CN112737541B - 一种tc-saw谐振器、制作方法和滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种TC‑SAW谐振器、制作方法和滤波器，TC‑SAW谐振器包括：单晶补偿衬底、设置在单晶补偿衬底上的单晶压电材料层和设置在单晶压电材料层上的叉指换能器；单晶压电材料层为10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂；单晶压电材料的厚度为0.05λ～1λ，λ为声表面波波长；单晶补偿衬底为正温度系数的石英材料；具有更低温度系数要求和更高机电耦合系数，进一步提升Q值。

Description

一种TC-SAW谐振器、制作方法和滤波器
技术领域
本发明涉及声表面技术领域，具体涉及一种温度补偿型TC-SAW谐振器、制作方法和滤波器。
背景技术
随着5G技术的发展，频段数目的增加，中、低波段的带宽非常拥挤，智能终端迫切需要插损更小、选择性更好的滤波器。传统的中、低波段滤波器通常采用漏表面波滤波器，构成该滤波器的SAW谐振器通常Q值在1000以下，为满足小插损、高选择性的要求，弥补漏表面波的传波损耗大造成的Q值低的问题，一种方法是采用上温补的二氧化硅薄膜表面沉积技术，补偿负温度系数的钽酸锂压电材料；另一种方法是采用下温补的键合片技术，降低钽酸锂压电材料的热膨胀系数，实现温度补偿，两种方法的谐振单元的Q值一般在1000～1500之间，满足了部分高性能滤波器的要求；但是进一步提升Q值，提供面向不同性能需求的滤波器是急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种TC-SAW谐振器、制作方法和滤波器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种TC-SAW谐振器，所述TC-SAW谐振器包括：单晶补偿衬底、设置在所述单晶补偿衬底上的单晶压电材料层和设置在所述单晶压电材料层上的叉指换能器；
所述单晶压电材料层为10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂；所述单晶压电材料层的厚度为0.05λ～1λ，λ为声表面波波长；
所述单晶补偿衬底为正温度系数的单晶石英材料。
本发明的有益效果是：单晶压电材料层采用负温度系数的钽酸锂或铌酸锂，衬底采用正温度系数的单晶石英衬底，用以补偿负温度系数的单晶压电材料，同时根据不同的机电耦合系数和温度系数要求可以有不同的切型，单晶压电材料层具体选用10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂和厚度0.05λ～1λ，具有更低温度系数要求和更高机电耦合系数，进一步提升Q值。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述单晶补偿衬底的厚度大于20λ。
采用上述进一步方案的有益效果是：在保持TC-SAW谐振器的厚度情况下，进一步提高TC-SAW谐振器的谐振频率。
进一步，所述单晶补偿衬底相对单晶压电材料层的表面粗糙度在1nm以内。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过单晶补偿衬底上表面粗糙度在1nm以内，获得光亮、平整表面，提升TC-SAW谐振器的性能。
进一步，所述叉指换能器包括切指加权结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过切指加权结构保证良好的杂波抑制。
进一步，所述单晶石英材料的欧拉角为(0，a，0)，a为40～60°或145～175°。
采用上述进一步方案的有益效果是：选用石英材料的欧拉角为(0，a，0)，a为40～60°或145～175°结合单晶压电材料包括10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂；所述单晶压电材料的厚度包括0.05λ～1λ，λ为声表面波波长，可以将Q值进一步提升到2000～3000，阻抗率也大幅度提升。
进一步，所述单晶石英材料的欧拉角为(0，b，90)，b为0～30°或130～180°。
采用上述进一步方案的有益效果是：选用单晶石英材料的欧拉角为(0，b，90)，b为0～30°或130～180°结合单晶压电材料为10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂；所述单晶压电材料的厚度为0.05λ～1λ，λ为声表面波波长，可以将Q值进一步提升到2000～3000，阻抗率也大幅度提升。
为了解决上述问题，本发明还提供一种如上所述TC-SAW谐振器的制作方法，所述制作方法包括：
S1、对单晶补偿衬底单面抛光后清洗，并对单晶压电材料层单面抛光；
S2、将所述单晶补偿衬底和所述单晶压电材料层抛光的单面进行晶晶键合；
S3、将所述单晶压电材料层进行晶元减薄；
S4、在所述单晶压电材料层相对单晶补偿衬底的另一侧表面上制作叉指换能器。
进一步，在S3之后，在S4之前包括：
将单晶压电材料层相对单晶补偿衬底的另一侧表面抛光。
为了解决上述问题，本发明还提供一种滤波器，该滤波器包括如上所述的TC-SAW谐振器。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种TC-SAW谐振器的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种叉指换能器的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的另一种叉指换能器的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的TC-SAW谐振器的制作方法的流程图；
图5为本发明实施例2提供的一种TC-SAW谐振器仿真结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种TC-SAW谐振器，TC-SAW谐振器包括：单晶补偿衬底1、设置在单晶补偿衬底1上的单晶压电材料层2和设置在单晶压电材料层2上的叉指换能器3(IDT)；整个谐振器的工作方式是，当IDT上加上一定频率的交变电压后，该频率会与复合结构固有频率发生共振，产生表面波，从而在外加交变电压的驱动下，复合基板形成与外加电压频率一致的受迫振动；由于采用叉指换能器3结构，激发的声表面波在谐振器内部来回反射，形成谐振器。
其中，单晶压电材料层2为10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂；单晶压电材料层2的厚度为0.05λ～1λ，λ为声表面波波长；
单晶补偿衬底1为正温度系数的石英材料。
在本实施例中，单晶压电材料层采用负温度系数的钽酸锂或铌酸锂，衬底采用正温度系数的单晶石英材料，用以补偿负温度系数的单晶压电材料层，同时根据不同的机电耦合系数和温度系数要求可以有不同的切型，单晶压电材料层具体选用10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂，厚度为0.05λ～1λ，具有更低温度系数要求和更高机电耦合系数，进一步提升Q值。
在本实施例中，单晶补偿衬底1是单晶材料制作的衬底，具体选用正温度系数的单晶石英材料，频率不同厚度不同，频率越高，厚度越薄，较优的，单晶补偿衬底的厚度大于20λ。
在本实施例中，为了保证单晶补偿衬底1表面抛光或者具有一定的平整度要求，单晶补偿衬底1相对单晶压电材料层的表面粗糙度需要控制在1nm以内。
为保证高性能的要求，本实施例中的单晶石英材料可以为单旋转或双旋转切型的石英，进一步需要考虑该单晶石英材料上的传播模式及其机电耦合系数大小，例如选用同时满足温度系数要求和机电耦合系数要求的典型切型，该单晶石英材料的欧拉角为(0，a，0),a为40～60°或者145～175°；或单晶石英材料的欧拉角为(0，b，90)，b为0～30°或者130～180°，a或b的具体度数值可以根据实际情况进行灵活调整。
如图2所示，在本实施例中的叉指换能器3(IDT)，采用交叉排列的指条阵列；如图3所示，为保证良好的杂波抑制，可采用一定的切指加权结构。
在本实施例一个更加具体的技术方案中，TC-SAW谐振器包括：单晶补偿衬底1、设置在单晶补偿衬底1上的单晶压电材料层2和设置在单晶压电材料层2上的叉指换能器3，单晶压电材料层2为50°Y切铌酸锂，单晶压电材料层2的厚度为0.5λ，λ为声表面波波长，单晶补偿衬底1的欧拉角为(0，50°，0)，单晶补偿衬底1的厚度为22λ，单晶补偿衬底1上表面粗糙度在0.8nm，叉指换能器3采用切指加权结构。
实施例2
在本实施例中，提供一种实施例1中的TC-SAW谐振器的制作方法，如图4所示，
S1、对单晶补偿衬底1单面抛光后清洗，并对单晶压电材料层2单面抛光；
S2、将单晶补偿衬底1和单晶压电材料层抛光的单面2进行晶晶键合；
S3、将单晶压电材料层2进行晶元减薄；
S4、在单晶压电材料层2相对单晶补偿衬底的另一侧表面上制作叉指换能器3。
在本实施例中，在S3之后，在S4之前包括：将单晶压电材料层2相对单晶补偿衬底的另一侧表抛光。
在本实施例中，可采用化学机械抛光，通过抛光降低使单晶补偿衬底1或单晶压电材料2表面粗糙度，以获得光亮、平整表面。
在本实施例一个更加具体的技术方案中，采用化学机械对由ST切石英材料制作的单晶补偿衬底单面抛光后清洗，抛光后的单晶压电材料层的表面粗糙度在1nm以内，且厚度300μm；采用化学机械对由10～60°Y切LiTaO3制作的单晶压电材料层单面抛光，将单晶补偿衬底和单晶压电材料层抛光的单面进行晶晶键合，然后将单晶压电材料层进行晶元减薄后，将单晶压电材料层相对单晶补偿衬底的另一侧表面抛光，抛光后的单晶压电材料层的厚度为1μm，在单晶压电材料层相对单晶补偿衬底的另一侧表面上制作叉指换能器，叉指换能器周期为7.8μm，得到TC-SAW谐振器，其谐振器仿真性能如图5所示，可以看出谐振器的谐振频率和反谐振频率为446MHz和468MHz左右，可以计算出机电耦合系数可达11.1％，谐振频率和反谐振频率的Q值Qr和Qa分别为2655、2780；阻抗率达到85dB以上，相比该频段其他方法，谐振器Q值大幅度提升，阻抗率也大幅度提升。
本实施例还提供一种滤波器，该滤波器包括TC-SAW谐振器，TC-SAW谐振器包括单晶压电材料层2、单晶补偿衬底1和叉指换能器3。
在上述实施例的基础上，还可以进行以下改进：
单晶补偿衬底1的厚度大于20λ；单晶补偿衬底的厚度根据频率不同而不同，通过将总体厚度设置在20λ以上，在保证TC-SAW谐振器的厚度情况下，进一步提高TC-SAW谐振器的谐振频率；
单晶补偿衬底1上表面粗糙度在1nm以内；通过将单晶补偿衬底1上表面粗糙度控制在1nm以内，获得光亮、平整表面的单晶补偿衬底，提升TC-SAW谐振器的性能。
叉指换能器3包括切指加权结构，采用切指加权结构的叉指换能器，以保证良好的杂波抑制。
值得注意的是，石英材料的欧拉角为(0，a，0)，a为40～60°或145～175°，或石英材料的欧拉角为(0，b，90)，b为0～30°或130～180°。选用欧拉角为(0，a，0)的石英材料，a为40～60°或145～175°；或选用欧拉角为(0，b，90)的石英材料，b为0～30°或130～180°，结合厚度为0.05λ～1λ、10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂的单晶压电材料层；可以将Q值进一步提升到2000～3000，相当于现有温度系数为-20ppm/℃谐振器，本实施例中的TC-SAW谐振器的温度系数也可以降低在-10ppm/℃以内，阻抗率也大幅度提升。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种TC-SAW谐振器，其特征在于，所述TC-SAW谐振器包括：单晶补偿衬底、设置在所述单晶补偿衬底上的单晶压电材料层和设置在所述单晶压电材料层上的叉指换能器；
所述单晶压电材料层为10～60°Y切钽酸锂或者0～70°Y切铌酸锂；所述单晶压电材料层的厚度为0.05λ～1λ，λ为声表面波波长；
所述单晶补偿衬底为正温度系数的单晶石英材料；
所述单晶石英材料的欧拉角为(0，a，0)，a为40～60°或145～175°；
所述单晶石英材料的欧拉角为(0，b，90)，b为0～30°或130～180°。
2.根据权利要求1所述的TC-SAW谐振器，其特征在于，所述单晶补偿衬底的厚度大于20λ。
3.根据权利要求1所述的TC-SAW谐振器，其特征在于，所述单晶补偿衬底相对单晶压电材料层的表面粗糙度在1nm以内。
4.根据权利要求1所述的TC-SAW谐振器，其特征在于，所述叉指换能器包括切指加权结构。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述TC-SAW谐振器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
S1、对单晶补偿衬底单面抛光后清洗，并对单晶压电材料层单面抛光；
S2、将所述单晶补偿衬底和所述单晶压电材料层抛光的单面进行晶晶键合；
S3、将所述单晶压电材料层进行晶元减薄；
S4、在所述单晶压电材料层相对单晶补偿衬底的另一侧表面上制作叉指换能器。
6.根据权利要求5所述的TC-SAW谐振器的制作方法，其特征在于，在S3之后，在S4之前包括：
将单晶压电材料层相对单晶补偿衬底的另一侧表面抛光。
7.一种滤波器，其特征在于，所述滤波器包括根据权利要求1-4任一项所述的TC-SAW谐振器。
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