CN108039872A - 一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，能够有效地抑制瑞利波和体波引起的杂波响应。此高性能声表面波滤波器的谐振器结构（1）是由单晶Si基板（2），多层薄膜结构（7），YX‑θ LiTaO3压电薄膜（5）以及以Al或Cu电极为主的叉指电极IDT和反射栅（6）等由下至上依次叠加设置构成。所述多层薄膜结构（7）是由高声阻抗薄膜（3）和低声阻抗薄膜（4）交替沉积而成。所述高性能声表面波滤波器的谐振器结构（1）的优化方式如下：所述YX‑θ LiTaO3压电薄膜的欧拉角θ和标准化厚度分别满足如下关系：0≤θ≤60，0.1λ≤h LT≤0.5λ。

Description

一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计
技术领域
本发明涉及用于移动通讯射频前端的声表面波器件的谐振器结构设计，尤其是涉及一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计。
背景技术
声表面波（SAW）滤波器由于其体积小，性能高，成本合理而成为移动电话射频（RF）前端应用中不可或缺的关键元器件。随着智能手机和视频服务的普及，移动数据流量的增加和移动终端高速数据传输速率成为当前移动通信中的迫切需求。在这种情形下，对于滤波元件，除了较低的***损耗和较高的衰减之外，还需要进一步的提高通带形状的矩形化和过渡带的陡度，这要求用于滤波器的SAW谐振器具有更高品质因数（Q）和更小的频率温度系数（TCF）。因此，国内外学者致力于寻找能够用于开发满足当代高性能滤波器需求的SAW谐振器结构。
经对现有技术的文献检索发现，2016年，在文献“Incredible High PerformanceSAW resonator on Novel Multi-layerd Substrate（T. Takai et al., IEEEInternational Ultrasonics Symposium Proceedings 2016）”中，日本村田公司提出了一种使用旋转Y板X传播的LiTaO3 结合高、低声阻抗材料构成的声学布拉格反射器堆叠的新型层状结构，利用该结构设计成难以置信的高性能(IHP) SAW谐振器（相对于传统器件Q值提高三倍，TCF减小到1/5），并使用该谐振器研制了一个高性能的Band25的双工器。于此同时，在文献“Solidly Mounted Ladder Filter using Shear Horizontal Wave in LiNb03（M. Kadota et al., IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings2016）”中，日本东北大学也提出了一种使用旋转Y板X传播的LiNbO3结合高、低声阻抗材料构成的声学布拉格反射器堆叠的层状结构，利用水平剪切波，利用该结构研制成超宽带、低损耗的梯形滤波器。
基于现有技术的文献的启示，我们发现采用高、低声阻抗材料构成的声学布拉格反射器构成的层状结构能够减小SAW能量在深度方向的泄露，从而大幅度的提高器件的Q值。但是，现有的技术文献涉及此类层状结构上声表面波的传播特性和结构参数优化设计未见报道，这是开发面向不同应用需求的高性能声表面波滤波器的急需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向具有高、低声阻抗材料构成的声学布拉格反射器堆叠的IDT/ YX-θ LiTaO3/SiO2/AlN/Si层状结构，并且给出该层状结构上声表面波的传播特性和结构参数优化，设计具有良好的频率、温度稳定性和高品质因数的谐振器，从而用于开发具高性能声表面波滤波器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其利用水平剪SH切波，包括：单晶Si基板（2），多层薄膜结构（7），YX-θ LiTaO3压电薄膜（5）以及以Al或Cu电极为主的叉指电极IDT和反射栅（6）等由下至上依次叠加设置构成。所述多层薄膜结构（7）是由高声阻抗薄膜（3）和低声阻抗薄膜（4）交替沉积而成。
根据本发明，提供一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于
所述YX-θ LiTaO3压电薄膜的膜厚(h LT)在0.1λ~0.5λ的范围内。
所述欧拉角θ在0o~60o的范围内。
所述高声阻抗薄膜（3）的材料采用蓝宝石，氧化铝，氮化硅SiN，氮化铝AlN等，但不限于此。
所述高声阻抗薄膜（3）的膜厚(h AlN)在0.1λ~0.35λ的范围内。
所述低声阻抗薄膜（4）的材料采用二氧化硅SiO2，氮氧化硅SiON，五氧化二钽Ta2O5等，但不限于此。
所述低声阻抗薄膜（4）的膜厚(h SiO2)在0.01λ~0.25λ的范围内。
所述电极（6）的厚度(h e)为0.8λ以下。
所述IDT电极的占空比在0.3~0.8的范围内。
所述IDT的电极指对数大于50。
所述反射栅的电极指对数大于30。
发明效果
在本发明涉及的一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计中，其利用水平剪SH切波，包括：单晶Si基板（2），多层薄膜结构（7），YX-θ LiTaO3压电薄膜（5）以及以Al或Cu电极为主的叉指电极IDT和反射栅（6）等由下至上依次叠加设置构成。所述多层薄膜结构（7）是由高声阻抗薄膜（3）和低声阻抗薄膜（4）交替沉积而成。该多层薄膜结构能够将声表面波的能量集中在YX-θ LiTaO3压电薄膜中，通过优化设计结构参数，其水平剪切波的机电耦合系数高达13.2%，而瑞利波的机电耦合系数低于0.2%，实现了对瑞利波和体波引起的乱真的抑制，能够获得较高的品质因数Q；且若利用温度系数相反的材料作为高、低声阻抗，具有天然的温度补偿效果，能够改善频率温度特性。
因此，利用本发明的结构的声表面波谐振器，能够获得非常高机电耦合系数，同时，具有良好的频率温度稳定性和非常高的品质因数，通过有效的结构优化设计能够有效地抑制瑞利波和体波引起的杂波响应。
附图说明
图1（a）、（b）、（c）是本发明的一个实施方式涉及的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构的平面图以及放大表示其主要部分的部分欠缺放大主视截面图。
图2是表示在实施方式中，电极厚度变化时的瑞利波和SH波的机电耦合系数K 2的变化图。
图3是表示在实施方式中，电极厚度变化时的瑞利波和SH波的谐振V r和反谐振相速度V a的变化图。
图4是表示在实施方式中，YX-θ LiTaO3的膜厚变化时的瑞利波和SH波的机电耦合系数K 2的变化图。
图5是表示在实施方式中，YX-θ LiTaO3的膜厚变化时的瑞利波和SH波的谐振V r和反谐振相速度V a的变化图。
图6是表示在实施方式中，欧拉角（0o，θ，0o）的θ变化时的瑞利波和SH波的机电耦合系数K 2的变化图。
图7是表示在实施方式中，欧拉角（0o，θ，0o）的θ变化时的瑞利波和SH波的谐振V r和反谐振相速度V a的变化图。
具体实施方式
以下，通过参照附图对本发明的具体的实施方式进行说明。
图1（a）所示是本发明的一个实施方式涉及的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构的平面图，（b）和（c）是放大表示其主要部分的部分欠缺放大主视截面图。
实施例1
一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构（1），如图1（c）所示，使用单晶Si基板（2），多层薄膜结构（7），YX-θ LiTaO3压电薄膜（5）以及以Cu电极为主的叉指电极IDT和反射栅（6）等由下至上依次叠加设置构成。所述多层薄膜结构（7）是由高声阻抗薄膜（3）和低声阻抗薄膜（4）交替沉积而成，如图1（b）所示。
本实施例中，单晶Si基板的厚度大于等于2λ，高声阻抗薄膜和低声阻抗薄膜分别是厚度为0.25λ的AlN和SiO2薄膜。YX-θ LiTaO3压电薄膜厚度为0.2λ，欧拉角为θ=42o，电极厚度范围为0.01λ~0.08λ。
图2和图3分别为该实施例中声表面波谐振器结构在不同的电极厚度下一阶瑞利波和二阶水平剪切波的机电耦合系数和谐振、反谐振处的相速度曲线。如图2中所示，水平剪切波的机电耦合系数随着膜厚的增加，先增加后减小，在电极厚度为0.02λ时，机电耦合系数取值最大：12%。而瑞利波的机电耦合系数很小（低于0.2%）且随着电极厚度变化基本不变。如图3中所示，瑞利波和水平剪切波的相速度随着电极厚度的增加而减小。其中瑞利波的相速度范围约为2200~2800m/s，水平剪切波的相速度约为2500~4000m/s。
实施例2
本实施例，电极厚度为0.02λ，YX-θ LiTaO3压电薄膜厚度范围为0.1λ~2λ，其余同实施例1。
图4和图5分别为该实施例中声表面波谐振器结构在不同的YX-θ LiTaO3压电薄膜厚度下一阶瑞利波和二阶水平剪切波的机电耦合系数和谐振、反谐振处的相速度曲线。如图4中所示，水平剪切波的机电耦合系数随着膜厚的增加，先增加后减小，在YX-θ LiTaO3压电薄膜厚度为0.2λ时，机电耦合系数取值最大：12%。而瑞利波的机电耦合系数很小（低于0.17%）且随着YX-θ LiTaO3压电薄膜厚度变化基本不变。如图5中所示，瑞利波和水平剪切波的相速度随着电极厚度的增加均而增加。其中瑞利波的相速度约为~2800m/s，水平剪切波的相速度约为~4000m/s。
实施例3
本实施例，电极厚度为0.02λ，YX-θ LiTaO3压电薄膜厚度范围为0.2λ，欧拉角为θ范围为0o~180 o，其余同实施例1。
图6和图7分别为该实施例中声表面波谐振器结构在不同的欧拉角θ下一阶瑞利波和二阶水平剪切波的机电耦合系数和谐振、反谐振处的相速度曲线。如图6中所示，当欧拉角θ在0o~60 o内，水平剪切波的机电耦合系数为8.7%~12%；在欧拉角为25 o时，机电耦合系数取值最大：13.2%；在欧拉角为120 o时，机电耦合系数几乎为0。而瑞利波的机电耦合系数随着膜厚的增加，先增加后减小，在欧拉角为130 o，机电耦合系数取值最大：2%。如图7中所示，瑞利波的相速度约为~2650m/s，水平剪切波的相速度约为~3500m/s。
上述结果显示：通过合理优化本发明提出的IDT/ YX-θ LiTaO3/SiO2/AlN/Si的多层结构，利用其水平剪切波，能够获得较大的机电耦合系数和较高的声速，能应用于工作在GHz的大带宽SAW器件。此外，且该结构采用具有温度系数相反的高低声阻抗材料，天然的具有温补效果，在制造具有高品质因数和高温度稳定性的高性能滤波器方面具有良好的应用前景。

Claims (11)

1.一种用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其利用水平剪SH切波，包括：单晶Si基板（2），多层薄膜结构（7），YX-θ LiTaO3压电薄膜（5）以及以Al或Cu电极为主的叉指电极IDT和反射栅（6）等由下至上依次叠加设置构成。所述多层薄膜结构（7）是由高声阻抗薄膜（3）和低声阻抗薄膜（4）交替沉积而成。
2.如权利要求1所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述YX-θ LiTaO3压电薄膜的膜厚(h LT)在0.1λ~0.5λ的范围内。
3.如权利要求1或2所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述欧拉角θ在0o~60o的范围内。
4.如权利要求1~3中任意一项所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述高声阻抗薄膜（3）的材料采用蓝宝石，氧化铝，氮化硅SiN，氮化铝AlN等，但不限于此。
5.如权利要求1~4中任意一项所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述高声阻抗薄膜（3）的膜厚(h AlN)在0.1λ~0.35λ的范围内。
6.如权利要求1~5中任意一项所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述低声阻抗薄膜（4）的材料采用二氧化硅SiO2，氮氧化硅SiON，五氧化二钽Ta2O5等，但不限于此。
7.如权利要求1~6中任意一项所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述低声阻抗薄膜（4）的膜厚(h SiO2)在0.01λ~0.25λ的范围内。
8.如权利要求1~7中任意一项所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述电极（6）的厚度(h e)为0.8λ以下。
9.如权利要求1~8中任意一项所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述IDT电极的占空比在0.3~0.8的范围内。
10.如权利要求1~9中任意一项所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述IDT的电极指对数大于50。
11.如权利要求1~10中任意一项所述的用于高性能声表面波滤波器的谐振器结构设计，其特征在于：所述反射栅的电极指对数大于30。
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