振器的能量总是不可避免的要逸散到有效声学区域之外，并通过基底上的与底电极和压电层接触的支撑结构(图1c中的P110和P120)进一步逸散到基底中(如图1b中的箭头EL100、EL110、EL120和EL130所示)。该结构会造成显著的能量损失，最终使Q值严重下滑并造成滤波器性能劣化。
发明内容
为缓解或解决使用现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种滤波器单元，包括：
功能基底，设置有空腔；和
功能器件，设置于所述功能基底且包括多个体声波谐振器，所述多个谐振器共用压电层，每个谐振器具有设置于共用压电层的对应部分的两侧的顶电极和底电极，所述顶电极、底电极和共用压电层形成三明治结构，且每个谐振器构成子三明治结构，
其中：
所述子三明治结构与其下方的空腔型声学镜形成对应谐振器的有效区域，所述空腔型声学镜为所述空腔的一部分；
所述三明治结构由所述空腔支撑且至少两个谐振器的空腔型声学镜彼此相通。
在一个实施例中，所述三明治结构仅由所述空腔的边缘支撑。
进一步的，所述空腔为大致矩形的形状；所述三明治结构被所述空腔的两个相对的边缘支撑。
可选的，所述两个相对的边缘同时支撑最外围的谐振器的底电极和压电层。
可选的，所述功能器件具有用于谐振器的电极引脚；所述压电层位于所述两个相对的边缘之间且与其间隔开；且所述三明治结构通过分别设置于所述两个相对的边缘处的电极引脚被支撑在所述两个相对的边缘上。
可选的，所述压电层的两侧分别支撑在所述两个相对的边缘上。
可选的，所述三明治结构被所述空腔的相对的边缘支撑；且在所述滤波器单元的俯视图中，所述三明治结构的至少一部分边缘与所述空腔的边缘之间存在空隙。
在另一个实施例中，所述三明治结构仅由设置于空腔中的多个支撑突起支撑。
可选的，所述多个支撑突起包括与空腔的边缘间隔开的至少一个岛状支撑突起。
可选的，所述谐振器为多边形谐振器；且所述岛状支撑突起用于支撑所述多边形谐振器的顶点部分。进一步的，每一个岛状支撑突起用于同时支撑多个谐振器的顶点部分。
可选的，所述谐振器为多边形谐振器；且所述岛状支撑突起用于支撑谐振器的边部分。进一步的，每一个岛状支撑突起用于同时多个支撑谐振器的边部分。
可选的，所述多个支撑突起包括自空腔的边缘向空腔径向向内的至少一个半岛状支撑突起。
在再一个实施例中，所述三明治结构仅由连接在空腔的边缘之间的支撑条肋支撑。
在另外的实施例中，所述三明治结构由所述空腔的边缘、设置于空腔中的至少一个支撑突起、谐振器的电极引脚以及连接在空腔的边缘之间的支撑条肋中的至少两种结构支撑。
可选的，上述滤波器单元中，所有谐振器均设置于功能基底上，所述滤波器单元具有与功能基底对置的封装基底；且所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的1/2；或者所述功能器件所位于的功能区域垂直投影到所述封装基底上的区域的面积不大于所述封装基底的表面的面积的2/3。
可选的，上述滤波器单元中，所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥；且掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。可选的，所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
可选的，上述滤波器单元中，掺杂元素的原子分数范围为3％-20％。
本发明的实施例还涉及一种用于滤波器的功能基底，设置有空腔，其中：所述空腔内设置有彼此独立的多个支撑突起，所述支撑突起适于支撑滤波器功能器件；或者所述空腔内不存在用于支撑所述功能器件的支撑结构。
本发明的实施例也涉及一种滤波器，包括：根据上述的滤波器单元或者上述的功能基底。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器单元或者上述的滤波器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1a为现有技术中由多个体声波谐振器构成的滤波器单元的示意性俯视图；
图1b为沿图1a中的AA’线截得的示意性剖视图；
图1c为图1a中的滤波器单元的功能基底的示意性俯视图；
图1d为图1a中的滤波器单元的功能基底的示意性立体图；
图2为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器单元的功能基底的示意性俯视图；
图3为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器单元的功能基底的示意性俯视图；
图4a为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器单元的功能基底的示意性俯视图；
图4b为根据本发明的一个示例性实施例的采用了图4a中的功能基底的滤波器单元的示意性剖视图，其中示出了三明治结构的支撑状态；
图4c为图4a中的功能基底的空腔的支撑边缘进一步向外移动后的示例性示意图；
图4d为根据本发明的另一个示例性实施例的采用了图4c中的功能基底的滤波器单元的示意性剖视图，其中示出了三明治结构的支撑状态；
图4e为根据本发明的另一个示例性实施例的采用了图4c中的功能基底的滤波器单元的示意性剖视图，其中示出了三明治结构的支撑状态；
图5为根据本发明的一个示例性实施例的滤波器单元的功能基底的示意性俯视图；
图6为体声波谐振器的三明治结构示意图；以及
图7为体声波谐振器的机电耦合系数Nkt与比例r之间的关系曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
下面参照附图示例性描述本发明。
图2为根据本发明的一个示例性实施例A100的滤波器单元的功能基底的示意性俯视图。
为了方便显示和描述功能基底结构，图2中省略了实施例A100中位于基底上部的滤波器声学结构。
实施例A100中的滤波器单元包含功能基底100。功能基底100的空腔结构包含空腔边缘120，和位于空腔中的若干岛状支撑结构110。其中，岛状支撑结构110用于支撑多边形谐振器的顶点部分，其中虚线部分显示了相对于图1c的传统结构所移除的部分。每一个岛状支撑突起可同时支撑多个谐振器的顶点部分。
相对于传统结构，实施例A100削减了与谐振器接触的支撑结构，例如，在仅有图2中的四个支撑结构110与谐振器的声学结构接触的情况下，仅存在这四个岛状支撑结构形成的泄漏通道。因此，实施例A100的方案减少了泄漏到功能基底中的能量。
当三明治结构置于空腔上时，该三明治结构可以仅由图2中的四个支撑结构110支撑，也可以由空腔的边缘120与所述四个支撑结构110共同支撑。
图3为根据本发明的一个示例性实施例A200的滤波器单元的功能基底的示意性俯视图。
为了方便显示和描述基底结构，图3中省略了实施例A200中位于功能基底上部的滤波器声学结构。
实施例A200中的滤波器单元包含基底200。基底200的空腔结构包含空腔边缘220，和位于空腔中的若干岛状支撑结构210。其中，岛状支撑结构210用于支撑多边形谐振器的边部分(即谐振器的顶点之间的部分)，其中虚线部分显示了相对于图1c的传统结构所移除的部分。每一个岛状支撑突起可以同时多个支撑谐振器的边部分。
相对于传统结构，实施例A200削减了与谐振器接触的支撑结构，从而减少了泄漏到功能基底中的能量。
虽然没有示出，支撑突起也可以从空腔边缘朝向空腔内突出(即径向向内突出)。这种方案还可以与图3或者图2中的支撑突起结合。
在例如图2或图3的使用支撑突起的情况下，所有的九个谐振器的空腔型声学镜均是彼此相通的。
在图2与图3示出的方案中，支撑结构为多个单独的突起，不过，如图2所示，可以设置图2中的纵向两条支撑肋或者横向的两条支撑肋。在这种情况下，例如如果存在两条纵向的支撑肋，则九个谐振器被分为三列，每一列包括三个，且每列的三个谐振器的空腔型声学镜彼此相通。
图4a为根据本发明的一个示例性实施例A300的滤波器单元的功能基底的示意性俯视图。图4b为根据本发明的一个示例性实施例的采用了图4a中的功能基底的滤波器单元的示意性剖视图，其中示出了三明治结构的支撑状态。
当谐振器的面积足够小时(刚性足够强)，可以移除位于功能基底300表面空腔内全部的支撑结构。图4a所示的实施例A300的空腔内的虚线表示相对于图1c的传统结构所移除的部分。如图4b中区域330所示，实施例A300中，仅依靠空腔边缘320来支撑最外围的谐振器的底电极和压电层。
图4c为图4a中的功能基底的空腔的支撑边缘进一步向外移动后的示例性示意图。在图4c中示出了功能基底400、图4b中的空腔支撑边缘410(虚线)、新的支撑边缘420。
图4d为根据本发明的另一个示例性实施例的采用了图4c中的功能基底的滤波器单元的示意性剖视图，其中示出了三明治结构的支撑状态。在图4d中，可以看到，三明治结构的压电层的两端由空腔的边缘支撑，如图4d中的支撑区域430所示。
图4e为根据本发明的另一个示例性实施例的采用了图4c中的功能基底的滤波器单元的示意性剖视图，其中示出了三明治结构的支撑状态。图4e中，三明治结构的两侧边缘经由谐振器的电极引脚450支撑在空腔的支撑边缘，支撑区域440示出了具体的支撑情况。需要指出的是，图4d与图4e也是可以结合的。
从图4a-4e可以看出，滤波器单元的三明治结构可以仅由空腔的边缘支撑，而在空腔之内完全没有设置用于支撑三明治结构的突起或者条肋。
在图4a-4e的示例中，空腔为大致矩形，而且空腔的两个相对的边缘支撑三明治结构，不过，本发明不限于此。空腔可以基于实际需要为其他形状，而且，即使是大致矩形的空腔，也可以由更多条边支撑三明治结构。在三明治结构被空腔的相对的边缘支撑时，在滤波器单元的俯视图中，三明治结构的至少一部分边缘还可以与空腔的边缘之间存在空隙。
在可选的实施例中，如图5所示，设置于空腔92内的支撑结构92相较于现有技术(图1c)存在部分支撑肋缺失，如图5中虚线所示。
虽然没有示出，图2、图3的方案、图4a-4e的方案以及图5的方案彼此之间可以结合使用。
基于以上，本发明提出了一种滤波器单元，包括：
功能基底(例如图2中的100)，设置有空腔(例如图2中的边缘120围合而成的空间)；和
功能器件，设置于所述功能基底且包括多个体声波谐振器(例如参见图1b，只不过其中的三明治结构的支撑结构换为了本发明的图2-图4e中示出的结构)，所述多个谐振器共用压电层(例如参见图1b中的P400)，每个谐振器具有设置于共用压电层的对应部分的两侧的顶电极(例如图1b中的P500)和底电极(例如图1b中的P300)，所述顶电极、底电极和共用压电层形成三明治结构，且每个谐振器构成子三明治结构，需要说明的是，图1b中示出的谐振器结构同样适用于本发明的图2-图4e中示出的实施例，
其中：
所述子三明治结构与其下方的空腔型声学镜形成对应谐振器的有效区域，所述空腔型声学镜为所述空腔的一部分；
所述三明治结构由所述空腔支撑且至少两个谐振器的空腔型声学镜彼此相通。
需要指出的是，这里的至少两个空腔型声学镜彼此相通表明该两个空腔型声学镜并非是闭合的独立子空腔。正是因为空腔型声学镜并非闭合的独立子空间，所以，例如图1c中的支撑条肋出现断开的状态，该断开直接导致支撑条肋与声学结构的接触面积减小，从而降低了散逸到功能基底中的能量损失。
滤波器单元采用例如图2-图4e的技术方案，可以在当前谐振器的尺寸的情况下实现，也可以在减小当前谐振器的尺寸的情况下实现。针对后一种情况，本发明提出了减小谐振器的有效区域的面积的方式来减小谐振器的尺寸的方案。谐振器的尺寸缩减，可以直接提高滤波器的三明治结构的刚性。在三明治结构的刚性提高的情况下，即使空腔中减少或者消除对应的支撑结构，谐振器的三明治结构也不会严重变形而降低谐振器的Q值。
具体的，在一个实施例中，体声波谐振器(具有压电层、底电极和顶电极)，通过在例如氮化铝(AlN)压电层的压电层中参入杂质元素，使谐振器的有效区域的面积缩小，从而使得谐振器的尺寸变小。
下面参照附图6-7具体说明利用元素掺杂降低体声波谐振器的有效区域的面积的原理。
机电耦合系数(Nkt)是体声波谐振器的重要性能指标之一，该性能参数和如下因素有密切关系：(1)压电薄膜参入杂质元素的比例；以及(2)三明治结构中电极层和压电层的厚度比例。
图6所示的体声波谐振器的三明治结构包含厚度为t的顶电极TE、底电极BE以及厚度为d的压电层PZ。此处定义比例
对于特定的未掺杂的谐振器，其归一化的机电耦合系数Nkt和比例r之间的关系可用图7所示的特性曲线C0描述。
如图7所示，当对该谐振器的压电层掺杂时，特性曲线C0向上移动形成曲线C1。若未掺杂之前，具有厚度比r0的谐振器的机电耦合系数为Nkt0,那么掺杂之后该系数升高至Nkt1。
通常机电耦合系数受到滤波器相对带宽及滚降特性的技术指标限制而需保持不变，因此在掺杂的情况下，需要通过调节比例r来将机电耦合系数恢复到未掺杂的水平。注意到曲线C1有一个最大值，因此对比例r的调节有两种方式，可使比例r从r0缩小到r2或增大至r1。但由于缩小r意味着电极层变薄阻抗增大，从而造成器件损耗上升，因此选择增大比例r至r1。
另一方面，谐振器的频率f受滤波器中心频率技术指标约束而需固定不变。频率f与三明治结构的总体厚度有如下简化关系：
其中D是将电极材料(Mo)等效为压电材料的等效总厚度，具体为D＝2tv1/v2+d，其中，v2是电极材料中纵波声速，v1是压电材料中纵波声速。将公式(1)带入公式(2)中，可以得到：
由于掺杂带来的声速v1降低，同时，r增大，那么若要求频率f不发生变化，那么压电层厚度d应减小。
此外，对谐振器的阻抗也有限制(50欧姆)的技术要求，而阻抗Z与压电层厚度d之间由下式相联系：
其中，ε是压电材料的介电常数，A是谐振器的有效面积，j是表示相位的虚数单位。
当要求阻抗Z不变时，若压电层厚度d变小时，有效面积A也必须变小。
基于以上，可以通过向压电层添加杂质元素使得压电层厚度d变小，从而减小谐振器的有效面积A。
在实施例中，所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥；且掺杂元素的原子分数范围为1％-40％，进一步的，为3％-20％。具体的原子分数可以为1％、3％、6％、20％、30％、40％等。
所述压电层可为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
在本发明中，顶电极和底电极的材料可选但不限于：钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等或以上金属的复合或其合金。
利用上述掺杂的技术方案使得谐振器的面积大幅缩小，进而可以减小滤波器(谐振器作为滤波器的核心器件)的三明治结构的尺寸，从而可以提高三明治结构的刚性。
相应的，本发明也提出了一种用于滤波器的功能基底，设置有空腔，其中：所述空腔内设置有彼此独立的多个支撑突起，所述支撑突起适于支撑滤波器功能器件(例如参见图2和图3的实施例)；或者所述空腔内不存在用于支撑所述功能器件的支撑结构(例如参见图4a-4e的实施例)。
在一个可选的实施例中，所有谐振器均设置于功能基底上；且所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的2/3，进一步的，为1/2。需要指出的是，这里的功能基底的表面的面积为其一个表面的整个面积(包括了过孔以及功能器件所在的面积)。
相应的，本发明也涉及一种滤波器，包括上述的滤波器单元。
本发明也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器单元或者滤波器或者功能基底。需要指出的是，这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (22)
1.一种滤波器单元，包括：
功能基底，设置有空腔；和
功能器件，设置于所述功能基底且包括多个体声波谐振器，所述多个谐振器共用压电层，每个谐振器具有设置于共用压电层的对应部分的两侧的顶电极和底电极，所述顶电极、底电极和共用压电层形成三明治结构，且每个谐振器构成子三明治结构，
其中：
所述子三明治结构与其下方的空腔型声学镜形成对应谐振器的有效区域，所述空腔型声学镜为所述空腔的一部分；
所述三明治结构由所述空腔支撑且至少两个谐振器的空腔型声学镜彼此相通以使得空腔中减少或消除用于支撑包括多个子三明治结构的所述三明治结构的支撑结构，且所述压电层中掺入元素使得谐振器的有效区域的面积缩小而提高三明治结构的刚性。
2.根据权利要求1所述的滤波器单元，其中：
所述三明治结构仅由所述空腔的边缘支撑。
3.根据权利要求2所述的滤波器单元，其中：
所述空腔为大致矩形的形状；
所述三明治结构被所述空腔的两个相对的边缘支撑。
4.根据权利要求3所述的滤波器单元，其中：
所述两个相对的边缘同时支撑最外围的谐振器的底电极和压电层。
5.根据权利要求3或4所述的滤波器单元，其中：
所述功能器件具有用于谐振器的电极引脚；
所述压电层位于所述两个相对的边缘之间且与其间隔开；且
所述三明治结构通过分别设置于所述两个相对的边缘处的电极引脚被支撑在所述两个相对的边缘上。
6.根据权利要求3所述的滤波器单元，其中：
所述压电层的两侧分别支撑在所述两个相对的边缘上。
7.根据权利要求2所述的滤波器单元，其中：
所述三明治结构被所述空腔的相对的边缘支撑；且
在所述滤波器单元的俯视图中，所述三明治结构的至少一部分边缘与所述空腔的边缘之间存在空隙。
8.根据权利要求1所述的滤波器单元，其中：
所述三明治结构仅由设置于空腔中的多个支撑突起支撑。
9.根据权利要求8所述的滤波器单元，其中：
所述多个支撑突起包括与空腔的边缘间隔开的至少一个岛状支撑突起。
10.根据权利要求9所述的滤波器单元，其中：
所述谐振器为多边形谐振器；且
所述岛状支撑突起用于支撑所述多边形谐振器的顶点部分。
11.根据权利要求10所述的滤波器单元，其中：
每一个岛状支撑突起用于同时支撑多个谐振器的顶点部分。
12.根据权利要求9所述的滤波器单元，其中：
所述谐振器为多边形谐振器；且
所述岛状支撑突起用于支撑谐振器的边部分。
13.根据权利要求12所述的滤波器单元，其中：
每一个岛状支撑突起用于同时多个支撑谐振器的边部分。
14.根据权利要求8-13中任一项所述的滤波器单元，其中：
所述多个支撑突起包括自空腔的边缘向空腔径向向内的至少一个半岛状支撑突起。
15.根据权利要求1所述的滤波器单元，其中：
所述三明治结构仅由连接在空腔的边缘之间的支撑条肋支撑。
16.根据权利要求1所述的滤波器单元，其中：
所述三明治结构由所述空腔的边缘、设置于空腔中的至少一个支撑突起、谐振器的电极引脚以及连接在空腔的边缘之间的支撑条肋中的至少两种结构支撑。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的滤波器单元，其中：
所有谐振器均设置于功能基底上，所述滤波器单元具有与功能基底对置的封装基底；且
所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的1/2；或者所述功能器件所位于的功能区域垂直投影到所述封装基底上的区域的面积不大于所述封装基底的表面的面积的2/3。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的滤波器单元，其中：
所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥；且
掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。
19.根据权利要求18所述的滤波器单元，其中：
所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
20.根据权利要求18或19所述的滤波器单元，其中：
掺杂元素的原子分数范围为3％-20％。
21.一种滤波器，包括：
根据权利要求1-20中任一项所述的滤波器单元。
22.一种电子设备，包括根据权利要求1-20中任一项所述的滤波器单元或者根据权利要求21所述的滤波器。
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