CN113098432A - 一种声表面波谐振器和射频滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种声表面波谐振器和射频滤波器，该声表面波谐振器包括：衬底；位于衬底上的压电层；电极层位于压电层远离衬底的一侧；电极层包括叉指式换能器，叉指式换能器包括：第一汇流条和交替排布连接至第一汇流条的第一电极指和第一虚设电极指；第二汇流条和交替排布连接至第二汇流条的第二电极指和第二虚设电极指；第一电极指和第二虚设电极指相对设置，第一电极指和第二虚设电极之间具有第一间隙，第二电极指和第一虚设电极指相对设置，第二电极指和第一虚设电极之间具有第二间隙；其中，各第一间隙沿第一方向排布，各第二间隙沿第一方向排布。本发明实施例提供的声表面波谐振器和射频滤波器，可以使横向模式波纹得到有效的抑制。

Description

一种声表面波谐振器和射频滤波器

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种声表面波谐振器和射频滤波器。

背景技术

随着通信技术从2G发展至5G，通信频段数目逐步增加(从2G的4个频段上升到5G的50余个频段)。为了提高智能手机对不同通信制式的兼容能力，5G智能手机所需要的滤波器用量将显著上升，推动滤波器市场大规模增长。目前无线通信终端中广泛应用的射频滤波器是声表面波滤波器，负责接收和发射通道的射频信号，将输入的多种射频信号中特定频率的信号输出。同时，随着移动通讯技术的持续发展和射频前端模组化发展，市场对滤波器的需求趋向复杂化，高端化，小型化。

基于单晶压电钽酸锂衬底的声表面波器件已广泛应用于射频滤波器，受限于单晶压电材料的Q值和高频率温度系数，已难满足射频前端芯片的要求。

仍然采用传统设计的声表面波谐振器和射频滤波器在实际应用中会出现很强的横向模式波纹，通带杂波严重，导致整体器件性能的恶化。

发明内容

本发明实施例提供的声表面波谐振器和射频滤波器，可以使横向模式波纹得到有效的抑制。

第一方面，本发明实施例提供一种声表面波谐振器，该声表面波谐振器包括：衬底；

位于所述衬底上的压电层；

电极层，所述电极层位于所述压电层远离所述衬底的一侧；

所述电极层包括叉指式换能器，所述叉指式换能器包括：第一汇流条和交替排布连接至所述第一汇流条的第一电极指和第一虚设电极指；第二汇流条和交替排布连接至所述第二汇流条的第二电极指和第二虚设电极指；所述第一电极指和所述第二虚设电极指相对设置，所述第一电极指和所述第二虚设电极之间具有第一间隙，所述第二电极指和所述第一虚设电极指相对设置，所述第二电极指和所述第一虚设电极之间具有第二间隙；

其中，各所述第一间隙沿第一方向排布，各所述第二间隙沿所述第一方向排布，所述第一方向与第二方向的夹角范围为2°～15°，在与所述压电层的平面平行的方向上，所述第二方向与所述第一电极指的长度方向垂直。

可选的，所述第一电极指和所述第二电极指均包括主体和与所述主体一体连接的端头，所述第一电极指的所述端头位于所述第一电极指的主体远离所述第一汇流条的一侧，所述第二电极指的所述端头位于所述第二电极指的主体远离所述第二汇流条的一侧；

所述第一虚设电极指和所述第二虚设电极指均包括主体和与所述主体一体连接的端头，所述第一虚设电极指的所述端头位于所述第一虚设电极指的主体远离所述第一汇流条的一侧，所述第二虚设电极指的所述端头位于所述第二虚设电极指的主体远离所述第二汇流条的一侧；

在第二方向上，所述端头的宽度大于所述主体的宽度。

可选的，在第二方向上，所述端头的宽度为所述主体的宽度的1.2倍～1.8倍。

可选的，沿所述第一电极指的长度方向上，所述端头的长度为叉指式换能器波长的0.3～0.7倍。

可选的，所述第一电极指上的端头与所述第二虚设电极指上的端头相对设置；

所述第二电极指上的端头与所述第一虚设电极指上的端头相对设置。

可选的，所述电极层还包括反射栅结构；

所述反射栅结构包括第三汇流条、第四汇流条和多条反射栅；

所述第三汇流条与所述第四汇流条平行设置；

所述反射栅的第一端与所述第三汇流条连接，所述反射栅的第二端与所述第四汇流条连接；

沿所述第一汇流条的长度方向上，所述反射栅结构位于所述叉指式换能器的两侧；

所述第三汇流条与所述反射栅垂直且所述第三汇流条与所述第一方向的夹角范围为2°～15°或者所述第三汇流条与所述反射栅的夹角范围为75°～88°且所述第三汇流条的长度方向与所述第一方向平行。

可选的，沿所述第一电极指的长度方向上，所述第一虚设电极指的长度为叉指式换能器波长的0.5～1.5倍；

所述叉指式换能器的孔径为所述叉指式换能器波长的9～40倍。

可选的，所述压电层的压电材料包括定位边，所述压电材料的定位边平行于所述第一电极指、所述第二电极指、所述第一虚设电极指和所述第二虚设电极指。

可选的，本发明实施例提供的声表面波谐振器还包括能量陷阱层，所述能量陷阱层位于所述衬底和所述压电层之间；

第一介质层，所述第一介质层位于所述能量陷阱层和所述压电层之间；

第二介质层，所述第二介质层位于所述电极层远离所述压电层的一侧，并覆盖所述电极层。

第二方面，本发明实施例还提供了一种射频滤波器，该射频滤波器包括本发明任意实施例提供的所述的声表面波谐振器。

本发明实施例提供的声表面波谐振器，通过改变第一方向与第二方向之间的夹角来调节横向模式波纹，改变第一方向与第二方向的夹角时，始终保持第一汇流条与第二汇流条平行，第一间隙的排布方向与第二间隙的排布方向始终与第一方向平行，当第一方向与第二方向的夹角范围在2°～15°时，横向模式波纹就可以得到有效的抑制。本发明实施例提供的声表面波谐振器，可以使横向模式波纹得到有效的抑制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的叉指式换能器的结构示意图；

图3为第一方向与第二方向的夹角不同的叉指式换能器的结构示意图；

图4为现有技术中声表面波谐振器的实测结果示意图；

图5为本发明实施例提供的声表面波谐振器的实测结果示意图；

图6为本发明实施例提供的声表面波谐振器在不同角度下的导纳实部的实测结果示意图；

图7为本发明实施例提供的声表面波谐振器在不同角度下的导纳幅值的实测结果示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种叉指式换能器的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种电极层的俯视结构示意图；

图10为本发明实施例提供的又一种电极层的俯视结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非对本发明实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的结构示意图，图2为本发明实施例提供的叉指式换能器的结构示意图，参考图1和图2，该声表面波谐振器包括：衬底110；位于衬底110上的压电层120；电极层130，电极层130位于压电层120远离衬底110的一侧；电极层130包括叉指式换能器131，叉指式换能器131包括：第一汇流条10和交替排布连接至第一汇流条10的第一电极指20和第一虚设电极指30；第二汇流条40和交替排布连接至第二汇流条40的第二电极指50和第二虚设电极指60；第一电极指20和第二虚设电极指60相对设置，第一电极指20和第二虚设电极60之间具有第一间隙70，第二电极指50和第一虚设电极指30相对设置，第二电极指50和第一虚设电极30之间具有第二间隙80；其中，各第一间隙70沿第一方向x排布，各第二间隙80沿第一方向x排布，第一方向x与第二方向y的夹角θ的范围为2°～15°，在与压电层的平面平行的方向上，第二方向y与第一电极指20的长度方向垂直。

具体的，衬底110的材料可以为高阻硅，高阻硅可以为P型高阻硅或者N型高阻硅，高阻硅的电阻率大于2000Ω·cm，优选的，高阻硅的电阻率大于10000Ω·cm。压电层120的材料可以是钽酸锂和铌酸锂，其中钽酸锂切角可以是30°～50°，压电层120的厚度可以在300～1000nm范围内，在压电层120的表面通过电子束蒸发、等离子体、磁控溅射等方式沉积金属膜而形成电极层130，其中，沉积金属膜的材料可以是钛、铬、铜、银、铝等或者它们的组合。第一电极指20、第一虚设电极指30、第二电极指50、第二虚设电极指60的条数均相等，。第一汇流条10和第二汇流条40始终与第一方向x平行，第一方向x与第二方向y的夹角θ的范围为2°～15°，图3为第一方向与第二方向的夹角不同的叉指式换能器的结构示意图，参考图3，图3中的实线表示第一方向x与第二方向y的夹角为0°的叉指式换能器的结构示意图，图3中的虚线表示第一方向x与第二方向y的夹角为θ的结构示意图，其中，第一方向x与第二方向y的夹角θ在2°～15°范围内。从图3中可以看出，当第一方向x与第二方向y的夹角θ在2°～15°范围内时，第一汇流条10为倾斜的，且第一汇流条10倾斜的角度和第一方向x与第二方向y的夹角θ相等，当第一汇流条10倾斜时，第一电极指20大小和方向不变。图4为现有技术中声表面波谐振器的实测结果示意图，参考图4，图4中的一条曲线表示导纳实部与频率的关系示意图，图4中的另一条曲线表示导纳幅值与频率的关系示意图，从图4中可以很明显的看出，采用现有技术设计的声表面波谐振器的实测结果出现了严重的横向模式波纹，特别是导纳实部与频率的关系曲线中出现的横向模式波纹包括波纹a1-a7，在实际应用中，产生多的横向模式波纹不适合滤波器的生成，图5为本发明实施例提供的声表面波谐振器的实测结果示意图，参考图5，在图4中出现的横向模式波纹a1-a7在图5中均没有出现。可见，本发明实施例提供的声表面波谐振器能够有效的抑制横向波纹。图6为本发明实施例提供的声表面波谐振器在不同角度下的导纳实部的实测结果示意图，图7为本发明实施例提供的声表面波谐振器在不同角度下的导纳幅值的实测结果示意图，参考图6和图7，在纵坐标加上一定的dB值，使实测结果示意图看起来更直观，当第一方向与第二方向的夹角为0°时，出现了严重的横向模式波纹，当第一方向与第二方向的夹角分别为3°，5°，7°和11°时，横向模式波纹就可以得到有效的抑制，优选的，第一方向与第二方向的夹角在3°以上，横向模式波纹的抑制效果更明显。需要说明的是，本发明实施例将第一间隙的排布方向记为第一方向，实际上，第一电极指的孔径中心点的连线方向也为第一方向，第二电极指的孔径中心点的连线也为第一方向。在改变第一方向与第二方向的夹角时，第一电极指、第二电极指、第一虚设电极指和第二虚设电极指的长度、宽度和方向均不变。

本发明实施例提供的声表面波谐振器，通过改变第一方向与第二方向之间的夹角来调节横向模式波纹，改变第一方向与第二方向的夹角时，始终保持第一汇流条与第二汇流条平行，第一间隙的排布方向与第二间隙的排布方向始终与第一方向平行，当第一方向与第二方向的夹角范围在2°～15°时，横向模式波纹就可以得到有效的抑制。本发明实施例提供的声表面波谐振器，可以使横向模式波纹得到有效的抑制。

可选的，图8为本发明实施例提供的另一种叉指式换能器的结构示意图，参考图8，第一电极指20和第二电极指50均包括主体11和与主体11一体连接的端头12，第一电极指20的端头12位于第一电极指20的主体11远离第一汇流条10的一侧，第二电极指50的端头12位于第二电极指50的主体11远离第二汇流条40的一侧；第一虚设电极指30和第二虚设电极指60均包括主体11和与主体11一体连接的端头12，第一虚设电极指30的端头12位于第一虚设电极指30的主体11远离第一汇流条10的一侧，第二虚设电极指60的端头12位于第二虚设电极指60的主体11远离第二汇流条40的一侧；在第二方向y上，端头12的宽度大于主体11的宽度。

具体的，声表面波的传播方向平行于第二方向y，设置端头12的宽度大于主体11的宽度可以使端头12阻挡声表面波中横向能量泄露，抑制声表面波中的杂波，提高声表面波谐振器的Q值。需要说明的是，图8只是示例性的画出端头的形状为长方形，端头的形状也可以为三角形或多边形。

可选的，在第二方向上，端头的宽度为主体的宽度的1.2倍～1.8倍。

具体的，将端头的宽度设置为主体的宽度的1.2倍～1.8倍，可以进一步使端头阻挡声表面波中横向能量泄露，更好的抑制声表面波中的杂波，进一步提高声表面波谐振器的Q值。

可选的，沿第一电极指的长度方向上，端头的长度为叉指式换能器波长的0.3～0.7倍。

具体的，将端头的在沿第一电极指的长度方向上的长度设置为叉指式换能器波长的0.3～0.7倍，可以进一步使端头阻挡声表面波中横向能量泄露，更好的抑制声表面波中的杂波，进一步提高声表面波谐振器的Q值。

可选的，继续参考图8，第一电极指20上的端头12与第二虚设电极指60上的端头12相对设置；第二电极指上50的端头12与第一虚设电极指30上的端头12相对设置。

具体的，将第一电极指20上的端头12与第二虚设电极指60上的端头12相对设置，第二电极指上50的端头12与第一虚设电极指30上的端头12相对设置，可以进一步使端头12阻挡声表面波中横向能量泄露，更好的抑制声表面波中的杂波，进一步提高声表面波谐振器的Q值。

可选的，图9为本发明实施例提供的一种电极层的俯视结构示意图，图10为本发明实施例提供的又一种电极层的俯视结构示意图，参考图9和图10，电极层还包括反射栅结构132；反射栅结构132包括第三汇流条90、第四汇流条91和多条反射栅92；第三汇流条90与第四汇流条91平行设置；反射栅92的第一端与第三汇流条90连接，反射栅92的第二端与第四汇流条91连接；沿第一汇流条10的长度方向上，反射栅结构132位于叉指式换能器131的两侧；第三汇流条90与反射栅92垂直且第三汇流条90与第一方向x的夹角范围为2～15°或者第三汇流条90与反射栅92的夹角范围为75°～88°且第三汇流条90的长度方向与第一方向x平行。

具体的，图9中的反射栅结构132中的第三汇流条90与反射栅92垂直且第三汇流条90与第一方向x的夹角范围为2～15°，第三汇流条90与第一方向x的夹角和第一方向x与第二方向y的夹角相等。图10中的第三汇流条90与第一方向x平行，第三汇流条90与第二方向y的夹角和第一方向x与第二方向y的夹角相等，当第一方向x与第二方向的夹角为θ时，则第三汇流条90与反射栅92的夹角为90-θ，由于，第一方向x与第二方向y的夹角θ范围为2°～15°，因此，第三汇流条90与反射栅92的夹角范围为75°～88°。反射栅结构132可以反射声表面波的能量，将能量集中在叉指式换能器131中，本发明实施例中始终设置反射栅92与第一电极指、第二电极指、第一虚设电极指和第二虚设电极指平行，进一步保证反射栅结构132将反射的声表面波的能量集中到叉指式换能器131中，进一步提高声表面波谐振器的Q值。其中，每个反射栅结构132中的反射栅92条数为15～30条。需要说明的是，图9和图10中的叉指式换能器都包括与主体一体连接的端头，实际上电极层中的叉指式换能器也可以不包括与主体一体连接的端头。

可选的，沿第一电极指的长度方向上，第一虚设电极指的长度为叉指式换能器波长的0.5～1.5倍；叉指式换能器的孔径为叉指式换能器波长的9～40倍。

具体的，设置第一虚设电极指的长度为叉指式换能器波长的0.5～1.5倍，以及设置叉指式换能器的孔径为叉指式换能器波长的9～40倍，可以进一步使声表面波谐振器的Q值提高的更为明显。

可选的，图11为本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的俯视结构示意图，参考图11，压电层120的压电材料包括定位边121，压电材料的定位边121平行于第一电极指、第二电极指、第一虚设电极指和第二虚设电极指。

具体的，在压电材料中设置定位边121，每个叉指式换能器中的第一电极指、第二电极指、第一虚设电极指和第二虚设电极指均平行于定位边121，可以使电极层中的每个叉指式换能器相互平行排列，由于声表面波的传播方向垂直于定位边121，因此，叉指式换能器中的每条第一电极指、第二电极指、第一虚设电极指和第二虚设电极指均能阻挡声表面波中横向能量泄露，更好的抑制声表面波中的杂波，进一步提高声表面波谐振器的Q值。

可选的，继续参考图1，本发明实施例提供的声表面波谐振器还包括能量陷阱层140，能量陷阱层140位于衬底110和压电层120之间；第一介质层150，第一介质层150位于能量陷阱层140和压电层120之间；第二介质层160，第二介质层160位于电极层130远离压电层120的一侧，并覆盖电极层130。

具体的，在衬底110上制备一层能量陷阱层140，能量陷阱层140的材料可以为多晶硅，能量陷阱层140的设置可以减小电荷的积累，进一步提升声表面波谐振器的Q值。在能量陷阱层140远离衬底110一侧使用等离子体增强化学气相沉积的方式或者硅的热氧化方式生长一层低声速的二氧化硅，从而形成第一介质层150，采用化学机械平坦化处理，使第一介质层150的厚度值最终控制在300～800nm的范围内，第一介质层150可以进一步改善温漂系数。第二介质层160作为声表面波面波谐振器的钝化层和调频层，第二介质层160的材料可以为二氧化硅或氮化硅，第二介质层160覆盖电极层130。衬底110、能量陷阱层140和第一介质层150构成复合多层衬底，本发明实施例中的复合多层衬底可以使声表面波谐振器和射频滤波器实现低插损、通带平滑、高Q值以及出色的低频率温度等特性。

本发明实施例还提供了一种射频滤波器，该射频滤波器包括本发明任意实施例提供的声表面波谐振器。

具体的，本发明实施例提供的射频滤波器与本发明任意实施例提供的声表面波谐振器具有相应的有益效果，未在本实施例详尽的技术细节，详尽本发明任意实施例提供的声表面波谐振器。

注意，上述仅为本发明实施例的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明实施例不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明实施例的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明实施例构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明实施例的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种声表面波谐振器，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底上的压电层；

电极层，所述电极层位于所述压电层远离所述衬底的一侧；

所述电极层包括叉指式换能器，所述叉指式换能器包括：第一汇流条和交替排布连接至所述第一汇流条的第一电极指和第一虚设电极指；第二汇流条和交替排布连接至所述第二汇流条的第二电极指和第二虚设电极指；所述第一电极指和所述第二虚设电极指相对设置，所述第一电极指和所述第二虚设电极之间具有第一间隙，所述第二电极指和所述第一虚设电极指相对设置，所述第二电极指和所述第一虚设电极之间具有第二间隙；

其中，各所述第一间隙沿第一方向排布，各所述第二间隙沿所述第一方向排布，所述第一方向与第二方向的夹角范围为2～15°，在与所述压电层的平面平行的方向上，所述第二方向与所述第一电极指的长度方向垂直。

2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述第一电极指和所述第二电极指均包括主体和与所述主体一体连接的端头，所述第一电极指的所述端头位于所述第一电极指的主体远离所述第一汇流条的一侧，所述第二电极指的所述端头位于所述第二电极指的主体远离所述第二汇流条的一侧；

所述第一虚设电极指和所述第二虚设电极指均包括主体和与所述主体一体连接的端头，所述第一虚设电极指的所述端头位于所述第一虚设电极指的主体远离所述第一汇流条的一侧，所述第二虚设电极指的所述端头位于所述第二虚设电极指的主体远离所述第二汇流条的一侧；

在第二方向上，所述端头的宽度大于所述主体的宽度。

3.根据权利要求2所述的声表面波谐振器，其特征在于，在第二方向上，所述端头的宽度为所述主体的宽度的1.2倍～1.8倍。

4.根据权利要求2所述的谐振器，其特征在于，沿所述第一电极指的长度方向上，所述端头的长度为叉指式换能器波长的0.3～0.7倍。

5.根据权利要求2所述的谐振器，其特征在于，所述第一电极指上的端头与所述第二虚设电极指上的端头相对设置；

所述第二电极指上的端头与所述第一虚设电极指上的端头相对设置。

6.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极层还包括反射栅结构；

所述反射栅结构包括第三汇流条、第四汇流条和多条反射栅；

所述第三汇流条与所述第四汇流条平行设置；

所述反射栅的第一端与所述第三汇流条连接，所述反射栅的第二端与所述第四汇流条连接；

沿所述第一汇流条的长度方向上，所述反射栅结构位于所述叉指式换能器的两侧；

所述第三汇流条与所述反射栅垂直且所述第三汇流条与所述第一方向的夹角范围为2°～15°或者所述第三汇流条与所述反射栅的夹角范围为75°～88°且所述第三汇流条的长度方向与所述第一方向平行。

7.根据权利要求2所述的声表面波谐振器，其特征在于，沿所述第一电极指的长度方向上，所述第一虚设电极指的长度为叉指式换能器波长的0.5～1.5倍；

所述叉指式换能器的孔径为所述叉指式换能器波长的9～40倍。

8.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述压电层的压电材料包括定位边，所述压电材料的定位边平行于所述第一电极指、所述第二电极指、所述第一虚设电极指和所述第二虚设电极指。

9.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，还包括能量陷阱层，所述能量陷阱层位于所述衬底和所述压电层之间；

第一介质层，所述第一介质层位于所述能量陷阱层和所述压电层之间；

第二介质层，所述第二介质层位于所述电极层远离所述压电层的一侧，并覆盖所述电极层。

10.一种射频滤波器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的声表面波谐振器。

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