CN117973300A - 体声波谐振器设计方法、体声波谐振器及体声波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种体声波谐振器设计方法、体声波谐振器及体声波滤波器，涉及体声波谐振器技术领域。该体声波谐振器设计方法包括步骤：利用ADS软件构建种子层等效电路、上电极层等效电路、下电极层等效电路和保护层等效电路；基于Mason模型的等效公式构建压电层等效电路；在压电层等效电路中设置寄生阻抗单元；寄生阻抗单元的阻值能够随谐振频率变化而变化且用于拟合串联谐振频率以下的寄生影响；通过对应的声学端口依次连接各层等效电路得到体声波谐振器。本发明的体声波谐振器设计方法能够改善传统Mason模型因寄生效应导致所设计的体声波谐振器和体声波滤波器拟合偏离较大的问题。

Description

体声波谐振器设计方法、体声波谐振器及体声波滤波器

技术领域

本发明涉及体声波谐振器技术领域，具体而言，涉及一种体声波谐振器设计方法、体声波谐振器及体声波滤波器。

背景技术

体声波（BAW）滤波器是一种能够将电信号转化成声波信号进行传播，再将其转换为电信号进行输出的器件。在这个过程中，基于器件所设计的频率特性，特定频率的输入电信号在转化为声波信号并在固体中传播时被抑制，从而过滤掉了输入电信号中不需要的部分。

体声波滤波器一般由多个体声波谐振器组成，体声波谐振器以电极-压电材料-电极组成的“三明治”结构构成的核心部分，实现电信号（即电能）与声波信号（即机械能）的相互转化。

目前国内对体声波技术的研究还不够成熟，特别是在体声波谐振器的设计方面，基于传统Mason模型设计的体声波谐振器由于串联谐振频率下激发附加寄生模式引起声学损耗，以致体声波谐振器拟合出现偏离并逐步累积，导致产生较大的偏差，最终使仿真和优化设计的准确性降低，进而使整个体声波滤波器的产品设计周期延长，消耗大量的时间成本和经济成本。

针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体声波谐振器设计方法、体声波谐振器及体声波滤波器，能够改善传统Mason模型因寄生效应导致所设计的体声波谐振器和体声波滤波器拟合偏离较大的问题。

第一方面，本发明提供一种体声波谐振器设计方法，包括步骤：

S1.利用ADS软件构建种子层等效电路、上电极层等效电路、下电极层等效电路和保护层等效电路；

S2.基于Mason模型的等效公式构建压电层等效电路；

S3.在所述压电层等效电路中设置寄生阻抗单元；所述寄生阻抗单元的阻值能够随谐振频率变化而变化且用于拟合串联谐振频率以下的寄生影响；

S4.通过对应的声学端口依次连接所述种子层等效电路、所述上电极层等效电路、所述压电层等效电路、所述下电极层等效电路和所述保护层等效电路，得到体声波谐振器。

本发明提供的体声波谐振器设计方法，通过对Mason模型进行优化，改善串联谐振频率以下存在的寄生效应影响，显著提高了拟合结果和实测数据的一致性，进而使仿真设计能更好地预测真实情况，有利于达到缩短设计周期、降低时间成本和经济成本的效果。

进一步的，所述等效公式具体为：

；

其中，为所述压电层等效电路的等效电路阻抗，/>表示虚数单位，/>为角速度，/>为所述体声波谐振器的静态电容值，/>为声波传输时的相位，/>为所述体声波谐振器的有效机电耦合系数，/>为压电材料的输入阻抗，/>为所述压电材料上侧的对比于压电阻抗的归一化负载阻抗，/>为所述压电材料下侧的对比于压电阻抗的归一化负载阻抗。

根据上述等效公式可以方便快捷地构建出基于传统Mason模型的压电层等效电路，基于等效公式，在压电层等效电路中添加一个随谐振频率变化的寄生阻抗单元用于拟合串联谐振频率以下的寄生影响，由此提高拟合效率。

进一步的，所述寄生阻抗单元的阻值根据以下公式计算得到：

；

其中，为所述谐振频率，/>为所述寄生阻抗单元在所述谐振频率下的阻值，/>为所述串联谐振频率，/>为基于所述Mason模型得到的S参数的实部，/>为所述体声波谐振器经流片验证后得到的S参数的实部。

寄生阻抗单元在谐振频率下的阻值是一个变量，变化的阻值能够对应弥补串联谐振频率以下部分的不同频率产生的声学损耗，由此确保模拟阻抗曲线能够更好地与实测阻抗曲线拟合。

第二方面，本发明提供一种基于上述的所述体声波谐振器设计方法设计的体声波谐振器，包括通过对应的声学端口依次连接的所述种子层等效电路、所述上电极层等效电路、所述压电层等效电路、所述下电极层等效电路和所述保护层等效电路；

所述压电层等效电路包括第一阻抗单元、第二阻抗单元、第三阻抗单元、电流互感器、第一电阻、第四阻抗单元、所述寄生阻抗单元、第二电阻和第五阻抗单元；

其中，所述第一阻抗单元的第一端通过对应的声学端口与所述上电极层等效电路连接，所述第一阻抗单元的第二端同时与所述第二阻抗单元的第一端以及所述第三阻抗单元的第一端连接，所述第二阻抗单元的第二端通过对应的声学端口与所述下电极层等效电路连接，所述第三阻抗单元的第二端与所述电流互感器的一次绕组的第一端连接，所述电流互感器的一次绕组的第二端接地，所述电流互感器的二次绕组的第二端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端同时与所述寄生阻抗单元的第二端以及所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端与所述第五阻抗单元的第一端连接，所述第五阻抗单元的第二端与所述第四阻抗单元的第二端连接，所述第四阻抗单元的第一端与所述电流互感器的二次绕组的第一端连接，所述寄生阻抗单元的第一端作为第一端口用于与外部线路连接，所述第五阻抗单元的第二端作为第二端口用于与外部线路连接。

压电层等效电路中通过设置寄生阻抗单元对传统Mason进行优化，使仿真设计能更好地预测真实情况，减少设计与制备的重复过程，减少消耗的大量时间成本和经济成本，减短滤波器研发周期。

进一步的，还包括压电层，所述压电层由掺杂钪的氮化铝材料制成；

所述压电层的参数设置为：声速为10830m/s，特征声阻抗为3.53，等效机电耦合系数为9.6%，夹持介电常数为9.50e-11F/m，衰减因子为800dB/m。

进一步的，还包括上电极层和下电极层，所述上电极层和所述下电极层均由钼材料制成；

所述上电极层和所述下电极层的参数均设置为：声速为6243m/s，特征声阻抗为6.39，衰减因子为500dB/m。

第三方面，本发明提供一种体声波滤波器，包括上述的所述体声波谐振器。

进一步的，还包括滤波器等效电路，所述滤波器等效电路包括第一终端负载、第一电感、第一串联谐振器、第二串联谐振器、第三串联谐振器、第四串联谐振器、第五串联谐振器、第六串联谐振器、第七串联谐振器、第二电感、第二终端负载、第一并联谐振器、第三电感、第二并联谐振器、第三并联谐振器、第四并联谐振器、第四电感、第五并联谐振器、第六并联谐振器和第五电感；

其中，所述第一串联谐振器、所述第二串联谐振器、所述第三串联谐振器、所述第四串联谐振器、所述第五串联谐振器、所述第六串联谐振器、所述第七串联谐振器、所述第一并联谐振器、所述第二并联谐振器、所述第三并联谐振器、所述第四并联谐振器、所述第五并联谐振器和所述第六并联谐振器均为上述的所述体声波谐振器；

所述第一终端负载的第二端接地，所述第一终端负载的第一端与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第一串联谐振器的第一端连接，所述第一串联谐振器的第二端同时与所述第二串联谐振器的第一端以及所述第一并联谐振器的第一端连接，所述第一并联谐振器的第二端与所述第三电感的第一端连接，所述第三电感的第二端接地；

所述第二串联谐振器的第二端与所述第三串联谐振器的第一端连接，所述第三串联谐振器的第二端同时与所述第四串联谐振器的第一端以及所述第二并联谐振器的第一端连接，所述第二并联谐振器的第二端与所述第三并联谐振器的第一端连接，所述第三并联谐振器的第二端与所述第四电感的第一端连接，所述第四电感的第二端接地；

所述第四串联谐振器的第二端与所述第五串联谐振器的第一端连接，所述第五串联谐振器的第二端同时与所述第六串联谐振器的第一端以及所述第四并联谐振器的第一端连接，所述第四并联谐振器的第二端与所述第四电感的第一端连接；

所述第六串联谐振器的第二端与所述第七串联谐振器的第一端连接，所述第七串联谐振器的第二端同时与所述第二电感的第一端以及所述第五并联谐振器的第一端连接，所述第五并联谐振器的第二端与所述第六并联谐振器的第一端连接，所述第六并联谐振器的第二端与所述第五电感的第一端连接，所述第五电感的第二端接地；

所述第二电感的第二端与所述第二终端负载的第一端连接，所述第二终端负载的第二端接地。

进一步的，所述第二串联谐振器和所述第三串联谐振器的参数设置相同；所述第四串联谐振器和所述第五串联谐振器的参数设置相同；所述第六串联谐振器和所述第七串联谐振器的参数设置相同；所述第二并联谐振器和所述第三并联谐振器的参数设置相同；所述第五并联谐振器和所述第六并联谐振器的参数设置相同。

进一步的，所述体声波滤波器的通带频率范围为2.3-2.4GHz，各个所述体声波谐振器分别设置为：

所述第一串联谐振器、所述第二串联谐振器、所述第三串联谐振器、所述第四串联谐振器、所述第五串联谐振器、所述第六串联谐振器和所述第七串联谐振器均包括种子层、上电极层、压电层、下电极层和保护层且参数均设置为：串联谐振频率为2.32GHz，并联谐振频率为2.40GHz，种子层厚度为30nm，上电极层厚度为330nm，压电层厚度为660nm，下电极层厚度为300nm，保护层厚度为250nm；

其中，所述第一串联谐振器的面积为14340，所述第二串联谐振器和所述第三串联谐振器的面积为11060/>，所述第四串联谐振器和所述第五串联谐振器的面积为10600/>，所述第六串联谐振器和所述第七串联谐振器的面积为12600/>；

所述第一并联谐振器、所述第二并联谐振器、所述第三并联谐振器、所述第四并联谐振器、所述第五并联谐振器、所述第六并联谐振器均包括加厚层等效电路，所述加厚层等效电路通过对应的声学端口连接于对应的所述下电极层等效电路和对应的所述保护层等效电路之间；

所述第一并联谐振器、所述第二并联谐振器、所述第三并联谐振器、所述第四并联谐振器、所述第五并联谐振器、所述第六并联谐振器还包括种子层、上电极层、压电层、下电极层、加厚层和保护层且参数均设置为：串联谐振频率为2.24GHz，并联谐振频率为2.32GHz，种子层厚度为30nm，上电极层厚度为330nm，压电层厚度为660nm，下电极层厚度为300nm，加厚层厚度为60nm，保护层厚度为250nm；

其中，所述第一并联谐振器的面积为12400，所述第二并联谐振器和所述第三并联谐振器的面积为9600/>，所述第四并联谐振器的面积为11800/>，所述第五并联谐振器和所述第六并联谐振器的面积为4920/>。

由上可知，本发明提供的体声波谐振器设计方法，通过对Mason模型进行优化，考虑了体声波滤波器在串联谐振频率下因激发寄生模式而引起的声学损耗，能够有效模拟出传统Mason模型无法拟合的通带内波纹，由此改善传统Mason模型因寄生效应导致所设计的体声波谐振器拟合偏离较大的问题，使得仿真设计能更好的预测真实情况，有利于减少设计与制备的重复过程，进而减少大量时间成本、缩减研发周期并降低经济成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例提供的体声波谐振器设计方法的一种流程图。

图2为本发明实施例提供的体声波谐振器的电路原理图。

图3为本发明实施例中滤波器等效电路的电路原理图。

图4为本发明实施例中基于传统Mason模型的单个体声波谐振器的模拟Q值曲线与对应的流片实测数据Q值曲线的对比图。

图5为本发明实施例中基于传统Mason模型的单个体声波谐振器的模拟S参数曲线与对应的流片实测数据S参数曲线的对比图。

图6为本发明实施例中本发明的单个体声波谐振器的模拟Q值曲线与对应的流片实测数据Q值曲线的对比图。

图7为本发明实施例中本发明的单个体声波谐振器的模拟S参数曲线与对应的流片实测数据S参数曲线的对比图。

图8为本发明实施例中基于传统Mason模型的体声波滤波器的模拟S参数曲线、本发明的体声波滤波器的模拟S参数曲线和对应的流片实测数据S参数曲线的对比图。

图9为本发明实施例中本发明的体声波滤波器的模拟S参数曲线的局部放大图。

标号说明：

100、种子层等效电路；200、上电极层等效电路；300、压电层等效电路；400、下电极层等效电路；500、保护层等效电路；600、加厚层等效电路；Z1、第一阻抗单元；Z2、第二阻抗单元；Z3、第三阻抗单元；TF、电流互感器；R1、第一电阻；Z4、第四阻抗单元；ZRf、寄生阻抗单元；R2、第二电阻；Z5、第五阻抗单元；P1、第一端口；P2、第二端口；Term1、第一终端负载；L1、第一电感；Fs1、第一串联谐振器；Fs2、第二串联谐振器；Fs3、第三串联谐振器；Fs4、第四串联谐振器；Fs5、第五串联谐振器；Fs6、第六串联谐振器；Fs7、第七串联谐振器；L2、第二电感；Term2、第二终端负载；Fp1、第一并联谐振器；L3、第三电感；Fp2、第二并联谐振器；Fp3、第三并联谐振器；Fp4、第四并联谐振器；L4、第四电感；Fp5、第五并联谐振器；Fp6、第六并联谐振器；L5、第五电感；Z6、第六阻抗单元；Z7、第七阻抗单元；Z8、第八阻抗单元；Z9、第九阻抗单元；Z10、第十阻抗单元；Z11、第十一阻抗单元；Z12、第十二阻抗单元；Z13、第十三阻抗单元；Z14、第十四阻抗单元；Z15、第十五阻抗单元；Z16、第十六阻抗单元；Z17、第十七阻抗单元；Z18、第十八阻抗单元；Z19、第十九阻抗单元；Z20、第二十阻抗单元。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

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”、“外”、“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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。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。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。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所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1是体声波谐振器设计方法的流程图。该体声波谐振器设计方法，包括以下步骤：

S1.利用ADS软件构建种子层等效电路、上电极层等效电路、下电极层等效电路和保护层等效电路；

S2.基于Mason模型的等效公式构建压电层等效电路；

S3.在压电层等效电路中设置寄生阻抗单元；寄生阻抗单元的阻值能够随谐振频率变化而变化且用于拟合串联谐振频率以下的寄生影响；

S4.通过对应的声学端口依次连接种子层等效电路、上电极层等效电路、压电层等效电路、下电极层等效电路和保护层等效电路，得到体声波谐振器。

实际作业时，一般会在计算机上设计出体声波谐振器的结构，包括各层的形状、材料、参数等，以及包括各层的电路设计，在设计出具体结构后，然后再通过计算机得到模拟阻抗曲线（包括模拟Q值曲线和模拟S参数曲线）并与实测阻抗曲线（即设计目标值，包括流片实测数据Q值曲线和流片实测数据S参数曲线）进行对比（模拟Q值曲线与流片实测数据Q值曲线对比；模拟S参数曲线与流片实测数据S参数曲线对比），接着根据对比结果调整体声波谐振器的结构设计，最后使得模拟阻抗曲线和实测阻抗曲线相匹配，以此获得符合设计要求的体声波谐振器。

然而由于基于传统Mason模型构建得到的现有体声波谐振器无法拟合串联谐振点（即附图4和附图5中的fs点，可见基于传统Mason模型的体声波谐振器对流片实测数据Q值和S参数的拟合效果较差）左侧存在的强横波的影响，以致强横波激发寄生模式引起声学损耗，进而导致体声波谐振器拟合偏离逐步累积，最终产生较大的误差（即模型计算得到的模拟阻抗曲线与实测阻抗曲线的匹配程度较低或不匹配），这不利于模拟阻抗曲线和实测阻抗曲线的拟合，导致需要反复调整体声波谐振器的结构设计并反复进行计算验证，这无疑会延长研发周期并花费大量的时间成本和经济成本。

对此，参考附图6和附图7（可见本发明在传统Mason模型基础上改进获得的体声波谐振器对串联谐振频率以下范围的拟合情况更佳），本实施例对体声波谐振器各层的电路设计进行了改进，具体的，通过在压电层等效电路中增加寄生阻抗单元的设置，寄生阻抗单元根据谐振频率的变化改变自身阻值以此弥补串联谐振频率以下出现的声学损耗，从而令模拟阻抗曲线和实测阻抗曲线实现更高效的拟合，有利于设计出高精度的体声波谐振器，且有效缩短研发周期，达到减少时间成本和经济成本的效果。

需要说明的是，寄生阻抗单元的弥补作用仅对串联谐振频率以下部分的频率有效，所弥补的仅为串联谐振频率以下部分的频率带来的声学损耗。

在某些实施例中，等效公式具体为：

；

其中，为压电层等效电路的等效电路阻抗，/>表示虚数单位，/>为角速度，/>为体声波谐振器的静态电容值，/>为声波传输时的相位，/>为体声波谐振器的有效机电耦合系数，/>为压电材料的输入阻抗，/>为压电材料上侧的对比于压电阻抗的归一化负载阻抗，为压电材料下侧的对比于压电阻抗的归一化负载阻抗。

本实施例中，在实际应用时，首先利用ADS软件（先进设计系统）根据传统Mason模型设计出体声波谐振器的具体结构，所设计出的体声波谐振器的等效电路阻抗表达式为：

；

其中，为压电材料的本征机电耦合系数。

将上述体声波谐振器的等效电路阻抗表达式进行数学变换，可以得到上述等效公式，然后利用ADS软件根据上述等效公式可以构建出基于传统Mason模型的压电层等效电路，在此基础下，在压电层等效电路中添加一个随谐振频率变化的寄生阻抗单元用于拟合串联谐振频率以下的寄生影响，由此提高拟合效率。

在某些实施例中，寄生阻抗单元的阻值根据以下公式计算得到：

；

其中，为谐振频率，/>为寄生阻抗单元在谐振频率下的阻值，/>为串联谐振频率，/>为基于Mason模型得到的S参数的实部，/>为体声波谐振器经流片验证后得到的S参数的实部。

本实施例中，寄生阻抗单元在谐振频率下的阻值是一个变量，变化的阻值能够对应弥补串联谐振频率以下部分的不同频率产生的声学损耗，由此确保模拟阻抗曲线能够更好地与实测阻抗曲线拟合。

在实际应用时，用户可以预设一数据库文件，根据上述寄生阻抗单元的阻值计算公式事先计算出各个频率点所对应的寄生阻抗单元的阻值，并记录到数据库文件中，然后将数据库文件导入到ADS软件中使用，相比于实时计算，这种方式可以更快地控制寄生阻抗单元变化阻值，实现更高效的拟合。

具体地，相邻频率点的间隔可以设置为2MHz，但不仅限于此。

请参照图2，图2是基于上述实施例中的体声波谐振器设计方法设计的体声波谐振器的电路原理图，体声波谐振器包括通过对应的声学端口依次连接的种子层等效电路100、上电极层等效电路200、压电层等效电路300、下电极层等效电路400和保护层等效电路500；

压电层等效电路300包括第一阻抗单元Z1、第二阻抗单元Z2、第三阻抗单元Z3、电流互感器TF、第一电阻R1、第四阻抗单元Z4、寄生阻抗单元ZRf、第二电阻R2和第五阻抗单元Z5；

其中，第一阻抗单元Z1的第一端通过对应的声学端口与上电极层等效电路200连接，第一阻抗单元Z1的第二端同时与第二阻抗单元Z2的第一端以及第三阻抗单元Z3的第一端连接，第二阻抗单元Z2的第二端通过对应的声学端口与下电极层等效电路400连接，第三阻抗单元Z3的第二端与电流互感器TF的一次绕组的第一端连接，电流互感器TF的一次绕组的第二端接地，电流互感器TF的二次绕组的第二端与第一电阻R1的第一端连接，第一电阻R1的第二端同时与寄生阻抗单元ZRf的第二端以及第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端与第五阻抗单元Z5的第一端连接，第五阻抗单元Z5的第二端与第四阻抗单元Z4的第二端连接，第四阻抗单元Z4的第一端与电流互感器TF的二次绕组的第一端连接，寄生阻抗单元ZRf的第一端作为第一端口P1用于与外部线路连接，第五阻抗单元Z5的第二端作为第二端口P2用于与外部线路连接。

本实施例中，压电层等效电路300中通过设置寄生阻抗单元ZRf对传统Mason进行优化，考虑了体声波谐振器串联谐振频率以下部分的频率激发的寄生模式引起的声学损耗，能够提高模拟阻抗曲线与实测阻抗曲线的一致性，改善传统Mason模型因寄生效应导致体声波谐振器拟合逐步累计偏离的问题，使仿真设计能更好的预测真实情况，减少设计与制备的重复过程，减少消耗的大量时间成本和经济成本，减短滤波器研发周期。

在实际应用时，根据体声波滤波器的设计要求（包括例如拓扑结构、设计指标、级联情况、通带频率范围、带外零点位置、回波损耗、等效机电耦合系数等参数要求）选定压电层材料、上电极层材料和下电极层材料，然后在三维多物理场软件中建立各个体声波谐振器（或整个体声波滤波器）的几何结构（包括种子层、上电极层、压电层、下电极层、加厚层和保护层），然后基于Mason模型在ADS软件中构建对应的电子元件和连线，得到滤波器等效电路的电路原理图，然后根据所选定的压电层材料、上电极层材料和下电极层材料更新滤波器等效电路中各电子元件的参数值并定义几何结构中各层的几何参数，最后将上面建立的体声波谐振器封装成具有两个端口（即第一端口P1和第二端口P2）的电子元件。

在某些实施例中，体声波谐振器还包括压电层，压电层由掺杂钪的氮化铝材料制成；

压电层的参数设置为：声速为10830m/s，特征声阻抗为3.53，等效机电耦合系数为9.6%，夹持介电常数为9.50e-11F/m，衰减因子为800dB/m。

在某些实施例中，体声波谐振器还包括上电极层和下电极层，上电极层和下电极层均由钼材料制成；

上电极层和下电极层的参数均设置为：声速为6243m/s，特征声阻抗为6.39，衰减因子为500dB/m。

请参照图3，图3是滤波器等效电路的电路原理图，体声波滤波器包括上述实施例中的体声波谐振器。

本实施例中，将多个上述体声波谐振器以串联和并联的方式级联构建得到体声波滤波器，该体声波滤波器改善了寄生效应导致的拟合偏离问题，可以更好地拟合模拟的真实情况，为下一步的优化设计奠定基础，同时还能够模拟出传统Mason模型无法拟合的通带内波纹，达到了更优于传统Mason模型的效果。

具体的，种子层等效电路100的第一声学端口接地，种子层等效电路100的第二声学端口与上电极层等效电路200的第一声学端口级联，上电极层等效电路200的第二声学端口与压电层等效电路300的第一声学端口级联，压电层等效电路300的第二声学端口与下电极层等效电路400的第一声学端口级联，下电极层等效电路400的第二声学端口与加厚层等效电路600的第一声学端口级联，加厚层等效电路600的第二声学端口与保护层等效电路500的第一声学端口级联，保护层等效电路500的第二声学端口接地。

其中，种子层等效电路100包括第六阻抗单元Z6、第七阻抗单元Z7和第八阻抗单元Z8；

上电极层等效电路200包括第九阻抗单元Z9、第十阻抗单元Z10和第十一阻抗单元Z11；

下电极层等效电路400包括第十二阻抗单元Z12、第十三阻抗单元Z13和第十四阻抗单元Z14；

加厚层等效电路600包括第十五阻抗单元Z15、第十六阻抗单元Z16和第十七阻抗单元Z17；

保护层等效电路500包括第十八阻抗单元Z18、第十九阻抗单元Z19和第二十阻抗单元Z20；

第六阻抗单元Z6的第一端接地，第六阻抗单元Z6的第二端同时与第七阻抗单元Z7的第一端以及第八阻抗单元Z8的第一端连接，第七阻抗单元Z7的第二端与第九阻抗单元Z9的第一端连接，第八阻抗单元Z8的第二端接地；第九阻抗单元Z9的第二端同时与第十阻抗单元Z10的第一端以及第十一阻抗单元Z11的第一端连接，第十阻抗单元Z10的第二端与第一阻抗单元Z1的第一端连接，第十一阻抗单元Z11的第二端接地；第二阻抗单元Z2的第二端与第十二阻抗单元Z12的第一端连接，第十二阻抗单元Z12的第二端同时与第十三阻抗单元Z13的第一端以及第十四阻抗单元Z14的第一端连接，第十三阻抗单元Z13的第二端与第十五阻抗单元Z15的第一端连接，第十四阻抗单元Z14的第二端接地；第十五阻抗单元Z15的第二端同时与第十六阻抗单元Z16的第一端以及第十七阻抗单元Z17的第一端连接，第十六阻抗单元Z16的第二端与第十八阻抗单元Z18的第一端连接，第十七阻抗单元Z17的第二端接地；第十八阻抗单元Z18的第二端同时与第十九阻抗单元Z19的第一端以及第二十阻抗单元Z20的第一端连接，第十九阻抗单元Z19的第二端以及第二十阻抗单元Z20的第二端均接地。

参考附图8，在实际应用时，构建得到体声波滤波器后，根据性能指标参数、工艺条件以及几何结构中各层的厚度比例对体声波滤波器性能的影响，修改级联的各个体声波谐振器的各层厚度、谐振器面积等以此对整个体声波滤波器进行优化，促使该体声波滤波器的Q值曲线和S参数曲线符合设计目标值，或已优化到该体声波滤波器达到理论最优值，最后对优化设计后的体声波滤波器进行流片验证，将得到的模拟阻抗曲线与实测阻抗曲线进行对比并根据对比结果调整各个体声波滤波器或各个电子元件，实现模拟阻抗曲线与实测阻抗曲线的拟合。

参考附图9，本发明的体声波滤波器能够模拟出传统Mason模型无法拟合的通带内波纹（即附图9中虚线框部分所示的波纹），解决了基于传统Mason模型的体声波滤波器无法预测S参数通带内波纹的情况，达到了更优于传统Mason模型的效果。

在某些实施例中，体声波滤波器还包括滤波器等效电路，滤波器等效电路包括第一终端负载Term1、第一电感L1、第一串联谐振器Fs1、第二串联谐振器Fs2、第三串联谐振器Fs3、第四串联谐振器Fs4、第五串联谐振器Fs5、第六串联谐振器Fs6、第七串联谐振器Fs7、第二电感L2、第二终端负载Term2、第一并联谐振器Fp1、第三电感L3、第二并联谐振器Fp2、第三并联谐振器Fp3、第四并联谐振器Fp4、第四电感L4、第五并联谐振器Fp5、第六并联谐振器Fp6和第五电感L5；

其中，第一串联谐振器Fs1、第二串联谐振器Fs2、第三串联谐振器Fs3、第四串联谐振器Fs4、第五串联谐振器Fs5、第六串联谐振器Fs6、第七串联谐振器Fs7、第一并联谐振器Fp1、第二并联谐振器Fp2、第三并联谐振器Fp3、第四并联谐振器Fp4、第五并联谐振器Fp5和第六并联谐振器Fp6均为上述实施例中的体声波谐振器；

第一终端负载Term1的第二端接地，第一终端负载Term1的第一端与第一电感L1的第一端连接，第一电感L1的第二端与第一串联谐振器Fs1的第一端连接，第一串联谐振器Fs1的第二端同时与第二串联谐振器Fs2的第一端以及第一并联谐振器Fp1的第一端连接，第一并联谐振器Fp1的第二端与第三电感L3的第一端连接，第三电感L3的第二端接地；

第二串联谐振器Fs2的第二端与第三串联谐振器Fs3的第一端连接，第三串联谐振器Fs3的第二端同时与第四串联谐振器Fs4的第一端以及第二并联谐振器Fp2的第一端连接，第二并联谐振器Fp2的第二端与第三并联谐振器Fp3的第一端连接，第三并联谐振器Fp3的第二端与第四电感L4的第一端连接，第四电感L4的第二端接地；

第四串联谐振器Fs4的第二端与第五串联谐振器Fs5的第一端连接，第五串联谐振器Fs5的第二端同时与第六串联谐振器Fs6的第一端以及第四并联谐振器Fp4的第一端连接，第四并联谐振器Fp4的第二端与第四电感L4的第一端连接；

第六串联谐振器Fs6的第二端与第七串联谐振器Fs7的第一端连接，第七串联谐振器Fs7的第二端同时与第二电感L2的第一端以及第五并联谐振器Fp5的第一端连接，第五并联谐振器Fp5的第二端与第六并联谐振器Fp6的第一端连接，第六并联谐振器Fp6的第二端与第五电感L5的第一端连接，第五电感L5的第二端接地；

第二电感L2的第二端与第二终端负载Term2的第一端连接，第二终端负载Term2的第二端接地。

本实施例中，多个体声波谐振器以串联和并联的方式级联构建得到上述体声波滤波器，即能够克服串联谐振频率以下部分的频率所带来的寄生影响，具有较高的设计精度，符合真实情况。

在某些实施例中，第二串联谐振器Fs2和第三串联谐振器Fs3的参数设置相同；第四串联谐振器Fs4和第五串联谐振器Fs5的参数设置相同；第六串联谐振器Fs6和第七串联谐振器Fs7的参数设置相同；第二并联谐振器Fp2和第三并联谐振器Fp3的参数设置相同；第五并联谐振器Fp5和第六并联谐振器Fp6的参数设置相同。

本实施例中，参数设置相同的谐振器可以视为一组，具体的，第一串联谐振器Fs1为第一串联组，第二串联谐振器Fs2和第三串联谐振器Fs3为第二串联组，第四串联谐振器Fs4和第五串联谐振器Fs5为第三串联组，第六串联谐振器Fs6和第七串联谐振器Fs7为第四串联组；第一并联谐振器Fp1为第一并联组，第二并联谐振器Fp2和第三并联谐振器Fp3为第二并联组，第四并联谐振器Fp4为第三并联组，第五并联谐振器Fp5和第六并联谐振器Fp6为第四并联组；由此以串联和并联的方式级联构建得到四串四并的体声波谐振器。

在某些实施例中，体声波滤波器的通带频率范围为2.3-2.4GHz，各个体声波谐振器分别设置为：

第一串联谐振器Fs1、第二串联谐振器Fs2、第三串联谐振器Fs3、第四串联谐振器Fs4、第五串联谐振器Fs5、第六串联谐振器Fs6和第七串联谐振器Fs7均包括种子层、上电极层、压电层、下电极层和保护层且参数均设置为：串联谐振频率为2.32GHz，并联谐振频率为2.40GHz，种子层厚度为30nm，上电极层厚度为330nm，压电层厚度为660nm，下电极层厚度为300nm，保护层厚度为250nm；

其中，第一串联谐振器Fs1的面积为14340，第二串联谐振器Fs2和第三串联谐振器Fs3的面积为11060/>，第四串联谐振器Fs4和第五串联谐振器Fs5的面积为10600，第六串联谐振器Fs6和第七串联谐振器Fs7的面积为12600/>；

第一并联谐振器Fp1、第二并联谐振器Fp2、第三并联谐振器Fp3、第四并联谐振器Fp4、第五并联谐振器Fp5、第六并联谐振器Fp6均包括加厚层等效电路600，加厚层等效电路600通过对应的声学端口连接于对应的下电极层等效电路400和对应的保护层等效电路500之间；

第一并联谐振器Fp1、第二并联谐振器Fp2、第三并联谐振器Fp3、第四并联谐振器Fp4、第五并联谐振器Fp5、第六并联谐振器Fp6还包括种子层、上电极层、压电层、下电极层、加厚层和保护层且参数均设置为：串联谐振频率为2.24GHz，并联谐振频率为2.32GHz，种子层厚度为30nm，上电极层厚度为330nm，压电层厚度为660nm，下电极层厚度为300nm，加厚层厚度为60nm，保护层厚度为250nm；

其中，第一并联谐振器Fp1的面积为12400，第二并联谐振器Fp2和第三并联谐振器Fp3的面积为9600/>，第四并联谐振器Fp4的面积为11800/>，第五并联谐振器Fp5和第六并联谐振器Fp6的面积为4920/>。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式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方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种体声波谐振器设计方法，其特征在于，包括步骤：

S1.利用ADS软件构建种子层等效电路、上电极层等效电路、下电极层等效电路和保护层等效电路；

S2.基于Mason模型的等效公式构建压电层等效电路；

S3.在所述压电层等效电路中设置寄生阻抗单元；所述寄生阻抗单元的阻值能够随谐振频率变化而变化且用于拟合串联谐振频率以下的寄生影响；

S4.通过对应的声学端口依次连接所述种子层等效电路、所述上电极层等效电路、所述压电层等效电路、所述下电极层等效电路和所述保护层等效电路，得到体声波谐振器。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器设计方法，其特征在于，所述等效公式具体为：

；

其中，为所述压电层等效电路的等效电路阻抗，/>表示虚数单位，/>为角速度，/>为所述体声波谐振器的静态电容值，/>为声波传输时的相位，/>为所述体声波谐振器的有效机电耦合系数，/>为压电材料的输入阻抗，/>为所述压电材料上侧的对比于压电阻抗的归一化负载阻抗，/>为所述压电材料下侧的对比于压电阻抗的归一化负载阻抗。

3.根据权利要求1所述的体声波谐振器设计方法，其特征在于，所述寄生阻抗单元的阻值根据以下公式计算得到：

；

其中，为所述谐振频率，/>为所述寄生阻抗单元在所述谐振频率下的阻值，/>为所述串联谐振频率，/>为基于所述Mason模型得到的S参数的实部，/>为所述体声波谐振器经流片验证后得到的S参数的实部。

4.一种基于如权利要求1-3中任一项所述体声波谐振器设计方法设计的体声波谐振器，其特征在于，包括通过对应的声学端口依次连接的所述种子层等效电路（100）、所述上电极层等效电路（200）、所述压电层等效电路（300）、所述下电极层等效电路（400）和所述保护层等效电路（500）；

所述压电层等效电路（300）包括第一阻抗单元、第二阻抗单元、第三阻抗单元、电流互感器、第一电阻、第四阻抗单元、所述寄生阻抗单元、第二电阻和第五阻抗单元；

其中，所述第一阻抗单元的第一端通过对应的声学端口与所述上电极层等效电路（200）连接，所述第一阻抗单元的第二端同时与所述第二阻抗单元的第一端以及所述第三阻抗单元的第一端连接，所述第二阻抗单元的第二端通过对应的声学端口与所述下电极层等效电路（400）连接，所述第三阻抗单元的第二端与所述电流互感器的一次绕组的第一端连接，所述电流互感器的一次绕组的第二端接地，所述电流互感器的二次绕组的第二端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端同时与所述寄生阻抗单元的第二端以及所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端与所述第五阻抗单元的第一端连接，所述第五阻抗单元的第二端与所述第四阻抗单元的第二端连接，所述第四阻抗单元的第一端与所述电流互感器的二次绕组的第一端连接，所述寄生阻抗单元的第一端作为第一端口用于与外部线路连接，所述第五阻抗单元的第二端作为第二端口用于与外部线路连接。

5.根据权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，还包括压电层，所述压电层由掺杂钪的氮化铝材料制成；

所述压电层的参数设置为：声速为10830m/s，特征声阻抗为3.53，等效机电耦合系数为9.6%，夹持介电常数为9.50e-11F/m，衰减因子为800dB/m。

6.根据权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，还包括上电极层和下电极层，所述上电极层和所述下电极层均由钼材料制成；

所述上电极层和所述下电极层的参数均设置为：声速为6243m/s，特征声阻抗为6.39，衰减因子为500dB/m。

7.一种体声波滤波器，其特征在于，包括如权利要求4-6中任一项所述体声波谐振器。

8.根据权利要求7所述的体声波滤波器，其特征在于，还包括滤波器等效电路，所述滤波器等效电路包括第一终端负载、第一电感、第一串联谐振器、第二串联谐振器、第三串联谐振器、第四串联谐振器、第五串联谐振器、第六串联谐振器、第七串联谐振器、第二电感、第二终端负载、第一并联谐振器、第三电感、第二并联谐振器、第三并联谐振器、第四并联谐振器、第四电感、第五并联谐振器、第六并联谐振器和第五电感；

其中，所述第一串联谐振器、所述第二串联谐振器、所述第三串联谐振器、所述第四串联谐振器、所述第五串联谐振器、所述第六串联谐振器、所述第七串联谐振器、所述第一并联谐振器、所述第二并联谐振器、所述第三并联谐振器、所述第四并联谐振器、所述第五并联谐振器和所述第六并联谐振器均为所述体声波谐振器；

所述第一终端负载的第二端接地，所述第一终端负载的第一端与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第一串联谐振器的第一端连接，所述第一串联谐振器的第二端同时与所述第二串联谐振器的第一端以及所述第一并联谐振器的第一端连接，所述第一并联谐振器的第二端与所述第三电感的第一端连接，所述第三电感的第二端接地；

所述第二串联谐振器的第二端与所述第三串联谐振器的第一端连接，所述第三串联谐振器的第二端同时与所述第四串联谐振器的第一端以及所述第二并联谐振器的第一端连接，所述第二并联谐振器的第二端与所述第三并联谐振器的第一端连接，所述第三并联谐振器的第二端与所述第四电感的第一端连接，所述第四电感的第二端接地；

所述第四串联谐振器的第二端与所述第五串联谐振器的第一端连接，所述第五串联谐振器的第二端同时与所述第六串联谐振器的第一端以及所述第四并联谐振器的第一端连接，所述第四并联谐振器的第二端与所述第四电感的第一端连接；

所述第六串联谐振器的第二端与所述第七串联谐振器的第一端连接，所述第七串联谐振器的第二端同时与所述第二电感的第一端以及所述第五并联谐振器的第一端连接，所述第五并联谐振器的第二端与所述第六并联谐振器的第一端连接，所述第六并联谐振器的第二端与所述第五电感的第一端连接，所述第五电感的第二端接地；

所述第二电感的第二端与所述第二终端负载的第一端连接，所述第二终端负载的第二端接地。

9.根据权利要求8所述的体声波滤波器，其特征在于，所述第二串联谐振器和所述第三串联谐振器的参数设置相同；所述第四串联谐振器和所述第五串联谐振器的参数设置相同；所述第六串联谐振器和所述第七串联谐振器的参数设置相同；所述第二并联谐振器和所述第三并联谐振器的参数设置相同；所述第五并联谐振器和所述第六并联谐振器的参数设置相同。

10.根据权利要求9所述的体声波滤波器，其特征在于，所述体声波滤波器的通带频率范围为2.3-2.4GHz，各个所述体声波谐振器分别设置为：

所述第一串联谐振器、所述第二串联谐振器、所述第三串联谐振器、所述第四串联谐振器、所述第五串联谐振器、所述第六串联谐振器和所述第七串联谐振器均包括种子层、上电极层、压电层、下电极层和保护层且参数均设置为：串联谐振频率为2.32GHz，并联谐振频率为2.40GHz，种子层厚度为30nm，上电极层厚度为330nm，压电层厚度为660nm，下电极层厚度为300nm，保护层厚度为250nm；

其中，所述第一串联谐振器的面积为14340，所述第二串联谐振器和所述第三串联谐振器的面积为11060/>，所述第四串联谐振器和所述第五串联谐振器的面积为10600，所述第六串联谐振器和所述第七串联谐振器的面积为12600/>；

所述第一并联谐振器、所述第二并联谐振器、所述第三并联谐振器、所述第四并联谐振器、所述第五并联谐振器、所述第六并联谐振器均包括加厚层等效电路（600），所述加厚层等效电路（600）通过对应的声学端口连接于对应的所述下电极层等效电路（400）和对应的所述保护层等效电路（500）之间；

所述第一并联谐振器、所述第二并联谐振器、所述第三并联谐振器、所述第四并联谐振器、所述第五并联谐振器、所述第六并联谐振器还包括种子层、上电极层、压电层、下电极层、加厚层和保护层且参数均设置为：串联谐振频率为2.24GHz，并联谐振频率为2.32GHz，种子层厚度为30nm，上电极层厚度为330nm，压电层厚度为660nm，下电极层厚度为300nm，加厚层厚度为60nm，保护层厚度为250nm；

其中，所述第一并联谐振器的面积为12400，所述第二并联谐振器和所述第三并联谐振器的面积为9600/>，所述第四并联谐振器的面积为11800/>，所述第五并联谐振器和所述第六并联谐振器的面积为4920/>。