WO2023087211A1 - 一种saw谐振器及saw滤波器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种SAW谐振器及SAW滤波器，涉及SAW领域，改善了现有技术中器件的声表面波的速度较高，难以满足通信系统对器件小型化的需求的问题。具体方案为：SAW谐振器包括：衬底；层叠设置在衬底上的第一介质层；层叠设置在第一介质层上的压电层，该压电层的材料包括铌酸锂LiNbO₃；以及，设置在压电层上的电极；其中，声表面波的速度低于衬底的体波波速，且声表面波的速度低于压电层的体波波速，且声表面波的速度低于第一介质层的体波波速。

Description

一种SAW谐振器及SAW滤波器 技术领域

本申请实施例涉及SAW领域，尤其涉及一种SAW谐振器及SAW滤波器。

背景技术

目前，随着移动通信技术的发展，通信频带的数量日益增加，声表面波(surface acoustic wave，SAW)滤波器因其具有良好的滤波性能得到了广泛应用。SAW滤波器可以由多个SAW谐振器级联构成。然而，现有技术中的SAW难以满足通信系统对器件小型化的需求。

发明内容

本申请实施例提供一种SAW谐振器及SAW滤波器，能够降低SAW的尺寸，提升器件小型化的性能。

为达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：

本申请实施例的第一方面，提供一种声表面波SAW谐振器，该SAW谐振器包括：衬底；层叠设置在衬底上的第一介质层；层叠设置在第一介质层上的压电层，该压电层的材料包括铌酸锂LiNbO ₃；以及，设置在压电层上的电极；其中，声表面波的速度低于衬底的体波波速，且声表面波的速度低于压电层的体波波速，且声表面波的速度低于第一介质层的体波波速。体波波速包括压缩振动体波的波速、水平剪切体波的波速和竖直剪切体波的波速。材料的特性可以用压缩振动、水平剪切和竖直剪切三个维度来表征，当这三个维度中的至少一个维度的波速不同时，体波波速就会不同。

上述声表面波的速度为SAW谐振器的谐振频率与波长的乘积。SAW谐振器的谐振频率为主谐振频率，波长为两个电极的中心距离的2倍。

基于本方案，由于压电层材料LiNbO ₃的体波波速较小，而且SAW谐振器的声表面波通过在压电层、第一介质层，以及衬底的材料中相互耦合，能够实现较低的声表面波速度，该较低的声表面波的速度小于压电层、第一介质层，以及衬底中任一层的体波波速。即本方案提供的SAW谐振器的声表面波的速度较低，由于声表面波的速度越低，SAW谐振器的波长越小，SAW谐振器的面积越小，因此本方案能够降低SAW谐振器的尺寸，提升器件小型化的性能。

在一种可能的实现方式中，上述衬底的体波波速高于压电层的体波波速，压电层的体波波速高于第一介质层的体波波速。

基于本方案，由于衬底的体波波速高于压电层和第一介质层的体波波速，而声波能量一般集中在体波波速较小的层，因此，通过设置波速较高的衬底，能够将声表面波的能量集中在压电层和第一介质层中，从而可以降低SAW谐振器的损耗，提高品质因数Q值，而且可以进一步降低声表面波的速度。

在一种可能的实现方式中，上述第一介质层相对于SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₂，其中，0.2λ<H ₂<0.7λ。

基于本方案，由于第一介质层设置不同厚度时会对声表面波的速度造成影响，本方案通过将第一介质层的厚度设置在一定范围内，能够进一步降低声表面波的速度，使得SAW谐振器的尺寸更小，更能满足通信系统对器件小型化的要求。

在一种可能的实现方式中，上述压电层相对于SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₃，其中，0.2λ<H ₃<0.7λ。

基于本方案，由于压电层设置不同厚度时会对声表面波的速度造成影响，本方案通过将压电层的厚度设置在一定范围内，能够进一步降低声表面波的速度，使得SAW谐振器的尺寸更小，更能满足通信系统对器件小型化的要求。

在一种可能的实现方式中，上述SAW谐振器还包括：层叠设置在衬底与第一介质层中间的至少一个第二介质层，第二介质层的材料包括低波速材料。

基于本方案，通过在衬底和第一介质层中间层叠设置一层或多层第二介质层，使得SAW谐振器的结构对工艺有更好的兼容性，能够丰富设计的自由度。

在一种可能的实现方式中，衬底的材料包括高波速材料。可选的，该高波速材料包括SiC、Si、钻石、蓝宝石、石英、金刚石、或多晶硅。

基于本方案，通过衬底采用高波速材料，能够将声表面波的能量集中在压电层和第一介质层中，从而不仅可以降低SAW谐振器的损耗，提高品质因数Q值，而且可以进一步降低声表面波的速度。

在一种可能的实现方式中，上述衬底的材料具有高热导率。

基于本方案，通过衬底采用高热导率、高波速的材料，不仅使得衬底具有良好的散热性，能够提高SAW谐振器的功率耐受性。还可以将声表面波的能量集中在压电层和第一介质层中，从而可以降低SAW谐振器的损耗，提高品质因数Q值，而且可以进一步降低声表面波的速度。

在一种可能的实现方式中，上述第一介质层的材料包括低波速材料。可选的，该低波速材料包括氧化硅、氮氧化硅、或氧化钽。

基于本方案，通过第一介质层采用低波速材料，该低波速材料可以用于温度补偿，能够提高SAW谐振器的温度稳定性。

在一种可能的实现方式中，上述LiNbO ₃的切型为θ°YX-LiNbO ₃，其中，100<θ<150。

基于本方案，通过设置压电材料LiNbO ₃的欧拉角，可以提高SAW谐振器的谐振特性。

在一种可能的实现方式中，上述电极为叉指结构。

基于本方案，通过将SAW谐振器的电极设置为叉指电极，可以通过改变叉指电极的间距调整谐振频率。

在一种可能的实现方式中，上述SAW谐振器还包括覆盖在上述电极上的第三介质层。

基于本方案，由于温度补偿效果越好，SAW谐振器的器件稳定性越好，因此通过在电极上设置第三介质层，可以进一步提高温度补偿效果，使得SAW谐振器的器件稳定性较好。

本申请实施例的第二方面，提供一种声表面波SAW谐振器，该SAW谐振器包括：衬底，层叠设置在衬底上的第一介质层，层叠设置在第一介质层上的压电层，压电层 的材料包括铌酸锂LiNbO ₃；以及，设置在压电层上的电极。其中，第一介质层相对于SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₂，0.2λ<H ₂<0.7λ，压电层相对于SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₃，0.2λ<H ₃<0.7λ。

本申请实施例的第三方面，提供一种声表面波SAW滤波器，该SAW滤波器包括匹配电路，以及一个或多个如上述第一方面或第二方面所述的SAW谐振器。

上述第二方面和第三方面的效果描述可以参考第一方面的效果描述，在此不再赘述。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种TC-SAW谐振器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种TC-SAW谐振器的仿真导纳曲线示意图；

图3为本申请实施例提供的一种SAW谐振器的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种SAW谐振器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种SAW谐振器的仿真导纳曲线示意图；

图6为本申请实施例提供的一种SAW谐振器中LiNbO ₃和SiO ₂的厚度与声速的相对关系的示意图；

图7为本申请实施例提供的一种SAW谐振器中LiNbO ₃和SiO ₂的厚度与机电耦合系数的相对关系的示意图；

图8为本申请实施例提供的又一种SAW谐振器的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的又一种SAW谐振器的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的又一种SAW谐振器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。在本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c，或，a和b和c，其中a、b和c可以是单个，也可以是多个。另外，为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。比如，本申请实施例中的第一介质层中的“第一”和第二介质层中的“第二”仅用于区分不同的介质层。本申请实施例中出现的第一、第二等描述，仅作示意与区分描述对象之用，没有次序之分，也不表示本申请实施例中对设备个数的特别限定，不能构成对本申请实施例的任何限制。

需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

需要说明的是，本申请实施例中的波速也可以称为声速。

随着通信技术的发展，相邻频带之间的间距变得非常狭窄，为了更好的过滤目标频段，这就要求滤波器具备更好的滤波性能。为了进一步提高SAW滤波器的滤波性能，使SAW滤波器具有较高的陡峭度，因此就需要构成SAW滤波器的SAW谐振器具有较高的品质因数Q值。而且随着SAW滤波器颗数的增加导致射频前端对SAW滤波器的小型化提出了更高的要求。由于SAW谐振器的波长λ与谐振频率f _s满足λ＝V _S/f _s，其中，V _S为声表面波的速度，波长λ为两个电极的中心距离的2倍。根据该式可知，声表面波的速度V _S越小，SAW谐振器的波长越小，故SAW谐振器的面积越小。因此可以通过降低声表面波的速度，减小SAW谐振器的面积。但是，器件尺寸的降低可能导致单个SAW谐振器的功率密度增加，功率密度的增加将影响器件的功率耐受性。

综上可知，低波速高Q值高功率耐受性的SAW谐振器及SAW滤波器的实现是当前SAW领域亟待解决的难题。

图1为一种温度补偿声表面波(temperature compensation，TC-SAW)谐振器的结构示意图。如图1所示，该TC-SAW谐振器包括压电基底层3、设在压电基底层3上的电极1，以及覆盖在电极1上的温度补偿层2。压电层3的材料可以包括铌酸锂LiNbO ₃，温度补偿层2的材料可以包括SiO ₂。压电基底层3能够实现电能与机械的相互转化而激发声表面波。

但是，由于图1所示的TC-SAW的声表面波的速度较高，一般为3600m/s左右，难以满足通信系统对器件小型化的要求。而且图1所示的TC-SAW谐振器的压电基底层的热导率低，散热性不好，因此功率耐受性较差。另外，图1所示的TC-SAW谐振器在高频点会向压电基底层3辐射能量，由于体波散射及泄露将导致器件损耗较大。结合图2中的仿真导纳曲线可知，导纳的实部较高，故TC-SAW谐振器的损耗较大，会对TC-SAW谐振器的Q值的提高造成限制。

本申请实施例中谐振器的谐振频率是指主谐振频率，如图2所示，图2中900M附近的谐振点即为谐振频率。

图3为另一种SAW谐振器的结构示意图。如图3所示，该SAW谐振器包括高波速层4、层叠设置在高波速层4上的温度补偿层2，层叠设置在温度补偿层2上的压电层3，以及设置在压电层3上的电极1。压电层3的材料可以包括42°YX-LiTaO ₃，温度补偿层2的材料可以包括SiO ₂，高波速层4的材料可以包括Si。

图3所示的SAW谐振器通过设置高波速层4，可以将声波的能量限制在压电层3，因此SAW谐振器的能量泄露较小，能够降低SAW谐振器的损耗，确保品质因数Q值较高。但是，由于LiTaO ₃的体波波速较高，使得图3所示的SAW谐振器的声表面波的速度较高，一般在3600m/s左右，难以满足通信系统对器件小型化的要求。

为了降低声表面波的速度以满足通信系统对器件小型化的要求，本申请实施例提供一种SAW谐振器，该谐振器的声表面波的速度较低、品质因数Q值较高，不仅滤波性能较好，而且能够满足通信系统对器件小型化的要求。

图4为本申请实施例提供的一种SAW谐振器，该SAW谐振器包括：衬底4，层叠设置在衬底4上的第一介质层2，层叠设置在第一介质层2上的压电层3，以及设置 在压电层3上的电极1。其中，压电层3的材料包括铌酸锂LiNbO ₃，声表面波的速度V _S低于衬底4的体波波速V ₄，且声表面波的速度V _S低于压电层3的体波波速V ₃，且声表面波的速度V _S低于第一介质层2的体波波速V ₂。

该声表面波的速度为SAW谐振器的谐振频率与SAW谐振器的波长的乘积。SAW谐振器的谐振频率为主谐振频率，SAW谐振器的波长为两个电极的中心距离的2倍。

体波波速包括压缩振动体波的波速、水平剪切体波的波速和竖直剪切体波的波速。材料的特性可以用压缩振动、水平剪切和竖直剪切三个维度来表征，当这三个维度中的至少一个维度的波速不同时，体波波速就会不同。

图4所示的SAW谐振器中压电层3的材料为LiNbO ₃，LiNbO ₃可以实现电能与机械能的相互转化以激发声表面波。由于LiNbO ₃的体波波速较LiTaO ₃的体波波速小，该LiNbO ₃的晶格结构使得LiNbO ₃可以工作在瑞利波模式，而且SAW谐振器的声表面波通过在压电层3、第一介质层2，以及衬底4的材料中相互耦合，能够实现较低的声表面波速度V _S，该较低的声表面波速度V _S小于压电层3、第一介质层2，以及衬底4中任一层的体波波速。即本申请实施例提供的SAW谐振器的声表面波的速度较低，因此该SAW谐振器的尺寸较小，因此能够满足通信系统对器件小型化的要求。

可选的，压电层3中LiNbO ₃的切型可以为θ°YX-LiNbO ₃，其中，100<θ<150。可以理解的，通过设置压电材料LiNbO ₃的欧拉角可以提高SAW谐振器的谐振特性和SAW滤波器的滤波特性。

可选的，衬底4的体波波速V ₄可以高于压电层3的体波波速V ₃，压电层3的体波波速V ₃可以高于第一介质层2的体波波速V ₂。即V ₄>V ₃>V ₂>V _s。由于衬底的体波波速高于压电层和第一介质层的体波波速，而声波能量一般集中在波速较小的层，因此，通过设置波速较高的衬底，可以将声表面波的能量集中在压电层和第一介质层中，能够降低SAW谐振器的损耗，提高品质因数Q值，而且可以进一步降低声表面波的速度。

衬底4的材料可以为高波速材料，该高波速材料可以包括但不限于SiC、Si、钻石Diamond、蓝宝石Sapphire、石英Quartz、金刚石、或多晶硅等材料。可以理解的，本申请实施例对于衬底4的具体材料并不进行限定，能够将能量封闭在压电层3和第一介质层2的材料都可以作为衬底4的材料。

可选的，该衬底4的高波速材料还可以具有高热导率，从而使得衬底4具有良好的散热性，能够提高SAW谐振器的功率耐受性。

第一介质层2的材料可以为具有正温度系数且慢波速特性的材料。第一介质层2的材料包括但不限于氧化硅、氮氧化硅、或氧化钽等低波速材料。该第一介质层2可以用于温度补偿，以提高SAW谐振器的温度稳定性。

电极1的结构可以为叉指结构，电极1的材料可以包括但不限于Al、Cu、Pt、Au、或Ag等金属材料。可以理解的，通过调整叉指电极的间距可以改变谐振频率。

示例性的，以图4所示的SAW谐振器中电极1的材料为Cu，第一介质层2的材料为SiO ₂、压电层3的材料为LiNbO ₃，衬底4的材料为SiC为例，图5为该SAW谐振器的仿真导纳曲线。结合图5和图2可知，图5所示的导纳曲线与图2所示的导纳曲线相比，图5所示的导纳曲线的实部较小，即本申请实施例提供的SAW谐振器的 损耗远小于图1所示的TC-SAW谐振器的损耗。

可选的，第一介质层2相对于SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₂，其中，0.2λ<H ₂<0.7λ。即采用SAW谐振器的波长λ归一化的第一介质层的厚度为H ₂。

可选的，压电层3相对于SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₃，其中，0.2λ<H ₃<0.7λ。即采用SAW谐振器的波长λ归一化的压电层的厚度为H ₃。

示例性的，以图4所示的SAW谐振器中第一介质层2的材料为SiO ₂，压电层3的材料为LiNbO ₃为例，图6为SAW谐振器中LiNbO ₃和SiO ₂的厚度与声速的相对关系。如图6所示，LiNbO ₃的厚度和SiO ₂的厚度不同时，SAW谐振器的声表面波的速度不同。当SiO ₂的厚度相对于SAW谐振器的波长λ为0.2λ至0.7λ，LiNbO ₃的厚度相对于SAW谐振器的波长λ为0.2λ至0.7λ时，SAW谐振器的声表面波的速度变化范围为2600m/s至3250m/s，相对于图1或图3所示的SAW谐振器，声表面波的速度降低了近1000m/s左右。因此，相较于图1或图3所示的SAW谐振器，本申请实施例提供的SAW谐振器的声表面波的速度较低，故本申请实施例提供的SAW谐振器的尺寸较小，能够满足通信系统对器件小型化的要求。

示例性的，以图4所示的SAW谐振器中第一介质层2的材料为SiO ₂，压电层3的材料为LiNbO ₃为例，图7为SAW谐振器中LiNbO ₃和SiO ₂的厚度与机电耦合系数的相对关系。如图7所示，LiNbO ₃的厚度和SiO ₂的厚度不同时，SAW谐振器的机电耦合系数不同，当SiO ₂的厚度相对于SAW谐振器的波长λ为0.2λ至0.7λ，LiNbO ₃的厚度相对于SAW谐振器的波长λ为0.2λ至0.7λ，SAW谐振器的机电耦合系数的变化范围为：5％～12％。即本申请实施例提供的SAW谐振器的机电耦合系数较高，因此，本申请实施例提供的SAW谐振器可以满足低声速、高机电耦合系数、低功耗、高品质因数Q及高功率耐受性的需求。

可选的，如图8所示，本申请实施例提供的SAW谐振器还可以包括层叠设置在衬底4与第一介质层2中间的第二介质层5。该第二介质层5可以为一层，也可以为多层，本申请实施例对此并不限定，图8以第二介质层5为多层为例进行示意。

该第二介质层的材料可以为低波速材料。第二介质层的材料可以包括但不限于氧化硅、氮氧化硅、或氧化钽等低波速材料。可以理解的，通过在SAW谐振器的衬底与第一介质层中间层叠设置一层或多层第二介质层，从而使得SAW谐振器的结构对工艺有更好的兼容性，能够丰富设计的自由度。

可选的，本申请实施例提供的SAW谐振器还可以包括覆盖在电极1上的第三介质层6。该第三介质层6的材料可以包括SiO ₂。

例如，如图9或图10所示，SAW谐振器还可以包括层叠设置在压电层上3的第三介质层6，该第三介质层6可以覆盖在电极1上。由于温度补偿效果越好，SAW谐振器的器件稳定性越好，因此通过设置第三介质层6，可以进一步提高温度补偿效果，使得SAW谐振器的器件稳定性较好。

可以理解的，本申请实施例提供的SAW谐振器，通过将压电层的材料采用体波波速较小的铌酸锂LiNbO ₃，并将第一介质层和压电层的厚度设置在一定范围内，能够确保声表面波的速度低于衬底、压电层以及第一介质层中任一层的体波波速。即本申请实施例提供的SAW谐振器的声表面波的速度较低，因此SAW谐振器的尺寸较小， 能够满足通信系统对器件小型化的要求。而且本申请实施例提供的SAW谐振器通过设置波速较高的衬底，可以将声表面波的能量集中在压电层和第一介质层中，能够降低SAW谐振器的损耗，提高品质因数Q值。另外，本申请实施例提供的SAW谐振器的衬底通过采用高热导率的材料，使得衬底具有良好的散热性，能够提高SAW谐振器的功率耐受性。也就是说，本申请实施例提供的SAW谐振器可以满足低声速、高机电耦合系数、低功耗、高品质因数Q及高功率耐受性的需求。

本申请实施例还提供一种SAW滤波器，该SAW滤波器包括匹配电路，以及一个或多个如图4或图8所示的SAW谐振器。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1. 一种声表面波SAW谐振器，其特征在于，所述SAW谐振器包括：

   衬底；

   层叠设置在所述衬底上的第一介质层；

   层叠设置在所述第一介质层上的压电层，所述压电层的材料包括铌酸锂LiNbO ₃；以及，

   设置在所述压电层上的电极；

   其中，声表面波的速度低于所述衬底的体波波速，且所述声表面波的速度低于所述压电层的体波波速，且所述声表面波的速度低于所述第一介质层的体波波速。
2. 根据权利要求1所述的SAW谐振器，其特征在于，所述衬底的体波波速高于所述压电层的体波波速，所述压电层的体波波速高于所述第一介质层的体波波速。
3. 根据权利要求1或2所述的SAW谐振器，其特征在于，所述第一介质层相对于所述SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₂，其中，0.2λ<H ₂<0.7λ。
4. 根据权利要求3所述的SAW谐振器，其特征在于，所述压电层相对于所述SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₃，其中，0.2λ<H ₃<0.7λ。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述SAW谐振器还包括：

   层叠设置在所述衬底与所述第一介质层中间的至少一个第二介质层，所述第二介质层的材料包括低波速材料。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述衬底的材料包括高波速材料。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述高波速材料包括SiC、Si、钻石、蓝宝石、石英、金刚石、或多晶硅。
8. 根据权利要求6或7所述的SAW谐振器，其特征在于，所述衬底的材料具有高热导率。
9. 根据权利要求1-8中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述第一介质层的材料包括低波速材料。
10. 根据权利要求9所述的SAW谐振器，其特征在于，所述低波速材料包括氧化硅。
11. 根据权利要求1-10中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述LiNbO ₃的切型为θ°YX-LiNbO ₃，其中，100<θ<150。
12. 根据权利要求1-11中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述电极为叉指结构。
13. 根据权利要求1-12中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述SAW谐振器还包括覆盖在所述电极上的第三介质层。
14. 一种声表面波SAW谐振器，其特征在于，所述SAW谐振器包括：

    衬底；

    层叠设置在所述衬底上的第一介质层；

    层叠设置在所述第一介质层上的压电层，所述压电层的材料包括铌酸锂LiNbO ₃； 以及，

    设置在所述压电层上的电极；

    其中，所述第一介质层相对于所述SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₂，其中，0.2λ<H ₂<0.7λ，所述压电层相对于所述SAW谐振器的波长λ具有厚度H ₃，其中，0.2λ<H ₃<0.7λ。
15. 一种声表面波SAW滤波器，其特征在于，所述SAW滤波器包括匹配电路，以及一个或多个如权利要求1-14中任一项所述的SAW谐振器。

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