CN220067386U - 一种体声波谐振器及滤波器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种体声波谐振器及滤波器，涉及谐振器技术领域，包括衬底以及设置于衬底上的压电层，压电层上设置电极结构和伪电极结构,电极结构包括多个第一电极片和多个间隔设置的第二电极片；多个第一电极片通过电连接件以及汇流条连接形成第一叉指电极，多个第二电极片电极连接形成第二叉指电极；第一叉指电极和第二叉指电极处于相反的电位；伪电极结构包括设置于第一叉指电极与第二叉指电极之间的多个伪电极片，相邻两个伪电极片之间具有第三距离，第三距离等于第一距离，和/或，第三距离等于第二距离；伪电极片处于悬浮电位，不与电信号连接。本申请提供的体声波谐振器及滤波器，能够抑制体声波谐振器的伪模态，提升体声波谐振器的性能。

Description

一种体声波谐振器及滤波器

技术领域

本申请涉及谐振器技术领域，具体而言，涉及一种体声波谐振器及滤波器。

背景技术

随着无线通信的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频频段的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。传统的声表面波滤波器因为频率及承受功率等的限制，将越来越无法达到这样的标准。薄膜体声波谐振器由于具有CMOS工艺兼容、高品质因数(Q值)、低损耗、低温度系数、高的功率承载能力的特性逐渐成为射频滤波器研究的热点。但是，薄膜体声波谐振器难以实现工作频率5GHz以上的超高频率，且带宽也不满足6G通信的需求。

现有技术中，基于铌酸锂、钽酸锂薄膜材料的超高频体声波谐振器能够实现超高频率的工作。虽然该种谐振器具有5GHz及以上的超高工作频率以及有效机电耦合系数能达到20％及以上的优点，但是该种体声波谐振器在工作时会激发出许多伪模态，导致该体声波应用于滤波器时，滤波器带内产生纹波，严重影响滤波器性能。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种体声波谐振器及滤波器，能够抑制体声波谐振器的伪模态，提升体声波谐振器的性能。

本申请的实施例一方面提供了一种体声波谐振器，包括衬底以及设置于衬底上的压电层，压电层上设置电极结构和伪电极结构,电极结构包括多个间隔设置的第一电极片和多个间隔设置的第二电极片，相邻两个第一电极片之间具有第一距离，相邻两个第二电极片之间具有第二距离；多个第一电极片通过电连接件以及汇流条连接形成第一叉指电极，多个第二电极片电极通过电连接件以及汇流条连接形成第二叉指电极；第一叉指电极和第二叉指电极处于相反的电位；伪电极结构包括设置于第一叉指电极与第二叉指电极之间的多个伪电极片，相邻两个伪电极片之间具有第三距离，第三距离等于第一距离，和/或，第三距离等于第二距离；伪电极片处于悬浮电位，不与电信号连接。

作为一种可实施的方式，伪电极片与第一电极片交错设置，或伪电极片与第二电极片交错设置。

作为一种可实施的方式，伪电极片设置有多列，相邻两列的伪电极片交错设置。

作为一种可实施的方式，伪电极片的截面形状为圆形或者多边形。

作为一种可实施的方式，压电层上设有声反射结构，声反射结构设置于电极结构的外侧。

作为一种可实施的方式，声反射结构分设电极结构的两侧，声反射结构包括多个声反射孔，声反射孔与相邻的第一电极片交错排布，或者，声反射孔与相邻的第二电极片交错排布。

作为一种可实施的方式，多个声反射孔呈阵列排布，声反射孔为通孔、盲孔或者阶梯孔。

作为一种可实施的方式，声反射孔内设置有填充件。

作为一种可实施的方式，电极结构还包括底电极，底电极设置于压电层靠近衬底的一侧。

本申请的实施例另一方面提供了一种滤波器，包括上述体声波谐振器。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的体声波谐振器，包括衬底以及设置于衬底上的压电层，压电层上设置电极结构和伪电极结构,电极结构包括多个间隔设置的第一电极片和多个间隔设置的第二电极片，相邻两个第一电极片之间具有第一距离，相邻两个第二电极片之间具有第二距离；多个第一电极片通过电连接件以及汇流条连接形成第一叉指电极，多个第二电极片电极连接形成第二叉指电极；第一叉指电极和第二叉指电极处于相反的电位；伪电极结构包括设置于第一叉指电极与第二叉指电极之间的多个伪电极片，相邻两个伪电极片之间具有第三距离，第三距离等于第一距离，和/或，第三距离等于第二距离；伪电极片处于悬浮电位，不与电信号连接。第一叉指电极和叉指电极用于与外接信号连接，在外接信号的作用下，压电层内产生由第一叉指电极向第二叉指电极传播的声波。其中，超高频体声波谐振器的工作频率由关系式(1.1)确定：

其中，f为体声波谐振器的工作频率，m,n为模态的阶数，取值为1,2,3,4等正整数，θ₀表示声速，p表示相邻两个第一叉指电极和第二叉指电极之间的距离，L表示伪电极结构与第一叉指电极和第二叉指电极在第一叉指电极延伸方向上重合的距离。由关系式(1.1)可知，p值越大时，任意伪模态f_n,m越小，也就意味着伪模态的频率被降低，被推向远离主谐振频率的频率点，对主模态的谐振频率影响减小。本申请实施例通过将第一叉指电极和第二叉指电极中的部分电极设置为伪电极结构，伪电极结构未接外接信号，在不影响谐振器的电容的情况下，增大了第一叉指电极和第二叉指电极之间的距离，即增大了p，从而起到抑制伪模态的作用，提升体声波谐振器的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之二；

图3为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之三；

图4为本申请实施例提供的体声波谐振器与现有技术的性能对比图之一；

图5为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之四；

图6为图5沿A-A的截面图；

图7为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之五；

图8为图7沿A-A的截面图；

图9为本申请实施例提供的体声波谐振器与现有技术的性能对比图之二；

图10为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之六；

图11为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之七；

图12为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之八；

图13为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之九。

图标：10-体声波谐振器；11-压电层；12-叉指电极结构；121-第一叉指电极；122-第二叉指电极；123-电极对；13-伪电极结构；131-伪电极片；14-声反射孔；15-声反射材料；16-底电极。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例提供了一种体声波谐振器10，如图1、图2和图3所示，包括衬底以及设置于衬底上的压电层11，压电层11上设置电极结构和伪电极结构13,电极结构包括多个间隔设置的第一电极片和多个间隔设置的第二电极片，相邻两个第一电极片之间具有第一距离，相邻两个第二电极片之间具有第二距离；多个第一电极片通过电连接件以及汇流条连接形成第一叉指电极121，多个第二电极片电极连接形成第二叉指电极122；第一叉指电极121和第二叉指电极122处于相反的电位；伪电极结构13包括设置于第一叉指电极121与第二叉指电极122之间的多个伪电极片131，相邻两个伪电极片131之间具有第三距离，第三距离等于第一距离，和/或，第三距离等于第二距离；伪电极片131处于悬浮电位，不与电信号连接。

本申请实施例提供的体声波谐振器10工作时，第一叉指电极121和第二叉指电极122与外界信号连接，在第一叉指电极121和第二叉指电极122之间的压电层11上形成电压差，压电层11采用压电材料制成，在电压差的作用下，根据逆压电效应，在第一叉指电极121和第二叉指电极122之间的压电层11上产生声波，声波沿第一叉指电极121和第二叉指电极122的排列方向传播。伪电极结构13未接外接信号，作为未接电的电极设置于第一叉指电极121和第二叉指电极122之间。

其中，体声波谐振器10的工作频率由关系式确定：

其中，f为体声波谐振器10的工作频率，m,n为模态的阶数，取值为1,2,3,4等正整数，θ₀表示声速，p表示相邻两个第一叉指电极121和第二叉指电极122之间的距离，L表示伪电极结构13与第一叉指电极121和第二叉指电极122在第一叉指电极121延伸方向上重合的距离。当体声波谐振器10的工作频率确定后，p越大，m和n的数值越小，任意伪模态f_n,m越小。本申请实施例通过将第一叉指电极121和第二叉指电极122中的部分电极设置为伪电极结构13，伪电极结构13未接外接信号，增大了第一叉指电极121和第二叉指电极122之间的距离，即增大了P，从而伪模态的频率f被降低，被推向远离主谐振频率的频率点，对主模态的谐振频率影响减小，提升体声波谐振器10的性能。

需要说明的是，本申请实施例中的伪电极结构13在现有技术的基础上增加了第一叉指电极121和第二叉指电极122之间的距离，而且由于伪电极结构13的存在，也不会影响体声波谐振器10的电容和外界信号的连接。

还需要说明的是，伪电极结构13的形式本申请实施例不做限制，示例的，可以与第一叉指电极121的结构相同，也可以不同。伪电极结构13具体的设置个数以及设置位置不做具体限制，第一叉指电极121和第二叉指电极122形成一个电极对123，可以在每个第一叉指电极121和第二叉指电极122之间设置，也可以在每个电极对123之间设置，也可以间隔几个电极对123设置一个伪电极结构13。另外，为了方便多个第一叉指电极121和第二叉指电极122分别与外界信号的正极和负极连接，可以在第一叉指电极121的两端分别设置电极汇流条，一个电极汇流条与多个第一叉指电极121的同侧端连接，另一个电极汇流条与多个第二叉指电极122的同侧端连接。

具体的，在体声波谐振器10工作时，在压电层11内存在沿第一叉指电极121和第二叉指电极122排列方向传播的横向声波，还存在沿第一叉指电极121延伸方向传播的纵向声波，体声波谐振器10频率f还由关系式确定，其中，d为压电层11的厚度；θ_l为压电层11内纵向波声速；θ_t为压电层11内横向波声波波速，l为第一电极片间距。当第一叉指电极采用多个第一电极片时，第二叉指电极采用多个第二电极片时，减小了L的值，从而能够增大f，能够增加提升体声波谐振器10的工作频率。

第三距离等于第一距离，和/或，第三距离等于第二距离；即相邻两个伪电极片131之间的距离与相邻两个第一电极片之间的距离相同；或者，相邻两个伪电极片131之间的距离与相邻两个第二电极片之间的距离相同；或者，相邻两个伪电极片131之间的距离与相邻两个第一电极片之间的距离以及相邻两个第二电极片之间的距离相同，第三距离等于第一距离，和/或，第三距离等于第二距离；使得同样频率和波长的声波能够在压电层11内传播。

其中，电连接件的具体形式本申请实施例不做限制，示例的，可以是电连线，也可以是如图1所示的电桥，本领域技术人员可以根据实际情况设置点连线或者电桥，或者其他电连接的形式。

本申请提供的体声波谐振器10，第一叉指电极121和叉指电极用于与外接信号的正负极连接，在外接信号的作用下，在压电层11内产生由第一叉指电极121向第二叉指电极122传播的声波。其中，超高频体声波谐振器10的工作频率由关系式(1.1)确定：

由关系式(1.1)可知，p值越大时，任意伪模态f_n,m越小，也就意味着伪模态的频率被降低，被推向远离主谐振频率的频率点，对主模态的谐振频率影响减小。本申请实施例通过将第一叉指电极121和第二叉指电极122中的部分电极设置为伪电极结构13，伪电极结构13未接外接信号，在不影响谐振器的电容的情况下，增大了第一叉指电极121和第二叉指电极122之间的距离，即增大了p，从而起到抑制了伪模态的作用，提升体声波谐振器10的性能。

可选的，伪电极片131与第一电极片交错设置，或伪电极片131与第二电极片交错设置。

本申请实施例的一种可实现的方式中,伪电极片131设置有多列，相邻两列的伪电极片131交错设置。

当伪电极结构13包括多列伪电极片131，能够进一步增加第一叉指电极121和第二叉指电极122之间的距离，从而进一步抑制伪模态的出现，提升提体声波谐振器10的性能。

当伪电极结构13包括多个伪电极条时，相邻两个伪电极条之间的距离与第一叉指电极121和第二叉指电极122原始距离相同。

可选的，如图2和图3所示，伪电极片131的形状为圆形或者多边形。

如图2所示，伪电极片131的形状均为圆形，与第一电极片和第二电极片形状相同；又如图3所示，第一电极片和第二电极片的形状为圆形，伪电极片131的形成为菱形，两者之间的形状不同，本领域技术人员可以根据实际情况对伪电极片131和第一电极片和第二电极片的形状进行设置。

为了进一步验证本申请实施例的声反射结构对于体声波谐振器10的性能的改善，对未设置伪电极结构13和设置伪电极结构13的体声波谐振器10的性能进行测试，具体的，测试数据如图4所示，图9中实线为未设置伪电极结构13的体声波谐振的性能曲线，虚线为本申请实施例的体声波谐振器10的性能曲线，由图9可以看出，本申请实施例的曲线位于未设置伪电极结构13的曲线之上，即本申请实施例提供的体声波谐振器10具有更好的性能。

本申请实施例的一种可实现的方式中,如图5和图6所示，压电层11上设有声反射结构，声反射结构设置于电极结构的外侧。

当第一叉指电极121和第二叉指电极122与外接信号连接时，能够在第一叉指电极121和第一叉指电极121之间的压电层11内产生横向传播的声波，横向传播的声波在压电层11内传播时，难以避免会传导至压电层11的边缘后泄露，本申请实施例在压电层11上设置有声反射结构，声反射结构能够反射传播至此处的声波，从而避免了声波的泄露，进而提升体声波谐振器10的品质因子。

可选的，声反射结构分设电极结构的两侧，声反射结构包括多个声反射孔14，声反射孔14与相邻的第一电极片交错排布，或者，声反射孔14与相邻的第二电极片交错排布。

声反射结构结构设置于电极结构的两侧，能够由两侧对声波进行反射，进而提升体声波谐振器10的品质因子。

具体的，声反射结构包括设置于压电层11内的多个声反射孔14，声反射孔14内填充有空气，空气对声波具有一定的反射作用，当压电层11中的声波传播至声反射孔14时，声反射孔14将传播至此的声波反射回压电层11内，从而避免了声波的泄露，提升体声波谐振器10的品质因子。

其中，声反射孔14的深度以及横截面形状本申请实施例不做限制，具体的，声反射孔14的孔深可以是压电层11的一部分，也可是贯穿整个压电层11；声反射孔14的横截面形成可以是圆形、四边形、椭圆形、五边形或者其他不规则形状等等。

可选的，如图5所示，多个声反射孔14呈多排设置于叉指电极结构12的两端，且相邻两排的声反射孔14错位设置。

为了避免声波由相邻两个声反射孔14之间的压电层11处泄露，本申请实施例设置多排声反射孔14，相邻两排的声反射孔14错位设置，这样，当由前一排两个声反射孔14之间泄露的声波继续传播与下一排的声反射孔14相遇，被下一排的声反射孔14反射回有效谐振区域内，从而进一步避免了声波的泄露，提升体声波谐振器10的品质因子。

本申请实施例的一种可实现的方式中,如图5所示，声反射孔14为通孔、盲孔或者阶梯孔。

可选的，如图7和图8所示，声反射孔14内填充有填充件。

在声反射孔14内填充件，填充件具有与压电层11不同的反射率，示例的填充件可以是声反射材料15，声反射材料15具有比空气更高的反射率，从而使得更多的声波被声反射材料15反射回压电层11内进行传播，进而进一步提升体声波谐振器10的品质因子。

其中，声反射材料15的具体材料本申请实施例不做限制，只要具有较大的声波反射率且与压电层11材料不同即可，示例的，可以是氮化硅，氮化铝，钨，或者其的多种组合构成。

为了进一步验证本申请实施例的声反射结构对于体声波谐振器10的品质因子的改善，对未设置声反射机构和设置声反射结构的体声波谐振器10的性能进行测试，具体的，测试阻抗曲线如图9所示，图9中虚线为未设置声反射机构的体声波谐振的阻抗曲线，实线为本申请实施例的体声波谐振器10的阻抗曲线，由图9可以看出，本申请实施例的阻抗曲线更加尖锐，通过计算得到未设置声反射结构的体声波谐振器10的品质因子为349.9，本申请实施例的提升波谐振器的品质因子为872.4，本申请实施例提供的体声波谐振器10的品质因子改善了两倍以上。

本申请实施例的一种可实现的方式中,如图10、图11、图12和图13所示，电极结构还包括底电极16，底电极16设置于压电层11靠近衬底的一侧。

具体的，压电层11与衬底之间还设置有底电极16，底电极16包括图案化底电极16、悬浮板底电极16以及接地板底电极16三种情况的任意一种。

在实际应用中，对于体声波谐振器10的机电耦合系数的要求不同，为了使得体声波谐振器10的机电耦合系数可调，本申请实施例提出了多种底电极16的方式，具体的，如图10所示，压电层11下未设置底电极16；如图11所示，压电层11下设置有叉指电极，为图案化的底电极16；如图12所示，压电层11下设置有悬浮板底电极16；如图13所示，压电层11下设置有接地板底电极16。不同的底电极16具有不同的机电耦合系数，本领域技术人员可以根据实际情况选择底电极16的形式。

本申请实施例还公开了一种滤波器，包括上述体声波谐振器10。该滤波器包含与前述实施例中的体声波谐振器10相同的结构和有益效果。体声波谐振器10的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括衬底以及设置于所述衬底上的压电层，所述压电层上设置电极结构和伪电极结构,所述电极结构包括多个间隔设置的第一电极片和多个间隔设置的第二电极片，相邻两个所述第一电极片之间具有第一距离，相邻两个所述第二电极片之间具有第二距离；多个所述第一电极片通过电连接件以及汇流条连接形成第一叉指电极，多个所述第二电极片通过电连接件以及汇流条形成第二叉指电极；所述第一叉指电极和第二叉指电极处于相反的电位；所述伪电极结构包括设置于所述第一叉指电极与所述第二叉指电极之间的多个伪电极片，相邻两个所述伪电极片之间具有第三距离，所述第三距离等于第一距离，和/或，所述第三距离等于所述第二距离；所述伪电极片处于悬浮电位，不与电信号连接。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述伪电极片与所述第一电极片交错设置，或所述伪电极片与所述第二电极片交错设置。

3.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述伪电极片设置有多列，相邻两列的所述伪电极片交错设置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述伪电极片的截面形状为圆形或者多边形。

5.根据权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层上设有声反射结构，所述声反射结构设置于所述电极结构的外侧。

6.根据权利要求5所述的体声波谐振器，其特征在于，所述声反射结构分设所述电极结构的两侧，所述声反射结构包括多个声反射孔，所述声反射孔与相邻的所述第一电极片交错排布，或者，所述声反射孔与相邻的所述第二电极片交错排布。

7.根据权利要求6所述的体声波谐振器，其特征在于，多个声反射孔呈阵列排布，所述声反射孔为通孔、盲孔或者阶梯孔。

8.根据权利要求6或7所述的体声波谐振器，其特征在于，所述声反射孔内设有填充件。

9.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述电极结构还包括底电极，所述底电极设置于压电层靠近所述衬底的一侧。

10.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的体声波谐振器。