CN111989862A

CN111989862A - 电声谐振器、具有增加的可用带宽的rf滤波器和制造电声谐振器的方法

Info

Publication number: CN111989862A
Application number: CN201980026564.3A
Authority: CN
Inventors: C·许克; M·迈尔
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2020-11-24
Also published as: DE102018109346B4; DE102018109346A1; WO2019201526A1; US20210159885A1

Abstract

提供了一种电声谐振器(EAR)，其允许在较宽频率范围内抑制横向模式的RF滤波器，以及提供了相应的RF滤波器和方法。谐振器具有压电材料上的电极结构(BB，EF)和横向声波导。波导具有中心激励区域(CEA)、陷阱条(TP)和屏障条(B)。中心激励区域与屏障条之间的波速的差(|VCEA‑VB|)确定了被抑制的横向模式的频率范围。

Description

电声谐振器、具有增加的可用带宽的RF滤波器和制造电声谐振器的方法

技术领域

本发明涉及电声谐振器、例如用于移动通信设备的RF滤波器，涉及具有增加的可用带宽的RF滤波器，并且涉及制造这种谐振器的方法。

背景技术

电声谐振器利用声波并且具有压电材料和附接到压电材料的电极结构。电声谐振器可以组合以构建RF滤波器，用于从不需要的RF信号中选择需要的RF信号。RF滤波器的性能取决于电声谐振器的性能。期望的是，RF滤波器在通带内具有低插入损耗，并且在通带外具有高插入衰减。此外，优选地，通带与高衰减的频率范围之间的通带裙部在频率范围之间具有陡峭的过渡。

SAW谐振器(SAW＝表面声波)建立了一种类型的电声谐振器。SAW谐振器具有叉指梳状电极结构，该电极结构具有连接到两个相对的汇流排中的一个汇流排上的电极指，以在RF信号与声波之间转换。所需的波模式沿着纵向方向传播，该纵向方向在相应压电材料的表面内定向并且主要垂直于电极指的延伸方向。相应地，电极指朝向横向方向延伸。尽管所需的波模式沿着纵向方向传播，但是由于波衍射，声波可能在偏离纵向方向的方向上传播。这可能导致横向模式降低谐振器的性能。

为了减少由于在横向方向上发射声波而引起的损耗(即，为了减少横向损耗)，可以建立声波导。通常，通过在压电材料表面提供影响在表面的声波传播的特征，例如横向间隙，来建立声波导。然而由于波衍射，被建立以减少横向损耗的声波导可能导致产生横向模式。

当采用活塞模式时，可以减少或消除横向模式。从US 2013/0051588 A中已知用于建立活塞模式的技术手段：在横向方向上声速轮廓的产生支持活塞模式的激发。

然而，US 2013/0051588 A1中所述的手段被发现仅在特定频率范围内有效。

针对无线通信系统使用越来越多的频率范围和不断增加的带宽，该趋势需要提供具有更宽带宽的带通滤波器的RF滤波器。

因此，进一步期望具有一种RF滤波器，其提供具有增加的带宽而没有明显纹波的通带。

另一种用于最小化横向模式的手段是孔径加权。然而，孔径加权并不能消除横向模式，而仅仅抹去横向模式。

此外，可以使用倾斜的声学轨迹。然而，使用倾斜的声学轨迹也导致横向模式，横向模式的影响仅仅被抹去，但是没有被消除。

发明内容

相应地，目的是提供一种具有良好滤波器性能、具有减少或消除的横向模式以及具有增加的带宽的RF滤波器。此外，还需要用于建立这种滤波器的相应的电声谐振器。

为此，提供了根据独立权利要求所述的电声谐振器、RF滤波器和制造电声谐振器的方法。从属权利要求提供了优选实施例。

这种电声谐振器允许带通滤波器具有增加的带宽而没有通带纹波，该电声谐振器包括压电材料和压电材料上的电极结构。此外，谐振器具有横向声波导，该横向声波导具有中心激励区域、位于中心激励区域侧面的陷阱条和位于陷阱条侧面的屏障条。

谐振器在中心激励区域具有波速VCEA、在陷阱条中具有波速VTP、并且在屏障条中具有波速VB。

对于横向模式抑制的给定的频率带宽Δf、速度差ΔV＝abs(VB-VCEA)和波长，适用以下：

0.5≤ΔV/(Δf*λ)≤1.5

其中ΔV＝abs(VB–VCEA)。

另外，可能的是，0.9≤ΔV/(Δf*λ)≤1.1或者ΔV/(Δf*λ)＝1。

在凸慢度的情况下，横向模式在要求VB＞VCEA的谐振频率以上出现，而在凹慢度的情况下，横向模式在要求VB＜VCEA的谐振频率以下出现。

相应地，对于凸慢度和凹慢度，以下条件

0.5≤ΔV/(Δf*λ)≤1.5

决定所需的速度差ΔV，以获得横向模式抑制的特定频率带宽Δf。

在电声谐振器中，陷阱条表示沿着纵向方向延伸的区域，该区域与沿着纵向延伸并且相邻于陷阱条布置的区域相邻。因此，一个陷阱条布置在一个屏障条与中心激励区域之间。另一个陷阱条在声轨的另一侧上布置在另一个屏障条与中心激励区域之间。两个屏障条被汇流排的区域终止。

因此，提供了横向速度轮廓，横向速度轮廓允许增加的带宽而没有横向模式，这归因于分别在中心激励区域中和在屏障条中的速度的增加的速度差。

例如在US 2013/0051588 A1中定义了术语“凹慢度”和“凸慢度”。特别地，慢度的类型取决于各向异性因子。如果各向异性因子γ大于-1，则慢度是凸慢度。如果各向异性因子γ小于-1，则慢度是凹慢度。也在US 2013/0051588 A1中定义了各向异性因子γ。

因此，对于给定的期望带宽，上述方程限定了针对不同类型衬底在中心激励区域中的速度和屏障条中的速度之间的必要速度差。

相应地，可以建立基于这种谐振器的RF滤波器，其中可以定制带宽，使得可以符合当前或未来的带宽要求。

在这种情况下，相应的带宽Δf限定了频率范围的宽度，在该频率范围中，由横向模式引起的干扰不仅被抹去或减少而且还被消除。

可能的是，ηCEA是中心激励区域中的金属化比，ηTP是陷阱条中的金属化比和/或ηB是屏障条中的金属化比。所选择的ηCEA、ηTP和/或ηB的不同值的数量可以是1、2或3。

特别地，可能的是，ηTP≠ηCEA。

叉指梳状电极结构的金属化比η由以下比例定义：指宽度/(指宽度加上与相邻指的距离)。较高的金属化比η意味着对于相邻电极指的中心之间的给定距离而言，电极指较厚(它们沿纵向方向的范围较大)。较大的金属化比通常导致压电材料上的电极结构的较大质量负载。

通常，声速取决于布置在压电材料上的材料的质量负载和刚度参数。质量负载增加可以导致声速降低或增加。沉积在压电材料上的具有较高刚度参数(例如杨氏模量)的物质通常导致波速增加。在质量负载相对于刚度影响占优势的特定质量负载下，进一步增加质量负载降低了波速。

因此，通常存在两种用于局部调节沿纵向传播的声波的波速的手段：增加或减少布置在压电材料上的物质的局部质量负载并减少或增加布置在压电材料上的物质的刚度参数。

相应地，改变中心激励区域中、陷阱条中和/或屏障条中的金属化比提供的可能性是：尤其是相对于中心激励区域，减少或增加每个区域中的波速和相对于彼此的波速。因此，可以提供的波导在陷阱条和/或屏障条中具有相对于中心激励区域的速度减小或增加的声速。

可能的是，谐振器包括沉积在中心激励区域中、在陷阱条的区域中和/或在屏障条的区域中的电介质材料。

提供电介质材料是局部改变质量负载和局部改变刚度参数的手段。

根据相应层的厚度和层材料的刚度参数以及材料的密度，可以操纵三个速度区域中的声速，从而可以获得纵向速度的优选的横向轮廓。

可能的是，电介质材料包括氮化硅(诸如Si₃N₄)、氧化硅(诸如二氧化硅，诸如SiO₂)和/或氧化铝(例如Al₂O₃)、氧化铪(例如HfO₂)或其掺杂形式。

氮化硅具有高刚度参数。因此，沉积在声轨区域中的氮化硅通常增加波速，直到达到特定厚度。

可能的是，电极结构的高度在中心激励区域中是hCEA、在陷阱条区域中是hTP、并且在屏障条区域中是hB。

选自hCEA、hTP和hB的不同值的数量可以是1、2或3。

特别地，可能的是，hCEA≠hTP，hCEA≠hB和/或hTP≠hB。

而且，可能的是，hCEA＝hTP和/或hCEA＝hB和/或hTP＝hB。

中心激励区域中的高度可以不同于陷阱条中的高度。中心激励区域中的高度可以不同于屏障条中的高度。此外，陷阱条中的高度可以不同于屏障条中的高度。

如上所述，电极结构的不同高度在相应区域中提供不同的质量负载。在相应区域中的不同质量负载可以用于增加对定制的横向速度轮廓的相应贡献。

这种横向速度轮廓可以用在谐振器中以建立活塞模式。相应地，提供了一种能够以活塞模式工作的谐振器。

在US 2013/0051588A1中包含了活塞模式的定义。

可能的是，压电材料包括钽酸锂(LiTaO₃)、铌酸锂(LiNbO₃)、石英或硅酸镧镓。硅酸镧镓的材料也称为蓝克赛(langasites)。

硅酸镧镓具有化学式A₃BC₃D₂O₁₄。A、B、C和D表示特定的阳离子位。

谐振器的压电材料是具有凸慢度还是凹慢度取决于几个参数，例如材料的成分、切角。

可能的是，压电材料选自压电衬底、压电单晶衬底板、薄膜。可以利用薄膜沉积技术或薄膜衬底技术，例如称为“智能切割”的转移技术，来提供薄膜。

可以建立包括一个或多个如上所述的谐振器的RF滤波器。

可以以类似梯型的配置提供谐振器。因此，串联谐振器可以在信号路径中串联电连接。并联谐振器可以在将信号路径电连接到地的并联路径中电连接。类似梯型的配置可以具有两个或更多个的多个类似梯型的元件，这些元件沿着信号方向级联。每个元件具有在信号路径中的串联谐振器和在并联路径中的并联谐振器。

如果串联谐振器的谐振频率主要等于并联谐振器的反谐振频率，则可以分别获得带通滤波器和带阻滤波器，反之亦然。

一种用于制造电声谐振器的方法可以包括以下步骤：

-定义横向模式抑制的带宽Δf，

-提供压电材料，

-在压电材料上沉积电极结构，并且在压电材料的表面上形成用于表面声波的横向声波导，该波导具有中心激励区域，

其中

-波导在中心激励区域中提供波速VCEA，

-波导在中心激励区域侧面的陷阱条中提供波速VTP，

-波导在陷阱条侧面的屏障条中提供波速VB。

对于横向模式抑制的给定的频率带宽Δf，选择VB和VCES，使得

0.5≤ΔV/(Δf*λ)≤1.5

其中ΔV＝abs(VB-VCEA)并且λ是谐振器的波长。

可能的是，对于带宽的每个额外的兆赫兹，使声速差abs(VB–VCEA)增加2m/s。因此，对于200MHz的带宽，需要400m/s的速度差。对于400MHz的带宽，需要800m/s的速度差。对于600MHz的带宽，需要1200m/s的速度差。因此，例如对于具有节距p＝λ/2的换能器结构，期望带宽和必要速度差具有线性关系。

在所附示意图中描述了谐振器的中心方面和优选实施例的细节。

附图说明

在图中：

图1示出了谐振器的几何布置以及谐振器的几何布置与横向速度轮廓之间的对应关系的基本概图；

图2示出了在指端部使用局部增加的指宽度；

图3示出了局部不同金属化高度的使用；

图4示出了沉积在电极结构上的电介质材料的使用；

图5示出了速度差与可获得的频率带宽之间的线性关系；

图6示出了在窄频率带宽中横向模式的抑制；

图7示出了在宽频率带宽中横向模式的抑制。

具体实施方式

图1的底部示出了电声谐振器EAR的沿着垂直于横向方向Y的纵向方向LD延伸的节段。电声谐振器EAR具有两个汇流排BB和一些电极指EF。每个电极指EF电连接到两个汇流排BB中的一个汇流排。在中心激励区域CEA中，电极指在RF信号和声波之间转换。中心激励区域CEA的侧面是两个陷阱条TP。中心激励区域CEA和陷阱条TP沿纵向方向LD延伸，并且彼此相邻地布置。此外，陷阱条TP的侧面是屏障条B，屏障条也沿着纵向方向LD延伸。在陷阱条TP中，电极指EF的指端部是电声活动的，并且在RF信号与声波之间的转换过程中发生。

在每个屏障条B中，仅存在电极指EF的电连接到一个汇流排BB的指节段。因此，在屏障条B的区域中，没有声波被激发。

中心激励区域CEA中的波速是VCEA。在陷阱条TP中的波速是VTP。在屏障条B中的波速是VB。中心激励区域CEA中和屏障条B中的波速的差ΔV分别是ΔV＝abs(VB-VCEA)。在此，函数abs表示差的绝对值。

已经发现，当根据上述方程增加ΔV时，可以在增加的频率范围内获得横向模式的抑制。当ΔV增加时，发现优选的是减小陷阱条的宽度和速度，以建立具有增加带宽的活塞模式。陷阱条的宽度表示为WTP。中心激励区域CEA的宽度在图1中表示为WCEA。

如上所述，图1的上部所示的速度轮廓通过应用用于局部地增加或减小波速的手段而获得。可以通过操纵沉积在压电材料上的物质的刚度参数和通过操纵压电材料上的质量负载来操纵波速。

图2示出了在电极指EF的相应指端部FE处增加指宽度的可能性。为此，指端部延伸部FEE可以附接到指端部FE以增加指在纵向方向上的延伸部，从而引起指端部区域中的更大金属化比。

指端部延伸部建立了操纵陷阱条中的波速的手段。增加的指宽度与用于沉积和结构化电极结构材料的传统手段兼容。

指端部延伸部的材料可以等同于电极指EF的材料。然而，可能的是，指端部延伸部的材料不同于电极指的材料。

指端部延伸部建立了可应用于谐振器的侧表面平面的手段。

相比之下，图3示出了局部地增加或减小电极指的金属化高度的可能性。因此，图3示出了在正交于侧表面平面的方向上起作用的手段。可以去除指端部FE的材料以减小高度方向上的厚度。然而，还可能的是，在指端部FE上添加另外的物质以增加质量负载和/或操纵陷阱条中的刚度参数。

相应添加的节段的材料可以等同于电极指EF的材料。然而，还可能的是，材料不同。

图4示出了在屏障条B中提供附加材料的可能性。附加材料可以被提供为沿着纵向方向延伸的单个条。为了避免电极指的短路，优选的是，电介质材料具有必要的介电常数和低电导率。

附加的电介质材料增加了在屏障条中的局部质量负载。

根据电介质材料的刚度参数，可以增加或减小局部波速。

可以组合上面解释的和在图中示出的用于操纵汇流排之间的局部波速的技术手段，以获得定制的横向速度轮廓。然而，还可能的是，实现一些所示的用于调节波速的措施，而其它措施没有实现。

对于具有节距p＝λ/2的换能器结构的屏障条中的速度VB与中心激励区域中的速度VCEA之间的声速的必要差为ΔV＝abs(VB-VCEA)，图5示出了横向模式抑制的期望频率带宽Δf与该必要差之间的线性关系。

图6示出了谐振器的复导纳Y的频率相关实部，其中横向模式在较低声速差ΔV下被抑制在相当窄的频率范围Δf内。

相比之下，图7示出了谐振器的复导纳的实部，其中在屏障条中的速度和在陷阱条中的速度之间的声速差ΔV更高并且被调节，以便获得更宽的频率范围Δf，而没有横向模式的激励。

谐振器、滤波器和用于制造谐振器的方法不限于上面描述的和附图中示出的技术细节。在声轨中，沿着纵向方向延伸的具有特定波速的另外的条和沿着横向方向具有更多速度截面的对应的横向速度轮廓是可能的。

Claims

1.一种电声谐振器，用于具有增加的带宽的带通滤波器，所述谐振器包括：

-压电材料，

-在所述压电材料上的电极结构，

-横向声波导，所述横向声波导具有中心激励区域、位于所述中心激励区域侧面的陷阱条和位于所述陷阱条侧面的屏障条，

其中

-在所述中心激励区域中的波速是VCEA，

-在所述陷阱条中的波速是VTP，

-在所述屏障条中的波速是VB，

并且对于期望的带宽Δf，0.5≤ΔV/(Δf*λ)≤1.5，

并且ΔV＝abs(VB-VCEA)。

2.根据前一项权利要求所述的谐振器，其中

0.9≤ΔV/(Δf*λ)≤1.1，或者

ΔV/(Δf*λ)＝1。

3.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，其中

-在凸慢度的情况下：VB＞VCEA，以及

-在凹慢度的情况下：VB＜VCEA。

4.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，其中ηCEA是所述中心激励区域中的金属化比，ηTP是所述陷阱条中的金属化比和/或ηB是所述屏障条中的金属化比，

以及

-所选择的ηCEA、ηTP和/或ηB的不同值的数量是1、2或3。

5.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，其中ηCEA是所述中心激励区域中的金属化比，ηTP是所述陷阱条中的金属化比，并且ηTP≠ηCEA。

6.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，进一步包括电介质材料，所述电介质材料沉积在所述中心激励区域中、所述陷阱条的区域中和/或所述屏障条的区域中。

7.根据前一项权利要求所述的谐振器，其中所述电介质材料包括：氮化硅，诸如Si₃N₄；氧化硅，诸如二氧化硅、诸如SiO₂；和/或氧化铝，例如Al₂O₃；氧化铪，例如HfO2；或其掺杂形式。

8.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，其中

-所述电极结构的高度在所述中心激励区域中是hCEA、在所述陷阱条的区域中是hTP、并且在所述屏障条的区域中是hB，以及

-选自hCEA、hTP和hB的不同值的数量是1、2或3。

9.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，其中所述电极结构的高度在所述中心激励区域中是hCEA、在所述陷阱条的区域中是hTP、并且在所述屏障条的区域中是hB，

其中hCEA≠hTP、hCEA≠hB和/或hTP≠hB。

10.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，所述谐振器能够以活塞模式工作。

11.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，其中所述压电材料包括LiTaO₃、LiNbO₃、石英或硅酸镧镓。

12.根据前述权利要求中的一项所述的谐振器，其中所述压电材料选自压电衬底、压电单晶衬底、薄膜。

13.一种RF滤波器，包括一个或多个根据前述权利要求中的一项所述的谐振器。

14.一种用于制造电声谐振器的方法，包括以下步骤：

-定义横向模式抑制的带宽Δf，

-提供压电材料，

-在所述压电材料上沉积电极结构，并且在所述压电材料的表面上形成用于表面声波的横向声波导，所述波导具有中心激励区域，其中

-所述波导在所述中心激励区域中提供波速VCEA，

-所述波导在所述中心激励区域的侧面的陷阱条中提供波速VTP，

-所述波导在所述陷阱条的侧面的屏障条中提供波速VB，

其中

-对于横向模式抑制的给定的频率带宽Δf，选择VB和VCES，使得

0.5≤ΔV/(Δf*λ)≤1.5，

并且ΔV＝abs(VB-VCEA)，并且

λ是所述谐振器的波长。