CN116032242A

CN116032242A - 一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器

Info

Publication number: CN116032242A
Application number: CN202310323121.9A
Authority: CN
Inventors: 刘佩琳
Original assignee: Alberta Suzhou Technology Co ltd
Current assignee: Alberta Suzhou Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-30
Filing date: 2023-03-30
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2043-03-30
Also published as: CN116032242B

Abstract

本发明涉及声表面波谐振器技术领域，具体涉及一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，包括压电基板、叉指换能器、抑制层及温度补偿层；压电基板旋转任意角度的YX切割；叉指换能器包括一对汇流条，以及呈交替间隔设置的两组IDT指条；抑制层沉积于所述压电基板及叉指换能器上，沉积厚度统一且端面为非平面状，抑制瑞利波和SH波杂散模态；温度补偿层涂覆于所述抑制层上。本发明在IDT指条表面覆盖一层抑制结构Si₃N₄，抑制层的引入并没有增加工艺的复杂度，并且优化了带内杂散，同时保持了谐振器的其它性能不受影响，可以显著提高滤波器的整体性能。

Description

一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器

技术领域

本发明涉及声表面波谐振器技术领域，特别涉及一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器。

背景技术

声表面波（SAW）滤波器广泛应用于移动通讯设备中，具有插损低、宽带宽、体积小、低成本、可批量生产等优点。随着通信协议的发展和5G技术的发展，频带数目和带宽的增加，对滤波器通带内电性能和通带外抑制的要求越来越高。鉴于谐振器是SAW器件的主要组成部分，经过优化设计的谐振器对于获得高性能的SAW器件来说尤为重要。但是，目前采用传统设计的谐振器，叉指换能器在主模激发的同时，还会产生不必要的高阶横模，SH模态以及很难抑制的瑞利模态，这些杂散模态会引起通带内波动，增加器件插损；同时还会增加SAW器件的能量损耗，降低器件Q值，影响滤波器性能。

针对这些杂散模态的影响，目前对于高阶横模最常见的优化结构是在电极两端设置锤头结构，即在孔径两端设置加厚(piston)或加粗(hammerhead)的边缘区域，末端呈T型活塞结构。该结构通过改变IDT波导结构，降低锤头区域的传播速度，使能量最大限度地集中在IDT波导内。而关于寄生模态（瑞利波和SH波杂散模态）的抑制，不同切型基底材料对不同频段滤波器的设计各有优势，瑞利波模态和SH波寄生模态的抑制是不同基底材料最常见的问题，常见的解决方法是改变压电材料的切形，IDT电极厚度或者温度补偿层SiO₂的厚度。但是在滤波器设计和工艺过程中，这些方法同时也会影响滤波器的带宽，带外抑制，TCF等性能；因此，需要研究新的抑制结构来提高声表面波滤波器寄生模态的抑制。

发明内容

本发明目的是：提供一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，以解决现有设计在抑制瑞利模态和SH波的能力方面存在局限性的问题。

本发明的技术方案是：一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，包括：

压电基板，旋转任意角度的YX切割；

叉指换能器，包括一对汇流条，以及呈交替间隔设置的两组IDT指条；

抑制层，沉积于所述压电基板及叉指换能器上，并一次成型，沉积厚度统一且端面为非平面状，抑制瑞利波以及将SH波杂散模态向高频移动；

温度补偿层，涂覆于所述抑制层上。

优选的，所述IDT指条的金属化率mp∈[0.35，0.65]；

所述抑制层的相对厚度h/λ∈[0.1%，4.0%]；

所述IDT指条的金属化率与所述抑制层的相对厚度呈正相关性；

其中，λ为所述叉指换能器的周期；

h为所述抑制层的厚度。

优选的，所述压电基板采用旋转170°YX切型的铌酸锂制备形成衬底，当0.4≤mp≤0.5时，0.5%≤h/λ≤2.5%；或者，

所述压电基板采用旋转128°YX切型的铌酸锂制备形成衬底，YX切型的铌酸锂制备形成衬底，当0.4≤mp≤0.5时，2.5%≤h/λ≤4%。

优选的，所述抑制层采用Si₃N₄，调整所述叉指换能器波导结构不同位置的速度；和/或，

所述温度补偿层选用具有正频率温度系数的材料，采用SiO₂、TeO₂、Si₂OF₆中任意一种或多种的组合。

优选的，一对所述汇流条之间形成有激活区域及缝隙区域，所述缝隙区域设置于所述激活区域两侧；所述IDT指条上对应于所述激活区域与所述缝隙区域之间的位置处设置有用于抑制横向模态的抑制结构，所述抑制结构采用锤头结构和/或活塞结构，其中所述锤头结构实现所述IDT指条端部的加宽，所述活塞结构实现所述IDT指条端部的加厚。

优选的，所述缝隙区域具有沿垂直于所述IDT指条长度方向设置的声栅结构，所述声栅结构呈长条型或间断式结构，所述声栅结构端部距离所述抑制结构端部之间的距离D∈[0.075λ，1.0λ]。

优选的，所述抑制结构的金属化率为0.40～0.80；

在所述IDT指条长度方向上，两组所述抑制结构的长度与激活区域的长度之和为10λ～30λ。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）本发明在IDT指条表面覆盖一层抑制结构Si₃N₄，抑制层的引入采用直接沉积的方式，避免传统工艺需要反复进行先沉积再CMP而导致的复杂性，在制作成本上具有显著优势；同时抑制层的增设优化了带内杂散，并且保持了谐振器的其它性能不受影响，可以显著提高滤波器的整体性能。

（2）170°YX-LN（铌酸锂）切型衬底和128°YX-LN切型衬底相比于其他的LN切型材料具有明显的性能优势；其中，170°YX-LN切型衬底的机电耦合系数更高，适合宽带宽的滤波器设计，基于抑制层的设计能够实现瑞利波的完全抑制；且128°YX-LN切型衬底高品质因子能显著提高滤波器的性能，基于抑制层的设置能够实现SH波向高频处移动。

（3）将抑制层Si₃N₄设置于IDT指条上表面层的作用是通过抑制层的厚度来调整叉指换能器不同位置的速度，进而抑制寄生模态或者改变寄生模态的谐振位置从而改善滤波器性能的恶化。

（4）基于衬底的切型角度及叉指换能器金属化率的选择，通过控制抑制层Si₃N₄的厚度，实现谐振点与反谐振点之间的瑞利波能够被完全抑制，SH波通过改变谐振位置而往高频处移动；相较于传统的将杂散模态移至离反谐振点更远的位置而言，本发明针对瑞利波的抑制而言效果更佳。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器的示意图；

图2为本发明所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器沿图1中A-A方向的示意图；

图3为本发明所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器采用170°YX切型衬底，金属化率为0.5，h/λ为1.25%时对应的导纳曲线频率响应仿真图；

图4为传统的声表面波谐振器采用170°YX切型衬底，金属化率为0.5，但不具备抑制层时对应的导纳曲线频率响应仿真图；

图5为本发明所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器采用170°YX切型衬底，金属化率为0.5，h/λ为2.5%时对应的导纳曲线频率响应仿真图；

图6为本发明所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器采用170°YX切型衬底，金属化率为0.5，h/λ为5%时对应的导纳曲线频率响应仿真图；

图7为本发明所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器采用170°YX切型衬底，金属化率为0.4，h/λ为0.5%时对应的导纳曲线频率响应仿真图；

图8为本发明所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器采用170°YX切型衬底，金属化率为0.35，但不具备抑制层时对应的导纳曲线频率响应仿真图；

图9为传统的声表面波谐振器采用128°YX切型衬底，且不具备抑制层时对应的导纳曲线频率响应仿真图；

图10为本发明所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器采用128°YX切型衬底，h/λ为4%时对应的导纳曲线频率响应仿真图；

其中：1、压电基板；

2、叉指换能器，21、汇流条，22、IDT指条，23、抑制结构，24、声栅结构；

3、抑制层；

4、温度补偿层。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明。

实施例1

如图1、图2所示，一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，包括压电基板1、叉指换能器2、抑制层3及温度补偿层4。

压电基板1采用旋转170°的YX切型的铌酸锂制备形成衬底。

如图1所示，叉指换能器2包括一对汇流条21，以及呈交替间隔设置的两组IDT指条22；一对汇流条21之间形成有激活区域及缝隙区域，缝隙区域设置于激活区域两侧；IDT指条22上对应于激活区域与缝隙区域之间的位置处设置有用于抑制横向模态的抑制结构23，抑制结构23采用锤头结构（hammerhead结构）和/或活塞结构（piston结构），其中锤头结构实现IDT指条22端部的加宽，活塞结构实现IDT指条22端部的加厚。缝隙区域具有沿垂直于IDT指条22长度方向设置的声栅结构24，声栅结构24呈长条型或间断式结构。

设计时，λ为叉指换能器2的一个周期，p=λ/2，叉指换能器2的相关设计参数主要如下：

IDT指条22的金属化率mp=0.5；

汇流条21宽度H=2.5p；

声栅结构24端部距离抑制结构23端部之间的距离D=0.075λ～1.0λ，该距离D越小，抑制横向模态的效果越好；

抑制结构23的金属化率HDF=0.40～0.80，该抑制结构23的金属化率不宜太大，避免相邻的IDT指条22之间出现短路；

在IDT指条22长度方向上，两组抑制结构23的长度与激活区域的长度之和W=10λ～30λ。

如图2所示，抑制层3采用Si₃N₄，设定厚度为h，其相对厚度h/λ为1.25%，通过调整抑制层3的厚度，调整叉指换能器2波导结构不同位置的速度，该抑制层3沉积于压电基板1及叉指换能器2上，并一次成型，沉积厚度统一且端面为非平面状；传统的抑制层3采用平面型的结构，需要进行多次先沉积后CMP（化学机械抛光）操作，工艺过程明显复杂，进而也提高了工艺成本，在量产上完全不具备优势，无法满足产业化过程中对工艺简化、成本控制的要求。

温度补偿层4选用具有正频率温度系数的材料，采用SiO₂、TeO₂、Si₂OF₆中任意一种或多种的组合，本实施例中温度补偿层4采用SiO₂，当抑制层3沉积完成后直接沉积于抑制层3上，工艺简单。

如图3所示，为制备形成的谐振器的导纳曲线频率响应仿真结果，由图可知，谐振器在谐振点与反谐振点之间存在较小的瑞利波杂散，但并没有被完全抑制。

实施例2

一种声表面波谐振器，包括压电基板1、叉指换能器2及温度补偿层4。

其中，压电基板1采用旋转170°的YX切型的铌酸锂制备形成衬底。

叉指换能器2沉积于压电基板1上，包括一对汇流条21，以及呈交替间隔设置的两组IDT指条22，IDT指条22上对应设置有锤头结构和/或活塞结构。

温度补偿层4采用SiO₂，直接沉积于叉指换能器2及压电基板1上。

本实施例为传统的不具备抑制层3（Si₃N₄）的声表面波谐振器，相较于实施例1而言，叉指换能器2的设计参数相同。由图4可知，当IDT指条22的金属化率mp=0.5，不增设抑制层3的谐振器在谐振点与反谐振点之间存在很大的瑞利波杂散；将图3与图4对比可知，抑制层3的设置能够实现对瑞利波的抑制作用；同时，抑制层3的设置并没有影响带宽及带外抑制，且相较于传统结构，带外曲线更加平滑，带外抑制效果更优。

实施例3

一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，包括压电基板1、叉指换能器2、抑制层3及温度补偿层4。

压电基板1采用旋转170°的YX切型的铌酸锂制备形成衬底。

IDT指条22的金属化率mp=0.5；

汇流条21宽度H=2.5p；

与实施例1的不同点在于抑制层3采用Si₃N₄，其相对厚度h/λ为2.5%。

温度补偿层4采用SiO₂，沉积于抑制层3上。

结合图3、图5所示，当IDT指条22的金属化率不变时，随着抑制层Si₃N₄厚度的增加，瑞利波的波纹逐渐变小；且在金属化率为0.5时，相对厚度为2.5%时瑞利波能够被完全抑制。

实施例4

压电基板1采用旋转170°的YX切型的铌酸锂制备形成衬底。

IDT指条22的金属化率mp=0.5；

汇流条21宽度H=2.5p；

与实施例1的不同点在于抑制层3采用Si₃N₄，其相对厚度h/λ为5%。

温度补偿层4采用SiO₂，沉积于抑制层3上。

如图6所示，当抑制层的相对厚度达到5%时，在谐振点附近出现了双峰现象，此时抑制层3的优化厚度过厚。

综合上述实施例1至实施例4可知，对于170°YX切型的铌酸锂衬底而言，传统结构的谐振器在谐振点与反谐振点之间具有很大的瑞利波杂散，因此通过增设抑制层3能够实现瑞利波的抑制，随着抑制层3厚度的增加瑞利波波纹逐渐变小直至被完全抑制；当瑞利波被完全抑制后若继续增加抑制层3厚度，则会因为优化厚度过厚而造成谐振点附近出现双谐振现象。

实施例5

压电基板1采用旋转170°的YX切型的铌酸锂制备形成衬底。

叉指换能器2沉积于压电基板1上，包括一对汇流条21，以及呈交替间隔设置的两组IDT指条22，IDT指条22上对应设置有锤头结构和/或活塞结构；IDT指条22的金属化率mp=0.4。

抑制层3采用Si₃N₄，其相对厚度h/λ为0.5%。

温度补偿层4采用SiO₂，沉积于抑制层3上。

对于金属化率为0.4的谐振器而言，带内会存在瑞利波，如图7所示，当采用的抑制层3的相对厚度为0.5%时即能实现瑞利波的抑制。

实施例6

压电基板1采用旋转170°的YX切型的铌酸锂制备形成衬底。

叉指换能器2沉积于压电基板1上，包括一对汇流条21，以及呈交替间隔设置的两组IDT指条22，IDT指条22上对应设置有锤头结构和/或活塞结构；IDT指条22的金属化率mp=0.35。

温度补偿层4采用SiO₂，沉积于抑制层3上。

对于金属化率为0.35的谐振器而言，其带内几乎不存在瑞利波或者瑞利波很小，此时无需设置抑制层3，或者设置很薄的抑制层3，该抑制层3的相对厚度一般设置为0.1%。

综合实施例3、实施例5、实施例6可知，瑞利波的抑制还与IDT指条22的金属化率相关，当金属化率越大，带内瑞利波纹越明显，需要的抑制杂散层越厚。

综合上述，瑞利波的抑制效果与抑制层3的厚度以及IDT指条22的金属化率相关，当采用170°YX切型的铌酸锂衬底，通过优化合适的IDT指条22的金属化率以及抑制层3的相对厚度，对于在谐振点与反谐振点之间出现的瑞利波能够实现被完全抑制。

实施例7

其中，压电基板1采用旋转128°的YX切型的铌酸锂制备形成衬底。

IDT指条22的金属化率mp=0.5；

汇流条21宽度H=2.5p；

如图9所示，针对128°YX切型的铌酸锂衬底而言，不设置抑制层3的谐振器存在很大的SH波杂散，杂散模态会引起通带内波动，增加器件插损；同时还会增加SAW器件的能量损耗，降低器件Q值，影响滤波器性能。

实施例8

压电基板1采用旋转128°的YX切型的铌酸锂制备形成衬底。

本实施例与实施例5的不同点在于增设了抑制层3，抑制层3采用Si₃N₄，其相对厚度h/λ为4%。

温度补偿层4采用SiO₂，沉积于抑制层3上。

结合图10所示，随着抑制层3厚度的增加，SH波杂散模态往高频移动，当抑制层3相对厚度h/λ达到4%时，杂散模态被移动至距离反谐振点较远的位置。

综合上述，对于任意角度的YX切型的铌酸锂衬底而言，在不设置抑制层Si₃N₄时，会出现瑞利波和/或SH波，该寄生模态的存在会增加器件的损耗并影响性能，因此通过增设抑制层3，能够实现瑞利波被完全抑制，以及SH波往高频处移动，同时也并不会影响带宽、带外抑制等；再者，抑制层3的增设采用直接沉积的方式，一次成型，工艺简单成本低，缩短研发周期更易实现量产化。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。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囊括在本发明内。

Claims

1.一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，其特征在于，包括：

压电基板，旋转任意角度的YX切割；

温度补偿层，涂覆于所述抑制层上。

2.根据权利要求1所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，其特征在于：所述IDT指条的金属化率mp∈[0.35，0.65]；

所述抑制层的相对厚度h/λ∈[0.1%，4.0%]；

其中，λ为所述叉指换能器的周期；

h为所述抑制层的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，其特征在于：所述压电基板采用旋转170°YX切型的铌酸锂制备形成衬底，当0.4≤mp≤0.5时，0.5%≤h/λ≤2.5%；或者，

4.根据权利要求2所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，其特征在于：所述抑制层采用Si₃N₄，调整所述叉指换能器波导结构不同位置的速度；和/或，

5.根据权利要求2所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，其特征在于：一对所述汇流条之间形成有激活区域及缝隙区域，所述缝隙区域设置于所述激活区域两侧；所述IDT指条上对应于所述激活区域与所述缝隙区域之间的位置处设置有用于抑制横向模态的抑制结构，所述抑制结构采用锤头结构和/或活塞结构，其中所述锤头结构实现所述IDT指条端部的加宽，所述活塞结构实现所述IDT指条端部的加厚。

6.根据权利要求5所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，其特征在于：所述缝隙区域具有沿垂直于所述IDT指条长度方向设置的声栅结构，所述声栅结构呈长条型或间断式结构，所述声栅结构端部距离所述抑制结构端部之间的距离D∈[0.075λ，1.0λ]。

7.根据权利要求5所述的一种具有寄生模态抑制层的声表面波谐振器，其特征在于：所述抑制结构的金属化率为0.40～0.80；