CN113472313A - 阶梯型结构窄带fbar滤波器 - Google Patents

阶梯型结构窄带fbar滤波器 Download PDF

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CN113472313A CN202110743247.2A CN202110743247A CN113472313A CN 113472313 A CN113472313 A CN 113472313A CN 202110743247 A CN202110743247 A CN 202110743247A CN 113472313 A CN113472313 A CN 113472313A
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Abstract

本发明涉及滤波器技术领域，提供了一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器，上述滤波器包括：输入端、输出端、接地端、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；多个串臂谐振器包括：依次串联连接在输入端和输出端之间的第一谐振器至第六谐振器；多个并臂谐振器包括：第七谐振器至第十二谐振器；第七谐振器，第一端与第一谐振器和第二谐振器的连接点连接，第二端通过第十谐振器与接地端连接；第八谐振器，第一端与第三谐振器和第四谐振器的连接点连接，第二端通过第十一谐振器与接地端连接；第九谐振器，第一端与第五谐振器和第六谐振器的连接点连接，第二端通过第十二谐振器与接地端连接。本发明提供的滤波器可允许特定频率的信号通过。

Description

阶梯型结构窄带FBAR滤波器
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，尤其涉及一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器。
背景技术
近年来，随着5G无线通信技术的不断发展，通过利用更高频段以及频段重组来实现移动通信，这对相关射频元器件的微型化、高频带宽化、集成化及柔性化提出了越来越高的要求。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)滤波器凭借其尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，正逐步取代传统的声表面波滤波器和陶瓷滤波器，在射频滤波器领域占有越来越大的市场份额，在5G无线通信射频领域发挥着巨大作用。
然而目前对FBAR滤波器的研究大多集中在制备方法上，对FBAR滤波器的具体结构的研究较少。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器，以提供一种FBAR滤波器的新型结构。
本发明实施例第一方面提供了一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器，包括：输入端、输出端、接地端、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；
多个串臂谐振器包括：依次串联连接在输入端和输出端之间的第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器及第六谐振器；
多个并臂谐振器包括：第七谐振器、第八谐振器、第九谐振器、第十谐振器、第十一谐振器及第十二谐振器；
第七谐振器，第一端与第一谐振器和第二谐振器的连接点连接，第二端通过第十谐振器与接地端连接；
第八谐振器，第一端与第三谐振器和第四谐振器的连接点连接，第二端通过第十一谐振器与接地端连接；
第九谐振器，第一端与第五谐振器和第六谐振器的连接点连接，第二端通过第十二谐振器与接地端连接；
其中，多个串臂谐振器及多个并臂谐振器的面积的取值范围均为4000μm2-80000μm2。
可选的，多个串臂谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同。
可选的，第七谐振器、第八谐振器及第九谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同，第十谐振器、第十一谐振器及第十二谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同，且第七谐振器与第十谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率均不同。
可选的，第七谐振器、第八谐振器及第九谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率，与多个串臂谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同；
第十谐振器的并联谐振频率与第一谐振器的串联谐振频率相同。
可选的，第一谐振器和第三谐振器的面积为17950μm2-18050μm2，第二谐振器的面积为14950μm2-15050μm2，第四谐振器、第五谐振器和第六谐振器的面积为15950μm2-16050μm2，第七谐振器和第八谐振器的面积为12950μm2-13050μm2，第九谐振器的面积为13950μm2-14050μm2，第十谐振器、第十一谐振器及第十二谐振器的面积为34950μm2-35050μm2。
可选的，阶梯型结构窄带FBAR滤波器的版图自下而上依次包括：牺牲层、下电极层、上电极层、差频层及孔层；
差频层与第一类谐振器对应，第二类谐振器不具有差频层；差频层用于产生第一类谐振器与第二类谐振器之间的频率差；其中，第一类谐振器为多个串臂谐振器及多个并臂谐振器中的至少一个，第二类谐振器也为多个串臂谐振器及多个并臂谐振器中的至少一个；
孔层中开设有多个释放孔，每个谐振器均设有多个释放通道，每个释放通道至少对应一个释放孔。
可选的，第一类谐振器包括：第十谐振器、第十一谐振器及第十二谐振器；
第二类谐振器包括：多个串臂谐振器、第七谐振器、第八谐振器及第九谐振器。
可选的，上电极层的厚度为
Figure BDA0003142061640000031
下电极层的厚度为
Figure BDA0003142061640000032
差频层的厚度为
Figure BDA0003142061640000033
释放孔的直径为15μm-25μm；
滤波器的压电层的厚度为
Figure BDA0003142061640000034
可选的，第一谐振器、第三谐振器和第五谐振器的中心位于第一直线上，第二谐振器、第四谐振器和第六谐振器的中心位于第二直线上，且第一直线和第二直线平行；
第一谐振器至第六谐振器中相邻的任意三个谐振器的中心连线均构成V字型，相邻两个V字型的开口朝向相反，且各个V字型的开口角度小于90°。
本发明实施例提供了一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器，包括：输入端、输出端、接地端、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；多个串臂谐振器包括：依次串联连接在输入端和输出端之间的第一谐振器至第六谐振器；多个并臂谐振器包括：第七谐振器至第十二谐振器；第七谐振器，第一端与第一谐振器和第二谐振器的连接点连接，第二端通过第十谐振器与接地端连接；第八谐振器，第一端与第三谐振器和第四谐振器的连接点连接，第二端通过第十一谐振器与接地端连接；第九谐振器，第一端与第五谐振器和第六谐振器的连接点连接，第二端通过第十二谐振器与接地端连接。本发明实施例提供的滤波器可允许特定频率的信号通过。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器的电路原理图；
图2为本发明实施例提供的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的版图结构示意图；
图3为图2所示的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的牺牲层的版图示意图；
图4为图2所示的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的下电极层的版图示意图；
图5为图2所示的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的上电极层的版图示意图；
图6为图2所示的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的差频层的版图示意图；
图7为图2所示的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的孔层的版图示意图；
图8为本发明实施例提供的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的幅频特性曲线。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
近年来，FBAR滤波器凭借尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用。某工程应用需使用中心频率为1915MHz的滤波器，其3dB带宽大于25MHz，需对1875MHz以及1955MHz处抑制大于40dBc。
基于以上，参考图1，本发明实施例提供了一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器，包括：输入端IN、输出端OUT、接地端GND、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；
多个串臂谐振器包括：依次串联连接在输入端IN和输出端OUT之间的第一谐振器X1、第二谐振器X2、第三谐振器X3、第四谐振器X4、第五谐振器X5及第六谐振器X6；
多个并臂谐振器包括：第七谐振器X7、第八谐振器X8、第九谐振器X9、第十谐振器X10、第十一谐振器X11及第十二谐振器X12；
第七谐振器X7，第一端与第一谐振器X1和第二谐振器X2的连接点连接，第二端通过第十谐振器X10与接地端GND连接；
第八谐振器X8，第一端与第三谐振器X3和第四谐振器X4的连接点连接，第二端通过第十一谐振器X11与接地端GND连接；
第九谐振器X9，第一端与第五谐振器X5和第六谐振器X6的连接点连接，第二端通过第十二谐振器X12与接地端GND连接；
其中，多个串臂谐振器及所述并臂谐振器的面积的取值范围均为4000μm2-80000μm2。
上述阶梯型结构窄带FBAR滤波器，包括多个串联在输入端IN子和输出端OUT子之间的谐振器、及多个并联连接在串联连接的多个谐振器节点之间的谐振器。当信号通过输入端IN，经过上述多个串联的谐振器和多个并联的谐振器之后，可实现对信号特定频段的滤波，从而输出特定中心频率的信号。其中，第七谐振器X7的第一端和第八谐振器X8的第一端之间，第八谐振器X8的第一端和第九谐振器X9的第一端之间均采用两个谐振器串联的结构，增大谐振器的面积，提高滤波器的可靠性。同样，三个并臂也均采用谐振器串联的结构，缩小了滤波器的带宽，提高阻带近端抑制度。
一些实施例中，多个串臂谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率可以相同。
例如，第一谐振器X1、第二谐振器X2、第三谐振器X3、第四谐振器X4、第五谐振器X5及第六谐振器X6具有相同的第一串联谐振频率，同时具有相同的第一并联谐振频率。
一些实施例中，第七谐振器X7、第八谐振器X8及第九谐振器X9的串联谐振频率和并联谐振频率可以相同，第十谐振器X10、第十一谐振器X11及第十二谐振器X12的串联谐振频率和并联谐振频率可以相同，且第七谐振器与第十谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率均不同。
例如，第七谐振器X7、第八谐振器X8及第九谐振器X9具有相同的第二串联谐振频率，且具有相同的第二并联谐振频率；第十谐振器X10、第十一谐振器X11及第十二谐振器X12具有相同的第三串联谐振频率，且具有相同的第三并联谐振频率；同时，第二串联谐振频率与第三串联谐振频率不同，第二并联谐振频率与第三并联谐振频率不同。也即各个并臂中的两个串联的谐振器的频率不同，以减小滤波器的带宽，增加通带近端的抑制度。
一些实施例中，第七谐振器X7、第八谐振器X8及第九谐振器X9的串联谐振频率和并联谐振频率，可与多个串臂谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同；
第十谐振器X10的并联谐振频率与第一谐振器X1的串联谐振频率相同。
串臂谐振器的串联谐振频率与并臂谐振器的并联谐振频率相同，以形成特定的中心频率。基于以上，也即第一串联谐振频率与第二串联谐振频率相同，第一并联谐振频率与第二并联谐振频率相同，且第三并联谐振频率与第一串联谐振频率相同，以形成特定的中心频率，例如1915MHz。
一些实施例中，考虑到工艺实现的难易程度，各个谐振器的面积应控制在4000μm2-80000μm2之间。在同一个电路中，每个谐振器的面积在设计时，应尽量使电路中的各个谐振器的面积相差较小，一般相差在4倍以下。
一些实施例中，为了得到特定中心频率的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，可通过调整第一谐振器X1至第十二谐振器X12的面积和位置实现。可以将谐振器滤波器设置为对称结构，也可以设置为非对称的结构。其中，谐振器的面积为谐振器平行板电容器上下电极的重合面积。
例如，一些实施例中，第一谐振器X1和第三谐振器X3的面积可以为17950μm2-18050μm2，第二谐振器X2的面积可以为14950μm2-15050μm2，第四谐振器X4、第五谐振器X5和第六谐振器X6的面积可以为15950μm2-16050μm2，第七谐振器X7和第八谐振器X8的面积可以为12950μm2-13050μm2，第九谐振器X9的面积可以为13950μm2-14050μm2，第十谐振器X10、第十一谐振器X11及第十二谐振器X12的面积可以为34950μm2-35050μm2。
一些实施例中，阶梯型结构窄带FBAR滤波器的版图自下而上依次包括：牺牲层、下电极层、上电极层、差频层及孔层；
差频层与第一类谐振器对应，第二类谐振器不具有差频层；差频层用于产生第一类谐振器与第二类谐振器之间的频率差；其中，第一类谐振器为多个串臂谐振器及多个并臂谐振器中的至少一个，第二类谐振器也为多个串臂谐振器及多个并臂谐振器中的至少一个；
一些实施例中，第一类谐振器可以包括：第十谐振器X10、第十一谐振器X11及第十二谐振器X12；
第二类谐振器可以包括：多个串臂谐振器、第七谐振器X7、第八谐振器X8及第九谐振器X9。
差频层用于实现第一类谐振器和第二类谐振器的频率差，从而形成滤波器，实现对相特定频率的滤波。通常，并臂谐振器的第三串联谐振频率和第三并联谐振频率低于串臂谐振器的第一串联谐振频率和第一并联谐振频率，通过差频层实现该频率差。
为了形成谐振器的空气腔，实现声波的反射，特设置孔层，孔层中开设有多个释放孔，每个谐振器的每个释放通道对应至少一个释放孔。
示例性的，每个谐振器可以具有多个释放通道(例如五个)，每个释放通道对应一个释放孔，释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层区域把牺牲层材料腐蚀掉变成气体，再通过释放通道与释放孔排出。另外，若滤波器的空间紧张时，两个释放通道可以共用一个释放孔。另外，在探针测试区域，需要采用探针(例如GSG探针)对芯片进行测试，因此需要把压电层刻蚀掉，露出下电极用于测试。
一些实施例中，为了得到特定中心频率的滤波器，可以通过调整上电极、下电极和压电层的厚度来实现。
具体的，上电极层的厚度可以为
Figure BDA0003142061640000081
下电极层的厚度可以为
Figure BDA0003142061640000082
压电层的厚度可以为
Figure BDA0003142061640000083
差频层的厚度可以为
Figure BDA0003142061640000084
释放孔的直径可以为15μm-25μm。
一些实施例中，第一谐振器X1、第三谐振器X3和第五谐振器X5的中心位于第一直线上，第二谐振器X2、第四谐振器X4和第六谐振器X6的中心位于第二直线上，且第一直线和第二直线平行；
第一谐振器X1至第六谐振器X6中相邻的任意三个谐振器的中心连线均构成V字型，相邻两个V字型的开口朝向相反，且各个V字型的开口角度小于90°。
图2示出了中心频率为1915MHz的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的版图结构。
具体的，在制作1915MHz的阶梯型结构窄带FBAR滤波器的过程中需要使用到的版图有牺牲层的版图、下电极的版图、上电极的版图、差频层的版图和孔层的版图。
图3示出了牺牲层的版图，牺牲层中分别为第一谐振器X1至第十二谐振器X12。其中，每个谐振器分别设有5条边，且每个谐振器伸出的触角状的部分为释放通道，每个谐振器可以具有多个释放通道，本申请中每个谐振器设有5个释放通道。释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层把牺牲层材料腐蚀变成气体，再通过释放通道与释放孔排出。
图4示出了下电极层的版图，包括：输入端IN、输出端OUT、接地端GND、第一谐振器X1至第十二谐振器X12。版图划分参考图4，在此不再赘述。具体版图形状划分不做限制。
图5示出了上电极层的版图，包括第一谐振器X1至第十二谐振器X12。版图划分参考图5，在此不再赘述。具体版图形状划分不做限制。
图6示出了差频层的版图，包括第十谐振器X10、第十一谐振器X11及第十二谐振器X12。版图划分参考图6，在此不再赘述。具体版图形状划分不做限制。
图7示出了孔层的版图，孔层包括：输入端IN、输出端OUT、接地端GND及多个释放孔，包围在每个谐振器的周围。每个释放孔对应一个释放通道。释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层区域把牺牲层材料腐蚀变成气体，再通过释放通道与释放孔排出。
阶梯型结构窄带FBAR滤波器的版图结构，在连接关系不变的情况下，12个谐振器的摆放方式可根据实际应用情况设定，仅会造成电性能的差异。
本实施例中，对上述制备的1915MHz的阶梯型结构窄带FBAR滤波器进行测试，测试结果如图8所示。曲线1为阶梯型结构窄带FBAR滤波器的S(2,1)随频率的变化曲线(左纵轴)。曲线2为阶梯型结构窄带FBAR滤波器的S(1,1)的回波损耗(右纵轴)，曲线3为阶梯型结构窄带FBAR滤波器的S(2,2)的回波损耗(右纵轴)。从图8中可以看出，其3dB带宽约为40MHz，在1875MHz以及1955MHz处抑制度分别为47dBc和42dBc，性能良好，可满足实际应用需求。
对应于上述任一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器，本发明实施例还提供了一种FBAR滤波器组件，该FBAR滤波器组件包括上述任一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器，且具有上述阶梯型结构窄带FBAR滤波器所具有的优点，在此不再赘述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，包括：输入端、输出端、接地端、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；
所述多个串臂谐振器包括：依次串联连接在所述输入端和所述输出端之间的第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器及第六谐振器；
所述多个并臂谐振器包括：第七谐振器、第八谐振器、第九谐振器、第十谐振器、第十一谐振器及第十二谐振器；
所述第七谐振器，第一端与所述第一谐振器和所述第二谐振器的连接点连接，第二端通过所述第十谐振器与所述接地端连接；
所述第八谐振器，第一端与所述第三谐振器和所述第四谐振器的连接点连接，第二端通过所述第十一谐振器与所述接地端连接；
所述第九谐振器，第一端与所述第五谐振器和所述第六谐振器的连接点连接，第二端通过所述第十二谐振器与所述接地端连接；
其中，所述多个串臂谐振器及所述多个并臂谐振器的面积的取值范围均为4000μm2-80000μm2。
2.如权利要求1所述的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，所述多个串臂谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同。
3.如权利要求2所述的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，所述第七谐振器、所述第八谐振器及所述第九谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同，所述第十谐振器、所述第十一谐振器及所述第十二谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同，且所述第七谐振器与所述第十谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率均不同。
4.如权利要求3所述的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，所述第七谐振器、所述第八谐振器及所述第九谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率，与所述多个串臂谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同；
所述第十谐振器的并联谐振频率与所述第一谐振器的串联谐振频率相同。
5.如权利要求1所述的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，所述第一谐振器和所述第三谐振器的面积为17950μm2-18050μm2，所述第二谐振器的面积为14950μm2-15050μm2，所述第四谐振器、所述第五谐振器和所述第六谐振器的面积为15950μm2-16050μm2，所述第七谐振器和所述第八谐振器的面积为12950μm2-13050μm2，所述第九谐振器的面积为13950μm2-14050μm2，所述第十谐振器、所述第十一谐振器及所述第十二谐振器的面积为34950μm2-35050μm2。
6.如权利要求1所述的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，所述阶梯型结构窄带FBAR滤波器的版图自下而上依次包括：牺牲层、下电极层、上电极层、差频层及孔层；
所述差频层与第一类谐振器对应，第二类谐振器不具有所述差频层；所述差频层用于产生所述第一类谐振器与所述第二类谐振器之间的频率差；其中，所述第一类谐振器为所述多个串臂谐振器及所述多个并臂谐振器中的至少一个，所述第二类谐振器也为所述多个串臂谐振器及所述多个并臂谐振器中的至少一个；
所述孔层中开设有多个释放孔，每个谐振器均设有多个释放通道，每个所述释放通道至少对应一个释放孔。
7.如权利要求6所述的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，所述第一类谐振器包括：所述第十谐振器、所述第十一谐振器及所述第十二谐振器；
所述第二类谐振器包括：所述多个串臂谐振器、所述第七谐振器、所述第八谐振器及所述第九谐振器。
8.如权利要求6所述的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，所述上电极层的厚度为
Figure FDA0003142061630000021
所述下电极层的厚度为
Figure FDA0003142061630000022
所述差频层的厚度为
Figure FDA0003142061630000023
所述释放孔的直径为15μm-25μm；
所述滤波器的压电层的厚度为
Figure FDA0003142061630000024
9.如权利要求6所述的阶梯型结构窄带FBAR滤波器，其特征在于，所述第一谐振器、所述第三谐振器和所述第五谐振器的中心位于第一直线上，所述第二谐振器、所述第四谐振器和所述第六谐振器的中心位于第二直线上，且所述第一直线和所述第二直线平行；
所述第一谐振器至所述第六谐振器中相邻的任意三个谐振器的中心连线均构成V字型，相邻两个V字型的开口朝向相反，且各个V字型的开口角度小于90°。
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