CN208353309U - 一种可变带宽声表面波宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可变带宽声表面波宽带滤波器，包括压电基片、输入叉指换能器、输出叉指换能器，所述输入叉指换能器包括扇形输入叉指阵列及其扇形输入叉指阵列两端的输入汇流电极和第一接地汇流电极，所述输出叉指换能器包括扇形输出叉指阵列及其扇形输出叉指阵列两端的输出汇流电极和第二接地汇流电极；通过本实用新型,可变带宽声表面波宽带滤波器可因环境温度或工作温度的变化相应输出不同通带宽度以及通带中心频率的高频滤波信号，并且可结合形状记忆合金相变温度点的设定和复合叉指结构标称周期的设计，更方便地进行声表面波滤波器的频带宽度或频带范围的调控，还可进一步应用于基于声表面波滤波器的温度传感器。

Description

一种可变带宽声表面波宽带滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种声表面波滤波器，尤其涉及一种基于形状记忆合金材料的可变带宽声表面波宽带滤波器，属于微声电子器件技术领域。

背景技术

声表面波滤波器由制作在压电基片上的输入叉指换能器将电信号转换成声信号，声信号沿基片表面传播，再由输出叉指换能器将声信号转换成电信号，在两次转换中实现对电信号的滤波功能。

现行技术中实现大带宽声表面波滤波器的有效方法是采用扇形叉指换能器结构。常规叉指换能器由周期性排列在压电基片表面且垂直于声表面波传播方向的等宽矩形金属指阵列构成，叉指换能器的外形呈矩形，而扇形叉指换能器则由倾斜或折线状的非矩形金属指阵列构成，叉指换能器的外形呈扇形，其扇形锥度决定声表面波滤波器通带相对带宽的大小。

常规上，声表面波叉指换能器中的金属指阵列结构是通过对淀积在压电基片表面的金属膜进行光刻、刻蚀获得的，组成叉指换能器的若干金属指以确定的重复周期粘附在压电基片表面。具有这一特征的叉指换能器在应用于声表面波宽带滤波器时，可以实现稳定的通带宽度和中心频率。虽然可以通过对叉指换能器的叉指阵列结构进行加权或者通过改变扇形叉指换能器的扇形锥度来设计不同带宽要求的声表面波宽带滤波器。但与其他声表面波器件一样，一旦叉指换能器的几何结构在工艺上实现，声表面波宽带滤波器的通带宽度以及通带中心频率也随之确定而无法进一步调整，这在一定程度上限制了声表面波滤波器的应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服现有技术中的不足，提供一种可变带宽声表面波宽带滤波器结构，可用于实现带宽可控的声表面波宽带滤波器。

本实用新型的目的是这样实现的，一种可变带宽声表面波宽带滤波器，包括压电基片、输入叉指换能器、输出叉指换能器，所述输入叉指换能器包括扇形输入叉指阵列及其两端的输入汇流电极和第一接地汇流电极，所述输出叉指换能器包括扇形输出叉指阵列及其两端的输出汇流电极和第二接地汇流电极；

所述扇形输入叉指阵列和扇形输出叉指阵列均包含若干浮置复合指，所述若干浮置复合指相对于其所在扇形叉指阵列的纵向中心线按一定周期对称排列，扇形叉指阵列上端浮置复合指的排列周期最大，扇形叉指阵列下端浮置复合指的排列周期最小，且至上而下连续递减；

所述浮置复合指为上宽下窄的梯形指条，包含依次相连的金属指、介质延长指和金属连接指，所述金属指的内端附有连接凸块，所述介质延长指的两端附有连接凹槽，所述金属连接指的内端附有连接凸块，所述金属指内端的连接凸块与介质延长指一端的连接凹槽相嵌，介质延长指另一端的连接凹槽与金属连接指内端的连接凸块相嵌；

所述各个浮置复合指浮置在压电基片表面，其下表面与压电基片表面紧密贴合；

所述扇形输入叉指阵列中的若干浮置复合指分为两组，其中一组浮置复合指的金属指外端汇接于输入汇流电极，其金属连接指外端汇接于第一接地汇流电极，而另一组浮置复合指的金属指外端汇接于第一接地汇流电极，其金属连接指外端汇接于输入汇流电极，两组浮置复合指中的各个浮置复合指相互交替排列，其中的金属指部分相互交叉排列，构成叉指状结构；

所述扇形输出叉指阵列中的若干浮置复合指分为两组，其中一组浮置复合指的金属指外端汇接于输出汇流电极，其金属连接指外端汇接于第二接地汇流电极，而另一组浮置复合指的金属指外端汇接于第二接地汇流电极，其金属连接指外端汇接于输出汇流电极，两组浮置复合指中的各个浮置复合指相互交替排列，其中的金属指部分相互交叉排列，构成叉指状结构。

所述输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极与基片之间自下而上依次嵌有底层黏附层、柔性介质层、中间黏附层，所述底层黏附层、柔性介质层、中间黏附层均与对应的汇流电极同形。

所述压电基片的材料为铌酸锂单晶或者钽酸锂单晶或者石英单晶，所述输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极的材料为形状记忆合金如TiNi合金，所述金属指和金属连接指的材料为金或者重质铝铜合金，所述介质延长指的材料为氮化硅或者二氧化硅，所述柔性介质层的材料为聚酰亚胺或者PDMS，所述底层黏附层和中间黏附层的材料为Cr或者Pt。

本实用新型结构合理、生产制造容易、使用方便，通过本实用新型，可变带宽声表面波宽带滤波器包括压电基片、输入叉指换能器、输出叉指换能器。

所述输入叉指换能器包括扇形输入叉指阵列及其两端的输入汇流电极和第一接地汇流电极，所述输出叉指换能器包括扇形输出叉指阵列及其两端的输出汇流电极和第二接地汇流电极。

所述输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极采用形状记忆合金材料如TiNi合金制作。

所述各个汇流电极与基片表面之间制作柔性介质层以使各个汇流电极在温控形变时可以相对于基片柔性偏移，所述柔性介质层的材料为具有一定弹性的聚合物材料如聚酰亚胺、PDMS等。

所述基片表面与柔性介质层之间以及柔性介质层与汇流电极之间制作黏附层以提高汇流电极和接地汇流电极与柔性介质层以及柔性介质层与基片之间的粘附性，所述底层黏附层和中间黏附层的材料为Cr或者Pt。

所述输入叉指换能器和输出叉指换能器采用扇形结构的浮置叉指阵列，所述扇形输入叉指阵列和扇形输出叉指阵列均包含若干浮置复合指，所述各个浮置复合指均为上宽下窄的梯形指条，各个浮置复合指相对于所在叉指阵列的纵向中心线按一定的上端周期和下端周期对称排列。扇形叉指阵列的上端周期对应声表面波滤波器通带的下截止频率，而扇形叉指阵列的下端周期对应声表面波滤波器通带的上截止频率，通带上截止频率与通带下截止频率之差即为声表面波滤波器的通带宽度。

所述浮置复合指包含依次相连的金属指、介质延长指和金属连接指，所述金属指的内端附有连接凸块，所述介质延长指的两端附有连接凹槽，所述金属连接指的内端附有连接凸块，所述金属指内端的连接凸块与介质延长指一端的连接凹槽相嵌，介质延长指另一端的连接凹槽与金属连接指内端的连接凸块相嵌。

所述扇形输入叉指阵列中的若干浮置复合指分为两组，其中一组浮置复合指的金属指外端汇接于输入汇流电极，其金属连接指外端汇接于第一接地汇流电极，而另一组浮置复合指的金属指外端汇接于第一接地汇流电极，其金属连接指外端汇接于输入汇流电极，两组浮置复合指中的各个浮置复合指相互交替排列。

所述扇形输出叉指阵列中的若干浮置复合指分为两组，其中一组浮置复合指的金属指外端汇接于输出汇流电极，其金属连接指外端汇接于第二接地汇流电极，而另一组浮置复合指的金属指外端汇接于第二接地汇流电极，其金属连接指外端汇接于输出汇流电极，两组浮置复合指中的各个浮置复合指相互交替排列。

所述各个浮置复合指中金属指采用金或者重质铝铜合金制作，各个金属指浮置于压电基片表面之上，其下表面与压电基片表面紧密贴合，其一端与输入（或输出）汇流电极直连，另一端通过介质延长指与相应的输出（或输入）汇流电极绝缘隔离并相连接，各个浮置复合指的金属指部分相互交叉排列，形成作为叉指换能器主体的金属叉指结构，用于在压电基片表面层激发或接收声表面波。

所述介质延长指采用氮化硅或者二氧化硅制作，其外端通过金属延长指与汇流电极相连，当包含金质或重质铝铜合金质金属指的复合指条自然下垂与基片表面贴合时，金属连接指替代介质延长指作为下弯部位，避免使介质延长指与汇流电极直接相连并下弯时可能出现的介质延长指与汇流电极连接处的断裂脱节现象。

当工作温度或环境温度在所用形状记忆合金材料的相变温度点以下时，所述形状记忆合金材料处于低内应力的马氏体态，各个汇流电极保持电极结构工艺制备完成时的形状，连接于输入汇流电极与第一接地汇流电极之间的扇形输入叉指阵列和连接于输出汇流电极与第二接地汇流电极之间的扇形输出叉指阵列中的各个浮置复合指以标称的上端周期和下端周期相互交替排列，声表面波宽带滤波器输出标称的第一通带宽度及通带中心频率的滤波信号；

当工作温度或环境温度在所述相变温度点以上时，所述形状记忆合金材料由低内应力的马氏体态转变为高内应力的奥氏体态，构成各个汇流电极的形状记忆合金膜发生形变，但由于汇流电极所附着的柔性介质层和刚性的压电基片以及纵向复合叉指的约束作用，各个汇流电极主要产生面内横向形变，带动连接于输入汇流电极与第一接地汇流电极之间的扇形输入叉指阵列和连接于输出汇流电极与第二接地汇流电极之间的扇形输出叉指阵列中的各个浮置复合指条相对于各自所在叉指阵列的对称中心线横向偏移，各个扇形叉指阵列中的各个浮置复合指条变换至以第二上端周期和第二下端周期相互交错排列，声表面波宽带滤波器输出第二通带宽度及相应通带中心频率的滤波信号；

而当工作温度或环境温度回复至所述相变温度点以下时，所述形状记忆合金材料回复到低内应力的马氏体态，由于汇流电极所附着的柔性介质层的一定弹性以及压电基片的刚性的反向偏置力的作用，各个汇流电极回复至电极结构工艺制备完成时的形状，带动连接于输入汇流电极与第一接地汇流电极之间的扇形输入叉指阵列和连接于输出汇流电极与第二接地汇流电极之间的扇形输出叉指阵列中的各个浮置复合指条回复至以标称上端周期和下端周期相互交替排列，声表面波宽带滤波器重新输出标称的通带宽度及通带中心频率的滤波信号；

进一步的，通过选择材料的组分和配比设定所用形状记忆合金的相变温度点，结合复合叉指结构标称周期的设计，可以调整声表面波滤波器输出滤波信号的通带宽度及通带中心频率的温控范围。

进一步的，各个汇流电极均采用形状记忆合金材料，可以同时调控声表面波宽带滤波器通带的上截止频率和下截止频率；或者仅汇接各个浮置复合叉指上端的输入汇流电极和输出汇流电极采用形状记忆合金材料而汇接各个浮置复合叉指下端的第一接地汇流电极和第二接地汇流电极采用常规金属材料，可以单独调控声表面波宽带滤波器通带的下截止频率；或者仅汇接各个浮置复合叉指下端的第一接地汇流电极和第二接地汇流电极采用形状记忆合金材料而汇接各个浮置复合叉指上端的输入汇流电极和输出汇流电极采用常规金属材料，可以单独调控声表面波宽带滤波器通带的上截止频率。

有益效果：本实用新型在声表面波宽带滤波器的输入叉指换能器和输出叉指换能器中利用介质延长指替代常规叉指指条的指端间隙，构成一种复合指条结构，使各个复合叉指指条与两端的汇流电极均相连接，并采用浮置复合指条结构，即各个复合指条均浮置在基片表面，其下表面与基片表面紧密贴合，既形成用于激发或接收声表面波的叉指换能器结构，又便于各个叉指指条的横向偏移，改变叉指结构中叉指指条的排列周期，调整叉指换能器的频率特性。

本实用新型的可变带宽声表面波宽带滤波器的中心频率可因环境温度或工作温度的变化相应输出不同通带宽度以及通带中心频率的高频滤波信号，并且可结合形状记忆合金相变温度点的设定和复合叉指结构标称周期的设计，更方便地进行声表面波滤波器的频带宽度或频带范围的调控，还可进一步应用于基于声表面波滤波器的温度传感器。所述包含浮置复合指结构的声表面波宽带滤波器叉指换能器结构采用常规的MEMS加工技术制作，工艺简单，易于实现。

附图说明

图1是本实用新型的可变带宽声表面波宽带滤波器总体结构示意图；

图2是本实用新型的采用浮置复合指的扇形输入叉指换能器结构示意图；

图3是本实用新型的采用浮置复合指的扇形输出叉指换能器结构示意图；

图4是本实用新型的浮置复合指结构剖视图；

其中：1压电基片、2-1输入叉指换能器、2-2 输出叉指换能器、21输入汇流电极、22输出汇流电极、23-1第一接地汇流电极、23-2第二接地汇流电极、24浮置复合指、241金属指、242介质延长指、243金属连接指、244连接凸块、245连接凹槽、3底层黏附层、4柔性介质层、5中间黏附层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步说明。

一种可变带宽声表面波宽带滤波器，包括压电基片1、输入叉指换能器2-1、输出叉指换能器2-2，输入叉指换能器2-1包括扇形输入叉指阵列及其扇形输入叉指阵列两端的输入汇流电极21和第一接地汇流电极23-1，输出叉指换能器2-2包括扇形输出叉指阵列及其扇形输出叉指阵列两端的输出汇流电极22和第二接地汇流电极23-2。

扇形输入叉指阵列和扇形输出叉指阵列均包含若干浮置复合指24，所述若干浮置复合指24相对于其所在对应扇形输入叉指阵列、扇形输出叉指阵列的纵向中心线按周期对称排列，扇形输入叉指阵列、扇形输出叉指阵列上端浮置复合指24的排列周期最大，扇形输入叉指阵列、扇形输出叉指阵列下端浮置复合指24的排列周期最小，且至上而下连续递减。

浮置复合指24为上宽下窄的梯形指条，包含依次相连的金属指241、介质延长指242和金属连接指243，所述金属指241、金属连接指243的内端均附有连接凸块244，所述介质延长指242的两端附有连接凹槽245，金属指241内端的连接凸块244与介质延长指242一端的连接凹槽245相嵌，介质延长指242另一端的连接凹槽245与金属连接指243内端的连接凸块244相嵌。

各个浮置复合指24浮置在压电基片1表面，其下表面与压电基片1表面紧密贴合。

扇形输入叉指阵列中的若干浮置复合指24分为两组，其中一组浮置复合指24的金属指241外端汇接于输入汇流电极21，其金属连接指243外端汇接于第一接地汇流电极23-1，另一组浮置复合指24的金属指241外端汇接于第一接地汇流电极23-1，其金属连接指243外端汇接于输入汇流电极21，两组浮置复合指中的各个浮置复合指24相互交替排列，两组浮置复合指中的金属指241相互交叉排列，构成叉指状结构。

扇形输出叉指阵列中的若干浮置复合指24分为两组，其中一组浮置复合指24的金属指241外端汇接于输出汇流电极22，其金属连接指243外端汇接于第二接地汇流电极23-2，另一组浮置复合指24的金属指241外端汇接于第二接地汇流电极23-2，其金属连接指243外端汇接于输出汇流电极22，两组浮置复合指中的各个浮置复合指24相互交替排列，两组浮置复合指中的金属指241相互交叉排列，构成叉指状结构。

输入汇流电极21、输出汇流电极22、第一接地汇流电极23-1、第二接地汇流电极23-2与压电基片1之间自下而上依次嵌有底层黏附层3、柔性介质层4、中间黏附层5，所述底层黏附层3、柔性介质层4、中间黏附层5均与对应的输入汇流电极21、输出汇流电极22、第一接地汇流电极23-1、第二接地汇流电极23-2同形。

所述压电基片1的材料为铌酸锂单晶或者钽酸锂单晶或者石英单晶。所述输入汇流电极21、输出汇流电极22、第一接地汇流电极23-1、第二接地汇流电极23-2的材料为TiNi合金。所述金属指241和金属连接指243的材料为金或者重质铝铜合金。所述介质延长指242的材料为氮化硅或者二氧化硅。所述柔性介质层4的材料为聚酰亚胺或者PDMS。所述底层黏附层3、中间黏附层5的材料为Cr或者Pt。

如图1、图2、图3和图4所示的一种可变带宽声表面波宽带滤波器结构，包括制作在压电单晶基片（压电基片1）上的输入叉指换能器2-1和输出叉指换能器2-2；所述输入叉指换能器2-1和输出叉指换能器2-2采用扇形结构的浮置复合叉指阵列。

所述输入叉指换能器2-1包括输入汇流电极21、第一接地汇流电极23-1以及分布于其间的两组浮置复合指24，各个复合指24依次交错排列；所述浮置复合指24由金属指241、介质延伸指242和金属连接指243三个部分组成，各组浮置复合指24的两端分别与输入汇流电极21、第一接地汇流电极23-1相连；

所述输出叉指换能器2-2包括输出汇流电极22、第二接地汇流电极23-2以及分布于其间的两组浮置复合指24，各个复合指24依次交错排列；所述浮置复合指24由金属指241、介质延伸指242和金属连接指243三个部分组成，各组浮置复合指24的两端分别与输出汇流电极22、第二接地汇流电极23-2相连；

各个浮置复合指24均浮置在压电基片1表面，其下表面与压电基片1表面紧密贴合。

所述输入汇流电极21、输出汇流电极22、第一接地汇流电极23-1、第二接地汇流电极23-2与压电基片1之间自上而下依次嵌有底层黏附层3、柔性介质层4、中间黏附层5，所述底层黏附层3、柔性介质层4、中间黏附层5均与对应的汇流电极（包括输入汇流电极21、输出汇流电极22、第一接地汇流电极23-1、第二接地汇流电极23-2）同形。

所述压电基片1为铌酸锂或者钽酸锂单晶片。

所述输入汇流电极21、输出汇流电极22和第一接地汇流电极23-1、第二接地汇流电极23-2的材料为TiNi合金，各个汇流电极采用原位加热磁控溅射形成TiNi合金膜，并采用光刻、湿法腐蚀方法制作各个汇流电极的结构图形。

所述柔性介质层4的材料为聚酰亚胺，采用旋涂法形成聚酰亚胺厚膜，并采用光刻、干法刻蚀方法得到柔性介质层的结构图形。

所述底层黏附层3和中间黏附层5的材料为金属Cr，采用磁控溅射形成金属Cr薄膜，并采用剥离法制作底层黏附层和中间黏附层的结构图形。

所述金属指241和金属连接指243的材料为金，所述介质延长指242材料为氮化硅，采用LPCVD方法形成氮化硅膜，采用光刻、干法刻蚀方法在氮化硅膜上制作金属指241和金属连接指243沟槽，采用电镀法填充沟槽，采用光刻、干法刻蚀方法去除金属指241、金属连接指243和介质延长指242以外的氮化硅膜，得到金属指241、金属连接指243和介质延长指242。

所述用于制作浮置复合指24的牺牲层的材料为二氧化硅，采用LPCVD方法形成二氧化硅厚膜，并最后采用湿法腐蚀方法去除二氧化硅牺牲层，释放包含金属指241、介质延长指242和金属连接指243的各个浮置复合指，最终得到浮置复合叉指结构。

Claims (7)

1.一种可变带宽声表面波宽带滤波器，其特征是：包括压电基片（1）、输入叉指换能器（2-1）、输出叉指换能器（2-2），所述输入叉指换能器（2-1）包括扇形输入叉指阵列及其扇形输入叉指阵列两端的输入汇流电极（21）和第一接地汇流电极（23-1），所述输出叉指换能器（2-2）包括扇形输出叉指阵列及其扇形输出叉指阵列两端的输出汇流电极（22）和第二接地汇流电极（23-2）；

所述扇形输入叉指阵列和扇形输出叉指阵列均包含若干浮置复合指（24），所述若干浮置复合指（24）相对于其所在对应扇形输入叉指阵列、扇形输出叉指阵列的纵向中心线按周期对称排列，扇形输入叉指阵列、扇形输出叉指阵列上端浮置复合指（24）的排列周期最大，扇形输入叉指阵列、扇形输出叉指阵列下端浮置复合指（24）的排列周期最小，且至上而下连续递减；

所述浮置复合指（24）为上宽下窄的梯形指条，包含依次相连的金属指（241）、介质延长指（242）和金属连接指（243），所述金属指（241）、金属连接指（243）的内端均附有连接凸块（244），所述介质延长指（242）的两端附有连接凹槽（245），所述金属指（241）内端的连接凸块（244）与介质延长指（242）一端的连接凹槽（245）相嵌，介质延长指（242）另一端的连接凹槽（245）与金属连接指（243）内端的连接凸块（244）相嵌；

所述各个浮置复合指（24）浮置在压电基片（1）表面，其下表面与压电基片（1）表面紧密贴合；

所述扇形输入叉指阵列中的若干浮置复合指（24）分为两组，其中一组浮置复合指（24）的金属指（241）外端汇接于输入汇流电极（21），其金属连接指（243）外端汇接于第一接地汇流电极（23-1），另一组浮置复合指（24）的金属指（241）外端汇接于第一接地汇流电极（23-1），其金属连接指（243）外端汇接于输入汇流电极（21），两组浮置复合指中的各个浮置复合指（24）相互交替排列，两组浮置复合指中的金属指（241）相互交叉排列，构成叉指状结构；

所述扇形输出叉指阵列中的若干浮置复合指（24）分为两组，其中一组浮置复合指（24）的金属指（241）外端汇接于输出汇流电极（22），其金属连接指（243）外端汇接于第二接地汇流电极（23-2），另一组浮置复合指（24）的金属指（241）外端汇接于第二接地汇流电极（23-2），其金属连接指（243）外端汇接于输出汇流电极（22），两组浮置复合指中的各个浮置复合指（24）相互交替排列，两组浮置复合指中的金属指（241）相互交叉排列，构成叉指状结构；

所述输入汇流电极（21）、输出汇流电极（22）、第一接地汇流电极（23-1）、第二接地汇流电极（23-2）与压电基片（1）之间自下而上依次嵌有底层黏附层（3）、柔性介质层（4）、中间黏附层（5），所述底层黏附层（3）、柔性介质层（4）、中间黏附层（5）均与对应的输入汇流电极（21）、输出汇流电极（22）、第一接地汇流电极（23-1）、第二接地汇流电极（23-2）同形。

2.根据权利要求1所述的一种可变带宽声表面波宽带滤波器，其特征是：所述压电基片（1）的材料为铌酸锂单晶或者钽酸锂单晶或者石英单晶。

3.根据权利要求1所述的一种可变带宽声表面波宽带滤波器，其特征是：所述输入汇流电极（21）、输出汇流电极（22）、第一接地汇流电极（23-1）、第二接地汇流电极（23-2）的材料为形状记忆合金。

4.根据权利要求1所述的一种可变带宽声表面波宽带滤波器，其特征是：所述金属指（241）和金属连接指（243）的材料为金或者重质铝铜合金。

5.根据权利要求1所述的一种可变带宽声表面波宽带滤波器，其特征是：所述介质延长指（242）的材料为氮化硅或者二氧化硅。

6.根据权利要求1所述的一种可变带宽声表面波宽带滤波器，其特征是：所述柔性介质层（4）的材料为聚酰亚胺或者PDMS。

7.根据权利要求1所述的一种可变带宽声表面波宽带滤波器，其特征是：所述底层黏附层（3）、中间黏附层（5）的材料为Cr或者Pt。