CN117559945A - 体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种体声波谐振器、滤波器及电子设备，所述体声波谐振器包括：第一电极；压电部，至少部分覆盖所述第一电极，所述压电部的压电材料掺杂有稀土元素；第二电极，至少部分覆盖所述压电部；第一声学镜；第二声学镜；凸起结构，位于所述第一电极和/或所述第二电极的远离所述压电部的表面，或者位于所述第一电极和/或所述第二电极的与所述压电部交界的表面，所述凸起结构设置于谐振器有效谐振区的边缘。本发明实施例提供的体声波谐振器的有效机电耦合系数的变化量较大，可以为滤波器设计提供了更高的自由度。
Description
技术领域
本申请实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器、滤波器及电子设备。
背景技术
随着移动通信技术的不断发展，频谱复杂化趋势日益加快，传统的单频带单制式设备已经不能满足通信系统多样化的要求。目前，通信系统越来越趋向多频段化，这就要求通信终端能够接受各个频带以满足不同的通信服务商和不同地区的要求。
频谱的复杂化使得对射频滤波器性能的要求越来越严苛，射频滤波器通常被用于通过或阻挡射频信号中的特定频率或频带，良好的射频滤波器性能可以提高射频系统的传输速率、寿命和可靠性，然而，现有的射频滤波器仍然存在性能不佳的问题，需要进一步提高相关性能。
发明内容
本申请实施例提供了一种体声波谐振器、滤波器及电子设备，以提升器件的性能。滤波器性能的提升不仅需要设计工程师充分利用现有谐振器的特点进行精准的设计，还需要器件工程师和工艺工程师不断针对谐振器的材料、工艺及结构进行优化，为设计工程师提供性能更优、设计自由度更高的谐振器。
有鉴于此，本申请实施例提供一种体声波谐振器，包括：
第一电极；
压电部，至少部分覆盖所述第一电极，所述压电部的压电材料掺杂有稀土元素；
第二电极，至少部分覆盖所述压电部；
第一声学镜，设置在所述第一电极远离所述压电部的一侧，第二声学镜，设置在所述第二电极远离所述压电部的一侧；所述第一声学镜、所述第一电极、所述压电部、所述第二电极以及所述第二声学镜的彼此相邻且重叠的部分为所述体声波谐振器的有效谐振区；
凸起结构，位于所述第一电极和/或所述第二电极的远离所述压电部的表面，或者位于所述第一电极和/或所述第二电极的靠近所述压电部的表面，所述凸起结构设置于所述有效谐振区的边缘。
相应的，本申请实施例还提供一种体声波滤波器，包括上述的体声波谐振器。
相应的，本申请实施例还提供一种多工器，包括上述的体声波滤波器。
相应的，本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述的体声波滤波器和/或多工器。
与现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有以下优点：
本发明实施例提供的体声波谐振器的压电部掺杂有稀土元素，且所述谐振器有效区边缘设置有凸起结构，相对于压电部不掺杂的谐振器，在一定凸起结构宽度范围内，体声波谐振器的有效机电耦合系数的变化量较大，从而可以为滤波器设计提供了更高的自由度，有利于实现具有更高滚降特性的滤波器。
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，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为一种体声波滤波器的电路结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的体声波谐振器的俯视图；
图3为图2所示的体声波谐振器沿AA’割线的剖视图；
图4为本发明一实施例提供的体声波谐振器的压电部的结构示意图；
图5为本发明又一实施例提供的体声波谐振器的剖视图；
图6为本发明另一实施例提供的体声波谐振器的剖视图；
图7为图6所示的体声波谐振器沿AA’割线的剖视图；
图8为不同掺杂浓度的体声波谐振器的有效机电耦合系数随凸起结构的宽度的变化曲线；
图9为不同掺杂浓度的体声波谐振器的有效机电耦合系数与电极-压电厚度比之间的关系曲线；
图10为不同的凸起结构的宽度所对应的谐振器的阻抗实部-频率特性；
图11为本发明涉及的梯型结构滤波器电路示意图；
图12为根据本发明一实施例提供的滤波器的插损-频率特性；
图13为根据本发明又一实施例提供的滤波器的插损-频率特性；
图14为本发明一实施例提供的双工器的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，目前所形成的体声波谐振器仍有性能不佳的问题。
体声波谐振器在振动过程中，将机械能转变为电能或将电能转变为机械能，机电耦合系数用于表示能量相互变换的程度。现有的谐振器存在着有效机电耦合系数的自由度较低的缺陷，谐振器一旦被设计出来，谐振器的有效机电耦合系数也就基本上确定了。谐振器有效机电耦合系数自由度低带来的后果之一是增加了滤波器的设计难度，尤其是当所设计的滤波器需要较高的滚降特性时。例如图1所示，为了改善滤波器的滚降性能，滤波器的拓扑结构变得愈加复杂，在梯形滤波器中加入了MIM电容C1和C2，以提高滤波器的滚降性能，然而MIM电容的加入会占据一定的芯片面积，不利于器件的小型化设计，同时在一定程度上也增加了制造成本。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种体声波谐振器、滤波器及电子设备，所述体声波谐振器包括：第一电极；压电部，至少部分覆盖所述第一电极，所述压电部的压电材料掺杂有稀土元素；第二电极，至少部分覆盖所述压电部；第一声学镜，设置在所述第一电极远离所述压电部的一侧，第二声学镜，设置在所述第二电极远离所述压电部的一侧；所述第一声学镜、所述第一电极、所述压电部、所述第二电极、以及所述第二声学镜的彼此相邻且重叠的部分为所述体声波谐振器的有效谐振区(AR)；凸起结构，位于所述第一电极和/或所述第二电极的远离所述压电部的表面，或者位于第一电极和/或所述第二电极的与所述压电部交界处的表面，所述凸起结构设置于所述有效谐振区的边缘。
本发明实施例提供的体声波谐振器的压电部掺杂有一定掺杂原子比的稀土元素，且所述谐振器有效区边缘设置有凸起结构，在一定凸起结构宽度范围内，体声波谐振器的有效机电耦合系数的变化量较大，从而可以为滤波器设计提供了更高的自由度，有利于实现具有更高滚降特性的滤波器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参考图2和图3，示出了本发明体声波谐振器一实施例的结构示意图，其中，图2为体声波谐振器的俯视图，图3为图2沿AA’割线的剖面图。
所述体声波谐振器包括：第一电极140、压电部150、第二电极160、第一声学镜(图未示)、第二声学镜(图未示)以及凸起结构170。其中，所述压电部150至少部分覆盖所述第一电极140，所述压电部150的压电材料内掺杂有稀土元素；所述第二电极160至少部分覆盖所述压电部150；所述第一声学镜设置在所述第一电极140的远离所述压电部150的一侧，所述第二声学镜，设置在所述第二电极160的远离所述压电部150的一侧。
所述第一声学镜、所述第一电极140、所述压电部150、所述第二电极160以及所述第二声学镜的彼此相邻且重叠的部分为所述体声波谐振器的有效谐振区。所述凸起结构170位于所述第一电极140和/或所述第二电极160的远离所述压电部150的表面，或者位于所述第一电极140和/或所述第二电极160的与所述压电部150交界的表面，所述凸起结构170设置于所述有效谐振区的边缘，沿所述有效谐振区的边缘延伸。
所述第一电极140、所述压电部150、所述第二电极160依次层叠设置，形成三明治结构。在体声波谐振器的工作过程中，通过在第一电极140和第二电极160上施加射频信号，在压电部150中激励体声波，从而形成谐振。
在一些实施例中，所述体声波谐振器还包括衬底(图未示)，所述第一电极140设置在所述衬底上。所述衬底用于为体声波谐振器的制造提供工艺平台。衬底的材料可以为单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英，碳化硅，SOI等。
所述衬底上形成有压电声学共振叠层，具体的，所述压电声学共振叠层包括由下而上依次层叠的第一电极140、压电部150以及第二电极160。
所述第一声学镜、所述第一电极140、所述压电部150、所述第二电极160以及所述第二声学镜依次层叠设置。所述声学镜作为反射结构，用于将体声波谐振器内部的声波反射，使声波被限制在压电谐振腔内部。具体的，所述声学镜与第一电极140、压电部150以及第二电极160等结构具有较大的声阻抗差，能够将体声波谐振器内部的声波反射，形成谐振。
作为一种示例，所述声学镜可以为空气腔，所述衬底的靠近所述第一电极140的表面形成有凹陷部，第一声学镜为所述第一电极140与所述凹陷部共同围成的空腔。在其他一些示例中，声学镜也可以是在衬底之上由其他材料支撑形成。可以理解的是，所述声学镜也可以为布拉格反射层或者为与电极材料声阻抗相差较大的材料形成。
所述第一电极140可以位于所述衬底上，至少部分覆盖所述衬底。所述第一电极140的材料可以为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。
所述压电部150设置于所述第一电极140与所述第二电极160之间，与所述第一电极140、所述第二电极160共同构成三明治结构。
所述压电部150的材料为压电材料，所述压电材料可以为单晶压电材料、多晶压电材料。其中，所述单晶压电材料可以为单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(PZT)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等。所述多晶压电材料可以为多晶氮化铝、氧化锌、PZT等。
所述压电材料内掺杂有一定原子比的稀土元素掺杂材料。所述稀土元素可以为钪(Sc)、钇(Y)、镁(Mg)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。所述掺杂材料可以为上述稀土元素中的一种或多种。
在一些实施例中，所述压电部150的压电材料的掺杂原子比的范围为2％～44％，在其他一些示例中，也可以将所述压电部150的压电材料的掺杂原子比的范围设置为5％～44％。
参考图4，在一些实施例中，所述压电部150为复合结构，包括层叠设置的多个压电层151、152…15n。所述层叠设置的多个压电层中，相邻的压电层的具有不同的掺杂元素和/或掺杂原子比。所述层叠设置的多个压电层中，相邻的压电层的交界处形成有过渡区，所述过渡区的离子掺杂浓度的变化率小于或等于5％/纳米且大于或等于0.01％/纳米。当所述压电部150包括层叠设置的多个压电层时，压电部150的掺杂原子比为各个压电层掺杂原子比的平均值。
作为一种示例，所述压电部150包括层叠设置的第一压电层和第二压电层，其中，所述第一压电层靠近所述第一电极140设置，所述第二压电层靠近所述第二电极160设置。
所述第一压电层、第二压电层的材料均为压电材料，所述压电材料可以为单晶压电材料、多晶压电材料。其中，所述单晶压电材料可以为单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(PZT)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等。所述多晶压电材料可以为多晶氮化铝、氧化锌、PZT等。
所述第一压电层的压电材料内掺杂有第一原子比的稀土元素材料，所述第二压电层的压电材料内掺杂有第二原子比的稀土元素材料，并且所述第一压电层与所述第二压电层分别具有不同的掺杂原子比。若所述第一压电层的掺杂原子比为第一浓度，所述第二压电层的掺杂原子比为第二浓度，则有所述第一浓度小于所述第二浓度。
所述第一压电层的离子掺杂浓度小于所述第二压电层的离子掺杂浓度，从而所述第一压电层可以用来平衡所述第二压电层的离子掺杂浓度。此外，所述第一压电层还可以用来作为所述第二压电层的种子层，提升所述第二压电层的结晶质量。如果直接生长高掺杂的膜层，生长出来的膜层的结晶质量通常较差，而如果通过一层结晶质量较好的低掺杂膜层引导高掺杂膜层的生长，将改善高掺杂膜层的结晶质量。本实施例中，低离子掺杂的第一压电层可以作为种子层引导高离子掺杂的第二压电层的生长，以改善第二压电层的结晶质量。此外，所述第一压电层还可以用来平衡压电部150与第一电极140之间的应力失配。
在一些实施例中，所述第一压电层的厚度小于所述第二压电层的厚度。
所述稀土元素可以为钪(Sc)、钇(Y)、镁(Mg)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。所述掺杂材料可以为上述稀土元素中的至少一种。所述第一压电层与所述第二压电层中掺杂的稀土元素可以相同也可以不同。
在一些实施例中，所述第一压电层中稀土元素的掺杂原子比小于10％，所述第二压电层中稀土元素的掺杂原子比小于40％。作为一种示例，所述第一压电层的压电材料为氮化铝，稀土元素掺杂材料为钪。所述第二压电层的压电材料为氮化铝，稀土元素掺杂材料为钪。
所述第二电极160位于所述压电部150上，至少部分覆盖所述压电部150。所述第二电极160的材料可以为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。
所述凸起结构170可以设置在所述第一电极140的远离所述压电部150的表面、所述第一电极140的靠近所述压电部150的表面、所述第二电极160的远离所述压电部150的表面、所述第二电极160的靠近离所述压电部150的表面中的至少一处。作为示例，图3所示的体声波谐振器的凸起结构170设置在所述第二电极160的远离所述压电部150的表面，图5所示的体声波谐振器的凸起结构170设置在所述第一电极140的靠近所述压电部150的表面以及第二电极160的靠近离所述压电部150的表面。所述凸起结构170设置在上述表面且位于所述有效谐振区的边缘。
参考图2，在一些实施例中，所述体声波谐振器的有效谐振区与第二电极160基本重合，此时凸起结构170沿有效谐振区的边缘延伸也就是沿所述第二电极160的边缘延伸，凸起结构170基本与所述第二电极160的边缘重合。需要说明的是，图2以及图3、图5、图6只截取了谐振器有效谐振区的结构，在其他一些实施例中，凸起结构170并非一定与所述第二电极160的边缘重合。
所述凸起结构170可以为闭合结构也可以为非闭合结构。闭合结构例如所述凸起结构170为闭合环形或闭合多边形结构，非闭合结构例如所述凸起结构170为环形或多边形的一部分。继续参考图2，所述凸起结构170为闭合结构，所述凸起结构170延伸的起始端与延伸的末尾端重合，形成闭合的环形或多边形结构，所述闭合结构环绕所述有效谐振区。
参考图3，H为凸起结构170的厚度，定义为凸起结构顶面与第二电极160顶面(远离压电部一侧的面)的高度差；W为凸起结构的宽度，定义为谐振器有效谐振区内垂直于谐振器某一边(谐振器的有效谐振区的某一边为曲线时，垂直于曲线的切线的方向)的方向上凸起结构的宽度。
在一些实施例中，所述凸起结构170厚度的范围为300埃米～3000埃米，所述凸起结构170的宽度小于或等于6微米。其中，所述凸起结构170的宽度为凸起结构170的与第一电极140、压电部150、第二电极160、第一声学镜、第二声学镜重叠的那部分区域的宽度。在一些实施例中，凸起结构170可能包括多段厚度和/或宽度不同的凸起片段，此时，凸起结构170的厚度可以定义为各个凸起片段厚度的平均值，凸起结构170的宽度可以定义为各个凸起片段宽度的平均值。所述凸起结构170包括多段厚度和/或宽度不同的凸起片段，各个凸起片段的厚度、宽度可以根据该凸起片段所处的有效谐振区的形状、掺杂等参数相应的调整。
需特别说明的是，谐振器的形状不做限定，还可以是圆形、椭圆形及由线段和/或曲线组成的任意多边形。
参考图6和图7，示出了本发明体声波谐振器又一实施例的结构示意图，其中，图6为体声波谐振器的俯视图，图7为图5沿AA’割线的剖面图。
所述体声波谐振器包括：第一电极140、压电部150、第二电极160、第一声学镜(图未示)、第二声学镜(图未示)、凸起结构170以及凸台180。其中，所述压电部150至少部分覆盖所述第一电极140，所述压电部150的压电材料内掺杂有一定原子比的稀土元素材料；所述第二电极160至少部分覆盖所述压电部150；所述第一声学镜设置在所述第一电极140的远离所述压电部150的一侧，所述第二声学镜，设置在所述第二电极160的远离所述压电部150的一侧。
所述第一声学镜、所述第一电极140、所述压电部150、所述第二电极160以及所述第二声学镜的彼此相邻且重叠的部分为所述体声波谐振器的有效谐振区。所述凸起结构170位于所述第一电极140和/或所述第二电极160的远离所述压电部150的表面，或者位于所述第一电极140和/或所述第二电极160的与所述压电部150交界的表面，所述凸起结构170设置于所述有效谐振区的边缘，沿所述有效谐振区的边缘延伸。
与前述实施例相比，本实施例在所述第一电极140和/或所述第二电极160的远离所述压电部150的表面设置有凸台180，所述凸台180与所述凸起结构170之间形成有间隙190。
在一些实施例中，所述凸台180为层状结构，设置于所述有效谐振区的内部，且与位于所述有效谐振区边缘的凸起结构170形成间隙190。所述凸台180的厚度小于所述凸起结构170的厚度，作为一种示例，所述凸台180的厚度范围为50埃米～300埃米。
所述凸台180的材料可以为钼、金、铝、镁、钨、铜、铬等金属材料，或者也可以为上述金属中的至少两种所形成的合金或复合结构。在一些实施例中，所述凸台180的材料也可以为二氧化硅、氮化硅等介质材料，或者为氮化铝(单晶或多晶)、氧化锌、PZT等压电材料。
参考图8，该图示出了不同掺杂浓度的体声波谐振器的有效机电耦合系数随凸起结构170的宽度(W)变化曲线。图示中两组体声波谐振器在一定有效机电耦合系数、一定谐振频率、一定谐振器阻抗时，不同掺杂浓度的体声波谐振器的有效机电耦合系数随凸起结构170的宽度变化曲线。图中纵轴为谐振器有效机电耦合系数，横轴为谐振器凸起结构170的宽度。虚线所示两条曲线表示第一组谐振器，第一组谐振器中两种不同掺杂原子比的谐振器在W＝3um时，有效机电耦合系数相等且为6.8％，谐振频率相等且为2450MHz，圆形标记的虚线为压电材料不掺杂稀土元素时谐振器的有效机电耦合系数与凸起结构170的宽度之间的关系，方形标记的虚线为压电材料掺杂原子比为9.5％时谐振器的有效机电耦合系数与凸起结构170的宽度之间的关系。实线所示两条曲线表示第二组谐振器，第二组谐振器中两种不同掺杂的谐振器在W＝3um时有效机电耦合系数相等且为8.8％，谐振频率相等且为2350MHz，圆形标记的实线为压电材料掺杂原子比为9.5％时谐振器的有效机电耦合系数与凸起结构170的宽度之间的关系，方形标记的实线为压电材料掺杂原子比为19％时谐振器的有效机电耦合系数与凸起结构170的宽度之间的关系。
可以看出，对应某一个特定谐振器，随着凸起结构170宽度的增大，谐振器的有效机电耦合系数减小，且对于一定谐振频率、一定有效机电耦合系数(某一固定W，例如W＝3um时)、一定谐振器阻抗、不同掺杂的谐振器，一定凸起结构170的宽度变化范围内，谐振器压电材料的掺杂原子比越大，谐振器有效机电耦合系数的变化量越大(即图8中所示曲线的斜率越大)，即在一定凸起结构170的宽度范围内，对于一定谐振频率、一定有效机电耦合系数(某一固定W，例如W＝3um时)、一定谐振器阻抗、不同掺杂的谐振器的压电材料掺杂原子比越大谐振器的有效机电耦合系数自由度越大。
可以看出，本发明实施例提供的体声波谐振器的压电部具有一定掺杂原子比，且所述谐振器有效区边缘设置有凸起结构，相对于压电部不掺杂的谐振器，在一定凸起结构宽度范围内，体声波谐振器的有效机电耦合系数的变化量较大，且所述压电部掺杂原子比越高，有效机电耦合系数的变化量较大，从而可以为滤波器设计提供了更高的自由度，有利于实现具有更高滚降特性的滤波器。
表1
表1所示为不同掺杂原子比时W变化范围从0到6um对应的有效机电耦合系数变化量，为了实现更高的设计自由度将压电部掺杂原子比限定为大于或等于5％。
参考图9，该图示出了不同掺杂浓度的体声波谐振器的有效机电耦合系数与电极-压电厚度比之间的关系。
谐振器的有效机电耦合系数主要由以下两个因素决定：1、压电材料的本征机电耦合系数；2、谐振器的电极-压电厚度比。压电材料中掺杂稀土元素后(以掺杂有稀土元素-钪(Sc)的氮化铝(AlN)压电材料为例)，其本征机电耦合系数会发生变化。定义压电材料的掺杂原子比如下：Sc占除N原子以外的其他原子总数的百分比。例如Al占除N原子以外的其他原子总数的百分比为90％，Sc占除N原子以外的其他原子总数的百分比为10％，即当前掺杂原子比为10％，简写为Al0.9Sc0.1N，掺杂原子比的极限为44％。Sc-N键长等于Al-N键长等于/>由于Sc-N键长大于Al-N键长，导致压电材料的晶格被拉伸，所以单位电场造成的形变量增加，因此增大了电能和机械能之间的转化效率，从而使得压电材料的本征机电耦合系数增加。
定义谐振器电极-压电厚度比如下：
其中，假设第一电极140与第二电极160的厚度相同且均为t，压电部150的厚度为d。
图示中纵轴为按照不掺杂稀土元素的压电部150材料的本证机电耦合系数进行归一化的不同掺杂的谐振器的有效机电耦合系数，横轴为谐振器电极-压电厚度比。其中NonDoped对应曲线为压电材料不掺杂稀土元素时谐振器的归一化有效机电耦合系数与电极-压电厚度比之间的关系；Doped_1对应曲线为压电材料掺杂原子比为9.5％时谐振器的归一化有效机电耦合系数与电极-压电厚度比之间的关系；Doped_2对应曲线为压电材料掺杂原子比为19％时谐振器的归一化有效机电耦合系数与电极-压电厚度比之间的关系。
可以看出，电极-压电厚度比一定时，压电材料掺杂原子比越大，谐振器的有效机电耦合系数越大。压电材料掺杂原子比一定时，随着电极-压电厚度比的增大，谐振器有效机电耦合系数先增大再减小。
当压电材料掺杂原子比增大时，保持谐振器有效机电耦合系数和谐振频率fs不变，对应谐振器电极-压电厚度比r会增大。
其中fs为谐振器的谐振频率，v1为压电部150中声速(随着压电材料掺杂原子比的增大，v1减小)，v2为第一电极140与第二电极160中的声速。当谐振器压电材料掺杂原子比增大时，为了保持谐振器有效机电耦合系数不变，一般不会减小电极-压电厚度比r到N1点对应值，因为此时谐振器的电极厚度比较薄，谐振器的薄膜电阻比较大，导致谐振器在串联谐振频点处的Q值较低。通常会增大电极-压电厚度比r到N2点对应值，此时谐振器性能更优。所以随着压电材料掺杂原子比的增大，fs一定条件下，d变小。
其中Z为谐振器阻抗，εr为压电部150的相对介电常数(随着压电材料掺杂原子比的增大，εr增大)，A为谐振器有效区面积。由上式可知，当谐振器阻抗(例如50欧姆)一定时，谐振器有效区面积A减小。
即当压电材料掺杂原子比增大时，保持谐振器有效机电耦合系数不变、谐振频率fs不变时，具有第一阻抗的谐振器有效谐振区面积A减小。
虽然谐振器面积越小，越有利于器件的小型化设计，但是其周长面积比会增大，导致面积越小的谐振器有效区域能量损耗率越高。对于一定阻抗、一定有效机电耦合系数、一定谐振频率不同掺杂原子比的谐振器，由于凸起结构170可以有效抑制谐振器横向波的泄露，而小面积谐振器由于其周长面积比较大，横向波能量损失率较高，所以相对于不掺杂的谐振器，压电部掺杂原子比越大的谐振器，凸起结构170提升谐振器Q值的效果越明显。
可以看出，为了确保掺杂的谐振器具有较大的有效机电耦合系数自由度，并确保上述掺杂谐振器的凸起结构170对谐振器Q值提升的效果较明显(同一谐振器相比于不设置凸起结构170，掺杂原子比越高，谐振器Q值提升越明显)。所以谐振器的掺杂原子比应大于某一限定值，例如5％。
参考图10，该图示出了不同宽度凸起结构170所对应的谐振器(doped1，掺杂原子比9.5％)的阻抗实部-频率特性。粗实线表示谐振器凸起结构170宽度为0(即谐振器不设置凸起结构170)时谐振器对数阻抗实部-频率特性曲线，虚线表示凸起结构170宽度为6um时，谐振器阻抗实部-频率特性曲线，细实线表示凸起结构170宽度为8um时，谐振器阻抗实部-频率特性曲线。由图可见，随着凸起结构170宽度增大，会在谐振频率的低频端产生寄生谐振，且所述寄生谐振随的幅度随着凸起结构170宽度增大而增大，所述寄生谐振器会在滤波器通带外对应频率位置产生一个毛刺，从而影响滤波器的带外抑制特性，当所述寄生谐振的幅度小于5ohm时，由于所述寄生谐振而在带外产生的毛刺的幅度小于3dB，此时对带外抑制特性的影响在可接受的范围内。不同掺杂谐振器的寄生谐振幅度随凸起结构170宽度变化相近。所以谐振器的凸起结构170宽度的范围可以设置为0um～6um。
相应的，本发明实施例还提供一种滤波器，包括前述实施例提供的体声波谐振器。
参考图11，该图所示为梯型结构滤波器电路示意图。所述滤波器为串联谐振器Res1～Res4和并联谐振器Res5～Res8组成的梯型结构滤波器。并联谐振器上设置有质量负载使其谐振频率与串联谐振器的谐振频率存在频率差，从而形成滤波器通带，且一般情况下，滤波器中所有谐振器的平均有效机电耦合系数与滤波器相对带宽a应满足如下关系式：/>(滤波器带宽与谐振器有效机电耦合系数关系式)。IN为滤波器信号输入端口，OUT为滤波器信号输出端口，L1和L2为滤波器IN端口串联电感和OUT端口串联电感，L3、L4和L5为滤波器并联支路串联接地电感。为了实现更好的匹配，在信号输入端IN和/或信号输出端OUT可以包含LC匹配电路。
在一定凸起结构170宽度范围内谐振器压电材料掺杂原子比越大谐振器的有效机电耦合系数自由度越大。所以可以结合不同的滤波器性能需求，对滤波器中不同谐振器的凸起结构170进行合理设置，可以提升滤波器的性能。下面结合具体实施例进行详尽说明。
实施例1
采用压电层掺杂原子比为9.5％的谐振器实现相对带宽为3.3％、通带左侧有滚降要求的滤波器。电路拓扑结构参考图11，谐振器的W设置参考表2。实施例1所用谐振器有效机电耦合系数随W变化关系如图8中方形标记的虚线所示，谐振器在W＝3um时有效机电耦合系数均等于6.8％。
参比例1
采用压电层不掺杂稀土元素的谐振器设计实现相对带宽为3.3％、通带左侧有滚降要求的滤波器。电路拓扑结构参考图11，谐振器的W设置参考表2。对比例1所用谐振器有效机电耦合系数随W变化关系如图8中圆形标记的虚线所示，谐振器在W＝3um时有效机电耦合系数均等于6.8％。
表2
| Res1 | Res2 | Res3 | Res4 | Res5 | Res6 | Res7 | Res8 | |
| 实施例1(um) | 1 | 1 | 1 | 1 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 参比例1(um) | 1 | 1 | 1 | 1 | 5 | 5 | 5 | 5 |
由于实施例1所采用谐振器的有效机电耦合系数的自由度更大，所以更容易实现高滚降特性的滤波器。
为了同时满足滤波器带宽和滚降需求，在滤波器中所有谐振器的平均有效机电耦合系数一定的前提下(满足上述滤波器带宽与谐振器有效机电耦合系数关系式)，设置并联谐振器有效机电耦合系数尽量小，可实现通带左侧滚降的提升，所以通带左侧实施例1比参比例1具有更优的滚降特性。
需要特别说明的是，实施例中所有并联谐振器的W值不一定相同，例如可设计为Res5＝4um、Res6＝6um、Res7＝6um、Res8＝4um，如此设计相对于实施例1原有的W值滤波器通带左侧会具有更高的滚降特性。
图12示出了本发明实施例1和参比例1的插损-频率特性。实线对应实施例1的插损-频率特性，虚线对应参比例1的插损-频率特性，标记Passband的阴影区域对应频段为滤波器部分通带指标，标记A的阴影区域对应频段为滤波器抑制指标。由图可见，相比于参比例1，实施例1在-50dB处滚降提升5MHz。
通过仿真发现，实施例1和参比例1中对应谐振器的凸起结构设置相同时，所有串联谐振器的凸起结构的平均宽度为0um(即不设置凸起结构)，所有并联谐振器的凸起结构的平均宽度为6um时，相比于参比例1，实施例1在-50dB处滚降提升6.5MHz；所有串联谐振器的凸起结构的平均宽度为2um，所有并联谐振器的凸起结构的平均宽度为4um时，相比于参比例1，实施例1在-50dB处滚降提升2.5MHz；所有串联谐振器的凸起结构的平均宽度为2.5um，所有并联谐振器的凸起结构的平均宽度为3.5um时，相比于参比例1，实施例1在-50dB处滚降提升1MHz。
综上所述，在滤波器中所有谐振器的平均有效机电耦合系数一定的前提下，并联谐振器的凸起结构的平均宽度与串联谐振器凸起结构的平均宽度相差越大，上述实施例1相对于参比例1滚降提升越明显。为了使得滤波器的左侧滚降特性更优，限定所有并联谐振器的凸起结构的平均宽度减去所有串联谐振器的凸起结构的平均宽度大于等于2um。
实施例2
采用压电层掺杂原子比为9.5％的谐振器实现相对带宽为3.3％、通带右侧有滚降要求的滤波器。电路拓扑结构参考图11，谐振器的W设置参考表3。实施例2所用谐振器有效机电耦合系数随W变化关系如图8中方形标记的虚线所示，谐振器在W＝3um时有效机电耦合系数均等于6.8％。
参比例2
采用压电层不掺杂稀土元素的谐振器设计实现相对带宽为3.3％、通带左侧有滚降要求的滤波器。电路拓扑结构参考图11，谐振器的W设置参考表3。参比例2所用谐振器有效机电耦合系数随W变化关系如图8中圆形标记的虚线所示，谐振器在W＝3um时有效机电耦合系数均等于6.8％。
表3
| Res1 | Res2 | Res3 | Res4 | Res5 | Res6 | Res7 | Res8 | |
| 实施例2(um) | 5 | 5 | 5 | 5 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 参比例2(um) | 5 | 5 | 5 | 5 | 1 | 1 | 1 | 1 |
由于实施例2所采用谐振器的有效机电耦合系数的自由度更大，所以更容易实现高滚降特性的滤波器。
为了同时满足滤波器带宽和滚降需求，在滤波器中所有谐振器的平均有效机电耦合系数一定的前提下(满足上述滤波器带宽与谐振器有效机电耦合系数关系式)，设置并联谐振器有效机电耦合系数尽量小，可实现通带右侧滚降的提升，所以通带右侧实施例2比参比例2具有更优的滚降特性。
需要特别说明的是，实施例中所有并联谐振器的W值不一定相同，例如可设计为Res1＝4、Res2＝6、Res3＝6、Res4＝4，如此设计相对于实施例2原有的W值滤波器通带右侧会具有更高的滚降特性。
图13所示为本发明实施例2和参比例2的插损-频率特性。实线对应实施例2的插损-频率特性，虚线对应参比例2的插损-频率特性，标记Passband的阴影区域对应频段为滤波器部分通带指标，标记A的阴影区域对应频段为滤波器抑制指标。由图可见，相比于参比例2，实施例2在-50dB处滚降提升6MHz。
通过仿真发现，实施例2和参比例2中对应谐振器的凸起结构设置相同时，所有串联谐振器的凸起结构的平均宽度为6um，所有并联谐振器的凸起结构的平均宽度为0um(即不设置凸起结构)时，相比于参比例2，实施例2在-50dB处滚降提升7.8MHz；所有串联谐振器的凸起结构的平均宽度为4um，所有并联谐振器的凸起结构的平均宽度为2um时，相比于参比例2，实施例2在-50dB处滚降提升3.2MHz；所有串联谐振器的凸起结构的平均宽度为3.5um，所有并联谐振器的凸起结构的平均宽度为2.5um时，相比于参比例2，实施例2在-50dB处滚降提升1.3MHz。综上所述，在滤波器中所有谐振器的平均有效机电耦合系数一定的前提下，并联谐振器的凸起结构的平均宽度与串联谐振器凸起结构的平均宽度相差越大，上述实施例2相对于参比例2滚降提升越明显。为了使得滤波器的右侧滚降特性更优，限定所有串联谐振器的凸起结构的平均宽度减去所有并联谐振器的凸起结构的平均宽度大于等于2um。
相应的，本发明实施例还提供一种多工器，所述多工器可以为双工器、三工器、四工器等，所述多工器包括前述实施例提供的滤波器。参考图14，所述多工器为双工器，包括：第一滤波器Filter1，连接在天线端口Ant和第一端口T1之间；以及第二滤波器Filter2，连接在天线端口Ant和第二端口T2之间。所述第一滤波器Filter1和第二滤波器Filter2通带没有交叠，第一滤波器Filter1可通过其对应通带频率的信号，抑制其对应通带频率外的其他频率的信号，第二滤波器Filter2可通过其对应通带频率的信号，抑制其对应通带频率外的其他频率的信号。
可以理解，本发明所述双工器只作为示例，不起限制性作用，本发明所提供的滤波器亦可应用于三工器、四工器等多工器，或者包含上述滤波器或多工器的电子设备。
相应的，本发明实施例还提供一种电子设备，包括前述实施例提供的滤波器。所述滤波器可以组装至各种电子设备中。由前述分析可知，滤波器的性能较高，这相应能够得到性能较高的电子设备。其中，电子设备可以为个人计算机、智能手机等移动终端、媒体播放器、导航设备、电子游戏设备、游戏用控制器、平板计算机、可穿戴设备、防门禁电子系统、POS终端、医疗设备、飞行模拟器等。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
虽然本申请实施例披露如上，但本申请并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (17)
1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：
第一电极；
压电部，至少部分覆盖所述第一电极，所述压电部的压电材料掺杂有稀土元素；
第二电极，至少部分覆盖所述压电部；
第一声学镜，设置在所述第一电极远离所述压电部的一侧，第二声学镜，设置在所述第二电极远离所述压电部的一侧；所述第一声学镜、所述第一电极、所述压电部、所述第二电极以及所述第二声学镜的彼此相邻且重叠的部分为所述体声波谐振器的有效谐振区；
凸起结构，位于所述第一电极和/或所述第二电极的远离所述压电部的表面，或者位于所述第一电极和/或所述第二电极的靠近所述压电部的表面，所述凸起结构设置于所述有效谐振区的边缘。
2.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述凸起结构为闭合结构或者所述凸起结构为非闭合结构。
3.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电部的材料为氮化铝，且所述氮化铝中掺杂有稀土元素。
4.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述凸起结构的宽度小于或等于6微米。
5.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述凸起结构的厚度的范围为300埃米～3000埃米。
6.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器还包括：
凸台，位于所述第一电极和/或所述第二电极的远离所述压电部的表面，与所述凸起结构之间形成有间隙，所述凸台的厚度范围为50埃米～300埃米。
7.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电部的压电材料的掺杂原子比大于或等于5％。
8.如权利要求7所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电部的压电材料掺杂的稀土元素为钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电部包括：层叠设置的多个压电层，所述层叠设置的多个压电层中，相邻的压电层掺杂的稀土元素的种类不相同和/或相邻的压电层掺杂的稀土元素的掺杂原子比不相同；
所述多个压电层掺杂原子比的平均值大于或等于5％。
10.如权利要求9所述的体声波谐振器，其特征在于，所述层叠设置的多个压电层中，相邻的压电层的交界处形成有过渡区，所述过渡区的离子掺杂浓度的变化率小于或等于5％/纳米且大于或等于0.01％/纳米。
11.一种体声波滤波器，其特征在于，包括如权利要求1至10任一项权利要求所述的体声波谐振器。
12.如权利要求11所述的体声波滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：至少两个串联谐振器以及至少两个并联谐振器，其中，所述并联谐振器凸起结构的宽度的平均值大于所述串联谐振器凸起结构的宽度的平均值。
13.如权利要求12所述的体声波滤波器，其特征在于，所述并联谐振器凸起结构的宽度的平均值减所述串联谐振器凸起结构的宽度的平均值大于或等于2um。
14.如权利要求11所述的体声波滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：至少两个串联谐振器以及至少两个并联谐振器，其中，所述串联谐振器凸起结构的宽度的平均值大于所述并联谐振器凸起结构的宽度的平均值。
15.如权利要求14所述的体声波滤波器，其特征在于，所述串联谐振器凸起结构的宽度的平均值减所述并联谐振器凸起结构的宽度的平均值大于或等于2um。
16.一种多工器，其特征在于，包括如权利要求11-15任一权利要求所述的体声波滤波器。
17.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求11-15任一权利要求所述的体声波滤波器和/或如权利要求16所述的多工器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310189861.8A CN117559945A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 体声波谐振器、滤波器及电子设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310189861.8A CN117559945A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 体声波谐振器、滤波器及电子设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117559945A true CN117559945A (zh) | 2024-02-13 |
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ID=89811740
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310189861.8A Pending CN117559945A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 体声波谐振器、滤波器及电子设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117559945A (zh) |
-
2023
- 2023-02-27 CN CN202310189861.8A patent/CN117559945A/zh active Pending
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