CN113872556A - 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指之间具有第一间隙，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指之间具有第二间隙。本发明实施例提供一种声表面波谐振器和射频滤波器可以有效减小横向能量的泄露，从而提高谐振器的Q值，进而减小射频滤波器的插损。

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横向能量泄露，频率越高，横向能量泄露越严重，从而导致整个声表面波谐振器Q值的降低。

发明内容

本实施例提供的声表面波谐振器和射频滤波器可以有效减小横向能量的泄露，从而提高谐振器的Q值，进而减小射频滤波器的插损。

第一方面，本发明实施例提供一种声表面波谐振器，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指之间具有第一间隙，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指之间具有第二间隙，其中，各所述第一间隙排布的排布方向与第一方向的夹角大于设定夹角，各所述第二间隙排布的排布方向与所述第一方向的夹角大于设定夹角，在与所述压电层的平面平行的方向上，所述第一方向与所述第一电极指的长度方向垂直，其中，在所述第一电极指的长度方向上，任意两个所述第一电极指的长度相等，任意两个所述第一虚设电极指的长度相等，任意两个所述第二电极指的长度相等，任意两个所述第二虚设电极指的长度相等，所述设定夹角大于0°；

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；

每一所述端头包括凹槽，所述凹槽与所述端头共用一条对称轴，在沿所述第一电极指的长度方向上，所述凹槽的深度小于所述端头的长度；

在所述第一方向上，所述端头的宽度大于所述主体的宽度。

可选的，在所述第一方向上，所述端头的宽度与所述主体的宽度的比值包括1.2～1.8。

可选的，沿所述第一电极指的长度方向上，所述端头的长度与所述凹槽的深度的比值包括1.8～2.2。

可选的，各所述第一间隙排布的排布方向与第一方向的夹角的范围包括3～15°，各所述第二间隙排布的排布方向与所述第一方向的夹角的范围包括3～15°。

可选的，沿所述第一电极指的长度方向上，所述第一间隙的长度包括0.18～0.3μm；

所述第二间隙的长度包括0.18～0.3μm。

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平行。

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声表面波谐振器。

本发明实施例提供一种声表面波谐振器，设置叉指式换能器中第一电极指与第二虚设电极指之间的第一间隙排布的排布方向与第一方向的夹角大于设定夹角，第二电极指与第一虚设电极指之间的第二间隙排布的排布方向与第一方向的夹角大于设定夹角，同时设置第一电极指、第二电极指、第一虚设电极指和第二虚设电极指均包括主体和与主体一体连接的端头，其中，每一端头包括一凹槽，在第一方向上，端头的宽度大于主体的宽度，与不设置端头的声表面波谐振器相比，本实施例提供的声表面波谐振器可以有效减小横向能量的泄露，从而提高谐振器的Q值，进而减小射频滤波器的插损。

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一种叉指式换能器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种叉指式换能器的结构示意图；

图4为现有的一种叉指式换能器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种叉指式换能器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的导纳幅值与现有的声表面波谐振器的导纳幅值的实测图；

图7为本发明实施例提供的一种声表面波谐振器导纳实部与现有的声表面波谐振器的导纳实部的实测图；

图8为图7的局部放大图；

图9为本发明实施例提供的声表面波谐振器的史密斯曲线与现有的声表面波谐振器的史密斯曲线对比图；

图10为本发明实施例提供的声表面波谐振器的Q值与现有技的声表面波谐振器的Q值的实测图；

图11为本发明实施例提供的又一种叉指式换能器的结构示意图。

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一种叉指式换能器的结构示意图，图3为本发明实施例提供的又一种叉指式换能器的结构示意图，参考图1、图2和图3，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和第二虚设电极指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和第一虚设电极指30之间具有第二间隙80，其中，各第一间隙70排布的排布方向与第一方向x的夹角大于设定夹角，各第二间隙80排布的排布方向与第一方向x的夹角大于设定夹角，在与压电层120的平面平行的方向上，第一方向x与第一电极指20的长度方向垂直，其中，在第一电极指20的长度方向上，任意两个第一电极指20的长度相等，任意两个第一虚设电极指30的长度相等，任意两个第二电极指50的长度相等，任意两个第二虚设电极指60的长度相等，设定夹角大于0°；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；每一端头12包括凹槽13，凹槽13与端头12共用一条对称轴，在沿第一电极指20的长度方向上，凹槽13的深度c小于端头12的长度d；在第一方向x上，端头12的宽度a大于主体11的宽度b。

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。第一汇流条10和第二汇流条40是倾斜的，第一汇流条10与第二汇流条40平行，第一间隙70排布的排布方向与第二间隙80排布的排布方向平行，第一间隙70排布的排布方向与第一汇流条10平行。各第一间隙70排布的排布方向与第一方向x的夹角的范围可以是3～15°，各第二间隙80排布的排布方向与第一方向x的夹角的范围可以是3～15°，第一电极指20、第二电极指50、第一虚设电极指30和第二虚设电极指60均包括主体11和端头12，端头12的厚度与主体11的厚度相同。图3示例性的画出端头12的结构放大图，参考图3，在第一方向x上，端头12的宽度a大于主体11的宽度b，在沿第一电极指的长度方向上，凹槽13的深度c小于端头12的长度d。

图4为现有的一种叉指式换能器的结构示意图，参考图4，图4中的第一长电极指111、第二长电极指113、第一短电极指112和第二短电极指114均不包括端头，图5为本发明实施例提供的又一种叉指式换能器的结构示意图，参考图5，本实施例提供的叉指式换能器131是在图4提供声表面波谐振器的每一第一长电极指111上、每一第二长电极指113上、每一第一短电极指112上、每一第二短电极指114上均设置两个长方体而形成的，以本实施例中的第一电极指20为例进行说明，在图4中的第一电极指远离第一汇流条的一侧添加两个长方体，其中，长方体与第一长电极指111部分共用，从而形成本实施例提供的第一电极指20，同样的，本实施例中的第二电极指、第一虚设电极指和第二虚设电极指也是通过同样的方式形成。在第一电极指的长度方向上，图3中的第一间隙的长度e小于图4中第一间隙的长度m。本实施例提供的叉指式换能器中的第一间隙的长度是指在第一电极指的长度方向上，相对设置的端头之间最小的距离，第一间隙的长度e如图3所示，同样的，第二间隙的长度与第一间隙的长度具有同样的测量方法。

图6为本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的导纳幅值与现有的声表面波谐振器的导纳幅值的实测图，图7为本发明实施例提供的一种声表面波谐振器导纳实部与现有的声表面波谐振器的导纳实部的实测图，图8为图7的局部放大图，参考图6、图7和图8，图6～图8中的实线均表示本实施例提供的声表面波谐振器的实测曲线，图6～图8中的虚线均表示现有的声表面波谐振器的实测曲线，图8为图7中2.5GHz～2.7GHz曲线中的放大图，从图6～图8中可以很明显的看出，现有的声表面波谐振器的导纳实部与频率的关系曲线中出现的横向模式波纹，在实际应用中，产生多的横向模式波纹不适合射频滤波器的生成，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，进而可以有效的明显降低谐振器的横向能量泄露。图9为本发明实施例提供的声表面波谐振器的史密斯曲线与现有的声表面波谐振器的史密斯曲线对比图，图9中的粗实线表示本实施例提供的声表面波谐振器的实测曲线，虚线表示现有的声表面波谐振器的实测曲线，从图9中可以看出，本实施例提供的声表面波谐振器的性能相比于现有技术中的声表面波谐振器的性能更加优越。图10为本发明实施例提供的声表面波谐振器的Q值与现有技的声表面波谐振器的Q值的实测图，图10中的实线表示本实施例提供的声表面波谐振器的实测曲线，虚线表示现有的声表面波谐振器的实测曲线，图10表示不同波长下的频率与Q的关系图，实线中每一峰值表示一个波长下的曲线，同样的，虚线中每一峰值表示一个波长下的曲线，示例性的，曲线S1、曲线S2和曲线S3表示本实施例提供的声表面波谐振器的实测曲线，曲线P1、曲线P2和曲线P3表示现有的声表面波谐振器的实测曲线，其中，曲线S1与曲线P1的波长相同，曲线S2与曲线P2的波长相同，曲线S3与曲线P3的波长相同，可以看出，在相同波长下，本实施例提供的声表面波谐振器的Q值更高，特别是频率越高，效果越明显。需要说明的是，图6～图10中现有的声表面波谐振器的结构为图4所示的结构。

本发明实施例提供一种声表面波谐振器，设置叉指式换能器中第一电极指与第二虚设电极指之间的第一间隙排布的排布方向与第一方向的夹角大于设定夹角，第二电极指与第一虚设电极指之间的第二间隙排布的排布方向与第一方向的夹角大于设定夹角，同时设置第一电极指、第二电极指、第一虚设电极指和第二虚设电极指均包括主体和与主体一体连接的端头，其中，每一端头包括一凹槽，在第一方向上，端头的宽度大于主体的宽度，与不设置端头的声表面波谐振器相比，本实施例提供的声表面波谐振器可以有效减小横向能量的泄露，从而提高谐振器的Q值，进而减小射频滤波器的插损。

可选的，在第一方向上，端头的宽度与主体的宽度的比值包括1.2～1.8。

可选的，沿第一电极指的长度方向上，端头的长度与凹槽的深度的比值包括1.8～2.2。

具体的，将端头的宽度设置为主体的宽度的1.2倍～1.8倍，以及在沿第一电极指的长度方向上的设置端头的长度设置为叉指式换能器波长的0.3～0.7倍，端头的长度与凹槽的深度的比值包括1.8～2.2，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，各所述第一间隙排布的排布方向与第一方向的夹角的范围包括3～15°，各所述第二间隙排布的排布方向与所述第一方向的夹角的范围包括3～15°。

具体的，在第一电极指的长度方向上，任意两个第一电极指的长度相等，任意两个第一虚设电极指的长度相等，任意两个第二电极指的长度相等，任意两个第二虚设电极指的长度相等，则第一汇流条的延伸方向与第一间隙排布的的排布方向相同，第二汇流条的延伸方向与第二间隙排布的排布方向相同，设置各所述第一间隙排布的排布方向与第一方向的夹角的范围包括3～15°，各所述第二间隙排布的排布方向与所述第一方向的夹角的范围包括3～15°，可以使本实施例提供的声表面波谐振器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，第一间隙的长度包括0.18～0.3μm；第二间隙的长度包括0.18～0.3μm。

具体的，设置在第一间隙的长度包括0.18～0.3μm，第二间隙的长度包括0.18～0.3μm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，图11为本发明实施例提供的又一种叉指式换能器的结构示意图，参考图11，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平行。

具体的，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,反射栅的条数可以是二十根。

可选的，继续参考图1，该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120层的一侧，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。

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 (8)

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指之间具有第一间隙，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指之间具有第二间隙，其中，各所述第一间隙排布的排布方向与第一方向的夹角大于设定夹角，各所述第二间隙排布的排布方向与所述第一方向的夹角大于设定夹角，在与所述压电层的平面平行的方向上，所述第一方向与所述第一电极指的长度方向垂直，其中，在所述第一电极指的长度方向上，任意两个所述第一电极指的长度相等，任意两个所述第一虚设电极指的长度相等，任意两个所述第二电极指的长度相等，任意两个所述第二虚设电极指的长度相等，所述设定夹角大于0°；

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；

每一所述端头包括凹槽，所述凹槽与所述端头共用一条对称轴，在沿所述第一电极指的长度方向上，所述凹槽的深度小于所述端头的长度；

在所述第一方向上，所述端头的宽度大于所述主体的宽度。

2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，在所述第一方向上，所述端头的宽度与所述主体的宽度的比值包括1.2～1.8。

3.根据权利要求1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，所述端头的长度与所述凹槽的深度的比值包括1.8～2.2。

4.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，各所述第一间隙排布的排布方向与第一方向的夹角的范围包括3～15°，各所述第二间隙排布的排布方向与所述第一方向的夹角的范围包括3～15°。

5.根据权利要求1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，所述第一间隙的长度包括0.18～0.3μm；

所述第二间隙的长度包括0.18～0.3μm。

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平行。

7.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。

8.一种射频滤波器，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的声表面波谐振器。

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