CN115459730A - 一种体声波谐振器、滤波器、双工器及多工器的设计方法 - Google Patents

一种体声波谐振器、滤波器、双工器及多工器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种体声波谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计方法，该方法包括：构建原始Mason模型，根据Mason模型提取出一能够精准映射压电材料的纵波声速和材料密度与并联谐振精确映射的新模型。并以新的模型确定设计用纵波声速参数和材料密度参数。该设计方法简化冗余参数，将无关参数舍去，针对相对固定的参数进行有限设置，并建立有限参数的映射对应模型，从而相较于现有技术模型能够更准确地确定材料参数，如纵波声速参数和材料密度参数。另一方面本发明还提供了一种掺杂体声波谐振器的设计方法，相较于现有掺杂设计方法，本掺杂设计方法能够更加稳定的得到目标频率的谐振器的设计参数，且设计周期大大减少，设计成本大大降低。

Description

一种体声波谐振器、滤波器、双工器及多工器的设计方法
技术领域
本发明涉及体声波谐振器技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计方法。
背景技术
体声波滤波器的核心组成部件是体声波谐振器，而体声波滤波器还可构成双工器或多工器。其中，体声波谐振器包括叠层结构，该叠层结构从上至下依次为顶电极、压电层以及底电极。由于体声波谐振器具有体积小、插损小等特点，因此成为目前移动通信领域中应用最为广泛的滤波器之一。
体声波谐振器的设计过程中一般会经历一次以上的工程流片后才能最终确定设计参数，并以最终确定的设计参数设计产品，现有的设计流程是先采用Mason模型或者MBVD模型来进行设计，然后根据工程流片的实测结果来拟合调整Mason模型或MBVD模型参数，当模型值和实测值满足一定的误差范围内时，得到最终的产品设计参数。然而上述设计流程中，由于模型参数众多，调整参数时往往会无从下手，另外，模型建立的优劣以及参数值的确定直接影响设计的精确度，首次流片后的体声波滤波器其中心频率相较于设计值往往会存在几十到几百兆赫兹的频差，这是因为在体声波滤波器的设计过程中，涉及到体声波谐振器材料参数的使用，其中，体声波谐振器的材料参数指的是叠层结构中各层的纵波声速和材料密度。由于体声波谐振器材料参数的设计值往往是参考值，和流片后体声波谐振器材料参数的实际值之间存在偏差，因此也会导致流片所形成的体声波滤波器的中心频率与其设计值之间存在一定的偏差。而偏差的大小直接影响后期设计的难度和周期，甚至可能会需要多次流片验证。
基于此，本领域急需一种能够减少设计偏差，节约设计成本，缩短设计周期的体声波谐振器的设计方法。另外，随着掺杂工艺的流行，如何能在现有的非掺杂工艺基础上，设计出掺杂工艺流程也是本领域急需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种体声波谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计方法，该设计方法包括：
步骤S101，构建体声波谐振器的Mason模型；其中，所述体声波谐振器包括叠层结构，该叠层结构至少包括顶电极、压电层以及底电极；
步骤S102，分别调整Mason模型中的参数来查看谐振器频率的变化情况；
其中调整的参数包括但不限于谐振器各叠层结构厚度、静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、纵波声速、材料密度等；
步骤S103，舍弃与谐振频率无关的参数，建立并联谐振频率与纵波声速、材料密度之间的对应关系，形成新等效模型；
新等效模型的声学等效部分与初始Mason模型完全相同，故而新模型中的材料参数如：纵波声速和材料密度，完全可以应用用到初始Mason模型中去，且不影响模型的准确性。
步骤S104，以新等效模型进行设计，工程流片验证，在新等效模型中拟合修调纵波声速、材料密度参数；
步骤S105，将拟合修调后的纵波声速、材料密度带入初始Mason模型，根据步骤S104中工程流片后实测的谐振器参数来拟合修调其他设计参数；
步骤S106，拟合修调后，得到最终体声波谐振器的设计参数，利用该参数进行谐振器、滤波器、双工器或多工器的设计。
根据本发明的一方面，所述Mason模型包括声学等效模型和电学等效电路；
所述声学等效模型至少包括级联的顶电极等效电路、压电层等效电路以及底电极等效电路；
所述电学等效电路包括静态电容、损耗电阻以及电学端口；
所述声学等效模型和所述电学等效电路通过浮空地和理想变压器进行耦合。
根据本发明的又一方面，其中步骤S201中调整的参数包括：谐振器各叠层结构厚度、静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、纵波声速、材料密度。
根据本发明的又一方面，所述步骤S105中其他设计参数包括：静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、有效机电耦合系数kt2。
根据本发明的又一方面，上述压电层为非掺杂压电层。
在上述设计步骤的基础上，本发明还提供了一种掺杂谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计方法，包括：
步骤S201，从先前的工程流片晶圆中筛选出满足设计频率要求的谐振器，提取该谐振器在流片过程中的实测数据；
步骤S202，计算掺杂后的纵波声速和材料密度值，带入初始Mason模型中得到理论频率偏移量；
步骤S203，对叠层厚度进行调整，使其频率偏移量等于上述步骤中的理论频率偏移量，且偏移方向相反，从而得出掺杂谐振器的叠层厚度；
步骤S204，将步骤S203中得到的参数带入初始Mason模型进行掺杂体声波谐振器、滤波器或双工器的设置，掺杂工程流片，并根据掺杂工程流片后的掺杂谐振器的实测参数拟合修调掺杂设计参数，
步骤S205，得到最终掺杂的体声波谐振器的掺杂设计参数，以此掺杂设计参数设计掺杂体声波谐振器、滤波器、双工器或多工器。
根据本发明的一方面，计算掺杂后的纵波声速和材料密度值为：用材料的原子质量比代替材料密度比来计算出掺杂材料与非掺杂材料的纵波声速关系以及材料密度关系。
根据本发明的又一方面，步骤S204中拟合修调的掺杂设计参数包括：谐振器各叠层结构厚度、静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm。
根据本发明的又一方面，所述步骤S205中的掺杂设计参数包括：纵波声速、材料密度、静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、有效机电耦合系数kt2。
本发明所提供的体声波谐振器的设置方法首先构建体声波谐振器的Mason模型，然后根据Mason提取出与并联谐振频率相关的两个参数纵波声速、材料密度，并基于此重新建立一能够将纵波谐振状态下的压电材料的纵波声速和材料密度与电特性中的并联谐振精确映射的新模型。并以新的模型确定设计用纵波声速参数和材料密度参数。然后将确定好的纵波声速参数和材料密度参数带入原始Mason模型进行电路设计，再根据工程流片谐振器实测数据进行参数的拟合修调以得到最终设计参数。本发明简化冗余参数，将无关参数舍去，针对相对固定的参数进行有限设置，并建立有限参数的映射对应模型，从而相较于现有技术模型能够更准确地确定材料参数，如纵波声速参数和材料密度参数。
上述设计为非掺杂的设计方式，在此基础之上，还可进行掺杂谐振器的设计。利用原先非掺杂工程流片的样品，挑选出合适频段的谐振器，以实测参数如叠层厚度为基准进行设计，假设掺杂后叠层厚度不变，采用公式计算得到掺杂材料的纵波声速和材料密度与非掺杂材料的纵波声速和材料密度的关系，带入初始Mason模型得到理论频率偏移量，然后直接在上述基础上进行层叠厚度调节，使其产生上述得到的理论频率偏移量，且偏移方向相反，从而得到工程流片测试用的原始层叠厚度。采用这种方式确定叠层厚度而不是直接利用计算直接得到叠层厚度的原因是为了更加稳定的得到目标频率的谐振器的工程流片，材料密度和声速通过后续的实测分析修调来确定才是更加准确的。另外，本发明的掺杂谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计方法可直接建立在非掺杂的设计基础上进行改进，相较于现有技术的设计方法其设计成本，设计周期大大降低。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1(a)是根据本发明的一种体声波谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计流程图；
图1(b)是根据本发明的一个掺杂体声波谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计流程图；
图2是体声波谐振器的Mason等效模型；
图3(a)是图2所示的Mason模型的等效电路结构；
图3(b)是本发明新模型的等效电路结构；
图4是本发明的新等效模型；
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或器的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或器，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或器。
本发明提供了一种体声波谐振器的设计方法。参考图1(a)，图1(a)是根据本发明的一个具体实施例的体声波谐振器的设计方法流程图。如图1(a)所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101，构建体声波谐振器的Mason模型；
其中，所述体声波谐振器包括叠层结构，该叠层结构至少包括顶电极、压电层以及底电极；
步骤S102，分别调整Mason模型中的参数来查看谐振器频率的变化情况；
其中调整的参数包括但不限于谐振器各叠层结构厚度、静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、纵波声速、材料密度等；
在步骤S103中，舍弃与谐振频率无关的参数，建立并联谐振频率与纵波声速、材料密度之间的对应关系，形成新等效模型；
在步骤S104中，工程流片验证，在新等效模型中拟合修调纵波声速、材料密度参数；
在步骤S105中，将拟合修调后的纵波声速、材料密度带入初始Mason模型，根据步骤S104中工程流片后实测的谐振器参数来拟合修调其他设计参数；
其中，所述其他设计参数包括但不限于静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、有效机电耦合系数kt2。
在步骤S106中，拟合修调后，得到最终体声波谐振器的设计参数，利用该参数进行谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计。
具体地，在步骤S101中，利用仿真软件(例如ADS等)构建体声波谐振器的Mason模型，该体声波谐振器包括叠层结构，该叠层结构至少包括顶电极、压电层以及底电极。其中，体声波谐振器可以是空气腔型薄膜体声波谐振器，还可以是布拉格反射型薄膜体声波谐振器，还可以是反面刻蚀型薄膜体声波谐振器，下文将上述三种薄膜体谐振器统称为体声波谐振器。
体声波谐振器的Mason模型包括声学等效模型和电学等效电路。无论体声波谐振器是空气腔型薄膜体声波谐振器、布拉格反射型薄膜体声波谐振器或反面刻蚀型薄膜体声波谐振器，其电学等效电路是相同的，均由电学端口、静态电容以及损耗电阻构成。声学等效模型则根据体声波谐振器叠层结构的不同而不同。具体地，声学等效模型由体声波谐振器叠层结构中各层的等效电路级联而成。若体声波谐振器的叠层结构从上至下依次是顶电极、压电层以及底电极，则该体声波谐振器Mason模型中的声学等效模型则包括依次级联的顶电极等效电路、压电层等效电路以及底电极等效电路。若体声波谐振器的叠层结构从上至下依次是钝化层、顶电极、压电层、底电极以及种子层，则该体声波谐振器Mason模型中的声学等效模型则包括依次级联的钝化层等效电路、顶电极等效电路、压电层等效电路、底电极等效电路以及种子层等效电路。若体声波谐振器的叠层结构从上至下依次是顶电极、压电层、底电极以及布拉格反射层，则该体声波谐振器Mason模型中的声学等效模型则包括依次级联的顶电极等效电路、压电层等效电路、底电极等效电路以及布拉格反射层等效电路。声学等效模型和电学等效电路之间通过浮空地和理想变压器进行耦合。
在本实施例中，体声波谐振器为空气腔型薄膜体声波谐振器。具体地，该体声波谐振器包括基底以及位于基底上的叠层结构，该叠层结构从上至下依次为顶电极、压电层以及底电极，其中，底电极与基底之间形成有空腔。
该体声波谐振器的Mason模型如图2所示，包括声学等效模型10和电学等效电路20，其中，声学等效模型10和电学等效电路20之间通过浮空地和理想变压器(图中以N表示)进行耦合。
声学等效模型10包括级联的顶电极等效电路101、压电层等效电路102以及底电极等效电路103。其中，顶电极等效电路101的一端接地、另一端与压电层等效电路102的一端连接，压电层等效电路102的另一端与底电极等效电路103的一端连接，底电极等效电路103的另一端接地。图中ZTE、ZPE、ZBE分别表示顶电极等效电路101、压电层等效电路102、底电极等效电路103的声学阻抗，θTE、θPE、θBE分别表示顶电极等效电路101、压电层等效电路102、底电极等效电路103的电长度。
电学等效电路20包括电学端口(包括第一电学端口P1和第二电学端口P2)、静态电容(包括第一静态电容C0和第二静态电容-C0)以及损耗电阻(包括第一损耗电阻Rm、第二损耗电阻R0和第三损耗电阻Rs)，其中，Rm、R0和Rs反映了体声波谐振器不同类型的损耗。具体地，第一损耗电阻Rm反映了体声波谐振器的机械损耗，第二损耗电阻R0反映了体声波谐振器的横向泄漏损耗，第三损耗电阻Rs反映了体声波谐振器的电极损耗。
电学等效电路20的具体结构如下：第一电学端口P1与第一损耗电阻Rm的一端连接，第二电学端口P2与第三损耗电阻Rs的一端连接，第三损耗电阻Rs的另一端与第二静态电容-C0的一端连接，第二损耗电阻R0的一端连接至第一电学端口P1，第二损耗电阻R0的另一端与第一静态电容C0的一端连接，第一静态电容C0的另一端连接至第三损耗电阻Rs和第二静态电容-C0之间的节点，第一损耗电阻Rm的另一端与第二静态电容-C0的另一端分别与理想变压器N一侧绕组的两端连接，理想变压器N另一侧绕组的两端分别接地以及接浮空地。
在步骤S102中，分别调整Mason模型中的参数来查看谐振器谐振频率的变化情况。具体步骤如下：
分别调整Mason模型中各控制变量，如叠层厚度、静态电容C0、-C0、损耗电阻Rm、R0、Rs以及机电耦合系数Kt2、纵波声速v、材料密度ρ等，查看谐振频率是否发生变化。此时查看的谐振频率可以包括谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率。正常设计过程中，Mason模型中各参数的重要性不完全相同，不同参数可能会影响谐振器的同一性能，且不同参数影响性能的贡献也是不同。Mason模型中有些参数主要是由材料本身所决定的，例如材料密度、纵波声速等，而有些参数是需要在设计中不断调整的，然而，上述各种参数，不管是基本固定不变的，还是会随着设计随时改变的参数，都存在着设计时与实际流片后的参数误差。基于此，本方法的核心是减小变量数量跟谐振频率之间的对应关系，优先准确地确定相对固定的参数变量。纵波声速和材料密度在设计过程中是相对比较稳定的参数，基于此，本步骤调整变量查看谐振器变化的情况其主要其目的是为了能够得到一个能精准映射纵波声速、材料密度与某一谐振频率的对应关系。
在步骤S103中，舍弃与谐振频率无关的参数，建立并联谐振频率与纵波声速、材料密度之间的对应关系的新等效模型；具体步骤如下：
谐振器的谐振频率一般分为串联谐振频率和并联谐振频率，在修改Mason模型控制变量的过程中发现，并联谐振频率与纵波声速、材料密度、叠层厚度之间存在着较为密切对应的映射关系。下面通过理论分析的方式来说明并联谐振频率与纵波声速、材料密度以及叠层厚度之间存在的映射关系。
Figure BDA0003830895260000091
其中，式1-1是Mason模型的电学阻抗表达式，碳化铝(AlN)是体声波谐振器中的压电层材料，钼(Mo)是体声波谐振器中上、下电极的材料；C0是体声波谐振器的静态电容，Zt(Zt＝jZMo tanθMo)和Zb(Zb＝jZMo tanθ'Mo)是从氮化铝上下边界分别向上和向下看去的输入阻抗，ZAlN/ZMo是氮化铝和钼的声学特征阻抗。θAlN/θMo/θ'Mo是声波在压电层、顶电极以及底电极传播过程中产生的相位偏移。n是代表图2中理想变压器N的线圈匝数比，具体的表达式为：n＝2θAlN/(kt2ωC0ZAlN)。其中kt2是压电层材料的机电耦合系数。
其中损耗电阻Rs、R0、Rm分别代表电极引起的欧姆损耗，由于介质材料带来的介电损耗以及不规则机械振动边界带来的机械损耗。这三个电阻仅仅影响谐振器的品质因数，不会影响其谐振频率。所以，式1-1可简化为下式1-2。
Figure BDA0003830895260000092
其中θAlN的具体计算方式如下，kAlN为压电层材料的无损传播常数，dAlN是压电层的厚度，VAlN是氮化铝的纵波声速。
Figure BDA0003830895260000101
为了方便推导，将公式(1-2)的FBAR阻抗表达式转换为理想FBAR表达式，理想FBAR的特点是只具有压电层，并且谐振器横向尺寸远远大于纵向尺寸，即Zt和Zb的值都近似为零(顶电极和底电极都去掉)，得出下式1-4：
Figure BDA0003830895260000102
根据谐振器的阻抗曲线可知，当f为并联谐振频率时，即f＝fp时，ZFBAR趋近于无穷大，此时，θAlN|fp＝(2n+1)π/2，tanθAlN/θAlN趋近于无穷大。结合
式1-3、1-4可以将fp成功分离。分离算式如下：
Figure BDA0003830895260000103
从式(1-5)可以看出，fp的值与机电耦合系数无关，只与VAlN和dALN相关，VAlN是氮化铝的纵波声速，而AlN作为体声波谐振器中常用的压电材料具有六方纤锌矿结构，在压电介质中传播的声波可以看作正负两个方向传播的平面波的线性组合，当声波沿c轴传播时，选择空间直角坐标系的z轴方向与晶体c轴平行，此时氮化铝的纵波声速可以看作为：
Figure BDA0003830895260000104
其中C33为材料弹性劲度常数，e33为材料压电应力常数，ε33为材料介电常数，ρ为材料密度。可见VAlN与ALN的材料密度密切相关。由此得出，fp和纵波声速、材料密度以及叠层厚度之间存在着准确的映射关系。
以上是从理论上解释了并联谐振频率与纵波声速、材料密度以及叠层厚度存在的对应关系。下面结合上述理论来建立新的等效模型。
图3(a)为图2中Mason模型的常规等效电路结构，其中，该电路结构包括第一静态电容C0、第二静态电容-C0、第一损耗电阻Rm、第二损耗电阻R0、第三损耗电阻Rs、第一电容C1、第一电感L1、理想变压器N、第一电学端口P1、第二电学端口P2。其中，第一电学端口P1与第一损耗电阻Rm的一端连接，第二电学端口P2与第三损耗电阻Rs的一端连接，第三损耗电阻Rs的另一端与第二静态电容-C0的一端连接，第二损耗电阻R0的一端连接至第一电学端口P1，第二损耗电阻R0的另一端与第一静态电容C0的一端连接，第一静态电容C0的另一端连接至第三损耗电阻Rs和第二静态电容-C0之间的节点，第一损耗电阻Rm的另一端与第二静态电容-C0的另一端分别与理想变压器N一侧绕组的两端连接，理想变压器N另一侧绕组的两端分别与第一电容C1和第一电感L1连接，第一电容C1和第一电感L1之间串联连接。结合上述推导，图3(a)中的常规等效电路结构可简化成图3(b)所述电路结构，在图3(b)的电路中，包括第一电容C1、第一电感L1、理想变压器N、第一电学端口P1、以及第二电学端口P2。其中，第一电容C1的一端连接至第一电感L1的一端，第一电容C1的另一端和第一电感L1的另一端分别连接至理想变压器N一侧绕组两端，理想变压器N另一侧绕组两端分别与第一电学端口P1和第二电学端口P2连接。需要说明的是，图3(a)、3(b)具有相同的谐振频率。
最后，考虑到第一电感L1和第一电容C1的串联可以等效为体声波谐振器Mason模型中的声学等效模型10，因此利用Mason模型中的声学等效模型10来等效简化电路中的第一电感L1和第一电容C1，从而得到图4所示的新的等效模型。如图4所示，该模型包括与Mason模型相同的声学等效模型10，该声学等效模型10通过浮空地和理想变压器N与第一电学端口P1和第二电学端口P2连接。由于图4所示模型不包括任何电容、电阻以及电感，其谐振频率仅与体声波谐振器的材料参数和结构参数有关，其中，体声波谐振器的材料参数指的是叠层结构中各层的纵波声速和材料密度，体声波谐振器的结构参数指的是叠层结构中各层的厚度，这与上述的理论分析不谋而合。
从图2、图4可看出，两个模型的声学等效部分完全相同，故而新模型(图4)中的材料参数如：纵波声速和材料密度，完全可以应用用到旧模型(图2)中去，且不影响模型的准确性。
在步骤S104中，以新等效模型进行设计，工程流片后进行参数拟合修调，得到拟合修调后的材料纵波声速、材料密度；具体为：
以得到的新等效模型设计滤波器，工程流片时对谐振器进行Inline量测，得出滤波器的实测参数，并利用新模型对材料参数如纵波声速、材料密度进行拟合修调，从而得到修调后的纵波声速、材料密度参数。参数拟合修调的过程就是调整新等效模型中的特定参数值，使得新等效模型的并联谐振频率仿真值与实测谐振器的并联谐振频率值满足最小误差。
在步骤S105中，将拟合修调后的纵波声速、材料密度带入Mason模型，根据步骤S104中工程流片后实测谐振器参数来拟合修调其他设计参数；
其中，在拟合的过程中，纵波声速、材料密度固定不变，优化其他设计参数，所述其他设计参数包括但不限于静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、有效机电耦合系数kt2；
在步骤S106中，优化后，得到最终体声波谐振器的设计参数，利用该参数进行后续谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计。
以上介绍了一种体声波谐振器的设计方法，其谐振器的压电层采用非掺杂材料如氮化铝(ALN)。然而随着工艺的不断迭代更新，为了追求更高性能的机电耦合系数以及更小尺寸的芯片结构，越来越多的体声波谐振器采用掺杂工艺来制作压电材料，例如常见的采用掺钪(Sc)氮化铝来作为压电材料，为了节约成本和缩短研发周期，如何在原有的非掺杂设计工艺的基础上开发出一套准确的掺杂工艺设计流程是本领域技术人员急需解决的问题。
下面实施例以掺钪氮化铝(AlScN)作为压电材料为例进行说明，如何利用非掺杂的设计方法来进行掺杂工艺的设计改进。
参见图1(b)，图1(b)为掺杂体声波谐振器的设计流程图。
在步骤S201中，从先前的工程流片晶圆中筛选出满足设计频率要求的谐振器，提取该谐振器在流片过程中的实测数据；
在体声波滤波器的设计过程中，设计人员会根据实际需要选择多种不同叠层厚度来做工程流片，以便于后期的参数拟合修调和后期的多种设计项目，工程流片的次数可以是一次，也可以是多次。
在先前的工程流片晶圆中筛选出满足我们设计需要的频率要求的谐振器，提取该谐振器在流片过程中的Inline量测数据、本实施例中设计需要的频率为4.8-5G，Inline量测数据包括各叠层结构的厚度，如压电层厚度，上电极厚度，下电极厚度等，本领域技术人员熟知，上述具体数值只是举例说明，该方法同样适用于其他频段以及其他测量数据；
在步骤S202中，计算掺杂后的纵波声速和材料密度值，带入初始Mason模型中得到理论频率偏移量；
本实施例以在压电材料氮化铝(AlN)掺杂9％的钪(Sc)为例，即AlScN中Al、Sc、N的比例为0.91:0.09:1进行说明，以步骤S201中Inline测量的叠层结构厚度为基础，假设掺杂后厚度不变，用原子质量比粗略代表密度比，具体的密度计算过程如公式(1-7)所示。
Figure BDA0003830895260000131
其中，Al的原子质量为26.9，N的原子质量为14.01，Sc的原子质量为44.96。那么，即可得到掺杂和非掺杂材料之间的密度关系比：
ρAlScN≈1.039ρAlN (1-8)
又由公式(1-9)可以计算得到掺杂材料的声速与非掺杂材料声速的关系：
Figure BDA0003830895260000132
得到上述掺杂材料参数估计值之后，将新的材料密度参数和纵波声速参数代入初始Mason模型中，同时代入上述步骤中Inline测量的叠层结构厚度。得到掺杂后模型的谐振频率在所需频段处的频率会向低频偏移一定值(掺杂会影响材料的特性，从而导致同样的厚度未掺杂的频率和掺杂会存在一定的频率偏差)。本实施例以N79频段为例进行说明，得到掺杂后模型的谐振频率在4.7GHz处频率会向低频偏移287.94MHz。当然本领域技术人员熟知，不同的掺杂材料频率偏移的方向和大小也是不同的，采用其他掺杂材料，频率也可能会向高频偏移，这里不做一一举例说明。
在步骤S203中，对叠层厚度进行调整，使其频率偏移量等于上述步骤中的理论频率偏移量，且偏移方向相反，从而得出掺杂谐振器的叠层厚度；具体步骤包括：
在得到上述理论频率偏移量后，在Mason模型中对电极的厚度进行减薄(理论频率偏移量向低频偏移时减薄电极厚度，理论频率偏移量向高频偏移时增加电极厚度，本实施例是向低频偏移，所以需要减薄电极厚度，以提高频率)，以使谐振器的基频提高上述频率偏移量。然后将减薄后的叠层厚度用来来作为掺钪谐振器的工程流片的基础叠层厚度。本实施例中，通过减薄上电极的厚度，使谐振器的基频提高了287.94MHz。当然，本领域技术人员熟知，还可以通过调整下电极的厚度、或者压电层的厚度、或者调整上下电极和压电层之间的不同组合来实现基频的提高；至于是减薄厚度还在增加厚度，跟理论频率偏移量的偏移方向相关。在此不一一说明。另外需要说明的是，这里的偏移方向相反是指，如果步骤S202中的频率偏移量是向低频偏移，那么步骤S203中通过调整叠层厚度来改变谐振频率偏移的方向便是向高频偏移；类似地，如果步骤S202中的频率偏移量是向高频偏移，那么步骤S203中通过调整叠层厚度来改变谐振频率偏移的方向便是向低频偏移。
在步骤S204中，将上述参数带入初始Mason模型进行谐振器、滤波器或双工器的设置，掺杂工程流片，并根据工程流片后的掺杂谐振器的实测参数拟合修调设计参数，包括：
将上述步骤S203得到的叠层厚度、纵波声速、材料密度参数带入初始Mason模型进行电路设计，所述电路包括谐振器、滤波器、双工器、多工器等，再根据工程流片后的掺杂谐振器的实测数据来进一步拟合修调各设计参数，拟合修调的设计参数包括但不限于：C0、RS、R0、Rm、Kt2。
在步骤S205中，得到最终掺杂的体声波谐振器的设计参数，包括：将步骤S204中得到的拟合修调后的参数作为最终的设计参数，以此参数进行最终谐振器、滤波器、双工器、多工器的电路设计。所述设计参数包括但不限于静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、有效机电耦合系数kt2。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。
本发明所提供的体声波谐振器的设置方法首先构建体声波谐振器的Mason模型，然后根据Mason提取出与并联谐振频率相关的两个参数纵波声速、材料密度，并基于此重新建立一能够将纵波谐振状态下的压电材料的纵波声速和材料密度与电特性中的并联谐振精确映射的新模型。并以新的模型确定设计用纵波声速参数和材料密度参数。然后将确定好的纵波声速参数和材料密度参数带入原始Mason模型进行电路设计，再根据工程流片谐振器实测数据进行参数的拟合修调以得到最终设计参数。本发明简化冗余参数，将无关参数舍去，针对相对固定的参数进行有限设置，并建立有限参数的映射对应模型，从而相较于现有技术模型能够更准确地确定材料参数，如纵波声速参数和材料密度参数。
上述设计为非掺杂的设计方式，在此基础之上，还可进行掺杂谐振器的设计。利用原先非掺杂工程流片的样品，挑选出合适频段的谐振器，以实测参数如叠层厚度为基准进行设计，假设掺杂后叠层厚度不变，采用公式计算得到掺杂材料的纵波声速和材料密度与非掺杂材料的纵波声速和材料密度的关系，带入初始Mason模型得到理论频率偏移量，然后直接在上述基础上进行层叠厚度调节，使其产生上述得到的理论频率偏移量，且偏移方向相反，从而得到工程流片测试用的原始层叠厚度。采用这种方式确定叠层厚度而不是直接利用计算直接得到叠层厚度的原因是为了更加稳定的得到目标频率的谐振器的工程流片，材料密度和声速通过后续的实测分析修调来确定才是更加准确的。另外，本发明的掺杂谐振器、滤波器、双工器以及多工器的设计方法可直接建立在非掺杂的设计基础上进行改进，相较于现有技术的设计方法其设计成本，设计周期大大降低。
以上所揭露的仅为本发明的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种设计方法，其中，该设计方法包括：
步骤S101，构建体声波谐振器的Mason模型；
其中，所述体声波谐振器包括叠层结构，该叠层结构至少包括顶电极、压电层以及底电极；
步骤S102，分别调整Mason模型中的参数来查看谐振器频率的变化情况；
步骤S103，舍弃与谐振频率无关的参数，建立并联谐振频率与纵波声速、材料密度之间的对应关系，形成新等效模型；
步骤S104，工程流片验证，在新等效模型中拟合修调纵波声速、材料密度参数；
步骤S105，将拟合修调后的纵波声速、材料密度带入初始Mason模型，根据步骤S104中工程流片后实测的谐振器参数来拟合修调其他设计参数；
步骤S106，拟合修调后，得到最终体声波谐振器的设计参数，利用该参数进行谐振器、滤波器、双工器或多工器的设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述Mason模型包括声学等效模型和电学等效电路；
所述声学等效模型至少包括级联的顶电极等效电路、压电层等效电路以及底电极等效电路；
所述电学等效电路包括静态电容、损耗电阻以及电学端口；
所述声学等效模型和所述电学等效电路通过浮空地和理想变压器进行耦合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，其中步骤S201中调整的参数包括：谐振器各叠层结构厚度、静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、纵波声速、材料密度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤S105中其他设计参数包括：静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、有效机电耦合系数kt2。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，并联谐振频率为：
Figure FDA0003830895250000021
其中，n＝0、1、2、3……，dAlN是压电层的厚度，VAlN是压电层的纵波声速。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，压电层为非掺杂压电层。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，还包括如下步骤：
步骤S201，从先前的工程流片晶圆中筛选出满足设计频率要求的谐振器，提取该谐振器在流片过程中的实测数据；
步骤S202，计算掺杂后的纵波声速和材料密度值，带入初始Mason模型中得到理论频率偏移量；
步骤S203，对叠层厚度进行调整，使其频率偏移量等于上述步骤中的理论频率偏移量，且偏移方向相反，从而得出掺杂谐振器的叠层厚度；
步骤S204，将步骤S203中得到的参数带入初始Mason模型进行掺杂体声波谐振器、滤波器或双工器的设置，掺杂工程流片，并根据掺杂工程流片后的掺杂谐振器的实测参数拟合修调掺杂设计参数；
步骤S205，得到最终掺杂的体声波谐振器的掺杂设计参数，以此掺杂设计参数设计掺杂体声波谐振器、滤波器、双工器或多工器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，计算掺杂后的纵波声速和材料密度值为：用材料的原子质量比代替材料密度比来计算出掺杂材料与非掺杂材料的纵波声速关系以及材料密度关系。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，其中步骤S204中拟合修调的掺杂设计参数包括：谐振器各叠层结构厚度、静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述步骤S205中的掺杂设计参数包括：纵波声速、材料密度、静态电容C0、损耗电阻RS、R0、Rm、有效机电耦合系数kt2。
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