CN115913167B - 一种多传输零点的声表面波滤波器及信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及器件制备技术领域，提供了一种多传输零点的声表面波滤波器及信号处理电路，声表面波滤波器包括并联谐振器和串联谐振器；并联谐振器和串联谐振器依次级联。并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同，使得串联谐振器的反谐振点与并联谐振器的谐振点构成多个零点位置；面内传播方向为谐振器中叉指电极的法线方向，并联谐振器和串联谐振器所激发的声学模式相同。基于本申请实施例通过设置不同面内传播方向的谐振器，可以调整谐振器的机电耦合系数差距，进而可以扩大滤波器的零点位置的间距，实现多传输零点滤波器。
Description
技术领域
本发明涉及器件制备技术领域，尤其涉及一种多传输零点的声表面波滤波器及信号处理电路。
背景技术
现有基于单一面内传播方向的谐振器所构成的声表面波滤波器的机电耦合系数难以较大范围调整，并且，通过级联电感元件、电容元件来形成多传输零点的滤波器，电感元件、电容元件造成器件体积大、寄生效应严重，影响器件的高性能。
发明内容
为了解决现有滤波器性能低的问题，本申请实施例提供了一种多传输零点的声表面波滤波器及信号处理电路。
根据本申请的第一方面，提供了一种多传输零点的声表面波滤波器，该多传输零点的声表面波滤波器包括：
并联谐振器和串联谐振器；并联谐振器和串联谐振器依次级联；
并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同，使得串联谐振器的反谐振点与并联谐振器的谐振点构成多个零点位置；面内传播方向为谐振器中叉指电极的法线方向；
并联谐振器和串联谐振器所激发的声学模式相同。
进一步地，并联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同；
串联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。
进一步地，并联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同；
串联谐振器中每个谐振器的声表面波的面内传播方向相同。
进一步地，并联谐振器中每个谐振器的声表面波的面内传播方向相同；
串联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。
进一步地，并联谐振器中存在至少一个谐振器的声表面波的面内传播方向与串联谐振器中谐振器的声表面波的面内传播方向相同。
进一步地，谐振器包括支撑衬底、设置在支撑衬底上的压电薄膜以及设置在压电薄膜上的叉指电极。
进一步地，谐振器包括设置在支撑衬底上的介质层；
介质层的厚度与叉指电极的中心间距的比值小于预设阈值；预设阈值为4。
进一步地，支撑衬底的材料包括硅、石英、碳化硅、蓝宝石和金刚石；
压电薄膜的材料为铌酸锂和钽酸锂。
进一步地，介质层的材料包括氧化硅、氮化硅和氧化铝。
根据本申请的第二方面，提供了一种信号处理电路，该信号处理电路包括上述多传输零点的声表面波滤波器。
本申请实施例具有如下有益效果：
本申请实施例提供的一种多传输零点的声表面波滤波器及信号处理电路，声表面波滤波器包括并联谐振器和串联谐振器；并联谐振器和串联谐振器依次级联。并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同，使得串联谐振器的反谐振点与并联谐振器的谐振点构成多个零点位置；面内传播方向为谐振器中叉指电极的法线方向。基于本申请实施例通过设置不同面内传播方向的谐振器，可以调整谐振器的机电耦合系数差距，进而可以扩大滤波器的零点位置的间距，实现多传输零点滤波器。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是一种现有双零点声表面波滤波器的响应示意图；
图2是另一种现有双零点声表面波滤波器的响应示意图；
图3是本申请实施例提供的一种谐振器的工作频率和机电耦合系数随器件波长的变化曲线示意图；
图4是本申请实施例提供的一种谐振器的机电耦合系数随器件面内传播方向的变化曲线；
图5是本申请实施例提供的一种多传输零点的声表面波滤波器的俯视示意图；
图6是本申请实施例提供的一种多传输零点的声表面波滤波器的示意图；
图7是本申请实施例提供的一种谐振器的俯视示意图；
图8是本申请实施例提供的一种谐振器的截面示意图；
图9是本申请实施例提供的另一种谐振器的截面示意图；
图10是本申请实施例提供的一种谐振器和滤波器的仿真曲线图；
图11是本申请实施例提供的一种信号处理电路的示意图；
图12是本申请实施例提供的另一种信号处理电路的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一个实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，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实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“具有”和“为”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
声表面波滤波器可以由多个声表面波谐振器在串联和并联臂上依次级联构成。其中，串联谐振器的谐振频率高于并联谐振器的谐振频率，串联谐振器对应的波长小于并联谐振器对应的波长。一般而言，串联谐振器的谐振频率fr需要与并联谐振器的反谐振频率fa基本对齐，以实现带通滤波器的响应。因此，滤波器的相对带宽与谐振器的机电耦合系数呈正相关，谐振器的机电耦合系数越大，可以实现的滤波器的相对带宽越大。
图1是一种现有双零点声表面波滤波器的响应示意图，该双零点声表面波滤波器可以由7个机电耦合系数kt 2＝35％、声表面波的面内传播方向θ＝170°的谐振器构成。其中，4个谐振器串联，3个谐振器并联。每个谐振器可以由150nm的铝电极、600nm的X切铌酸锂薄膜、400nm的氧化硅介质层以及硅衬底。所激发的声波模式可以为水平剪切波SH模式。由图1可知，声表面波滤波器的零点位置，即2.28GHz和2.95GHz由串联谐振器的反谐振点和并联谐振器的谐振点位置所决定。虽然，该声表面波滤波器带外抑制高达50dB，然而通带上截止频率与左零点、下截止频率与右零点的间距过大，即矩形度不高，这将会导致在射频模组设计中，对相邻频段的隔离度不足。
图2是另一种现有双零点声表面波滤波器的响应示意图，该双零点声表面波滤波器可以由7个机电耦合系数kt 2＝25％、声表面波的面内传播方向θ＝170°的谐振器构成。其中，4个谐振器串联，3个谐振器并联。相较于图1采用机电耦合系数kt 2＝35％的谐振器，采用较小的机电耦合系数的谐振器构建滤波器，可以在实现相同宽度的通带的前提下，使得零点位置更靠近上截止频率和下截止频率，进而可以增大矩形度。然而，减小机电耦合系数将会导致声表面波滤波器的带外抑制严重恶化，不足20dB。
可见，现有双零点声表面波滤波器难以兼顾带宽、矩形度和带外抑制。因此，本申请考虑引入更多的零点，在不劣化带外抑制的前提下，实现更高的矩形度。
图3是本申请实施例提供的一种谐振器的工作频率和机电耦合系数随器件波长的变化曲线示意图，由图3可知，器件的工作频率与波长成反比关系，机电耦合系数kt 2在波长λ∈[1.2μm，1.6μm]的范围内几乎不变，最大机电耦合系数和最小机电耦合系数相差仅1.5％。因此，基于同一面内传播方向的谐振器在调整机电耦合系数方面灵活性不足，难以用于构建多零点的滤波器。
图4是本申请实施例提供的一种谐振器的机电耦合系数随器件面内传播方向的变化曲线。由图4可知，谐振器的机电耦合系数在172°时高达37％，越偏离172°则机电耦合系数越低，呈现出大幅度变化的现象。因此，可以利用多个具有不同的面内传播方向的谐振器构成声表面波滤波器，实现多零点声表面波滤波器。并且，由图4可知，不同的面内传播方向可以实现相同的机电耦合系数，例如面内传播方向为20°和147°均可以实现17％的机电耦合系数。因此，器件设计所采用的角度可以根据版图排布、杂散模式抑制情况灵活选择。
下面介绍本申请一种多传输零点的声表面波滤波器具体实施例，图5是本申请实施例提供的一种多传输零点的声表面波滤波器的俯视示意图，图6是本申请实施例提供的一种多传输零点的声表面波滤波器的示意图。本说明书提供了如实施例或附图所示的组成结构，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的模块或组成。实施例中列举的组成结构仅仅为众多组成结构中的一种方式，不代表唯一的组成结构，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的组成结构执行。
本申请实施例中，多传输零点的声表面波滤波器可以包括并联谐振器和串联谐振器，并联谐振器和串联谐振器可以依次级联。其中，并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同，使得串联谐振器的反谐振点与并联谐振器的谐振点构成多个零点位置。面内传播方向可以为谐振器中叉指电极的法线方向，并联谐振器和串联谐振器所激发的声学模式相同。通过设置不同面内传播方向的谐振器，可以调整谐振器的机电耦合系数差距，进而可以扩大滤波器的零点位置的间距，实现多传输零点滤波器。
具体如图5和6所示，多传输零点的声表面波滤波器可以包括7个谐振器，其中，3个谐振器并联构成并联谐振器，4个谐振器串联构成串联谐振器。该7个谐振器中至少存在两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。为了便于理解，可以自左向右将7个谐振器依次编号为1-7，其中，串联谐振器自左向右依次编号为1、3、5、7，并联谐振器自左向右依次编号为2、4、6。
本申请实施例中，并联谐振器中可以存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同，串联谐振器中也可以存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。
在一些可能的实施方式中，对于上文中编号的7个谐振器，串联谐振器1、3、5、7中可以存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。并联谐振器2、4、6中可以存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。
例如，谐振器1和谐振器3的声表面波的面内传播方向不同，谐振器3、谐振器5和谐振器7的声表面波的面内传播方向相同。谐振器3和谐振器5的声表面波的面内传播方向不同，谐振器1、谐振器5和谐振器7的声表面波的面内传播方向相同。谐振器1、谐振器3、谐振器5和谐振器7的声表面波的面内传播方向均不同。谐振器2和谐振器4的声表面波的面内传播方向不同，谐振器4和谐振器6的声表面波的面内传播方向相同。谐振器4和谐振器6的声表面波的面内传播方向不同，谐振器2和谐振器4的声表面波的面内传播方向相同。谐振器2、谐振器4和谐振器6的声表面波的面内传播方向均不同。
本申请实施例中，并联谐振器中可以存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同，串联谐振器中每个谐振器的声表面波的面内传播方向可以相同。
在一些可能的实施方式中，对于上文中编号的7个谐振器，串联谐振器1、3、5、7中可以存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。并联谐振器2、4、6中每个谐振器的声表面波的面内传播方向均相同。
例如，谐振器1和谐振器3的声表面波的面内传播方向不同，谐振器3、谐振器5和谐振器7的声表面波的面内传播方向相同。谐振器3和谐振器5的声表面波的面内传播方向不同，谐振器1、谐振器5和谐振器7的声表面波的面内传播方向相同。谐振器1、谐振器3、谐振器5和谐振器7的声表面波的面内传播方向均不同。谐振器2、谐振器4和谐振器6的声表面波的面内传播方向均相同。
本申请实施例中，并联谐振器中每个谐振器的声表面波的面内传播方向可以相同，串联谐振器中可以存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。
在一些可能的实施方式中，对于上文中编号的7个谐振器，串联谐振器1、3、5、7中每个谐振器的声表面波的面内传播方向均相同。并联谐振器2、4、6中可以存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同。
例如，谐振器1、谐振器3、谐振器5和谐振器7的声表面波的面内传播方向均相同。谐振器2和谐振器4的声表面波的面内传播方向不同，谐振器4和谐振器6的声表面波的面内传播方向相同。谐振器4和谐振器6的声表面波的面内传播方向不同，谐振器2和谐振器4的声表面波的面内传播方向相同。谐振器2、谐振器4和谐振器6的声表面波的面内传播方向均不同。
本申请实施例中，并联谐振器中可以存在至少一个谐振器的声表面波的面内传播方向与串联谐振器中谐振器的声表面波的面内传播方向相同。
在一些可能的实施方式中，可以采用对称设计，即谐振器1和谐振器7的声表面波的面内传播方向相同，谐振器2和谐振器6的声表面波的面内传播方向相同，谐振器3和谐振器5的声表面波的面内传播方向相同。
| 谐振频率 | 机电耦合系数 | 面内传播方向 | |
| 谐振器1 | 2599GHz | 17.9％ | 150° |
| 谐振器2 | 2263GHz | 38.2％ | 170° |
| 谐振器3 | 2582GHz | 33.2％ | 163° |
| 谐振器4 | 2429GHz | 13.8％ | 148° |
| 谐振器5 | 2582GHz | 33.2％ | 163° |
| 谐振器6 | 2263GHz | 38.2％ | 170° |
| 谐振器7 | 2599GHz | 17.9％ | 150° |
对于传统的基于单一压电体单晶材料的声表面波滤波器，不宜采用多个面内传播方向不同的谐振器，因为沿着不同的面内传播方向，其声波的传输损耗亦会出现大幅度变化，即沿着部分面内传播方向的声表面波谐振器的Q值较低，无法满足应用需求。
图7是本申请实施例提供的一种谐振器的俯视示意图，图8是本申请实施例提供的一种谐振器的截面示意图。如图6和7所示，谐振器可以包括支撑衬底、设置在支撑衬底上的压电薄膜以及设置在压电薄膜上的电极阵列。其中，电极阵列可以包括平行排布的叉指电极阵列和反射栅电极阵列。叉指电极阵列的法线方向可以定义为声表面波的面内传播方向θ，电极阵列可以沿着与θ方向成α夹角的方向倾斜排布在压电薄膜上。倾斜角α可以在区间[-10°，10°]内。基于多层异质衬底结构的声表面波滤波器，由于高声速衬底的声场能量局域效应，使得沿着任意面内传播方向的谐振器均可以具有极高的Q值。
在一些可能的实施方式中，支撑衬底可以是声速高于压电薄膜内目标声波模式的声速的高声速衬底，用于约束压电薄膜声波导中的声场能量。具体地，支撑衬底的材料可以为硅Si、石英、碳化硅SiC、蓝宝石、金刚石中的任意一种。
在一些可能的实施方式中，压电薄膜的材料可以为铌酸锂LiNbO3或者钽酸锂LiTaO3。压电薄膜的切型只能为X、Z两种正切型，而常见的基于YX-θ切的LiNbO3或LiTaO3的声表面波谐振器会在改变面内方向后出现强烈的杂散模式，无法正常应用。可选地，压电薄膜的厚度可以在区间[1.5μm，150nm]内。
图9是本申请实施例提供的另一种谐振器的截面示意图，该谐振器可以包括支撑衬底、设置在支撑衬底上的介质层、设置在介质层上的压电薄膜以及设置在压电薄膜上的电极阵列。其中，电极阵列可以包括平行排布的叉指电极阵列和反射栅电极阵列。叉指电极阵列的法线方向可以定义为声表面波的面内传播方向θ，电极阵列可以沿着与θ方向成α夹角的方向倾斜排布在压电薄膜上。倾斜角α可以在区间[-10°，10°]内。
本申请实施例中，介质层的厚度与叉指电极阵列中叉指电极的中心间距的比值可以小于预设阈值。可选地，预设阈值可以为4。即介质层的最大厚度不超过2倍的波长。通过覆盖不同厚度的介质层，可以进一步调整谐振器的机电耦合系数，提升滤波器的设计灵活性。
在一些可能的实施方式中，支撑衬底可以是声速高于压电薄膜内目标声波模式的声速的高声速衬底，用于约束压电薄膜声波导中的声场能量。具体地，支撑衬底的材料可以为硅Si、石英、碳化硅SiC、蓝宝石、金刚石中的任意一种。
在一些可能的实施方式中，压电薄膜的材料可以为铌酸锂LiNbO3或者钽酸锂LiTaO3。压电薄膜的切型只能为X、Z两种正切型，而常见的基于YX-θ切的LiNbO3或LiTaO3的声表面波谐振器会在改变面内方向后出现强烈的杂散模式，无法正常应用。可选地，压电薄膜的厚度可以在区间[1.5μm，150nm]内。
在一些可能的实施方式中，介质层的材料可以为氧化硅SiOx、氮化硅SiNx、氧化铝Al2O3等高电阻率材料。
在实际应用时，谐振器也可以包括支撑衬底、压电薄膜、设置在压电薄膜上的介质层以及设置在介质层上电极阵列。谐振器还可以包括支撑衬底、设置在支撑衬底上的第一介质层、设置在第一介质层上的压电薄膜、设置在压电薄膜上的第二介质层以及设置在压电薄膜上的电极阵列。通过在叉指电极阵列上覆盖不同厚度的介质层，可以进一步调整谐振器的机电耦合系数，提升滤波器的设计灵活性。
图10是本申请实施例提供的一种谐振器和滤波器的仿真曲线图。一般，将滤波器的通带视为-1～1的范围，那么所有零点位置在1.1～4.0之间。由图10可知，基于图5所示的多传输零点的声表面波滤波器可以具有4个不同的机电耦合系数，分别在2.91GHz、2.78GHz、2.43GHz、2.26GHz产生传输零点。该声表面波滤波器既可以保持高矩形度的，又可以实现高达60dB的带外抑制。
采用本申请实施例提供的多传输零点的声表面波滤波器，通过设置不同面内传播方向的谐振器，可以调整谐振器的机电耦合系数差距，进而可以扩大滤波器的零点位置的间距，实现多传输零点滤波器。通过覆盖不同厚度的介质层，可以进一步调整谐振器的机电耦合系数，提升滤波器的设计灵活性。
下面介绍本申请一种信号处理电路具体实施例，图11是本申请实施例提供的一种信号处理电路的示意图，图12是本申请实施例提供的另一种信号处理电路的示意图。本说明书提供了如实施例或附图所示的组成结构，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的模块或组成。实施例中列举的组成结构仅仅为众多组成结构中的一种方式，不代表唯一的组成结构，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的组成结构执行。
本申请实施例中，信号处理电路可以包括多个多传输零点的声表面波滤波器，每个多传输零点的声表面波滤波器可以包括并联谐振器和串联谐振器，并联谐振器和串联谐振器可以级联。其中，并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的声表面波的面内传播方向不同，使得串联谐振器的反谐振点与并联谐振器的谐振点构成多个零点位置。面内传播方向可以为谐振器中叉指电极的法线方向。
在一些可能的实施方式中，多传输零点的声表面波滤波器可以用于双工器、多工器等射频信号处理电路。
需要说明的是：上述本申请实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，且上述本说明书对特定的实施例进行了描述，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同的实施例中的顺序来执行并且能够实现预期的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出特定顺序或者而连接顺序才能够实现期望的结果。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的均为与其他实施例的不同之处。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多传输零点的声表面波滤波器，其特征在于，包括：
并联谐振器和串联谐振器；所述并联谐振器和所述串联谐振器依次级联；所述串联谐振器和所述并联谐振器均包括支撑衬底、设置在所述支撑衬底上的压电薄膜以及设置在所述压电薄膜上的电极阵列；所述电极阵列包括平行排布的叉指电极阵列和反射栅电极阵列；所述叉指电极阵列的法线方向为声表面波的面内传播方向；所述压电薄膜的切型包括X切型或Z切型；
所述并联谐振器和所述串联谐振器中存在至少两个所述谐振器的所述声表面波的面内传播方向不同，使得所述串联谐振器的反谐振点与所述并联谐振器的谐振点构成多个零点位置；所述并联谐振器中存在至少两个所述谐振器的声表面波的面内传播方向不同，且所述串联谐振器中存在至少两个所述谐振器的声表面波的面内传播方向不同；
所述并联谐振器和所述串联谐振器所激发的声学模式相同。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述并联谐振器中存在至少一个谐振器的声表面波的面内传播方向与所述串联谐振器中谐振器的声表面波的面内传播方向相同。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述谐振器包括设置在所述支撑衬底上的介质层；
所述介质层的厚度与所述叉指电极的中心间距的比值小于预设阈值；所述预设阈值为4。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述支撑衬底的材料包括硅、石英、碳化硅、蓝宝石或金刚石；
所述压电薄膜的材料为铌酸锂或钽酸锂。
5.根据权利要求3所述滤波器，其特征在于，所述介质层的材料包括氧化硅、氮化硅或氧化铝。
6.一种信号处理电路，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的多传输零点的声表面波滤波器。
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