CN114866062A - 一种声表面波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种声表面波谐振器，包括：压电基板；插指换能结构，位于压电基板的一侧；插指换能结构包括相对设置的两个汇流条，以及并排设置在两个汇流条之间的多个电极指；每个电极指交替电连接到汇流条中的一个汇流条；多个假指，每一假指对应位于一电极指末端与对侧的汇流条之间；沿平行于汇流条的方向，假指的宽度等于电极条的宽度；在假指、电极指以及反射栅的栅格导体靠近压电基板的一侧、远离压电基板的一侧，或者在假指、电极指以及反射栅的所在层设置有声速突变结构；本结构通过在靠近假指、电极指以及反射栅的位置设置声速突变结构，可有效的抑制横向模式的同时，保证了谐振器的Q值。
Description
技术领域
本发明实施例涉及声表面波器件技术领域，尤其涉及一种声表面波谐振器。
背景技术
在现代通信系统中，滤波器常被用来过滤目标通信频段之外的不必要信号。声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)谐振器由于高Q值、体积小、高可靠性、易于大批量生产等优势，已被广泛应用于高频滤波器设计。SAW一般由压电基板、插指换能器(InterDigital Transducter，IDT)、反射栅组成，采用半导体工艺生产制备。
通常，SAW谐振器在激发主要波模的同时，会产生不需要的横模，在SAW滤波器的频率响应上，横模会引入杂散响应，降低IDT的Q值，增加滤波器的插入损耗，对器件性能造成较大影响，这主要由于能量泄露引起，尤其在异质半导体薄膜中尤为突出。现有的横模抑制方法，如在插指(电极指)对侧的汇流条上增加dummy指(假指)，dummy的宽度和厚度一般与插指(电极指)保持一致，但是横模抑制效果不佳。再比如dummy指加权的方法，虽然抑制横模效果较好，但是可能会影响谐振器Q值，增大滤波器损耗。因此如何有效抑制SAW谐振器激发的横模，一直是工程设计中的一大挑战。
发明内容
本发明实施例提供了一种声表面波谐振器，以有效抑制横向模式的同时，保证谐振器的Q值。
本发明实施例提供了一种声表面波谐振器，包括：
压电基板；
插指换能结构，位于所述压电基板的一侧；所述插指换能结构包括相对设置的两个汇流条，以及并排设置在两个汇流条之间的多个电极指；每个电极指交替电连接到所述汇流条中的一个汇流条；
多个假指，每一假指对应位于一所述电极指末端与对侧的汇流条之间；沿平行于汇流条的方向，所述假指的宽度等于所述电极条的宽度；
第一声速突变结构，所述第一声速突变结构位于所述假指远离所述压电基板的一侧、所述假指靠近所述压电基板的一侧和所述假指所在层中的至少一处；沿平行于汇流条的方向，所述第一声速突变结构的宽度大于所述假指的宽度。
可选的，所述第一声速突变结构包括多个负载块，每一负载块对应位于一假指的末端；位于同一排假指末端的负载块到对侧电极指末端的距离相等。
可选的，所述第一声速突变结构包括多个负载块；每一负载块在压电基板的垂直投影对应与一假指在压电基板的垂直投影部分重叠；位于同一排假指末端的负载块到对侧电极指末端的距离递增或递减。
可选的，所述第一声速突变结构包括多个负载块；每一负载块在压电基板的垂直投影对应与一假指在压电基板的垂直投影部分重叠；位于同一排假指末端的负载块到对侧电极指末端的距离交替相等。
可选的，沿平行于汇流条的方向，每一负载块的宽度小于或等于位于其两侧相邻的两个电极指之间的宽度。
可选的，所述第一声速突变结构包括两个负载条，两个负载条相对设置，并均与所述汇流条平行；沿平行于所述汇流条的方向，所述负载条的宽度大于或等于所述汇流条的宽度。
可选的，声表面波谐振器，还包括钝化层，所述钝化层覆盖在所述电极指和假指远离所述压电基板的一侧，以及电极指和假指未覆盖的压电基板；所述第一声速突变结构位于所述钝化层远离所述压电基板的一侧；所述第一声速突变结构的材料包括高分子涂敷材料。
可选的，所述第一声速突变结构包括两个负载层，每一所述负载层在所述压电基板的上的垂直投影覆盖对应的一假指区域；沿平行于所述汇流条的方向，所述假指区域的宽度大于或等于所述汇流条的宽度，沿垂直于所述汇流条的方向，所述假指区域的长度等于所述假指的长度。
可选的，声表面波谐振器，还包括：
第二声速突变结构，所述第二声速突变结构位于所述电极指远离所述压电基板的一侧、所述电极指靠近所述压电基板的一侧和所述电极指所在层中的至少一处；沿平行于汇流条的方向，所述第二声速突变结构的宽度大于所述电极指的宽度；
一对反射栅，所述反射栅位于所述压电基板与所述插指换能结构的同一侧，并分别位于所述插指换能结构的相对两侧；
第三声速突变结构，所述第三声速突变结构位于所述反射栅远离所述压电基板的一侧、所述反射栅靠近所述压电基板的一侧和所述反射栅所在层中的至少一处；沿平行于汇流条的方向，所述第三声速突变结构的宽度大于所述反射栅半个周期的宽度。
可选的，所述压电基板包括硅层以及依次形成在硅层上的多晶硅层、氧化硅层和铌酸锂晶体层。
本发明实施例提供了一种声表面波谐振器，包括：压电基板；插指换能结构，位于压电基板的一侧；插指换能结构包括相对设置的两个汇流条，以及并排设置在两个汇流条之间的多个电极指；每个电极指交替电连接到汇流条中的一个汇流条；多个假指，每一假指对应位于一电极指末端与对侧的汇流条之间；沿平行于汇流条的方向，假指的宽度等于电极条的宽度；第一声速突变结构，第一声速突变结构位于假指远离所述压电基板的一侧、假指靠近压电基板的一侧和假指所在层中的至少一处；沿平行于汇流条的方向，第一声速突变结构的宽度大于假指的宽度。本发明实施例提供的技术方案，通过在假指远离压电基板的一侧、假指靠近压电基板的一侧和假指所在层中的至少一处，设置第一声速突变结构，从而可以通过调整横向声学速度分布来抑制横向模式，相对于现有技术中只采用假指的方式，可以进一步有效抑制横向模式，并且避免采用假指加权的方法而影响谐振器Q值。因此，有效抑制了横向模式的同时，保证了谐振器的Q值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的结构示意图及对应的部分速度谱；
图2是现有技术中提供的一种声表面波谐振器的结构示意图及对应的部分速度谱；
图3是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图及对应的部分速度谱；
图4是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图及对应的部分速度谱；
图5是本发明实施例提供的一种声表面波谐振器有无负载块的导纳曲线幅度值对比图；
图6是本发明实施例提供的一种声表面波谐振器有无负载块的导纳曲线中导纳实部对比图；
图7是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的另一种声表面波谐振器的结构示意图及对应的部分速度谱；
图12是图11沿AA1的截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明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，而非对本发明的限定。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相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供了一种声表面波谐振器，图1是本发明实施例提供的一种声表面波谐振器的结构示意图及对应的部分速度谱，参考图1，声表面波谐振器包括：
压电基板(未画出)；
插指换能结构20，位于压电基板的一侧；插指换能结构20包括相对设置的两个汇流条21，以及并排设置在两个汇流条21之间的多个电极指22；每个电极指22交替电连接到汇流条21中的一个汇流条21；
多个假指30，每一假指30对应位于一电极指22末端与对侧的汇流条21之间；沿平行于汇流条21的方向，假指30的宽度等于电极条的宽度；
第一声速突变结构40，第一声速突变结构40位于假指30远离压电基板的一侧、假指30靠近压电基板的一侧和假指30所在层中的至少一处；沿平行于汇流条21的方向，第一声速突变结构40的宽度大于假指30的宽度。
具体的，插指换能结构20即为插指换能器，可以理解为在压电基板表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声-电换能。插指换能结构20包括第一汇流条、第二汇流条以及多个电极指22；第一汇流条与第二汇流条相对设置；沿平行于汇流条21的方向，多个电极指22并排设置在第一汇流条21与第二汇流条21之间，并依次交替与第一汇流条21与第二汇流条21电连接，彼此咬合的电极指22以用于激励声波。在声波传播方向上，声轨迹通常受到反射器的限制，以便减小由于声波在水平方向上的发射造成的能量损耗。反射器可以包括一对反射栅50，反射栅50位于压电基板与插指换能结构20的同一侧，并位于插指换能结构20的相对两侧。假指30设置于每个电极指22末端与汇流条21之间，用于抑制能量的横向泄露，将能量更多的约束在谐振器内，进而提高谐振器的Q值。
声波在压电基板表面处的速度取决于压电基板的质量分布、即布置在压电基板上的层的质量。在此，该质量分布越高则声波越慢，并且质量分布的材料的弹性常数越高则声波越快。在垂直于汇流条21的方向上，该转换器被构造为声波在多个与声轨迹平行延伸的区域中具有不同的横向传播速度。横向为平行于汇流条21的方向。因此，限制在内边缘区域的假指30加宽是简单但有效的手段，以便减小内边缘区域中的横向速度。
在此基础上，通过在假指30远离压电基板的一侧、假指30靠近压电基板的一侧和假指30所在层中的至少一处，设置第一声速突变结构40，并且沿平行于汇流条21的方向，设置第一声速突变结构40的宽度大于假指30的宽度。图1中示例性的画出在假指30远离压电基板的一侧设置第一声速突变结构40。设置第一声速突变结构40位置加宽大于假指30的宽度，该区域的质量分布相对于上侧的假指30，以及下侧的空隙区域较大，因此第一声速突变结构40位置的横向速度最小。第一声速突变结构40下侧的空隙区域质量最小，因此空隙区域的横向速度最大。图2是现有技术中提供的一种声表面波谐振器的结构示意图及对应的部分速度谱，对比图1和图2，第一声速突变结构40的设置可以增大声速突变的幅度，从而可以通过调整横向声学速度分布来抑制横向模式。
第一声速突变结构40可以为负载块41、负载条或负载层。第一声速突变结构40的材质可为金属材料、氧化物材料、高分子涂敷材料等，优选为金属材料。第一声速突变结构40一般与假指30不同层，也可在同一层。相对于现有技术中只采用假指30的方式，可以进一步有效抑制横向模式，并且避免采用假指30加权的方法而影响谐振器Q值。因此，有效抑制了横向模式的同时，保证了谐振器的Q值。
本发明实施例提供的一种声表面波谐振器，通过在假指30远离压电基板的一侧、假指30靠近压电基板的一侧和假指30所在层中的至少一处，设置第一声速突变结构40，根据材料参数对指加厚变宽，提供了改变质量分布的可能性。通过调节指的厚度和宽度，可以容易地调节声速度，以便获得改善的活塞模态。活塞模态的特点在于，不出现或者最高出现最小的在横向上传播的声波。因此，实现活塞模态是有效的手段，以便减小由于声波从声轨迹横向发射造成的能量损耗，并且同时通过抑制横向模态实现改善的性能。相对于现有技术中只采用假指30的方式，可以进一步有效抑制横向模式，并且避免采用假指30加权的方法而影响谐振器Q值。
在本发明的一个实施例中，参考图3、图4和图7～图11，声表面波谐振器，还包括：
第二声速突变结构60，第二声速突变结构60位于电极指22远离压电基板的一侧、电极指22靠近压电基板的一侧和电极指22所在层中的至少一处；沿平行于汇流条21的方向，第二声速突变结构60的宽度大于电极指22的宽度。
第二声速突变结构60可以为负载块，这些负载块布置在电极指22的端和极性相反的电极指22的对应横向位置处，从而通过建立活塞模式来改善谐振器的声学。采用活塞模式电声换能器结构可以形成水平方向的声学波导，减小在垂直方向传播的声波，达到抑制横向模的效果。
对比图4和图3，图4所示的结构为未设置假指30以及第一声速突变结构40，只在电极指22的末端和极性相反的电极指22的对应横向位置处设置第二声速突变结构60的活塞模式电声换能器结构。已知采用活塞模式电声换能器结构可以形成水平方向的声学波导，减小在垂直方向传播的声波，达到抑制横向模的效果。然而由于波的衍射，部分声波还可以通过活塞间隙激发横向模式。图3所示的结构为在活塞模式电声换能器结构中，增加假指30的第二声速突变结构60，可以形成第二个声学波导结构，增强横向模式抑制效果。图3中示例性的画出假指30上的第一声速突变结构40宽度大于电极指22上的第二声速突变结构60宽度。
另外，声表面波谐振器还可以包括第三声速突变结构70，第三声速突变结构70位于反射栅50远离压电基板的一侧、反射栅50靠近压电基板的一侧和反射栅50所在层中的至少一处；沿平行于汇流条21的方向，第三声速突变结构70的宽度大于反射栅50半个周期的宽度。通过在声表面波谐振器的假指30和电极指22上、反射栅50的栅格导体上均构造声速突变结构，可进一步有效抑制横向模产生。
图5是本发明实施例提供的一种声表面波谐振器有无负载块的导纳曲线幅度值对比图；图6是本发明实施例提供的一种声表面波谐振器有无负载块的导纳曲线中导纳实部对比图。其中，实线a对应图2所示结构，虚线b对应图3所示结构。相比于没有声速突变结构的谐振器，本发明的结构具有更好的幅频特性，可见通过优化声速突变结构的大小以及位置，可以显著地提升Q值(越尖锐Q值越高)，导纳实部在2200MHz以上幅值也会更低，说明本发明的结构能够更好的防止横向模式能量的泄露。
在本发明的一个实施例中，参考图1和图3，第一声速突变结构40包括多个负载块41，每一负载块41对应位于一假指30的末端；位于同一侧假指30末端的负载块41到对侧电极指22末端的距离相等。
在本发明的另一个实施例中，参考图7，第一声速突变结构40包括多个负载块41；每一负载块41在压电基板的垂直投影对应与一假指30在压电基板的垂直投影部分重叠；位于同一排假指30末端的负载块41到对侧电极指22末端的距离递增或递减。
在本发明的另一个实施例中，参考图8，第一声速突变结构40包括多个负载块41；每一负载块41在压电基板的垂直投影对应与一假指30在压电基板的垂直投影部分重叠；位于同一侧假指30末端的负载块41到对侧电极指22末端的距离交替相等。
沿平行于汇流条21的方向，每一负载块41的宽度小于或等于位于其两侧相邻的两个电极指22之间的宽度。参考图3、图7以及图8，示例性的画出每一负载块41的宽度小于位于其两侧相邻的两个电极指22之间的宽度。参考图9，示例性的画出每一负载块41的宽度水平延伸至等于位于其两侧相邻的两个电极指22之间的距离，可进一步的减小声波衍射。
在本发明的一个实施例中，参考图10，第一声速突变结构40包括两个负载条42，两个负载条42相对设置，并均与汇流条21平行；沿平行于汇流条21的方向，负载条42的宽度大于或等于汇流条21的宽度。可以理解为，为进一步减小声波衍射，可将负载块沿水平方向延伸形成平行于汇流条21的负载条42。
在本发明的一个实施例中，参考图11和图12，声表面波谐振器还包括钝化层90，钝化层90覆盖在电极指22和假指30远离压电基板的一侧，以及电极指22和假指30未覆盖的压电基板；第一声速突变结构40位于钝化层90远离压电基板的一侧；第一声速突变结构40的材料包括高分子涂敷材料。其中钝化层90的材料可以为二氧化硅或氮化硅，高分子涂敷材料可以为聚亚酰胺等。
第一声速突变结构40包括两个负载层43，每一负载层43在压电基板的上的垂直投影覆盖对应的一假指30区域；沿平行于汇流条21的方向，假指30区域的宽度大于或等于汇流条21的宽度，沿垂直于汇流条21的方向，假指30区域的长度等于假指30的长度。负载沉降在整个假指30区域，实现增大声速突变的差值，可以进一步的抑制横向模式的同时，保证了谐振器的Q值。
参考图12，谐振器可以为TF-SAW滤波器(薄膜声表面波滤波器)。其中，压电基板10包括硅层11以及依次形成在硅层上的多晶硅层12、氧化硅层13和铌酸锂晶体层14。TF-SAW滤波器能提供相对较大的带宽，同时提供良好的温度补偿性能和多频带集成的有效路径。
注意，上述仅为本发明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的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明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：
压电基板；
插指换能结构，位于所述压电基板的一侧；所述插指换能结构包括相对设置的两个汇流条，以及并排设置在两个汇流条之间的多个电极指；每个电极指交替电连接到所述汇流条中的一个汇流条；
多个假指，每一假指对应位于一所述电极指末端与对侧的汇流条之间；沿平行于汇流条的方向，所述假指的宽度等于所述电极条的宽度；
第一声速突变结构，所述第一声速突变结构位于所述假指远离所述压电基板的一侧、所述假指靠近所述压电基板的一侧和所述假指所在层中的至少一处；沿平行于汇流条的方向，所述第一声速突变结构的宽度大于所述假指的宽度。
2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述第一声速突变结构包括多个负载块，每一负载块对应位于一假指的末端；位于同一排假指末端的负载块到对侧电极指末端的距离相等。
3.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述第一声速突变结构包括多个负载块；每一负载块在压电基板的垂直投影对应与一假指在压电基板的垂直投影部分重叠；位于同一排假指末端的负载块到对侧电极指末端的距离递增或递减。
4.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述第一声速突变结构包括多个负载块；每一负载块在压电基板的垂直投影对应与一假指在压电基板的垂直投影部分重叠；位于同一排假指末端的负载块到对侧电极指末端的距离交替相等。
5.根据权利要求2～4任一所述的声表面波谐振器，其特征在于，沿平行于汇流条的方向，每一负载块的宽度小于或等于位于其两侧相邻的两个电极指之间的宽度。
6.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述第一声速突变结构包括两个负载条，两个负载条相对设置，并均与所述汇流条平行；沿平行于所述汇流条的方向，所述负载条的宽度大于或等于所述汇流条的宽度。
7.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，还包括钝化层，所述钝化层覆盖在所述电极指和假指远离所述压电基板的一侧，以及电极指和假指未覆盖的压电基板上；所述第一声速突变结构位于所述钝化层远离所述压电基板的一侧；所述第一声速突变结构的材料包括高分子涂敷材料。
8.根据权利要求7所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述第一声速突变结构包括两个负载层，每一所述负载层在所述压电基板的上的垂直投影覆盖对应的一假指区域；沿平行于所述汇流条的方向，所述假指区域的宽度大于或等于所述汇流条的宽度，沿垂直于所述汇流条的方向，所述假指区域的长度等于所述假指的长度。
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：
第二声速突变结构，所述第二声速突变结构位于所述电极指远离所述压电基板的一侧、所述电极指靠近所述压电基板的一侧和所述电极指所在层中的至少一处；沿平行于汇流条的方向，所述第二声速突变结构的宽度大于所述电极指的宽度；
一对反射栅，所述反射栅位于所述压电基板与所述插指换能结构的同一侧，并分别位于所述插指换能结构的相对两侧；
第三声速突变结构，所述第三声速突变结构位于所述反射栅远离所述压电基板的一侧、所述反射栅靠近所述压电基板的一侧和所述反射栅所在层中的至少一处；沿平行于汇流条的方向，所述第三声速突变结构的宽度大于所述反射栅半个周期的宽度。
10.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述压电基板包括硅层以及依次形成在硅层上的多晶硅层、氧化硅层和铌酸锂晶体层。
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