CN113708739B - 一种声波滤波器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例所公开的一种声波滤波器，包括多个谐振器，多个谐振器包括多个串联臂谐振器和多个并联臂谐振器，串联臂谐振器和所述并联臂谐振器之间的夹角在预设夹角区间内；每个谐振器包括：支撑衬底、压电薄膜和多个电极，压电薄膜设置在支撑衬底上，多个电极设置在压电薄膜上。基于本申请实施例通过将串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角设置在预设夹角区间内，可以抑制瑞利杂波，提高滤波器的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件技术领域，尤其涉及一种声波滤波器。
背景技术
随着材料制备工艺的进步，基于压电薄膜-支撑衬底结构的声波滤波器，相较于传统的基于压电材料或压电厚膜-支撑衬底结构的声波滤波器，能够展现极其出色的综合性能。现有技术中提出了基于钽酸锂-二氧化硅-硅三层结构的滤波器，该滤波器不适用于高频、大带宽的应用场景，现有技术中还提出了基于铌酸锂-碳化硅的双层结构的滤波器，在该异质结构的滤波器中，部分谐振器的电学响应中会出现瑞利杂波，该瑞利杂波可以严重影响滤波器通带的平坦度。
发明内容
本申请实施例提供一种声波滤波器，可以抑制瑞利杂波，提高滤波器的综合性能。
本申请实施例提供了一种声波滤波器，包括：多个谐振器，多个谐振器包括多个串联臂谐振器和多个并联臂谐振器，串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角在预设夹角区间内；
每个谐振器包括：
支撑衬底；
压电薄膜，压电薄膜设置在支撑衬底上；
多个电极，多个电极设置在压电薄膜上。
进一步地，压电薄膜的厚度为第一数值；
多个电极中相邻两个电极间的中心距离为第二数值；
第一数值小于1.6倍的第二数值。
进一步地，压电薄膜的切型为X切型。
进一步地，预设夹角区间为[0°,15°]。
进一步地，压电薄膜的材料为铌酸锂或钽酸锂。
进一步地，支撑衬底的材料为单晶碳化硅或蓝宝石。
进一步地，还包括：
介质层，介质层的厚度在预设厚度区间内，预设厚度为(0nm,300nm)。
进一步地，介质层设置在支撑衬底的上表面，且在压电薄膜的下表面。
进一步地，介质层设置在压电薄膜上；或者；
介质层设置在电极上。
进一步地，介质层的厚度为第三数值，
第三数值小于0.7倍的第一数值。
本申请实施例具有如下有益效果：
本申请实施例所公开的一种声波滤波器，包括多个谐振器，多个谐振器包括多个串联臂谐振器和多个并联臂谐振器，串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角在预设夹角区间内；每个谐振器包括支撑衬底、压电薄膜和多个电极，压电薄膜设置在支撑衬底上，多个电极设置在压电薄膜上。基于本申请实施例将串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角设置在预设夹角区间内，可以抑制瑞利杂波，提高滤波器的综合性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是现有基于铌酸锂-碳化硅双层结构的谐振器的截面示意图；
图2是现有基于铌酸锂-碳化硅双层结构的谐振器的俯视示意图；
图3是现有滤波器的结构示意图；
图4是现有双层结构的谐振器在不同波长下的导纳曲线示意图；
图5是水平剪切波的俯视振型图；
图6是瑞利杂波的截面振型图；
图7是双层结构的滤波器及其对应谐振器的电学响应示意图；
图8是本申请实施例提供的一种声波滤波器的结构示意图；
图9是双层结构的谐振器在2um波长下不同面内传播方向对应的导纳响应的曲线示意图；
图10是双层结构的谐振器在1.6um波长下不同面内传播方向对应的导纳响应的曲线示意图；
图11是本申请实施例提供的滤波器及其对应谐振器的电学响应示意图；
图12是现有三层结构的谐振器的电学响应示意图；
图13是本申请实施例提供的一种声波滤波器的截面示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一个实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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申请和简化描述，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申请的限制。术语“第一”、“第二”和“第三”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”和“第三”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
图1是现有基于铌酸锂-碳化硅双层结构的谐振器的截面示意图，图2是现有基于铌酸锂-碳化硅双层结构的谐振器的俯视示意图，图3是现有滤波器的结构示意图。如图1-3所示，现有滤波器可以由多个双层谐振器拓扑级联构成，其中，谐振器的压电薄膜可以为500nm的X切铌酸锂，面内传播方向可以为170°，图1中的101区域为叉指电极，103区域为反射栅电极，电极的材料可以为铝，电极的宽度可以为120nm，电极占空比可以为50％，支撑衬底可以为4H-SiC。
图4是现有双层结构的谐振器在不同波长下的导纳曲线示意图，图5是水平剪切波的俯视振型图，图6是瑞利杂波的截面振型图，图7是双层结构的滤波器及其对应谐振器的电学响应示意图。从图4中可以看出，随着电极波长从2.4um减小至1.8um时，导纳曲线中开始出现瑞利杂波，且随着波长的减小，瑞利杂波的强度逐渐增强。从图5中可以看出，水平剪切波沿着水平方向振动。从图6中可以看出，瑞利杂波沿着厚度方向振动。从图7中可以看出，当谐振器中存在瑞利杂波时，会在滤波器的通带内产生较大的凹陷，进而影响滤波器的正常工作。对于铌酸锂/钽酸锂-硅这种双层结构，由于硅的声速仅略高于铌酸锂或钽酸锂中SH0模式的声速，SH0模式的能量容易泄露至硅衬底中，导致谐振器的综合性能较差，因此一般不直接采用硅作为支撑衬底，而是在压电薄膜和硅之间加入氧化硅层，以提高压电薄膜内声波能量的局域效果。
为了解决现有由多个铌酸锂/钽酸锂-碳化硅或蓝宝石双层结构的谐振器拓扑级联构成滤波器存在瑞利杂波，严重影响滤波器的通带的平坦度，严重影响滤波器的性能的问题，本申请实施例提供了一种声波滤波器。
下面介绍本申请一种声波滤波器的具体实施例，图8是本申请实施例提供的一种声波滤波器的结构示意图。本说明书提供了如实施例或结构示意图所示的组成结构，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的器件。实施例中列举的组成结构仅仅为众多组成结构中的一种方式，不代表唯一的组成结构，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的组成结构执行。
具体的如图8所示，该滤波器可以包括：多个谐振器，多个谐振器可以包括多个串联臂谐振器和多个并联臂谐振器，串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角可以在预设夹角区间内，即串联臂谐振器和并联臂谐振器的面内放置方向存在一个夹角θ。通过设置串联臂谐振器和并联臂谐振器的面内放置方向夹角，可以抑制瑞利杂波，提高滤波器的综合性能。
本申请实施例中，每个谐振器可以包括支撑衬底、压电薄膜和多个电极，该压电薄膜可以设置在支撑衬底上，多个电极可以设置在压电薄膜上。也即是，滤波器可以包括串联臂谐振器和并联臂谐振器，其中，串联臂谐振器和串联臂谐振器自下而上均可以包括支撑衬底、压电薄膜和多个电极。
本申请实施例中，预设夹角区间可以为[0°,15°]。可选地，串联臂谐振器和并联臂谐振器的面内放置方向可以存在一个夹角θ，该夹角θ可以为4°，即θ＝4°。
本申请实施例中，压电薄膜的厚度可以为第一数值h，多个电极中相邻两个电极间的中心距离可以为第二数值p。其中，第一数值h可以小于1.6倍的第二数值p，即h≤1.6p。通过设置压电薄膜的厚度和电极的厚度可以改变谐振器的波长和面内传播方向。
本申请实施例中，支撑衬底为体波声速高于单晶硅的低声传输损耗材料。
在一种可选的实施方式中，支撑衬底的材料可以为单晶碳化硅SiC或蓝宝石Sapphire。具体地，支撑衬底的材料可以为4H-SiC。
本申请实施例中，压电薄膜的材料可以为铌酸锂或钽酸锂。
本申请实施例中，声波滤波器主要由若干个串联臂谐振器和并联臂谐振器级联形成，通过电极在压电薄膜中激发水平剪切波SH0，并利用高声速支撑衬底将声场能量局域于压电薄膜内，以实现器件的高性能。
对于铌酸锂和钽酸锂材料，水平剪切波SH0的激发，一般选取旋转Y切型或X切型。对于旋转Y切铌酸锂或钽酸锂，对应的欧拉角为(B,A,0°)。其中，B为谐振器在平面内与晶体X轴正向的夹角，A为晶体Y轴正向与薄膜法线方向的夹角。例如，Y42°切型，对应的欧拉角为(B,48°,0°)。在器件设计过程中，B一般为0°，主要是因为铌酸锂和钽酸锂材料为三方晶系的压电材料，在面内其他方向(B≠0)时，水平剪切波SH0的响应会发生“劈裂”，即会出现两个SH0模式的谐振峰。因此，对于基于旋转Y切铌酸锂或钽酸锂的声波滤波器，其所包含的所有谐振器必须均沿着晶体X轴方向激发水平剪切波SH0。对于X切铌酸锂或钽酸锂，对应的欧拉角为(B，90°，90°)，其中，B为谐振器在平面内与晶体Y轴正向的夹角，在YOZ平面内的各个方向，水平剪切波SH0的响应不会发生“劈裂”，但由于压电材料显著的各向异性，在不同的传播方向上，谐振器的声速和谐振器机电耦合系数有着显著的变化，因而，在设计的过程中，需要根据设计需求和实际情况，选取合适的面内传播方向，即确定B的值。
本申请实施例中，压电薄膜的切型可以为X切型。
由于滤波器是由串联臂谐振器和并联臂谐振器构成，并联臂谐振器的反谐振点(导纳最低点)与串联臂谐振器的谐振点(导纳最高点)需频率接近一致，换而言之，声波滤波器中需要两种波长不同的谐振器组。现有由双层结构的多个谐振器级联形成的滤波器可能存在瑞丽杂波，严重影响滤波器的通带的平坦度，且严重影响滤波器的性能。图9是双层结构的谐振器在2um波长下不同面内传播方向对应的导纳响应的曲线示意图，图10是双层结构的谐振器在1.6um波长下不同面内传播方向对应的导纳响应的曲线示意图。如图9和10所示，对于波长为2um的谐振器，仅在面内传播方向为170°时，导纳响应较为“干净”，而对于波长为1.6um的谐振器，仅在面内传播方向为174°时，导纳响应较为“干净”。
本申请实施例中，对于X切压电薄膜、高声速支撑衬底结构的声波滤波器，可以分别设置串联臂谐振器和并联臂谐振器的波长和面内传播方向。可选地，可以设置串联臂谐振器的波长为1.6um，面内传播方向为174°，可以设置并联臂谐振器的波长为1.95um，面内传播方向为170°，即串联臂谐振器和并联臂谐振器的电极所定义的传播方向之间的夹角为4°。图11是本申请实施例提供的滤波器及其对应谐振器的电学响应示意图，图中，串联臂谐振器和并联臂谐振器之间4°的夹角所形成的4阶声波滤波器的通带平坦，无明显瑞利杂波。
本申请实施例中，通过分别设置串联臂谐振器和并联臂谐振器的面内传播方向，以及将串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角设置在预设夹角区间内，可以抑制瑞利杂波，提高滤波器的综合性能。
现有基于钽酸锂-二氧化硅-硅的三层结构的不同波长谐振器的导纳曲线示意图，其中，该谐振器的支撑衬底为300nmSiO2-500umSi。图12是现有三层结构的谐振器的电学响应示意图，图中，对于不同波长的声波谐振器，均可以激水平剪切波SH0，并且，谐振器的导纳响应较为“干净”，谐振-反谐振之间不存在瑞利杂波。原因在于：在压电薄膜中，SH0模式的声速仅略高于瑞利模式，而由于瑞利模式在XZ平面(截面)内震动，其声速比SH0模式更易受压电薄膜下层的介质层的影响，例如：若压电薄膜下为高声速材料，则瑞利波的声速的提升比SH0波更显著，则会使得瑞利波和SH0波声速接近；反之，若为低声速材料，则瑞利模式声速的降低程度更大，因此在谐振器的导纳曲线中，会更加远离SH0模式的谐振峰。然而，基于钽酸锂-二氧化硅-硅的三层结构的滤波器不适用于高频、大带宽的应用场景。并且，当压电薄膜下方的介质层较薄时，瑞利杂波仍未远离SH0模式，仍会对滤波器的搭建造成影响，因此上文中描述的将串联臂谐振器和并联臂谐振器直接的夹角设置在预设夹角区间内也是适用于钽酸锂-二氧化硅-硅的三层结构。
下面介绍本申请一种声波滤波器的具体实施例，图13是本申请实施例提供的一种声波滤波器的截面示意图。本说明书提供了如实施例或结构示意图所示的组成结构，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的器件。实施例中列举的组成结构仅仅为众多组成结构中的一种方式，不代表唯一的组成结构，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的组成结构执行。
具体的如图13所示，该滤波器可以包括多个谐振器，多个谐振器可以包括多个串联臂谐振器和多个并联臂谐振器，串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角在预设夹角区间内。每个谐振器可以包括：支撑衬底1301、介质层1303、压电薄膜1305和叉指电极1307和反射删电极1309。其中，压电薄膜可以设置在支撑衬底上，介质层可以设置在支撑衬底上表面，且在压电薄膜下表面，多个电极可以设置在压电薄膜上。也即是，滤波器可以包括串联臂谐振器和并联臂谐振器，其中，串联臂谐振器和串联臂谐振器自下而上均可以包括支撑衬底、压电薄膜和多个电极。
本申请实施例中，介质层还可以设置在压电薄膜上，且不覆盖电极，介质层还可以设置在电极上，即覆盖压电薄膜和电极。
本申请实施例中，预设夹角区间可以为[0°,15°]。
本申请实施例中，支撑衬底为体波声速高于单晶硅的低声传输损耗材料。
在一种可选的实施方式中，支撑衬底的材料可以为单晶碳化硅SiC或蓝宝石Sapphire。具体地，支撑衬底的材料可以为4H-SiC。
本申请实施例中，压电薄膜的材料可以为铌酸锂或钽酸锂。
本申请实施例中，压电薄膜的切型可以为X切型。
本申请实施例中，介质层的厚度可以在预设厚度区间内，可选地，预设厚度可以为(0nm,300nm)。
在一种可选的实施方式中，介质层可以为二氧化硅、氮化硅、氧化铝。
本申请实施例中，通过减小介质层的厚度，并分别设置串联臂谐振器和并联臂谐振器的面内传播方向，以及将串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角设置在预设夹角区间内，可以适用于小型化器件集成的应用场景。
由上述本申请提供的声波滤波器的实施例可见，本申请中声波滤波器包括多个谐振器，多个谐振器包括多个串联臂谐振器和并联臂谐振器，串联臂谐振器与并联臂谐振器之间的夹角在预设夹角区间内，每个谐振器包括支撑衬底、压电薄膜和多个电极，压电薄膜设置在支撑衬底上，多个电极设置在压电薄膜上。基于本申请实施例通过将串联臂谐振器和并联臂谐振器之间的夹角设置在预设夹角区间内，可以抑制瑞利杂波，提高滤波器的综合性能。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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相连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。
需要说明的是：上述本申请实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，且上述本说明书对特定的实施例进行了描述，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同的实施例中的顺序来执行并且能够实现预期的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出特定顺序或者而连接顺序才能够实现期望的结果，在某些实施方式中，多任务并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的均为与其他实施例的不同之处。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种声波滤波器，其特征在于，包括：多个谐振器，所述多个谐振器构包括多个串联臂谐振器和多个并联臂谐振器，所述串联臂谐振器和所述并联臂谐振器之间的夹角在预设夹角区间内，即串联臂谐振器和并联臂谐振器的面内放置方向存在一个夹角；
每个所述谐振器包括：
支撑衬底；
压电薄膜，所述压电薄膜设置在所述支撑衬底上；
多个电极，所述多个电极设置在所述压电薄膜上；
所述预设夹角区间为[0°,15°]；所述压电薄膜的切型为X切型。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述压电薄膜的厚度为第一数值；
所述多个电极中相邻两个电极间的中心距离为第二数值；
所述第一数值小于1.6倍的所述第二数值。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述压电薄膜的材料为铌酸锂或钽酸锂。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述支撑衬底的材料为单晶碳化硅或蓝宝石。
5.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，还包括：
介质层，所述介质层的厚度在预设厚度区间内，所述预设厚度为(0nm,300nm)。
6.根据权利要求5所述的滤波器，其特征在于，所述介质层设置在所述支撑衬底的上表面，且在所述压电薄膜的下表面。
7.根据权利要求5所述的滤波器，其特征在于，所述介质层设置在所述压电薄膜上；或者；
所述介质层设置在所述电极上。
8.根据权利要求5所述的滤波器，其特征在于，所述介质层的厚度为第三数值，
所述第三数值小于0.7倍的所述第一数值。
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