CN116318042A - 一种无介质桥的声表面波滤波器 - Google Patents

一种无介质桥的声表面波滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无介质桥的声表面波滤波器，包括压电衬底，输入信号端子，输出信号端子以及至少一个纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件，该滤波器件包括设置在压电衬底上至少三个沿声表面波传播方向的叉指换能器，最外侧的两个叉指换能器单端接地，其余叉指换能器的同端电极以及最外侧的叉指换能器的非接地端均通过引线电连接在一起，每个纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件还包括第一反射器和第二反射器，第一反射器和第二反射器分别位于最外侧的两个叉指换能器的两侧。本发明的纵向耦合声表面波滤波器不需要引线架桥即可实现接地，工艺步骤更少、成本更低，且器件可靠性更高。本发明的纵向耦合声表面波滤波器在通带高频侧有较好的抑制度。

Description

一种无介质桥的声表面波滤波器
技术领域
本发明涉及一种声表面波滤波器，更具体地说，是涉及一种无介质桥的声表面波滤波器。
背景技术
近年来，电子元器件不断小型化，声表面波滤波器的最小体积已经缩小到0.8mm*0.6mm。得益于纵向耦合谐振器型声表面波滤波器(DMS)的体积优势，大量接收端声表面波滤波器(单RX)或者声表面波双工器中的RX部分均以DMS的形式存在(特别是低于1GHz的频段)。
图2示出了典型DMS的示意性平面图，纵向耦合谐振器202与普通谐振器201串联而成。纵向耦合谐振器202含有3个叉指换能器IDT,分别是207、208和209。叉指换能器207的左边和叉指换能器209的右边设置有反射栅206和210。叉指换能器207与208中间过渡区域设置有窄间距的IDT 211，叉指换能器208与209中间过渡区域设置有窄间距的IDT212.叉指换能器207与209的信号线电连接并与谐振器201串联，形成输入端。叉指换能器208的信号线独立形成输出端。为了压缩滤波器体积，叉指换能器208的接地端往往不在当前位置接地植球，而是引线到芯片外围接地植球，中间用介质213将引线与叉指换能器209的信号线分隔开，以防止短路。
然而，采用上述技术会带来两方面的问题。一方面，介质桥213会引入电容，将一定程度上恶化DMS的性能，必须把电容量控制到足够小才能减小这种影响。其次，接地引线落在介质桥上会形成突起，金属引线容易断裂，有可靠性风险。此外，在流片环节上，也需要增加环节去制备介质桥，成本上升。另一方面，典型DMS结构的电性能往往会呈现通带高频侧带外抑制较差的特点，称之为横向响应。当滤波器要求通带高频侧有较高矩形系数的时候，典型DMS结构就需要加入谐振器辅助，但问题是加入多个谐振器之后，滤波器带内插入损耗必然会有所牺牲。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种无介质桥的声表面波滤波器，该声表面波滤波器具有高矩形度的特点。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种无介质桥的声表面波滤波器，包括压电衬底，输入信号端子，输出信号端子以及至少一个纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件，该滤波器件包括设置在所述压电衬底上至少三个沿声表面波传播方向的叉指换能器，最外侧的两个叉指换能器单端接地，其余叉指换能器的同端电极以及最外侧的叉指换能器的非接地端均通过引线电连接在一起，每个纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件还包括第一反射器和第二反射器，第一反射器和第二反射器分别位于最外侧的两个叉指换能器的两侧。
作为优选方案：所有的叉指换能器从一侧开始，顺序编号为1、2、…、N，相邻两个叉指换能器的指间距分别为P1、P2、…、PN，则Pi(i＝2、3、…、N-1)<Pj(j＝1、N)。
作为优选方案：不同的所述相邻两个叉指换能器的指间距Pi(i＝2、3、…、N-1)相等或者不相等。
作为优选方案：首末两个叉指换能器的指间距Pj(j＝1、N)相等或者不相等。
作为优选方案：至少一个叉指换能器中的相邻电极指同相。
作为优选方案：在纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件的两端，串联至少一个单端口谐振器。
作为优选方案：所述第一反射器、第二反射器接地或者悬空。
作为优选方案：每个叉指换能器分为上电极IDTi 上和下电极IDTi 下两部分，其中i＝1、2、…、N，且N≥3，当N为奇数时，IDTi 上(i＝1、2、…、N-1)电连接到一起接入输入信号端子，IDTi下(i＝2、3、…、N)电连接到一起接入输出信号端子，当N为偶数时，IDTi 上(i＝1、2、…、N)电连接到一起形成输入信号端端子，IDTi 下(i＝2、3、…、N-1)电连接到一起接入输出信号端子。
作为优选方案：所述纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件的最外侧的两个叉指换能器的非接地端，与其它叉指换能器的同端电极电连接在至少一个单端口谐振器的一端。
作为优选方案：所述的纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件适用于由Al/LiTaO3构成的常规SAW滤波器，由SiO2/Cu/LiNbO3构成的TCSAW滤波器，由Al/LiTaO3/SiO2/Si构成的IHPSAW滤波器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明的纵向耦合声表面波滤波器的接地叉指换能器只存在于滤波器的外侧，不需要引线架桥即可实现接地，工艺步骤更少、成本更低，且器件可靠性更高。
2.本发明的纵向耦合声表面波滤波器在通带高频侧有较好的抑制度，不需要通过谐振器去提升通带高频侧矩形系数，在高矩形度应用场景中具有明显优势。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1所示为本发明第一实施例结构的示意性平面图；
图2所示为典型DMS结构的示意性平面图；
图3所示为两条曲线图分别对应本发明第一实施例与典型DMS结构的频率特性；
图4所示为两条曲线图分别对应本发明第一实施例与典型DMS结构中仅仅含有纵向耦合谐振器型滤波器的频率特性；
图5所示为本发明第二实施例结构的示意性平面图；
图6所示为两条曲线图分别对应本发明第一实施例与第二实施例的频率特性；
图7所示为本发明第三实施例结构的示意性平面图；
图8所示为两条曲线图分别对应本发明第一实施例与第三实施例的频率特性。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。
此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以下，参照附图1至8对本发明的纵向耦合谐振器型声表面波滤波器进行介绍。
附图1为介绍本发明的第一个实施例结构的示意性平面图。在本发明的所有实施例中，均通过采用Band 5滤波器为例进行介绍。
在附图1所示的本发明第一个实施例结构中，声表面波谐振器101和纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件102通过在42±5°YX-LiTaO3衬底上沉积铝电极而形成。在本实施例中，声表面波滤波器101串联到纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件102上。声表面波谐振器101由叉指换能器A104和反射栅A103、反射栅B105构成。纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件102同样由叉指换能器和反射栅构成，包括叉指换能器B107，叉指换能器C108和叉指换能器D109，反射栅C106和反射栅D110。
叉指换能器B107，叉指换能器C108和叉指换能器D109的指间距分别为P1,P2和P3,则P2<P1且P2<P3。反射栅C106和反射栅D110的指间距分别为Pr1和Pr2,则Pr1与P1接近，Pr2与P3接近。将每个叉指换能器分为上电极IDTi 上和下电极IDTi 下两部分，其中i＝1、2、3，那么叉指换能器B107的上电极上电极IDT1 上和叉指换能器C108的上电极IDT2 上电连接并与声表面波谐振器101串联形成输入端，叉指换能器C108的下电极IDT2 下和叉指换能器D109的下电极IDT3 下电连接形成输出端，IDT1 下和IDT3 上接地。反射栅C106和反射栅D110也接地。需要指出的是，在附图1中，为了方便说明起见减少了每个叉指换能器的根数。
特别的是，为了实现滤波器的通带电特性，往往需要设置反相的叉指电极，例如，将连接到叉指换能器上电极的叉指电特性标记为(+)，连接到叉指换能器下电极的叉指电特性标记为(-)，则上述叉指换能器IDT中或者相邻叉指换能器之间至少有一组含有电特性为(+，+)或者(-，-)的两根叉指存在。
本发明第一实施例结构中纵向耦合谐振器型声表面波滤波器的设计细节如下：
孔径W:182.4um；叉指换能器B107指条的数目N1为134；叉指换能器C108指条的数目N2为42；叉指换能器D109指条的数目N3为134；反射栅C106指条的数目Nr1为22；反射栅D110指条的数目Nr2为22；由叉指换能器B107指间距确定的波长λ1为4.8383um；由叉指换能器C108指间距确定的波长λ2为4.6175um；由叉指换能器D109指间距确定的波长λ3为4.8383um；由反射栅C106指间距确定的波长λr1为4.8767um；由反射栅D110指间距确定的波长λr2：4.8767um；叉指换能器B107最右边的一个指条与叉指换能器C108最左边的一个指条电极性相同，且叉指换能器C108的第四根与第五根指条电极性相同；条宽比为1：1；电极金属膜厚hi为0.4224um。
此外，声表面波谐振器的设计细节如下：
孔径W:92um；叉指换能器A104指条的数目N1：500；反射栅A103指条的数目Nr1：30；反射栅B105指条的数目Nr2：30；由叉指换能器A104指间距确定的波长λ1：4.65um；由反射栅A103和反射栅B105指间距确定的波长λr1和λr2：4.8767um；条宽比：1：1；电极金属膜厚hi：0.4224um。
附图2为对照组典型DMS的示意性平面图，
典型DMS结构中纵向耦合谐振器型声表面波滤波器的设计细节如下：
孔径W:220.8um；叉指换能器207指条的数目N1：28(含IDT右侧4根窄间距指条)；叉指换能器208指条的数目N2：42(含IDT左右两侧各4根窄间距指条)；叉指换能器209指条的数目N3：28(含IDT左侧4根窄间距指条)；反射栅206指条的数目Nr1：52；反射栅210指条的数目Nr2：52；由叉指换能器207指间距确定的波长λ1：4.7557um(窄间距波长4.4101um)；由叉指换能器208指间距确定的波长λ2：4.7557um(窄间距波长4.4101um)；由叉指换能器209指间距确定的波长λ3：4.7557um(窄间距波长4.4101um)；由反射栅206指间距确定的波长λr1：4.7749um；由反射栅210指间距确定的波长λr2：4.7749um；条宽比：1：1；电极金属膜厚hi：0.4224um。
此外，声表面波谐振器的设计细节如下：
孔径W:92um；叉指换能器204指条的数目N1：500；反射栅203指条的数目Nr1：30；反射栅205指条的数目Nr2：30；由叉指换能器204指间距确定的波长λ1：4.65um；由反射栅203和205指间距确定的波长λr1和λr2：4.8767um；条宽比：1：1；电极金属膜厚hi：0.4224um。
对照附图1和附图2可知，本发明通过改变叉指换能器信号线的连接方式，将叉指换能器的接地线只设置到纵向耦合谐振器型声表面波滤波器外侧，可以避免信号线与接地线交叉，从而省去了介质桥，工艺步骤更少、成本更低，且器件可靠性更高。
附图3中的A和B曲线分别示出了本发明第一实施例结构与对照组典型DMS串联谐振器的频率特性；附图4中的C和D曲线分别示出了本发明第一实施例结构与对照组典型DMS不串谐振器的频率特性。分别对比图3的A与B曲线，图4的C与D曲线，不难发现，本发明第一实施例结构的带外抑制要差于典型DMS结构，但是本发明第一实施例结构的矩形度(特别是通带高频侧)要明显好于典型DMS结构。
附图5为本发明的第二个实施例结构的示意性平面图。第二个实施例结构是在第一个实施例结构的基础上又串联了一级纵向耦合谐振器型声表面波滤波器。两级纵向耦合谐振器型声表面波滤波器设计细节相同，只是在输出端并联了32nH的电感以匹配阻抗，其他参数不变，这里不重复列出。
附图6为两条曲线分别对应本发明第一实施例与第二实施例的频率特性，其中A曲线为本发明第一实施例的频率特性，E曲线为本发明第二实施例的频率特性。对比A和E曲线可知，增加一级纵向耦合谐振器型声表面波滤波器可以有效提升带外抑制，且E曲线显示本发明第二实施例的带内(824-849MHz)插入损耗为2dB，仍然在可以接受的范围内。
接下来，参照附图7对本发明的第三个实施例结构进行介绍。
在附图7所示的本发明第三个实施例结构中，第三声表面波谐振器401和第三纵向耦合谐振器型声表面波滤波器402通过在42°YX-LiTaO3衬底上沉积铝电极而形成。在本实施例中，第三声表面波滤波器401串联到第三纵向耦合谐振器型声表面波滤波器402上。第三声表面波谐振器401由第三叉指换能器A404和第三反射栅A403、第三反射栅B405构成。第三纵向耦合谐振器型声表面波滤波器402同样由叉指换能器和反射栅构成，包括第三叉指换能器A407,第三叉指换能器B408，第三叉指换能器C409，第三叉指换能器D410和第三叉指换能器E411，第三反射栅A406和第三反射栅B412。
令第三叉指换能器A407,第三叉指换能器B408，第三叉指换能器C409，第三叉指换能器D410和第三叉指换能器E411的指间距分别为P1,P2，P3,P4和P5,则Pi(i＝2、3、4)<Pj(j＝1、5)。令第三反射栅A406和第三反射栅B412的指间距分别为Pr1和Pr2,则Pr1与P1接近，Pr2与P5接近。将每个第三叉指换能器分为上电极IDTi 上和下电极IDTi 下两部分，其中i＝1、2、…、5，那么第三叉指换能器A407,第三叉指换能器B408，第三叉指换能器C409，第三叉指换能器D410和第三叉指换能器E411的上电极IDTi 上(i＝1、2、3、4)电连接并与第三声表面波滤波器401串联形成输入端，第三叉指换能器A407,第三叉指换能器B408，第三叉指换能器C409，第三叉指换能器D410和第三叉指换能器E411的下电极IDTi 下(i＝2、3、4、5)电连接形成输出端。IDT1 下和IDT5 上接地。第三反射栅A406和第三反射栅B412也接地。同样，在附图7中，为了方便说明起见减少了每个叉指换能器的根数。
本发明第三实施例结构中纵向耦合谐振器型声表面波滤波器的设计细节如下：
孔径W:182.6um；第三叉指换能器A407指条的数目N1：134；第三叉指换能器B408指条的数目N2：8；第三叉指换能器C409指条的数目N3：24；第三叉指换能器D410指条的数目N4：8；第三叉指换能器E411指条的数目N5：134；第三反射栅A406指条的数目Nr1：22；第三反射栅B412指条的数目Nr2：22。
由第三叉指换能器A407指间距确定的波长λ1：4.8441um；由第三叉指换能器B408指间距确定的波长λ2：4.6134um；由第三叉指换能器C409指间距确定的波长λ3：4.5942um；由第三叉指换能器D410指间距确定的波长λ4：4.6134um；由第三叉指换能器E411指间距确定的波长λ5：4.8441um；由第三反射栅A406指间距确定的波长λr1：4.8825um；由第三反射栅B412指间距确定的波长λr2：4.8825um；
第三叉指换能器A407最右边的一个指条与第三叉指换能器B408最左边的一个指条电极性相同，且第三叉指换能器B408的第四根与第五根指条电极性相同；条宽比：1：1；电极金属膜厚hi：0.4224um。
第三反射栅A406和第三反射栅B412
第三叉指换能器A407,第三叉指换能器B408，第三叉指换能器C409，第三叉指换能器D410和第三叉指换能器E411
此外，第三声表面波谐振器的设计细节如下：
孔径W:92um；第三叉指换能器A404指条的数目N1：500；第三反射栅A403指条的数目Nr1：30；第三反射栅B405指条的数目Nr2：30；由第三叉指换能器A404指间距确定的波长λ1：4.65um；由第三反射栅A403和第三反射栅B405指间距确定的波长λr1和λr2：4.8767um；条宽比：1：1；电极金属膜厚hi：0.4224um。
附图8示出了两条曲线分别对应本发明第一实施例与第三实施例的频率特性，其中A曲线为本发明第一实施例的频率特性，F曲线为本发明第三实施例的频率特性。对比A与F曲线可知，第三实施例的带宽更宽，带外抑制基本一致。由第三叉指换能器C409指间距确定的波长λ3变为4.6134um，A与F曲线完全重合，第三实施例变回成为第一实施例。所以增加IDT的个数可以增加滤波器设计的灵活度，方便应对不同的设计需求。
值得指出的是，在本发明的所有实施例中，使用的是42±5°YX-LiTaO3切型的衬底，但是本发明的适用范围不局限于此。当采用128±5°YX-LiNbO3切型的衬底时，同样可以实现上述的滤波效果。此外，本发明所有实施例中，所有结构均未在IDT上进一步沉积SiO2,且电极金属为Al，然而，本发明同样适用于由SiO2/Cu/LiNbO3构成的TCSAW器件，由Al/LiTaO3/SiO2/Si构成的IHPSAW器件(IDT倾斜一定角度即可)。
为了解决上述问题，本发明跳出原有DMS的构建思路，提供一种全新的纵向耦合谐振器型声表面波滤波器。相比原有DMS技术，本发明可以避免使用介质桥，并具有高矩形度的特点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：包括压电衬底，输入信号端子，输出信号端子以及至少一个纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件，该滤波器件包括设置在所述压电衬底上至少三个沿声表面波传播方向的叉指换能器，最外侧的两个叉指换能器单端接地，其余叉指换能器的同端电极以及最外侧的叉指换能器的非接地端均通过引线电连接在一起，每个纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件还包括第一反射器和第二反射器，第一反射器和第二反射器分别位于最外侧的两个叉指换能器的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：所有的叉指换能器从一侧开始，顺序编号为1、2、…、N，相邻两个叉指换能器的指间距分别为P1、P2、…、PN，则Pi(i＝2、3、…、N-1)<Pj(j＝1、N)。
3.根据权利要求2所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：不同的所述相邻两个叉指换能器的指间距Pi(i＝2、3、…、N-1)相等或者不相等。
4.根据权利要求2所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：首末两个叉指换能器的指间距Pj(j＝1、N)相等或者不相等。
5.根据权利要求1所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：至少一个叉指换能器中的相邻电极指同相。
6.根据权利要求1所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：在纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件的两端，串联至少一个单端口谐振器。
7.根据权利要求1所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：所述第一反射器、第二反射器接地或者悬空。
8.根据权利要求1所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：每个叉指换能器分为上电极IDTi 上和下电极IDTi 下两部分，其中i＝1、2、…、N，且N≥3，当N为奇数时，IDTi 上(i＝1、2、…、N-1)电连接到一起接入输入信号端子，IDTi下(i＝2、3、…、N)电连接到一起接入输出信号端子，当N为偶数时，IDTi 上(i＝1、2、…、N)电连接到一起形成输入信号端端子，IDTi 下(i＝2、3、…、N-1)电连接到一起接入输出信号端子。
9.根据权利要求1所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：所述纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件的最外侧的两个叉指换能器的非接地端，与其它叉指换能器的同端电极电连接在至少一个单端口谐振器的一端。
10.根据权利要求1所述的一种无介质桥的声表面波滤波器，其特征在于：所述的纵向耦合谐振器型声表面波滤波器件适用于由Al/LiTaO3构成的常规SAW滤波器，由SiO2/Cu/LiNbO3构成的TCSAW滤波器，由Al/LiTaO3/SiO2/Si构成的IHPSAW滤波器。
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