CN116232278A - 一种声表面波滤波器及信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及器件制备技术领域，提供了一种声表面波滤波器及信号处理电路，包括串联支路谐振器组和并联支路谐振器组，串联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式为一阶反对称兰姆波模式，并联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式为水平剪切声表面波模式。本申请通过将一阶反对称兰姆波模式谐振器和水平剪切声表面波模式谐振器二者结合，使用一阶反对称兰姆波模式和水平剪切声表面波模式两种不同的声波模式谐振器混合搭建滤波器，低频下水平剪切声表面波模式谐振器发挥其稳定的特性，高频时一阶反对称兰姆波模式谐振器产生高频模式，可以兼顾水平剪切声表面波模式谐振器的低频低成本设计与一阶反对称兰姆波模式谐振器的高频大带宽优势。

Description

一种声表面波滤波器及信号处理电路

技术领域

本发明涉及器件制备技术领域，尤其涉及一种声表面波滤波器及信号处理电路。

背景技术

现有声表面波滤波器主要由激发水平剪切声表面波这一单一声波模式的谐振器串并联构成。通常，在声表面波滤波器中串联谐振器的频率高于并联谐振器的频率，由激发水平剪切声表面波模式的谐振器构成的串联谐振器，由于水平剪切声表面波模式的声速慢，想要激发高频率的模式必须缩短波长和电极线宽。然而，受制于电极光刻加工工艺的限制，激发水平剪切声表面波模式的谐振器的线宽无法缩小至1μm以下，故在频率和带宽上都无法满足滤波器的需求。例如，假设水平剪切声表面波模式的声速是4km/s，波长缩短到1μm，频率只能到4GHz，无法覆盖4GHz以上，无法满足5G N77频带(3.3GHz～4.2GHz)。

发明内容

为了解决现有基于激发水平剪切声表面波模式的串联谐振器无法满足滤波器高频大带宽的需求的问题，本申请实施例提供了一种声表面波滤波器及信号处理电路。

根据本申请的第一方面，提供了一种声表面波滤波器，包括：串联支路谐振器组和并联支路谐振器组；

串联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式为一阶反对称兰姆波模式；

并联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式为水平剪切声表面波模式。

进一步地，串联支路谐振器组中的谐振器包括：第一支撑衬底、第一压电薄膜和第一金属电极；

第一金属电极包括第一汇流条、第二汇流条、多个第一叉指电极和多个第二叉指电极，第一叉指电极与第一汇流条连接，第二叉指电极与第二汇流条连接；

第一压电薄膜设置在第一支撑衬底上；

第一金属电极设置在第一压电薄膜上；

第一支撑衬底具有中空凹槽；

第一叉指电极和第二叉指电极在第一支撑衬底上的对应位置与中空凹槽的位置重合。

进一步地，第一压电薄膜的厚度在区间[300nm，600nm]内；

第一金属电极对应的第一中心间距在区间[2μm，20μm]内；第一中心间距为第一叉指电极和与第一叉指电极相邻的第二叉指电极之间在水平方向上的距离；

第一金属电极的金属化率在区间[0.05，0.44]内；

第一金属电极的厚度在区间[75nm，525nm]内。

进一步地，并联支路谐振器组中的谐振器包括：第二支撑衬底、第二压电薄膜、第二金属电极和反射栅电极；

第二金属电极包括第三汇流条、第四汇流条、多个第三叉指电极和多个第四叉指电极，第三叉指电极与第三汇流条连接，第四叉指电极与第四汇流条连接；

反射栅电极包括第一反射栅电极和第二反射栅电极；

第二压电薄膜设置在第二支撑衬底上；

第二金属电极设置在第二压电薄膜上；

第一反射栅电极和第二反射栅电极相对第二金属电极对称设置在第二压电薄膜上。

进一步地，第二压电薄膜的厚度在区间[300nm，1000nm]内；

第二金属电极对应的第二中心间距在区间[0.5μm，3μm]内；第二中心间距为第三叉指电极和与第三叉指电极相邻的第四叉指电极之间在水平方向上的距离；

第二金属电极的金属化率在区间[0.3，0.6]内；

第二金属电极的厚度在区间[70nm，155nm]内。

进一步地，并联支路谐振器组中的谐振器的声速频率比与第二中心间距相等；

并联支路谐振器组中的谐振器的声速频率比为水平剪切声表面波模式的声速与2倍的水平剪切声表面波模式的频率的比值。

进一步地，并联支路谐振器组中的谐振器还包括：介质层；

介质层设置在第二支撑衬底上。

进一步地，滤波器还包括电感电容组；

串联支路谐振器组、并联支路谐振器组和电感电容组置于同一基底上集成和互联。

进一步地，串联支路谐振器组和并联支路谐振器组在垂直方向上集成和互联。

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声表面波滤波器及信号处理电路，声表面波滤波器包括：串联支路谐振器组和并联支路谐振器组。串联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式为一阶反对称兰姆波模式，并联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式为水平剪切声表面波模式。基于本申请实施例，通过将一阶反对称兰姆波模式谐振器和水平剪切声表面波模式谐振器二者结合，使用一阶反对称兰姆波模式和水平剪切声表面波模式两种不同的声波模式混合搭建滤波器，低频下水平剪切声表面波模式谐振器发挥其温度的特性，高频时一阶反对称兰姆波模式谐振器产生高频模式，可以兼顾水平剪切声表面波模式谐振器的低频低成本设计与一阶反对称兰姆波模式谐振器的高频大带宽优势。并且，一阶反对称兰姆波模式谐振器仅作为串联谐振器，只需要激发一种频率，也只需要一种薄膜厚度。

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是本申请实施例提供的一种声波滤波器的拓扑结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种串联支路谐振器组中的谐振器的截面示意图；

图3是本申请实施例提供的一种串联支路谐振器组中的谐振器的俯视示意图；

图4是本申请实施例提供的一种并联支路谐振器组中的谐振器的截面示意图；

图5是本申请实施例提供的一种并联支路谐振器组中的谐振器的俯视示意图；

图6是本申请实施例提供的一种滤波器的截面示意图；

图7是本申请实施例提供的一种滤波器的截面示意图；

图8是本申请实施例提供的一种滤波器的示意图；

图9是本申请实施例提供的一种滤波器的示意图；

图10是本申请实施例提供的一种串联支路谐振器组中谐振器的导纳响应曲线示意图；

图11是本申请实施例提供的一种并联支路谐振器组中谐振器的导纳响应曲线示意图；

图12是本申请实施例提供的一种滤波器的响应曲线示意图。

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”、“第三”和“第四”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”、“第三”和“第四”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”、“第三”和“第四”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谐振器在串联和并联臂上依次级联组成。其中，串联谐振器的谐振频率略高于并联谐振器的谐振频率，串联谐振器对应的波长略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k_t ²呈正相关，k_t ²越大，则可实现的滤波器相对带宽越大。

下面介绍本申请一种声波滤波器的具体实施例，图1是本申请实施例提供的一种声波滤波器的拓扑结构示意图。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谐振器。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。

如图1所示，该声表面波滤波器包括串联支路谐振器组和并联支路谐振器组。其中，串联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式相同，并联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式相同。串联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式可以为一阶反对称兰姆波模式，并联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式可以为水平剪切声表面波模式。串联支路谐振器组和并联支路谐振器组可以通过电学连接线进行电学连接。

图2是本申请实施例提供的一种串联支路谐振器组中的谐振器的截面示意图，图3是本申请实施例提供的一种串联支路谐振器组中的谐振器的俯视示意图。其中，串联支路谐振器组中的谐振器可以包括第一支撑衬底、第一压电薄膜和第一金属电极。其中，第一金属电极可以包括第一汇流条、第二汇流条、多个第一叉指电极和多个第二叉指电极。多个第一叉指电极中的每个第一叉指电极可以与第一汇流条连接，多个第二叉指电极中的每个第二叉指电极可以与第二汇流条连接。第一压电薄膜可以设置在第一支撑衬底上，第一金属电极可以设置在第一压电薄膜上。第一支撑衬底可以具有中空凹槽，第一叉指电极和第二叉指电极在第一支撑衬底上的对应位置与中空凹槽的位置重合。

在一些可能的实施方式中，串联支路谐振器组中的谐振器中第一压电薄膜的厚度h可以在区间[300nm，600nm]内，第一金属电极对应的第一中心间距可以在区间[2μm，20μm]内，其中，第一中心间距l可以是第一叉指电极和与该第一叉指电极相邻的第二叉指电极之间在水平方向上的距离。第一金属电极的金属化率可以在区间[0.05，0.44]内，即第一汇流条、第二汇流条、每个第一叉指电极和每个第二叉指电极的金属化率可以为5％～44％。第一金属电极的厚度可以在区间[75nm，525nm]内，即第一汇流条、第二汇流条、每个第一叉指电极和每个第二叉指电极的的厚度可以为75nm～525nm。

在一些可能的实施方式中，串联支路谐振器组中的谐振器的谐振频率需要满足以下条件：

其中，v_t可以表示一阶反对称兰姆波模式的纵向速度，v_l可以表示一阶反对称兰姆波模式的横向速度。纵向速度可以是指第一压电薄膜的厚度方向，横向速度可以是指垂直于第一金属电极的速度。

在一些可能的实施方式中，第一支撑衬底可以单晶硅、多晶硅、石英、碳化硅、α-氧化铝、金刚石中的任意一种。第一压电薄膜可以是铌酸锂构成的单层薄膜，第一压电薄膜可以是钽酸锂构成的单层薄膜。第一压电薄膜可以是铌酸锂与石英构成的多层薄膜，第一压电薄膜可以是铌酸锂与氮化铝构成的多层薄膜，第一压电薄膜可以是铌酸锂、石英和氮化铝构成的多层薄膜。第一压电薄膜可以是钽酸锂与石英构成的多层薄膜，第一压电薄膜可以是铌酸锂与氮化铝构成多层薄膜，第一压电薄膜可以是铌酸锂、石英和氮化铝构成的多层薄膜。第一金属电极的材料可以包括铝、金、钛、镍、钼、铂中的至少一种。第一金属电极可以是由上述两种材料组成的合金，也可以是多层电极。

在一些可能的实施方式中，串联支路谐振器组中的谐振器中第一压电薄膜的晶体切型可以为旋转Y切，对应的欧拉角可以为(0,β,0)，其中，-80°＜β＜20°。第一压电薄膜的晶体切型可以为旋转Z切，对应的欧拉角可以为(α,0,0)，其中，α可以为任意角度。

图4是本申请实施例提供的一种并联支路谐振器组中的谐振器的截面示意图，图5是本申请实施例提供的一种并联支路谐振器组中的谐振器的俯视示意图。其中，并联支路谐振器组中的谐振器可以包括第二支撑衬底、第二压电薄膜、第二金属电极和反射栅电极。其中，第二金属电极可以包括第三汇流条、第四汇流条、多个第三叉指电极和多个第四叉指电极。多个第三叉指电极中的每个第三叉指电极可以与第三汇流条连接，多个第四叉指电极中的第四叉指电极可以与第四汇流条连接。反射栅电极可以包括第一反射栅电极和第二反射栅电极。第二压电薄膜可以设置在第二支撑衬底上，第二金属电极可以设置在第二压电薄膜上，第一反射栅电极和第二反射栅电极可以相对第二金属电极对称设置在第二压电薄膜上。

在一些可能的实施方式中，并联支路谐振器组中的谐振器中第二压电薄膜的厚度可以在区间[300nm，1000nm]内，第二金属电极对应的第二中心间距可以在区间[0.5μm，3μm]内，其中，第二中心间距可以是第三叉指电极和与该第三叉指电极相邻的第四叉指电极之间在水平方向上的距离。第二金属电极的金属化率可以在区间[0.3，0.6]内，即第三汇流条、第四汇流条、每个第三叉指电极和每个第四叉指电极的金属化率可以为3％～6％。第二金属电极的厚度可以在区间[70nm，155nm]内，即第三汇流条、第四汇流条、每个第三叉指电极和每个第四叉指电极的厚度可以为70nm～155nm。

在一些可能的实施方式中，并联支路谐振器组中的谐振器的声速频率比可以与第二中心间距相等。其中，并联支路谐振器组中的谐振器的声速频率比可以为水平剪切声表面波模式的声速与2倍的水平剪切声表面波模式的频率的比值。第二中心间距可以为第三叉指电极和与第三叉指电极相邻的第四叉指电极之间的距离。

在一些可能的实施方式中，第二支撑衬底可以单晶硅、多晶硅、石英、碳化硅、α-氧化铝、金刚石中的任意一种。第二压电薄膜可以是铌酸锂构成的单层薄膜，第二压电薄膜可以是钽酸锂构成的单层薄膜。第二压电薄膜可以是铌酸锂与石英构成的多层薄膜，第二压电薄膜可以是铌酸锂与氮化铝构成的多层薄膜，第二压电薄膜可以是铌酸锂、石英和氮化铝构成的多层薄膜。第二压电薄膜可以是钽酸锂与石英构成的多层薄膜，第为压电薄膜可以是铌酸锂与氮化铝构成多层薄膜，第为压电薄膜可以是铌酸锂、石英和氮化铝构成的多层薄膜。第二金属电极的材料可以包括铝、金、钛、镍、钼、铂中的至少一种。第二金属电极可以是由上述两种材料组成的合金，也可以是多层电极。

在一些可能的实施方式中，并联支路谐振器组中的谐振器中第二压电薄膜的晶体切型可以为X切，对应的欧拉角可以为(90°,90°,γ)，其中，150°＜γ＜180°；第二压电薄膜的晶体切型可以为旋转Y切，对应的欧拉角可以为(0,θ,0)，其中，30°＜θ＜90°。

图6是本申请实施例提供的一种滤波器的截面示意图，其中，串联支路谐振器组中的谐振器和并联支路谐振器组中的谐振器可以位于同一层压电薄膜，即第一压电薄膜层和第二压电薄膜层可以为同一层。可以利用相同切型的压电薄膜材料，压电薄膜的厚度可以相同，压电薄膜的厚度也可以不相同。

图7是本申请实施例提供的一种滤波器的截面示意图，其中，串联支路谐振器组和并联支路谐振器组可以在垂直方向上集成和互联。如图7所示，串联支路谐振器组中的谐振器和并联支路谐振器组中的谐振器可以位于不同支撑衬底，不同压电薄膜，即第一支撑衬底和第二支撑衬底可以为不同的支撑衬底，第一压电薄膜和第二压电薄膜可以不同的压电薄膜。串联支路谐振器组中的谐振器和并联支路谐振器组中的谐振器可以位于同一支撑衬底，即第一支撑衬底和第二支撑衬底可以为同一层，如支撑衬底的材料可以为硅。

图8是本申请实施例提供的一种滤波器的示意图，图9是本申请实施例提供的一种滤波器的示意图，其中，滤波器还可以包括电感电容组，串联支路谐振器组、并联支路谐振器组和电感电容组可以置于同一基底上集成和互联。电感电容组中的电容和电感可以直接位于支撑衬底上。串联谐振器组和并联谐振器组可以在支撑基板上通过电学互联。

采用本申请实施例提供的声表面波滤波器，通过将一阶反对称兰姆波模式谐振器和水平剪切声表面波模式谐振器二者结合，使用一阶反对称兰姆波模式和水平剪切声表面波模式两种不同的声波模式混合搭建滤波器，低频下水平剪切声表面波模式谐振器发挥其温度的特性，高频时一阶反对称兰姆波模式谐振器产生高频模式，可以兼顾水平剪切声表面波模式谐振器的低频低成本设计与一阶反对称兰姆波模式谐振器的高频大带宽优势。并且，一阶反对称兰姆波模式谐振器仅作为串联谐振器，只需要激发一种频率，也只需要一种薄膜厚度。

下面举一个例子对本申请实施例中声表面波滤波器的性能进行说明。图10是本申请实施例提供的一种串联支路谐振器组中谐振器的导纳响应曲线示意图，图11是本申请实施例提供的一种并联支路谐振器组中谐振器的导纳响应曲线示意图。其中，串联支路谐振器组中的谐振器可以包括硅衬底、550nm的铌酸锂压电薄膜和铝电极。铝电极中两根叉指电极之间的间距可以为15μm，电极的金属化率可以为0.1，电极的宽度可以为1.5μm，汇流条的宽度可以为45μm，电极的厚度可以为90nm，铌酸锂可以为Y124°切型。串联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式可以为一阶反对称兰姆波模式，声波传播方向可以沿压电薄膜的X轴。串联支路谐振器组中的谐振器的谐振频率可以为3200MHz，反谐振频率可以为3800MHz。

并联支路谐振器组中的谐振器可以包括碳化硅衬底、350nm的铌酸锂压电薄膜和铝电极。铝电极中两根叉指电极之间的间距可以为0.76μm，电极的金属化率可以为0.5，电极的厚度可以为100nm，铌酸锂可以为X切型。并联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式可以为水平剪切声表面波模式，声波传播方向与压电薄膜的Y轴的夹角可以为170°。并联支路谐振器组中的谐振器的谐振频率可以为2800MHz，反谐振频率可以为3220MHz。

图12是本申请实施例提供的一种滤波器的响应曲线示意图，该滤波器的中心频率为3.1GHz，通带2.9GHz到3.3GHz，通带波纹3dB，带外衰减35dB，实现了高性能的高频大带宽的声波滤波器。

本申请实施例中，信号处理电路可以包括多个声表面波滤波器，每个声表面波滤波器可以包括串联支路谐振器组和并联支路谐振器组。其中，串联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式可以为一阶反对称兰姆波模式，并联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式可以为水平剪切声表面波模式。

在一些可能的实施方式中，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 (10)

1.一种声表面波滤波器，其特征在于，包括：串联支路谐振器组和并联支路谐振器组；

所述串联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式为一阶反对称兰姆波模式；

所述并联支路谐振器组中的谐振器所激发的声波模式为水平剪切声表面波模式。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述串联支路谐振器组中的谐振器包括：第一支撑衬底、第一压电薄膜和第一金属电极；

所述第一金属电极包括第一汇流条、第二汇流条、多个第一叉指电极和多个第二叉指电极，所述第一叉指电极与所述第一汇流条连接，所述第二叉指电极与所述第二汇流条连接；

所述第一压电薄膜设置在所述第一支撑衬底上；

所述第一金属电极设置在所述第一压电薄膜上；

所述第一支撑衬底具有中空凹槽；

所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第一支撑衬底上的对应位置与所述中空凹槽的位置重合。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所述第一压电薄膜的厚度在区间[300nm，600nm]内；

所述第一金属电极对应的第一中心间距在区间[2μm，20μm]内；所述第一中心间距为所述第一叉指电极和与所述第一叉指电极相邻的第二叉指电极之间在水平方向上的距离；

所述第一金属电极的金属化率在区间[0.05，0.44]内；

所述第一金属电极的厚度在区间[75nm，525nm]内。

4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述并联支路谐振器组中的谐振器包括：第二支撑衬底、第二压电薄膜、第二金属电极和反射栅电极；

所述第二金属电极包括第三汇流条、第四汇流条、多个第三叉指电极和多个第四叉指电极，所述第三叉指电极与所述第三汇流条连接，所述第四叉指电极与所述第四汇流条连接；

所述反射栅电极包括第一反射栅电极和第二反射栅电极；

所述第二压电薄膜设置在所述第二支撑衬底上；

所述第二金属电极设置在所述第二压电薄膜上；

所述第一反射栅电极和所述第二反射栅电极相对所述第二金属电极对称设置在所述第二压电薄膜上。

5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述第二压电薄膜的厚度在区间[300nm，1000nm]内；

所述第二金属电极对应的第二中心间距在区间[0.5μm，3μm]内；所述第二中心间距为所述第三叉指电极和与所述第三叉指电极相邻的第四叉指电极之间在水平方向上的距离；

所述第二金属电极的金属化率在区间[0.3，0.6]内；

所述第二金属电极的厚度在区间[70nm，155nm]内。

6.根据权利要求5所述的滤波器，其特征在于，所述并联支路谐振器组中的谐振器的声速频率比与所述第二中心间距相等；

所述并联支路谐振器组中的谐振器的声速频率比为所述水平剪切声表面波模式的声速与2倍的所述水平剪切声表面波模式的频率的比值。

7.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述并联支路谐振器组中的谐振器还包括：介质层；

所述介质层设置在所述第二支撑衬底上。

8.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括电感电容组；

所述串联支路谐振器组、所述并联支路谐振器组和所述电感电容组置于同一基底上集成和互联。

9.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述串联支路谐振器组和所述并联支路谐振器组在垂直方向上集成和互联。

10.一种信号处理电路，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的声表面波滤波器。

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