CN117277988A - 横向耦合声学滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种横向耦合声学滤波器，通过将电极层设置在压电层表面上，电极层由物理分开的两个叉指电极及接地电极构成，两个叉指电极的电极指之间反向延伸且交叉排列，相邻两电极指之间被接地电极分隔开，从而使得在一个叉指电极与接地电极之间的射频输入电压的施加在压电层中激发出沿横向传播的声波，被另一个叉指电极检测，另外，再通过调整压电层厚度d与相邻两电极指之间的中心间距p之间的关系，使声波存在多个横向耦合的谐振模式以及随之而来的多个零点及极点，且极点之间的距离较远，从而通过这些零点及远距离的极点形成高带宽的滤波器，易于形成较大的滤波器带宽，另外也可根据实际需要选择高频的主谐振模式，实现滤波器的高频特性。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜射频声波滤波器，特别是涉及一种横向耦合声学滤波器。
背景技术
压电声学滤波器因其高性能、低插入损耗和小尺寸等优势广泛应用于移动通信射频前端当中。主流的声学滤波器所采用的技术方案主要包含表面波（SAW）和体声波（BAW）。基于传统钽酸锂/铌酸锂（LiTaO3/LiNbO3）单晶衬底的表面波器件，受限于较低的波速（~3000 m/s），很难适用于超过2.5 GHz的频段中。基于硅衬底的薄膜型表面波也很难工作在超过3.5 GHz的频段中。基于氮化铝（AlN）或掺杂氮化铝（AlScN）的BAW器件的工作频率取决于薄膜的厚度，因此非常适合于超过3 GHz的应用中。然而高速率通信应用需求的出现，尤其是第五代移动通信n77/n78/n79频段以及WiFi 6E等频段的高频（>3 GHz）、大带宽（分数带宽超过10%）需求应用场景的涌现，现有的声学滤波器目前都难以满足这些高频大带宽的需求。因此3 GHz以上的滤波器当前常采用集成无源器件（IPD）与低温共烧陶瓷（LTCC）技术作为过渡。基于IPD和LTCC技术的滤波器过渡带较宽、在矩形系数等性能上差强人意，随着>3 GHz频段设备的增多，频段共存的压力使得开发新型高频大带宽的声学滤波器成为一种迫切的需求。
传统的体声波耦合谐振器滤波器（bulk acoustic wave coupled resonatorfilter）建立在多层薄膜上，包含发射与接收两个体声波换能器。在整体薄膜的1、2、3阶厚度谐振频率上形成极点，在4阶谐振频率上形成零点。三个极点的频率基本呈倍频关系，因此极点距离很远，无法形成平坦通带。因此传统的耦合谐振器滤波器通常插入多层声学耦合层以使发射和接收的两个压电换能器在某个厚度谐振频率（通常是薄膜整体的二阶频率）附近处于临界耦合的状态而拓展滤波器带宽。尽管如此，这种滤波器的带宽（3-6%）已经无法满足当今大带宽的需求。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种横向耦合声学滤波器，用于解决现有技术中的压电声学滤波器的带宽较窄，无法满足现有高频大带宽的市场需求的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种横向耦合声学滤波器，所述横向耦合声学滤波器包括：
衬底；
压电层，形成在所述衬底上；
电极层，形成在所述压电层表面上；
所述电极层包括：彼此物理分开的两个叉指电极及接地电极；每个所述叉指电极均包括一汇流条及若干个电极指，且所有所述电极指均连接至所述汇流条；两个所述叉指电极的电极指之间反向延伸且交叉排列；相邻两所述电极指之间被所述接地电极分隔开；
其中，所述接地电极呈弯曲的蛇形将相邻两所述电极指分隔开；或所述接地电极包括两个相对设置的接地汇流条及若干个接地电极指，所有所述接地电极指的两端分别连接至两所述接地汇流条上，每个所述接地电极指将相邻两所述电极指分隔开；
一个所述叉指电极连接射频输入信号，作为输入叉指，另一个所述叉指电极为输出电极，作为输出叉指。
可选地，所述压电层的厚度为d，相邻两所述电极指之间的中心间距为p，0.1≤p/d≤10。
可选地，所述接地电极位于相邻两所述电极指的中间位置。
可选地，所述衬底中形成有贯穿的空腔，所述电极层及所述压电层位于所述空腔的上方；或所述衬底与所述压电层之间形成有布拉格反射层，且所述布拉格反射层由高声阻抗层及低声阻抗层交替层叠形成。
进一步地，还包括温度补偿层及陷阱俘获层；其中，所述温度补偿层形成在远离所述电极层的所述压电层的一侧表面，所述陷阱俘获层形成在靠近所述压电层的所述衬底的一侧表面；当所述衬底中形成有贯穿的所述空腔时，所述空腔还贯穿所述陷阱俘获层；当所述衬底与所述压电层之间形成有布拉格反射层时，所述布拉格反射层形成于所述陷阱俘获层与所述温度补偿层之间。
进一步地，当形成有所述空腔时，位于所述空腔上方的材料层通过支撑梁悬挂至所述衬底上。
可选地，还包括空气反射栅和/或金属反射栅，且所述空气反射栅至少贯穿所述电极层和所述压电层，所述金属反射栅与所述叉指电极位于同一层；当只包括所述空气反射栅时，所述空气反射栅至少设置在沿声波的传播方向上的所述叉指电极外侧两侧；当只包括所述金属反射栅时，所述金属反射栅仅设置在沿声波的传播方向上的所述叉指电极外侧两侧；当同时包括所述空气反射栅及所述金属反射栅时，所述金属反射栅设置在沿声波的传播方向上的所述叉指电极外侧两侧，所述空气反射栅设置在沿垂直于声波的传播方向上的所述叉指电极外侧两侧。
可选地，当所述接地电极呈弯曲的蛇形将相邻两所述电极指分隔开时，所述接地电极与相邻的所述电极指及所述汇流条在纵向方向间隔0.1p~3p，包括端点值，所述接地电极与相邻的所述电极指在横向方向间隔0.1p~0.9p，包括端点值；当所述接地电极包括两个相对设置的接地汇流条及若干个接地电极指时，所述接地汇流条与所述电极指在纵向方向间隔0p~2p，包括端点值；定义相邻两所述电极指之间的中心间距为p，相邻两所述电极指之间的中心间距的延伸方向为横向，纵向为与横向垂直的方向。
可选地，50nm≤d≤5μm；0.2μm≤p≤20μm；所述电极层的厚度介于10nm~500nm之间，包括端点值；相邻两所述电极指之间的中心间距为p，所述压电层的厚度为d。
可选地，相邻的所述接地电极与所述电极指之间的中心间距沿排列方向呈线性变化；或所述接地电极和/或所述电极指为沿其长度方向加权设置；或所述接地电极和/或所述电极指为沿其宽度方向加权设置。
如上所述，本发明的横向耦合声学滤波器，通过将电极层设置在压电层表面上，电极层由物理分开的两个叉指电极及接地电极构成，两个叉指电极的电极指之间反向延伸且交叉排列，且相邻两电极指之间被接地电极分隔开，从而使得在一个所述叉指电极与所述接地电极之间的射频输入电压的施加在所述压电层中激发出沿横向传播的声波，该声波中交替的应变产生交替的电势伴随横向传播的声波进行传播，随后被另一个所述叉指电极所检测，该叉指电极与所述接地电极之间存在电势差，将接收的信号以电压形式输出，如此实现沿横向传播的声波在压电层中传播并被检测输出，另外，再通过调整压电层的厚度d与相邻两电极指之间的中心间距p之间的关系，使沿横向传播的声波存在多个横向耦合的谐振模式以及随之而来的多个零点及极点，且极点之间的距离较远，从而通过这些零点及远距离的极点形成高带宽的滤波器。即本实施例的横向耦合声学滤波器的带宽不依赖于谐振器的耦合系数，也与两个换能器的频率响应乘积无关，仅与横向耦合产生的零点和极点位置有关，而零点和极点的位置仅与选取的主谐振模式、压电层的厚度d及相邻两电极指之间的中心间距p相关，因此易于形成较大的滤波器带宽，另外也可根据实际需要选择高频的主谐振模式，实现滤波器的高频特性。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。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。
图1显示为本发明实施例一的横向耦合声学滤波器的俯视结构示意图。
图2显示为沿图1中AA方向截切的剖视图。
图3显示为采用实施例一的横向耦合声学滤波器结构，并利用Lamb波A1模式的散射参数仿真结果，其中：压电层的材料为128°YX切铌酸锂，压电层的厚度d约为0.75μm，相邻两电极指之间的中心间距p约为5μm，电极层材料为铝，电极层的厚度h约为100nm。
图4显示为图3中采用的横向耦合声学滤波器结构中Lamb波A1模式的前5阶横向泛音（overtone）模式。
图5显示为本发明实施例二的横向耦合声学滤波器的俯视结构示意图。
图6显示为沿图5中BB方向截切的剖视图。
图7显示为本发明实施例三的横向耦合声学滤波器沿图1中AA方向截切的剖视图。
元件标号说明
10 衬底，11压电层，12电极层，120叉指电极，121汇流条，122电极指，123接地电极，124接地汇流条，125接地电极指，13温度补偿层，14陷阱俘获层，15介质层，16空腔，17布拉格反射层，170高声阻抗层，171低声阻抗层，18端口，19空气反射栅，190沟槽，20钝化层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征 “之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。另外，当描述的第一特征在第二特征“表面上”的结构时理解为直接接触的实施例。
请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1及图2所示，本实施例提供一种横向耦合声学滤波器，其中，图1显示为横向耦合声学滤波器的俯视结构示意图，该视图中为便于理解电极层的具体结构，将覆盖于钝化层下的电极层透视出来，实际中电极层是覆盖于钝化层下方的；图2是沿图1中AA方向截切的剖视图。所述横向耦合声学滤波器包括：
衬底10；
压电层11，形成在所述衬底10上；
电极层12，形成在所述压电层11表面上；
如图1所示，所述电极层12包括：彼此物理分开的两个叉指电极120及接地电极123；每个所述叉指电极120均包括一汇流条121及若干个电极指122，且所有所述电极指122均连接至所述汇流条121；两个所述叉指电极120的电极指122之间反向延伸且交叉排列；相邻两所述电极指122之间被所述接地电极123分隔开；这里物理分开指的是电学隔离；
一个所述叉指电极120连接射频输入信号，作为输入叉指，另一个所述叉指电极120为输出电极，作为输出叉指，即两个叉指电极120之间是互易的，任意一个都可以作为输入或输出；
其中，一个所述叉指电极120（即输入叉指）与所述接地电极123之间存在交变的输入电压使得所述压电层11中激发出沿横向X传播的声波（即图1中X方向为声波的传播方向），该声波中交替的应变产生交替的电势伴随横向传播的声波进行传播，随后被另一个所述叉指电极120（即输出叉指）所检测，由于该叉指电极120（即输出叉指）与所述接地电极123之间存在电势差，最终输出将接收的信号以电压形式输出。
本实施例中定义所述压电层11的厚度为d，相邻两所述电极指122之间的中心间距为p，相邻两所述电极指122之间的中心间距的延伸方向为横向X，纵向为与横向X垂直的方向。
本实施例提出的横向耦合声学滤波器，通过将电极层设置在压电层表面上，电极层由物理分开的两个叉指电极及接地电极构成，两个叉指电极的电极指之间反向延伸且交叉排列，且相邻两电极指之间被接地电极分隔开，从而使得在一个所述叉指电极与所述接地电极之间的射频输入电压的施加在所述压电层中激发出沿横向传播的声波，该声波中交替的应变产生交替的电势伴随横向传播的声波进行传播，随后被另一个所述叉指电极所检测，该叉指电极与所述接地电极之间存在电势差，将接收的信号以电压形式输出，如此实现沿横向X传播的声波在压电层中传播并被检测输出，另外，再通过调整压电层的厚度d与相邻两电极指之间的中心间距p之间的关系，使沿横向传播的声波存在多个横向耦合的谐振模式以及随之而来的多个零点及极点，且极点之间的距离较远，从而通过这些零点及远距离的极点形成高带宽的滤波器。即本实施例的横向耦合声学滤波器的带宽不依赖于谐振器的耦合系数，也与两个换能器的频率响应乘积无关，仅与横向耦合产生的零点和极点位置有关，而零点和极点的位置仅与选取的主谐振模式、压电层的厚度d及相邻两电极指之间的中心间距p相关，因此易于形成较大的滤波器带宽，另外也可根据实际需要选择高频的主谐振模式，实现滤波器的高频特性。
作为一较佳示例，0.1≤p/d≤10。
如图1所示，作为示例，所述电极层12中的两个叉指电极120的电极指122及所述接地电极123的形状均设置为形状规则的矩形条，且所述接地电极123位于相邻两所述电极指的中间位置。此时，相邻两所述电极指122之间的中心间距p可理解为相邻两所述电极指122之间的中心距离。较佳地，两个叉指电极120的电极指122及所述接地电极123为宽度相同的矩形条，且所有所述电极指122等间距排布。
如图2所示，作为示例，所述横向耦合声学滤波器还包括温度补偿层13及陷阱俘获层14；其中，所述温度补偿层13形成在远离所述电极层12的所述压电层11的一侧表面，且所述温度补偿层13的温度系数与所述压电层11的温度系数相反；所述陷阱俘获层14形成在靠近所述压电层11的所述衬底10的一侧表面。所述温度补偿层13选择与所述压电层11的温度系数相反，以有效降低所述压电层11随温度变化产生翘曲劣变；所述陷阱俘获层14可以减少衬底与温度补偿层13或压电层11接触产生的表面态，为了改善滤波器的射频性能，例如，减少衬底与温度补偿层界面由费米能级钉扎效应产生的表面态所导致的射频损耗，进而改善滤波器的射频性能。
不限定衬底10的材料，例如可以为硅、锗、蓝宝石、砷化镓、金刚石、碳化硅等半导体材料，或者石英、玻璃、陶瓷等绝缘材料。压电层11可以选择常规的压电单晶材料，例如铌酸锂、钽酸锂等。电极层12的材料选择常规的适于作为电极的材料，例如金、银、铜、铝、铂或钛等金属材料或其他导电材料。所述温度补偿层13的材料可以选择为二氧化硅等类似具有正温度系数的材料。所述陷阱俘获层14的材料可选非晶硅或多晶硅。
如图2所示，作为示例，所述电极层12上一般采用钝化层20进行覆盖，以对电极层12进行保护。所述钝化层20的材料可选择氮化硅、氧化硅等钝化材料。
本实施例的横向耦合声学滤波器适合所有沿横向传播的声波，例如广义表面波或Lamb波或SH波等，其中广义表面波包括：瑞利波（Rayleigh wave）、水平剪切型表面波（SH-SAW）、乐浦（Love）波、西沙瓦波（Sezawa wave）等等；Lamb波包括：对称、反对称的Lamb波模式，例如S0、A0、S1、A1、S2、A3等等；SH波包括：SH0、SH1、SH2等等。较佳地，选择高阶Lamb波和高阶SH波，在实现宽带宽的同时还可实现高频。
如图1所示，作为示例，所述接地电极123的形状为一条呈弯曲的蛇形的电极条，其弯曲过程中将相邻的两个电极指122分隔开。在此基础上，所述接地电极123与相邻的所述电极指122及所述汇流条121在纵向方向间隔0.1p~3p，包括端点值，所述接地电极123与相邻的所述电极指122在横向方向间隔0.1p~0.9p，包括端点值，可使滤波器的效果达到最佳。
作为另一示例，也可将相邻的所述接地电极123与所述电极指122之间的中心间距设置为沿排列方向呈线性变化的模式，即相邻的所述接地电极123与所述电极指122之间的中心间距沿排列方向线性增大或线性减小，如此可形成多个通带，从而在叠加后形成更宽的带宽。
作为再一示例，也可使所述接地电极123和/或所述电极指122为沿其长度方向加权设置的方式，以此抑制横向模式，降低通带内波纹。还可使所述接地电极123和/或所述电极指122为沿其宽度方向加权设置的方式，以此抑制声波传播方向的模式，减少带外纹波。
加权设置方式可以选择线性加权、阶梯加权、数学函数曲线加权 （正弦曲线、余弦曲线、反正弦曲线、反余弦曲线等等）、波浪加权或者折线加权（例如：折线从中心到终点是线性变化的）。
这里需要说明的是所述叉指电极120中电极指122的数量根据实际需要进行设置，例如图1中一个叉指电极120设置了2根电极指122，另一个叉指电极120设置了3根电极指122，而实际中不限于此，例如可以是4根、5根等更多根。所述电极指122的长度根据实际需要进行选择，在此也不做过分限制。
如图2所示，作为示例，可以在所述衬底10中设置空腔16，当滤波器中不含陷阱俘获层14时，该空腔16贯通衬底10；当滤波器中含有陷阱俘获层14时，该空腔16贯通衬底10及陷阱俘获层14。当滤波器中不含温度补偿层13时，滤波器的电极层12、压电层11位于该空腔16的上方；当滤波器中含有温度补偿层13时，滤波器的电极层12、压电层11及温度补偿层13位于该空腔16的上方。由于固体材料与空气的声阻抗相差很大，因此声波在固体与空气边界发生全反射，以将能量限制在压电层11中，降低滤波器的损耗。较佳地，为了进一步降低声波的泄露，还可将滤波器通过支撑梁悬挂在衬底10上，滤波器其他地方都悬空在空腔16上方，使得声波泄露路径仅集中在少数的支撑梁处，如图1中，在两个叉指电极120的汇流条121的一侧设置延长端，该延长端与衬底10连接，实现对滤波器的固定，另外还可通过在支撑梁上设置电极金属与汇流条连接，形成电极引出端口18，实现对叉指电极120的电引出，作为滤波器的输出及输入端口。更佳地，在支撑梁1处，还可以设计声子晶体结构，并将滤波器频率设置在声子晶体的频域禁带处，从而进一步降低支撑梁损耗，实现进一步降低声波的损耗。
如图1及图2所示，作为示例，还可在滤波器中设置空气反射栅19，所述空气反射栅19至少贯穿所述电极层12及所述压电层11，当滤波器中不含温度补偿层13时，所述空气反射栅19为贯穿所述电极层12及所述压电层11的沟槽190；当滤波器中含有温度补偿层13时，所述空气反射栅19为贯穿所述电极层12、所述压电层11及所述温度补偿层13的沟槽190或仅贯穿所述电极层12及所述压电层11的沟槽190。且所述空气反射栅19主要设置在声波的传播方向上，即设置在沿声波的传播方向上的所述叉指电极120外侧两侧，当声波传播至空气反射栅19时，会在固体与空气边界发生全反射，从而将声波反射回压电层11中，降低声波的能量损耗。当然，为了进一步降低声波的能量损耗，还可在沿垂直于声波的传播方向上的所述叉指电极120外侧两侧设置所述空气反射栅19。
作为示例，还可在滤波器中设置金属反射栅，该金属反射栅与所述电极层位于同一层，且所述金属反射栅设置于沿声波的传播方向上的所述叉指电极120外侧两侧，作用与空气反射栅相同，均是使压电层中的声波反射回压电层中，以降低声波的能量损耗。金属反射栅的结构可采用现有常规的结构，在此不做过分限制。如图2所示，在制备过程中，所述电极层12可以通过相同的电极材料制备形成，例如先在压电层11上沉积电极材料层；然后对该电极材料层进行刻蚀图形化，直接形成电极层12。
作为示例，还可在滤波器中同时设置所述空气反射栅19及所述金属反射栅，此时，所述金属反射栅设置在沿声波的传播方向上的所述叉指电极120外侧两侧，所述空气反射栅19设置在沿垂直于声波的传播方向上的所述叉指电极120外侧两侧，作用与仅设置空气反射栅19及仅设置金属反射栅相同。
作为示例，如果不考虑滤波器的频率，仅考虑滤波器的带宽，本实施例的压电层的厚度d可以从50nm到5μm，相邻两电极指之间的中心间距p可以从0.2μm到20μm，电极层的厚度h可以从10nm到500nm，包括端点值。
如图3及图4所示，为采用本实施例的横向耦合声学滤波器的结构进行的仿真结果，如图1及图2所示，其中横向耦合声学滤波器由上向下依次包括：钝化层20、电极层12、压电层11、温度补偿层13、陷阱俘获层14及衬底10；所有电极指122及接地电极123均为形状规则且宽度相同的矩形条，所有电极指122等间距排布，接地电极123位于相邻两电极指122的中间位置，一个叉指电极120设置3根电极指122，一个叉指电极120设置2根电极指122；接地电极123呈弯曲的蛇形；材料参数中压电层11的材料为128°YX切铌酸锂、电极层12的材料为铝；压电层的厚度d为0.75μm、相邻两电极指之间的中心间距p为5μm、电极层的厚度h为100nm；选择的主谐振模式为Lamb波A1模式，基于Lamb波A1模式的传播特性，空气反射栅19设置于整个横向耦合声学滤波器的四周。
图3表示基于128°YX切铌酸锂Lamb波A1模式的横向耦合声学滤波器的频率响应曲线。图4表示A1模式的前5阶横向泛音（overtone）模式，浅色表示在横向方向位移为正，深色表示横向方向位移为负。
在图3所展示的频段内，存在5个横向谐振模式。将压电层11中存在的n个声波的横向半周期称为第n阶横向模式，将第2阶横向谐振模式称为主谐振模式，其余称为次谐振模式。
图4标注的5个谐振模式中，第1到第3阶的谐振模式产生极点，而第4阶谐振模式产生零点。经过匹配后的频率响应显示在图3中，通带A由3个极点构成，零点则形成了带外抑制。
这里形成零极点的规律为：奇数阶以及第2阶形成极点，除第2阶以外的偶数阶形成零点，第5阶及以上的奇数阶模式为不期望的模式，可以通过调整电极层覆盖率进行抑制。
对于基于单层铌酸锂薄膜的Lamb波横向耦合声学滤波器，其第n阶横向泛音模式的谐振频率（f）大致由以下公式决定：
其中vs表示压电层厚度方向的剪切波波速，vl表示压电层水平方向纵波波速，d表示铌酸锂薄膜的厚度，p表示相邻两电极指之间的中心间距，n为横向泛音模式的阶数。
由此可见：横向泛音模式的谐振频率由压电层厚度d、相邻两电极指之间的中心间距p以及泛音的阶数n决定。
当p与d数量级相当时，一般为一个数量级，即0.1≤p/d≤10，进一步地，可限定0.1≤p/d＜4，即p/d可以取值为0.1，或者是0.1到4之间的任一数值，此时泛音的谐振频率与阶次n存在较大的关联，因此极点之间的距离较远，形成的带宽较宽。因此，通过减小p与d之间的差距，可以形成较大的滤波器带宽。
在本仿真案例中，p/d=5/0.75在一个数量级内，S21显示横向耦合声学滤波器具有明显的带通特性。S11（回波损耗）显示在通带中存在3个极点，分别对应1、2、3阶的横向耦合模式，说明横向耦合声学滤波器依靠三个横向谐波所产生的极点构建了通带。通带的带宽取决于对应1、2、3阶的横向耦合模式所处的频率，即频段为：2.8 GHz -3.3 GHz，带宽达到了500 MHz，分数带宽达到16.1%，远超于现有界定的高带宽（分数带宽超过10%），其S21（插入损耗）小于-3dB。即实现了滤波器高带宽与高频的特性；另外，与基于谐振器的滤波器为了保证带外抑制通常需要数个谐振器相比，本仿真案例的器件面积大约相当于一个端口阻抗为50Ω的传统压电谐振器所占据的面积，因此有效减小了滤波器的体积，利于小型化设计；再一方面，还可通过调整压电层的厚度d或者采用不同阶次的Lamb波模式，使滤波器工作在1GHz -30GHz频段。
实施例二
本实施例提供的横向耦合声学滤波器与实施例一基本相同，不同在于：所述接地电极123的结构与实施例一不相同，如图5及图6所示，所述接地电极123包括两个相对设置的接地汇流条124及若干个接地电极指125，所有所述接地电极指125的两端分别连接至两所述接地汇流条124上，每个所述接地电极指125将相邻两所述电极指122分隔开。该结构的接地电极123相当于是并联形式，可有效降低接地电极123的电阻，进一步降低滤波器的损耗。
作为一较佳示例，所述接地汇流条124与所述电极指122在纵向方向间隔0p~2p，即在纵向方向上，所述接地汇流条124可以超出所述电极指122 0p~2p的距离，或所述电极指122可以超出所述接地汇流条124 0p~2p的距离。可使滤波器的效果达到最佳。
作为示例，所述接地电极123的接地汇流条124与所述叉指电极120的电极指122的结构可以为，接地汇流条124位于所述电极指122的下方，或接地汇流条124位于电极指122的上方；且叉指电极的电极指122与接地电极123的接地汇流条124之间通过介质层15物理隔离。较佳地，如图6所示，接地汇流条124位于电极指122的上方，在制备过程中，先在压电层11上沉积叉指电极材料层；然后对该叉指电极材料层进行刻蚀图形化，形成叉指电极120；接着沉积介质材料层并对其刻蚀图形化，以在后续需要形成接地汇流条124的区域形成介质层15；接着沉积接地电极材料层并进行刻蚀图形化，以形成接地电极123。
这里需要说明的是，本实施例与实施例一的区别仅在于接地电极123的结构，其他结构的形式以及可变例均可与实施例一相同，在此不作详细赘述。
实施例三
本实施例提供的横向耦合声学滤波器与实施例一基本相同，不同在于：本实施例中采用布拉格反射层将压电层中传播的声波反射回压电层中，具体地，如图7所示，在衬底10与压电层11之间设置布拉格反射层17，且所述布拉格反射层17由高声阻抗层170及低声阻抗层171交替层叠形成。作为优选，当衬底10与压电层11之间设置有温度补偿层13及陷阱俘获层14时，布拉格反射层17形成于温度补偿层13及陷阱俘获层14之间。布拉格反射层17采用一般的布拉格反射镜原理，其厚度大约选取为声波在介质中波长的四分之一。利用多层、高低声阻抗交替分布的布拉格反射层17可以将声波能量限制在压电层内，降低滤波器的损耗。
这里需要说明的是，本实施例与实施例一的区别仅在于实施例一采用空腔16的结构将声波能量限制在压电层内，本实施例中采用布拉格反射层17的结构将声波能量限制在压电层内。其他结构的形式以及可变例均可与实施例一及实施例二相同，在此不作详细赘述。
综上所述，本发明提供一种横向耦合声学滤波器，通过将电极层设置在压电层表面上，电极层由物理分开的两个叉指电极及接地电极构成，两个叉指电极的电极指之间反向延伸且交叉排列，且相邻两电极指之间被接地电极分隔开，从而使得在一个所述叉指电极与所述接地电极之间的射频输入电压的施加在所述压电层中激发出沿横向传播的声波，该声波中交替的应变产生交替的电势伴随横向传播的声波进行传播，随后被另一个所述叉指电极所检测，该叉指电极与所述接地电极之间存在电势差，将接收的信号以电压形式输出，如此实现沿横向X传播的声波在压电层中传播并被检测输出，另外，再通过调整压电层的厚度d与相邻两电极指之间的中心间距p之间的关系，使沿横向传播的声波存在多个横向耦合的谐振模式以及随之而来的多个零点及极点，且极点之间的距离较远，从而通过这些零点及远距离的极点形成高带宽的滤波器。即本实施例的横向耦合声学滤波器的带宽不依赖于谐振器的耦合系数，也与两个换能器的频率响应乘积无关，仅与横向耦合产生的零点和极点位置有关，而零点和极点的位置仅与选取的主谐振模式、压电层的厚度d及相邻两电极指之间的中心间距p相关，因此易于形成较大的滤波器带宽，另外也可根据实际需要选择高频的主谐振模式，实现滤波器的高频特性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种横向耦合声学滤波器，其特征在于，所述横向耦合声学滤波器包括：
衬底；
压电层，形成在所述衬底上；
电极层，形成在所述压电层表面上；
所述电极层包括：彼此物理分开的两个叉指电极及接地电极；每个所述叉指电极均包括一汇流条及若干个电极指，且所有所述电极指均连接至所述汇流条；两个所述叉指电极的电极指之间反向延伸且交叉排列；相邻两所述电极指之间被所述接地电极分隔开；
其中，所述接地电极呈弯曲的蛇形将相邻两所述电极指分隔开；或所述接地电极包括两个相对设置的接地汇流条及若干个接地电极指，所有所述接地电极指的两端分别连接至两所述接地汇流条上，每个所述接地电极指将相邻两所述电极指分隔开；
一个所述叉指电极连接射频输入信号，作为输入叉指，另一个所述叉指电极为输出电极，作为输出叉指。
2.根据权利要求1所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：所述压电层的厚度为d，相邻两所述电极指之间的中心间距为p，0.1≤p/d≤10。
3.根据权利要求1所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：所述接地电极位于相邻两所述电极指的中间位置。
4.根据权利要求1所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：所述衬底中形成有贯穿的空腔，所述电极层及所述压电层位于所述空腔的上方；或所述衬底与所述压电层之间形成有布拉格反射层，且所述布拉格反射层由高声阻抗层及低声阻抗层交替层叠形成。
5.根据权利要求4所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：还包括温度补偿层及陷阱俘获层；其中，所述温度补偿层形成在远离所述电极层的所述压电层的一侧表面，所述陷阱俘获层形成在靠近所述压电层的所述衬底的一侧表面；当所述衬底中形成有贯穿的所述空腔时，所述空腔还贯穿所述陷阱俘获层；当所述衬底与所述压电层之间形成有布拉格反射层时，所述布拉格反射层形成于所述陷阱俘获层与所述温度补偿层之间。
6.根据权利要求4或5所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：当形成有所述空腔时，位于所述空腔上方的材料层通过支撑梁悬挂至所述衬底上。
7.根据权利要求1~4中任意一项所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：还包括空气反射栅和/或金属反射栅，且所述空气反射栅至少贯穿所述电极层和所述压电层，所述金属反射栅与所述叉指电极位于同一层；当只包括所述空气反射栅时，所述空气反射栅至少设置在沿声波的传播方向上的所述叉指电极外侧两侧；当只包括所述金属反射栅时，所述金属反射栅仅设置在沿声波的传播方向上的所述叉指电极外侧两侧；当同时包括所述空气反射栅及所述金属反射栅时，所述金属反射栅设置在沿声波的传播方向上的所述叉指电极外侧两侧，所述空气反射栅设置在沿垂直于声波的传播方向上的所述叉指电极外侧两侧。
8.根据权利要求1所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：当所述接地电极呈弯曲的蛇形将相邻两所述电极指分隔开时，所述接地电极与相邻的所述电极指及所述汇流条在纵向方向间隔0.1p~3p，包括端点值，所述接地电极与相邻的所述电极指在横向方向间隔0.1p~0.9p，包括端点值；当所述接地电极包括两个相对设置的接地汇流条及若干个接地电极指时，所述接地汇流条与所述电极指在纵向方向间隔0p~2p，包括端点值；定义相邻两所述电极指之间的中心间距为p，相邻两所述电极指之间的中心间距的延伸方向为横向，纵向为与横向垂直的方向。
9.根据权利要求1所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：50nm≤d≤5μm；0.2μm≤p≤20μm；所述电极层的厚度介于10nm~500nm之间，包括端点值；相邻两所述电极指之间的中心间距为p，所述压电层的厚度为d。
10.根据权利要求1所述的横向耦合声学滤波器，其特征在于：相邻的所述接地电极与所述电极指之间的中心间距沿排列方向呈线性变化；或所述接地电极和/或所述电极指为沿其长度方向加权设置；或所述接地电极和/或所述电极指为沿其宽度方向加权设置。
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