RU2817395C1 - Фильтр на поверхностных акустических волнах - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области акустоэлектроники, в частности к радиочастотным фильтрам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) лестничного типа. Техническим результатом изобретения является обеспечение одновременно высокого коэффициента электромеханической связи, уменьшенного более чем в 2 раза температурного коэффициента частоты в интервале температур от минус 60°С до плюс 85°С, неискаженных рабочих характеристик с малым уровнем возбуждения паразитных мод, а также внеполосной избирательности не менее минус 40 дБ относительно уровня минимального вносимого затухания фильтра. Фильтр на ПАВ лестничного типа содержит гибридную слоистую пластину, состоящую из несущей монокристаллической кремниевой подложки кристаллографической ориентации <100> и расположенного на ней тонкого активного пьезоэлектрического слоя из монокристаллического танталата лития YXl/42°-среза. Пьезоэлектрический слой расположен на полированной поверхности несущей подложки, имеющей шероховатость поверхности величиной Ra<0,7 нм и плоскостность поверхности TTV<10 мкм при диаметре несущей подложки 76,2-100,0 мм. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к области акустоэлектроники, в частности к радиочастотным фильтрам на поверхностных акустических волнах (ПАВ), более конкретно, изобретение касается фильтров лестничного (импедансного) типа с резонаторными структурами на основе гибридных слоистых пластин и может быть использовано для фильтрации радиочастотных (РЧ) сигналов в системах беспроводной связи, в модулях аппаратуры связи (базовых станций, абонентских терминалов, бортовой и наземной аппаратуры спутниковых систем связи, устройствах охраны, включая автомобильную сигнализацию), аппаратуры глобального позиционирования (GNSS) и аппаратуры сбора и передачи информации, а также в устройствах мобильной связи.

Устройства на объемных акустических волнах (ОАВ) и на поверхностных акустических волнах (ПАВ) являются двумя ключевыми компонентами современных беспроводных электронных систем, обеспечивая такие параметры систем связи, как дальность действия, помехозащищенность, информационная емкость и стабильность. Эти устройства работают на основе пьезоэлектрического эффекта и решают большой круг задач, основными из которых являются формирование, стабилизация, селекция частоты и обработка сигналов в диапазоне частот от нескольких МГц до 4 ГГц. Функция обработки сигналов включает в себя фильтрацию РЧ сигналов в заданном диапазоне частот в пределах фиксированной полосы пропускания от нескольких сотых процента до десятков процентов с возможностью независимого формирования амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик.

Фильтр на ПАВ является твердотельным функциональным устройством, использующим, по крайней мере, два встречно-штыревых преобразователя (ВШП), изготовленных на пьезоэлектрической пластине, для преобразования электрических сигналов в акустические волны, и обратно, за счет прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта, который возникает между противофазными электродами встречно-штыревого преобразователя. Входной преобразователь возбуждает в тонком приповерхностном слое пьезоэлектрической пластины акустические волны (обратный пьезоэффект) в соответствии с входным электрическим сигналом, а выходной преобразователь принимает акустические волны и преобразует их обратно в электрический сигнал (прямой пьезоэффект). Носителем информации в фильтрах на ПАВ являются акустические волны, энергия упругих колебаний которых сосредоточена в приповерхностном слое пьезоэлектрической пластины. Скорость ПАВ составляет 3-4 км/сек, то есть на 4 порядка меньше скорости электромагнитной волны. Этим обусловлены габариты устройств на ПАВ, меньшие на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами.

Конструктивной основой радиочастотных фильтров на ПАВ лестничного типа являются ПАВ-резонаторы, при этом фильтр может содержать множество ПАВ-резонаторов, предназначенных для фильтрации радиочастотного сигнала и выполненных на поверхности единой пьезоэлектрической пластины. Электроды ВШП могут быть выполнены из алюминия, меди, сплавов алюминия или меди, золота или любого другого проводящего материала и иметь многослойную структуру.

Помимо полезных акустических мод в реальных фильтрах и резонаторах на ПАВ могут возбуждаться нежелательные, паразитные моды. Такие паразитные акустические моды ухудшают характеристики фильтра, затрудняя или делая невозможным соответствие характеристик ПАВ фильтров предъявляемому к ним комплексу требований.

Базовыми характеристиками фильтров на ПАВ являются рабочая частота, ширина полосы пропускания, уровень вносимых потерь, внеполосная избирательность, которая в значительной степени определяется уровнем подавления паразитных мод. Кроме того, уровень развития ПАВ устройств предъявляет к фильтрам еще комплекс требований относительно прямоугольное™ АЧХ и неравномерности АЧХ и ФЧХ в полосе пропускания фильтра. Предъявляются также требования к внешним условиям эксплуатации ПАВ-фильтров, например, к таким как диапазон рабочих температур. Развитие систем мобильной связи следующего поколения требует ПАВ фильтры с уникальным комплексом характеристик, включая температурно-стабильную частотную характеристику, малые вносимые потери и уменьшенный уровень возбуждения паразитных мод.

Характеристики акустоэлектронных устройств зависят от величины коэффициента электромеханической связи пьезоэлектрического материала k² и его температурной стабильности. Коэффициент электромеханической связи пьезоматериала k² определяет эффективность преобразования энергии из электрической в акустическую, и наоборот, т.е. определяет связь между напряжением на электродах и амплитудой акустических колебаний и, таким образом, влияет на уровень вносимых потерь фильтра. Температурная стабильность пьезоматериала определяет, насколько стабильно (в отношении частоты устройства в частях на миллион) акустическое устройство работает при изменении температуры окружающей среды.

Для реализации узкополосных и сверхузкополосных фильтров на ПАВ применяются различные срезы кварца, лангасита и катангасита, которые обеспечивают близкий к нулю температурный коэффициент частоты (ТКЧ). Однако реализация средне и широкополосных ПАВ-устройств с малым вносимым затуханием, предназначенных для работы во входных каскадах радиоэлектронной аппаратуры, на таких пьезоматериалах невозможна из-за малого коэффициента электромеханической связи k². Напротив, такие пьезоматериалы как танталат лития (LT) и ниобат лития (LN) обладают большим коэффициентом электромеханической связи к², однако уступают по температурной стабильности из-за большой величины ТКЧ (от -36⋅10^-6 ед./град до -94⋅10^-6 ед./град), что может ограничивать область применения реализованных на их основе фильтров на ПАВ, чувствительных к температуре.

Импедансные (лестничные) фильтры на ПАВ, обычно реализуемые на основе танталата лития, также имеют проблему, заключающуюся в том, что изменение температуры вызывает дрейф центральной частоты фильтра пропорционально величине ТКЧ, которая на высоких частотах составляет до -40ppm/K (-40×10^-6 ед./град), и, следовательно, уменьшает фактическую полосу пропускания фильтров, что делает их непригодными для высокочастотных областей применения и систем узкополосной радиочастотной связи.

Температурная стабильность рабочей частоты устройств, т.е. температурный коэффициент частоты (ТКЧ), определяется коэффициентами теплового расширения (КТР) используемых пьезоматериалов, от величины которых зависит изменение расстояния между электродами встречно-штыревых преобразователей при изменении рабочей температуры устройства, которое, как следствие, приводит к изменению центральной частоты фильтра. Поэтому для минимизации ТКЧ устройства необходимо минимизировать степень «расширения/сжатия» пьезоэлектрической пластины, особенно в ее приповерхностной области, где распространяются акустические волны.

Известны ПАВ-устройства, которые для решения проблемы температурной стабилизации частоты содержат, по крайней мере, один термокомпенсирующий слой, выполненный либо в области электродов ВШП, либо в виде промежуточного слоя в структуре гибридной слоистой пластины, включающей пьезоэлектрическую пластину, на которой сформированы упомянутые электроды. Термокомпенсирующие слои предпочтительно выполнены из диоксида кремния SiO₂. Достаточно малый коэффициент теплового расширения (КТР) диоксида кремния SiO₂ ограничивает температурное изменение линейных размеров («расширение/сжатие») пьезоэлектрической пластины, что позволяют улучшить термостабильность устройств. Однако наличие термокомпенсирующего слоя приводит к появлению дополнительных паразитных мод, как в полосе пропускания, так и в высокочастотной полосе заграждения устройства (см, например, К. Hashimoto et.al. "Recent development of temperature-compensated SAW devices", IEEE Ultrason. Symp. 2011, pp 79-86).

Так, например, патенты US, 6879225 и US, 1038998, опубликованные патентные заявки US, 2022/0173714 и US, 2022/0158080, а также патентные документы JP 2-37815; JP 8-265088 и JP 9-186542 раскрывают ПАВ-устройства, в которых для улучшения их температурно-частотных характеристик предусмотрен компенсирующий слой SiO₂ в области электродов ВШП. Наличие слоя SiO₂ позволяет уменьшить температурный коэффициент частоты ПАВ-устройств до 5 раз (порядка -18⋅10^-6 ед./град относительно стандартного значения -76⋅10^-6 ед./град), однако имеет ограничение, поскольку проявляются дополнительные вносимые потери за счет массовой нагрузки термокомпенсирующего слоя SiO₂.

Известны также термокомпенсированные ПАВ-устройства, которые содержат гибридную слоистую пластину, включающую пьезоэлектрический слой и несущую подложку, имеющую коэффициент теплового расширения (КТР) ниже, чем у активного пьезоэлектрического слоя (см. Miura М. et.al. "Temperature Compensated LiTaO₃/Sapphire Bonded SAW Substrate with low Loss and High coupling Factor Suitable for US-PCS Application", 2004 IEEE Ultrasonic Symposium, vol. 2, Aug. 23-27, 2004, pp. 1322-1325; а также патенты US, 9190981 и US, 9413334; опубликованная патентная заявка US, 2021/0083646). Использование несущей кремниевой подложки и пьезоэлектрического слоя из танталата лития LiTaO₃ улучшает температурный коэффициент частоты фильтра, поскольку низкий КТР кремния ограничивает температурное «расширение/сжатие» пьезоэлектрического слоя. Недостатком известных устройств, содержащих гибридные пластины, является возбуждение целого спектра паразитных акустических мод, которые искажают рабочие характеристики РЧ фильтра как в полосе пропускания, так и в высокочастотной области полосы заграждения (см., например, В.Р. Abbott et. al. "Characterization of bonded wafer for RF filters with reduced TCF", Proc. 2005 IEEE International Ultrason. Symp., Rotterdam, the Netherland, Sept. 19-21, 2005, pp.926-929, a также Sato et al. "Temperature Stable SAW Devices using Directly bonded LiTaO₃/Glass substrates", Proc. 1998 IEEE Ultra, Symp., pp. 335-338). Эти ложные резонансы, именуемые как «паразитные акустические волны», в частности, связаны с ложными (паразитными) отражениями основной акустической волны, распространяющейся преимущественно в поверхностной области слоя LiTaO₃, от нижележащих границ раздела, включая границу раздела между пьезоэлектрическим слоем LiTaCh и несущей кремниевой подложкой, а также с откликами паразитных объемных волн, отраженных от границ раздела, в которые частично преобразуется поверхностная акустическая волна.

Для подавления паразитной акустической волны гибридные слоистые пластины содержат между пьезоэлектрическим слоем и несущей подложкой промежуточный диэлектрический слой, выполненный из диоксида кремния SiO₂ и/или нитрида кремния Si₃N₄, и/или GeO₂ (см., например, патенты US, 10128814; US, 11335847 и опубликованную патентную заявку US, 2022/0173713). Известные термокомпенсированные ПАВ-устройства, выполненные на основе гибридных слоистых пластин с промежуточными диэлектрическими слоями, имеют улучшенный ТКЧ, но с ограничениями, т.к. увеличивается уровень вносимых потерь. Практическое применение в радиочастотных фильтрах на ПАВ известного принципа формирования гибридных слоистых пластин с промежуточными диэлектрическим слоями приводит к ухудшению избирательности фильтра в широком температурном диапазоне.

Как было отмечено выше, в резонаторных элементах на ПАВ полезная акустическая мода возбуждается электродной структурой ВШП, расположенного на поверхности пьезоэлектрической пластины, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту. Кроме того, могут возбуждаться дополнительные акустические моды (паразитные моды) в результате эффектов отражения внутри волноводной структуры, предназначенной для формирования полезной акустической моды. Дополнительные компоненты фильтров такие, как термокомпенсирующие слои, также могут быть источником возбуждения нежелательных паразитных мод.

Паразитные моды могут возникать в диапазонах частот, достаточно удаленных от рабочих частот фильтра, а именно, в высокочастотной полосе заграждения, что ухудшает избирательность фильтра в данном частотном диапазоне. Поэтому для обеспечения качественной фильтрации РЧ сигнала, фильтр должен одновременно обладать как температурной стабильностью, т.е. иметь минимальное влияние температуры на изменение средней частоты, так и высокой избирательностью, а именно иметь малый уровень возбуждения паразитных мод.

Работа всех устройств в модулях, микросборках и каскадах РЭА сопровождается выделением тепла, а увеличение мощности передаваемого РЧ сигнала, необходимое для качественного приема-передачи большого объема информации, создает дополнительный нагрев рабочей среды комплексов. В результате фильтр на ПАВ должен быть работоспособен в высокопроизводительном устройстве связи в широком диапазоне температур от минус 65°С до плюс 85°С. Однако традиционные пьезоматериалы, являющиеся конструктивной основой любого ПАВ фильтра с полосой пропускания не менее 2%, чувствительны к температуре и меняют свою структуру с изменением температуры, что приводит к сдвигам АЧХ и сужает рабочую полосу пропускания фильтра.

Несмотря на то, что были предприняты значительные усилия для улучшения эксплуатационных характеристик фильтров на ПАВ, остается потребность в промышленном производстве таких радиочастотных ПАВ фильтров с полосой пропускания не менее 2%, которые бы одновременно имели слабую зависимость центральной частоты фильтра от температуры в диапазоне от минус 60°С до плюс 85°С и низкий уровень возбуждения паразитных мод для обеспечения высококачественной фильтрации РЧ сигналов.

В рамках данной заявки решается задача разработки такой конструкции радиочастотного фильтра на ПАВ, которая обеспечивает одновременно высокий коэффициент электромеханической связи, уменьшенный более чем в 2 раза температурный коэффициент частоты в интервале температур от минус 60°С до плюс 85°С, неискаженные рабочие характеристики с малым уровнем возбуждения паразитных мод, а также внеполосную избирательность не менее минус 40 дБ относительно уровня минимального вносимого затухания фильтра.

Поставленная задача решается тем, что фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) лестничного типа содержит множество резонаторных элементов, сформированных на гибридной слоистой пластине, состоящей из несущей подложки, выполненной из нелегированного монокристаллического кремния с высоким удельным сопротивлением и имеющей кристаллографическую ориентацию <100>, и расположенного непосредственно на несущей подложке пьзоэлектрического слоя, выполненного из монокристаллического танталата лития YХl/42°-среза, на поверхности которого с противоположной стороны от несущей подложки сформированы электроды встречно-штыревых преобразователей, где толщина несущей подложки имеет величину из диапазона 230-400 мкм, толщина активного пьезоэлектрического слоя имеет величину из диапазона 10-30 мкм, при этом несущая подложка диаметром из диапазона 76,2-100,0 мм имеет одностороннюю полировку, а ее полированная сторона на границе с пьезоэлектрическим слоем имеет шероховатость поверхности величиной Ra≤0,7 нм и плоскостность поверхности TTV<10 мкм, кроме того несущая подложка соединена с пьезоэлектрическим слоем неразъемным термокомпрессионным соединением.

Предпочтительно, что нелегированный монокристаллический кремний имеет удельное сопротивление величиной не менее 10000 Ом⋅см.

Предпочтительно также, что пьезоэлектрический слой имеет относительную толщину h/λ=3,5…8, где λ - длина акустической волны на резонансной частоте, мкм; h - толщина пьезоэлектрического слоя, мкм.

Кроме того, предпочтительно, что электроды встречно-штыревых преобразователей выполнены из алюминия, имеют толщину из диапазона 0,1-0,4 мкм и коэффициент металлизации величиной из диапазона 0,4-0,6.

При этом, электроды встречно-штыревых преобразователей имеют ширину L/4, и апертуру w из диапазона 15-50λ.

Кроме того, кристаллографическая ориентация пьезоэлектрического слоя из монокристаллического танталата лития YXI/42°-среза определяет поверхность для распространения ПАВ.

Фильтр на ПАВ лестничного типа, выполненный согласно изобретению, имеет диапазон рабочих частот от 700 МГц до 2000 МГц.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Фильтр на ПАВ содержит гибридную слоистую пластину, состоящую только из двух слоев, имеющих неразъемное соединение, при этом какие-либо дополнительные термоком-пенсирующие слои между упомянутыми двумя слоями отсутствуют. Однако при отсутствии промежуточных термокомпенсирующих слоев между несущей кремниевой подложкой и пьезоэлектрическим слоем обеспечивается уменьшенный до величины не более минус 20⋅10^-6 ед./град ТКЧ фильтра в сочетании с его высокой избирательностью за счет уменьшения интенсивности возбуждения паразитных мод, как в полосе пропускания, так и в высокочастотной полосе заграждения. Сочетание термостабильности и высокой избирательности фильтра достигается за счет особого принципа формирования структуры гибридной слоистой пластины в отношении количества слоев, типа связи между слоями и состава материалов, из которых эти слои выполнены. Один из слоев является несущей подложкой, выполненной из нелегированного высокоомного монокристаллического кремния кристаллографической ориентации <100> и имеющей одностороннюю полировку требуемого качества. Другой слой расположен непосредственно на полированной стороне несущей кремниевой подложки в виде тонкого активного пьезоэлектрического слоя, выполненного из монокристалла танталата лития YXl/42°-среза. Полированная сторона несущей кремниевой подложки имеет требуемую степень шероховатости Ra и плоскостности поверхности TTV. Несущая кремниевая подложка и пьезоэлектрический слой требуемой кристаллографической ориентации имеют неразъемное термокомпрессионное соединение. Экспериментально найдено такое соотношение толщины несущей кремниевой подложки из монокристаллического кремния кристаллографической ориентации <100> и толщины пьезоэлектрического слоя конфигурации YXl/42°LT, при котором несущая кремниевая подложка, имея малый коэффициент температурного расширения, не позволяет пьезоэлектрическому слою существенно менять свои линейные размеры («расширение/сжатие»), особенно на границе с электродной структурой ВШП в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 85°С.

Геометрия несущей пластины существенно влияет на геометрию тонкого пьезоэлектрического слоя, поскольку толщина пьезоэлектрического слоя на порядок меньше толщины несущей кремниевой пластины. Незначительное изменение толщины несущей пластины в абсолютном выражении (мкм) приводит к значительному изменению толщины пьезоэлектрического слоя. Экспериментально установленные требования к шероховатости Ra и плоскостности TTV несущей пластины намного превосходят требования к стандартным кремниевым подложкам.

Данный особый системный принцип формирования структуры термокомпенсированного высокоизбирательного РЧ фильтра без термокомпенсирующих слоев между несущей кремниевой подложкой и тонким активным пьезоэлектрическим слоем минимизирует изменения размеров гибридной слоистой пластины и как следствие уменьшает температурный дрейф частоты РЧ фильтра, а также снижает интенсивность возбуждения паразитных мод в широком температурном диапазоне от минус 60°С до плюс 85°С.

Сущность изобретения поясняется неограничивающими примерами его реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг. 1 иллюстрирует поперечное сечение резонаторного элемента на основе гибридной слоистой пластины;

фиг. 2 иллюстрирует вид на гибридную слоистую пластину со стороны электродов ВШП;

фиг. 3 иллюстрирует принципиальную электрическую схему предпочтительного варианта исполнения ПАВ фильтра;

фиг. 4 иллюстрирует структуру резонаторного элемента, содержащего электроды ВШП и два отражателя;

фиг. 5 иллюстрирует амплитудно-частотную характеристику лестничного ПАВ фильтра на номинальную частоту 1587 МГц с относительной шириной полосы пропускания 2,8% на основе гибридной слоистой пластины YXl/42°-LT (20 mkm)/Si (230 мкм);

фиг. 6 иллюстрирует изменение амплитудно-частотной характеристики лестничного ПАВ фильтра на номинальную частоту 1587 МГц в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 85°С, где: минус 60°С - сплошная линия; комнатная температура плюс 20°С - пунктирная линия; плюс 85°С - точечная линия;

фиг. 7 иллюстрирует амплитудно-частотную характеристику лестничного ПАВ фильтра на номинальную частоту 1181 МГц с относительной шириной полосы пропускания 3,6% на основе гибридной слоистой пластины YXl/42°-LT (20 mkm)/Si (400 мкм);

фиг. 8 иллюстрирует амплитудно-частотную характеристику лестничного ПАВ фильтра на номинальную частоту 700 МГц с относительной шириной полосы пропускания 2,7% на основе гибридной слоистой пластины YXl/42°-LT (20 mkm)/Si (400 мкм).

Для раскрытия сущности изобретения на чертежах введены следующие обозначения: 1 - гибридная слоистая пластина; 2 - несущая подложка; 3 - слой пьезоэлектрика; 4 - электроды ВШП; 5,6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 - резонаторные элементы; 14 - коммутирующие соединения; 15 - конфигурация электродов ВШП; 16, 17 - отражатели.

Фиг. 1 раскрывает схему взаимного расположения слоев гибридной пластины конфигурации YXl/42°-LT и электродов ВШП безотносительно к толщинам слоев пластины, рабочей частоте фильтра, количеству электродов и конфигурации электродов ВШП (топологии).

Фиг. 2 раскрывает структуру лестничного ПАВ фильтра, где для простоты понимания обозначены только девять резонаторных элементов на поверхностных акустических волнах R₁-R₉, однако количество таких резонаторных элементов может быть увеличено, например, до 12, за счет использования данного изобретения.

Все резонаторные элементы R₁-R₉ (позиции 5-13) идентичны по структуре используемой гибридной слоистой пластины и по их составляющим в виде электродов ВШП и двум отражателям (см. фиг. 1 и фиг. 4), но могут различаться друг от друга по количеству электродов в ВШП, а также по величине периодов расположения электродов в ВШП и величине апертур w (область перекрытия соседних электродов разной полярности в направлении, перпендикулярном направлению распространения поверхностной акустической волны вдоль кристаллографического направления X, возбуждаемой ВШП).

Пример 1

Радиочастотный термокомпенсированный лестничный ПАВ фильтр на номинальную частоту 1587 МГц содержит гибридную слоистую пластину 1 (см. фиг. 1), состоящую из несущей подложки 2, выполненной из нелегированного монокристаллического кремния с удельным сопротивлением не менее 10000 Ом⋅см, и активного слоя пьезоэлектрика 3, расположенного непосредственно на несущей подложке 2. Несущая подложка толщиной 230 мм имеет кристаллографическую ориентацию <100>. Газоэлектрический слой толщиной 20 мкм (относительная толщина 8λ, где λ=2,5 мкм) выполнен из монокристаллического танталата лития YXl/42°-среза. Несущая подложка диаметром 100 мм имеет одностороннюю полировку, а ее полированная сторона на границе с пьезоэлектрическим слоем имеет шероховатость поверхности величиной Ra≤0,7 нм и плоскостность поверхности TTV<10 мкм.

Несущая подложка 2 и пьезоэлектрический слой 3 имеют друг с другом неразъемное термокомпрессионное соединение, выполненное при температуре не выше 180°С. Каких-либо промежуточных диэлектрических слоев, в том числе термокомпенсирующих слоев, между несущей кремниевой подложкой и слоем монокристаллического пьезоэлектрика нет (отсутствуют). На слое пьезоэлектрика 3 с противоположной стороны от несущей подложки 2 сформированы электроды встречно-штыревых преобразователей (ВШП) 4. Электроды ВШП выполнены из алюминия, толщина пленки алюминия 0,19 мкм, коэффициент металлизации 0,51. Топология электродов ВШП сформирована на поверхности пьезоэлектрического слоя 3 методом обратной фотолитографии (см. фиг. 2). Точность воспроизведения геометрических размеров электродных структур ВШП контролировалась методом атомно-силовой микроскопии.

Конфигурация тонкопленочной электродной структуры на поверхности пьезоэлектрического слоя гибридной пластины отображает серию последовательно соединенных резонаторных элементов R₁, R₃, R₆ и R₉ и параллельно соединенных резонаторных элементов R₂, R₄, R₅, R₇ и R₈ (см. фиг. 3), соответственно, позиции 5, 7, 10, 13 и 6, 8, 9, 11, 12 (см. фиг. 2), структура каждого из которых показана на фиг. 4. Каждый из резонаторных элементов имеет встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и два отражателя 16 и 17 (см. фиг. 4), при этом ВШП содержит электроды с чередующейся полярностью, где соседние электроды соединены с коммутирующими соединениями 14 разной полярности, что обеспечивает преобразование электрических сигналов в акустические волны и, наоборот. Величина перекрытия соседних разнополярных электродов определяет апертуру преобразователя w (см. фиг. 4).

Апертура электрода встречно-штыревого преобразователя выполнена с конфигурацией не более 34λ.

Полезная акустическая мода распространяется вдоль кристаллографического направления X, перпендикулярного протяженности электродов ВШП, расположенных на поверхности пьезоэлектрической пластины танталата лития, имеющей кристаллическую ориентацию XYl/42°. Фильтр имеет ТКЧ - 14,5⋅10^-6 ед./град (см. фиг. 6).

На фиг. 5 приведена амплитудно-частотная характеристика данного ПАВ фильтра с номинальной частотой 1587 МГц и относительной шириной полосы пропускания 2,8%. Фильтр имеет неискаженную характеристику в полосе пропускания, а избирательность во внеполосной области превышает минус 40 дБ за счет слабого уровня возбуждения паразитных мод.

Пример 2

Термокомпенсированный лестничный ПАВ фильтр на номинальную частоту 1181 МГц выполнен аналогично примеру 1, но с иными толщиной несущей подложки, относительной толщиной активного слоя пьезоэлектрика и толщиной пленки Al.

Данный фильтр содержит гибридную слоистую пластину 1 (см. фиг. 1), состоящую из несущей подложки 2 из нелегированного монокристаллического кремния с удельным сопротивлением аналогично примеру 1, и активного слоя пьезоэлектрика 3. Несущая кремниевая подложка 2 толщиной 400 мкм выполнена из высокоомного (нелегированного) монокристаллического кремния и имеет кристаллическую ориентацию <100>. Слой пьезоэлектрика 3 имеет неразъемное термокомпрессионное соединение с несущей подложкой 2, выполнен из монокристаллического танталата лития YXl/42° среза и имеет толщину 20 мкм (относительная толщина 6λ, где λ=3,3 мкм). Электродная структура ВШП выполнена на слое пьезоэлектрика 3, расположенного на несущей подложке 3 так, что монокристаллический пьезоэлектрический слой расположен между несущей подложкой 3 и электродами ВШП 4 (см. фиг. 1). Каких-либо промежуточных диэлектрических слоев, в том числе термокомпенсирующих слоев, между несущей кремниевой подложкой и слоем монокристаллического пьезоэлектрика нет (отсутствуют).

Электродная структура ВШП фильтра выполнена на основе пленки Al толщиной 0,28 мкм на слое пьезоэлектрика методом обратной фотолитографии с коэффициентом металлизации в электродах резонаторных элементов 0,5. Несущая подложка диаметром 100 мм имеет одностороннюю полировку, а ее полированная сторона на границе с пьезоэлектрическим слоем имеет шероховатость поверхности величиной Ra≤0,7 нм и плоскостность поверхности TTV<10 мкм.

ТКЧ фильтра составляет - 14,2⋅10^-6 ед./град.

На фиг. 7 приведена амплитудно-частотная характеристика данного ПАВ фильтра на номинальную частоту 1181 МГц с относительной шириной полосы пропускания 3,6%. Уровень возбуждения нежелательных мод уменьшен, за счет чего достигнута избирательность фильтра более минус 40 дБ без использования сложной конструкции фильтра на основе гибридной слоистой пластины с дополнительными диэлектрическими термокомпенсирующими слоями.

Пример 3

Термокомпенсированный лестничный ПАВ фильтр на номинальную частоту 700 МГц выполнен аналогично примеру 1, но с иными толщиной несущей подложки, относительной толщиной активного слоя пьезоэлектрика, толщиной пленки Al и количеством резонаторных элементов.

ПАВ-фильтр содержит гибридную слоистую пластину 1 (см. фиг. 1), состоящую из несущей подложки 2 из нелегированного монокристаллического кремния с удельным сопротивлением аналогично примеру 1, и активного слоя пьезоэлектрика 3. Несущая кремниевая подложка 2 толщиной 400 мкм выполнена из высокоомного (нелегированного) монокристаллического кремния и имеет кристаллическую ориентацию <100>. Слой пьезоэлектрика 3 имеет неразъемное термокомпрессионное соединение с несущей подложкой 2, выполнен из монокристаллического танталата лития YXl/42° среза и имеет толщину 10 мкм (относительная толщина 3,5λ, где λ,=5,7 мкм). Электроды ВШП выполнена на слое пьезоэлектрика 3, расположенного на несущей подложке 3 так, что монокристаллический пьезоэлектрический слой расположен между несущей подложкой 3 и электродами ВШП 4 (см. фиг. 1). Каких-либо промежуточных диэлектрических слоев, в том числе термокомпенсирующих слоев, между несущей кремниевой подложкой и слоем монокристаллического пьезоэлектрика нет (отсутствуют).

Электроды ВШП фильтра выполнены на основе пленки Al толщиной 0,4 мкм на слое пьезоэлектрика методом обратной фотолитографии с коэффициентом металлизации в электродных структурах резонаторных элементов 0,5.

ТКЧ фильтра составляет -10⋅10^-6 ед./град.

На фиг. 8 приведена амплитудно-частотная характеристика данного ПАВ фильтра на номинальную частоту 700 МГц с относительной шириной полосы пропускания 2,7%. Фильтр имеет неискаженную характеристику в полосе пропускания и избирательность во внеполосной области минус 40 дБ за счет слабого уровня возбуждения паразитных мод без использования сложной конструкции фильтра на основе гибридной слоистой пластины с дополнительными диэлектрическими термокомпенсирующими слоями.

Благодаря своей конструкции радиочастотный термокомпенсированный фильтр на ПАВ лестничного типа, выполненный согласно изобретению, обеспечивает диапазон номинальных частот от 700 МГц до 2000 МГц, ширину полосы пропускания не менее 2,0%, вносимое затухание не более 4,0 дБ и относительное гарантированное затухание не менее 40 дБ.

Таким образом, структура радиочастотного фильтра на ПАВ, выполненная согласно изобретению, обеспечивает как малую величину ТКЧ фильтра из диапазона (-10…-20)⋅10^-6 ед./град при базовом значении -40⋅10^-6 ед./град, так и малый уровень вносимых потерь, высокий коэффициент электромеханической связи, а также возможность обработки радиочастотных сигналов в полосе пропускания не менее 2% и работоспособность фильтра в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 85°С.

Данный фильтр на ПАВ может быть применен в радиочастотных модулях аппаратуры связи для формирования АЧХ и ФЧХ радиочастотного тракта радиоэлектронной аппаратуры с целью максимального пропускания передаваемой и обрабатываемой в радиочастотном тракте информации и максимального задерживания помеховых сигналов в интервале рабочих температур от минус 60°С до плюс 85°С.

Claims (7)

1. Фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) лестничного типа, содержащий множество резонаторных элементов, сформированных на гибридной слоистой пластине, состоящей из несущей подложки, выполненной из нелегированного монокристаллического кремния с высоким удельным сопротивлением и имеющей кристаллографическую ориентацию <100>, и расположенного непосредственно на несущей подложке пьезоэлектрического слоя, выполненного из монокристаллического танталата лития YXl/42°-среза, на поверхности которого с противоположной стороны от несущей подложки сформированы электроды встречно-штыревых преобразователей, где толщина несущей подложки имеет величину из диапазона 230-400 мкм, толщина активного пьезоэлектрического слоя имеет величину из диапазона 10-30 мкм, при этом несущая подложка диаметром из диапазона 76,2-100,0 мм имеет одностороннюю полировку, а ее полированная сторона на границе с пьезоэлектрическим слоем имеет шероховатость поверхности величиной Ra≤0,7 нм и плоскостность поверхности TTV<10 мкм, кроме того, несущая подложка соединена с пьезоэлектрическим слоем неразъемным термокомпрессионным соединением.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что нелегированный монокристаллический кремний имеет удельное сопротивление величиной не менее 10000 Ом⋅см.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что пьезоэлектрический слой имеет относительную толщину h/λ=3,5…8, где λ - длина акустической волны на резонансной частоте, мкм; h - толщина пьезоэлектрического слоя, мкм.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что электроды встречно-штыревых преобразователей выполнены из алюминия, имеют толщину из диапазона 0,1-0,4 мкм и коэффициент металлизации из диапазона 0,4-0,6.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что электроды встречно-штыревых преобразователей имеют ширину величиной λ/4 и апертуру w из диапазона 15-50λ.

6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что множество резонаторных элементов образуют одну последовательную ветвь резонаторов, расположенную между входом и выходом фильтра, а также параллельные ветви из электрически параллельных резонаторов, каждая из которых соединяет последовательную ветвь с земляным потенциалом.

7. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что кристаллографическая ориентация пьезоэлектрического слоя из монокристаллического танталата лития YXl/42°-среза определяет ориентацию поверхности для распространения акустической волны.

Images