一种多层薄膜结构的声表面波滤波器

文档序号:663652 发布日期:2021-04-27 浏览:32次 >En<

阅读说明:本技术 一种多层薄膜结构的声表面波滤波器 (Surface acoustic wave filter with multilayer thin film structure ) 是由 彭霄 蒋平英 何西良 罗旋升 谢东峰 司美菊 杨彬彬 黎妮 罗丹 刘春雪 于 2020-12-29 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种声表面波器件,涉及一种多层薄膜结构的声表面波滤波器;所述滤波器包括压电层和所述压电层上方梳状设置的金属指条,在所述压电层下方设置有功能层,在所述功能层下方设置有高声速层,在所述高声速层下方设置有支撑衬底。包括压电层和所述压电层上方梳状设置的金属指条,其特征在于,在所述压电层下方设置有功能层,在所述功能层下方设置有高声速层,在所述高声速层下方设置有支撑衬底;本发明利用压电层的复合薄膜结构抑制了体波散射,并且通过对金属指条进行加权设计,进一步减小表面波的杂波损耗,从而实现低损耗、高矩形度和高温度稳定性的声表面波滤波器,满足未来通讯密集频谱的滤波器需求。(The invention relates to a surface acoustic wave device, in particular to a surface acoustic wave filter with a multilayer thin film structure; the filter comprises a piezoelectric layer and metal finger strips arranged in a comb shape above the piezoelectric layer, a functional layer is arranged below the piezoelectric layer, a high-sound-velocity layer is arranged below the functional layer, and a supporting substrate is arranged below the high-sound-velocity layer. The piezoelectric ceramic piezoelectric transducer comprises a piezoelectric layer and metal fingers arranged in a comb shape above the piezoelectric layer, and is characterized in that a functional layer is arranged below the piezoelectric layer, a high-speed layer is arranged below the functional layer, and a supporting substrate is arranged below the high-speed layer; the invention utilizes the composite film structure of the piezoelectric layer to inhibit bulk wave scattering, and further reduces the clutter loss of the surface wave by weighting the metal finger, thereby realizing the surface acoustic wave filter with low loss, high squareness and high temperature stability and meeting the filter requirement of the future communication dense frequency spectrum.)

一种多层薄膜结构的声表面波滤波器

技术领域

本发明涉及一种声表面波器件,具体地说,涉及一种多层薄膜结构的声表面波滤波器。

背景技术

近年来,移动通信数据流量和3GPP要求的长期演进(LTE)频段数量增长显著,因而LTE和增强LTE(LTE-A)频谱的频带资源分配更趋拥挤;此外,上行链路的载波聚合(CA)技术以及大功率用户设备(HPUE)也已开始在各种通信系统中获得应用。要满足这些新功能和频带需求,就要求声学滤波器具有更低的插入损耗、更陡峭的过渡带特性、更高的温度稳定性、更高的耐功率能力、扩展可工作频率范围、更高的线性度、更小的体积和更高的集成度;其中,更高的Q值和更小的频率温度系数(TCF)是实现高性能声波谐振器的两个最关键因素。

目前提高SAW器件Q值和改进TCF性能的主要方法有:优化基片取向角、改进电极结构和提高材料性能、异质材料组合等。最新进展则是采用温度补偿SAW(TC-SAW)技术,TC-SAW不仅具有良好的TCF性能,而且还具有高的Q值。此外,声板波(acoustic plate wave)器件具有高的声波传播速度和大的机电耦合系数(k2),近年来也取得了显著进展。但是,以上技术都难以同时实现极高的Q值和最小的TCF,无法适用于频谱拥挤的应用场景。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的在于提出一种多层薄膜结构的高性能声表面波滤波器,并对滤波器指条进行加权,在实现高Q值的同时保持较小的TCF性能。

为实现上述目的,本发明采用的技术方案包括如下:

一种多层薄膜结构的声表面波滤波器,包括压电层和所述压电层上方梳状设置的金属指条,在所述压电层下方设置有功能层,在所述功能层下方设置有高声速层,在所述高声速层下方设置有支撑衬底。

进一步的,所述压电层、功能层以及所述高声速层的厚度均小于或等于一个声波长,即这些薄膜结构的厚度都控制在一个声波长内。

进一步的,所述功能层材料采用二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氟氧化硅(SiOF)或者五氧化二钽(Ta2O5)。

进一步的,所述压电层的材料采用钽酸锂(LT)或者铌酸锂(LN)。

进一步的,所述高声速层的材料采用金属、蓝宝石、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN)或者氮化铝(AlN)。

进一步的,将所述金属指条或声通道设置为倾斜角度。

优选的,所述倾斜角度的范围为0~20°。

进一步的,在所述金属指条的末端进行加宽或者加厚处理,形成活塞式加权。

可选的,将相间隔的金属指条末端进行活塞式加权。

可选的,将所有金属指条末端进行活塞式加权。

与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:

(1)高Q值:本发明的声表面波滤波器具有高Q值的特性,本发明的新型多层薄膜结构使表面声波的能量聚焦在衬底表面上,从而使波在衬底上的无体波损耗传播;同时本发明对金属指条进行加权设计,能够减小表面波能量损耗,使得在1.9GHz频段,谐振单元Q值的峰值Qmax达到3000以上,而传统SAW滤波器的谐振单元Qmax在1000左右;

(2)低频率温度系数(TCF):本发明可以改善频率温度系数,通过同时控制各层薄膜的线膨胀系数和声速,达到理想的TCF;

(3)良好的散热性:本发明也表现出良好的散热特性,当有高功率电信号的输入时,金属指条产生热量;一旦输入更强烈的信号会产生更多的热量,这可能导致设备故障,包括电极故障。而本发明滤波器可以将金属指条电极产生的热量高效抵消散到衬底上,从而抑制了电极温度的升高,比传统的SAW滤波器低将近一半。本发明具有更小的频率温度系数和更好的散热特性,保证了SAW滤波器在高温下频响稳定性。

(4)本发明滤波器所设计的多层薄膜结构和指条加权方式,能够减少杂波损耗,同时实现高Q值和高温度稳定性,以满足未来通讯中日益拥挤的频谱应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例中一种多层薄膜结构的声表面波滤波器结构示意图;

图2是本发明实施例中的金属指条倾斜加权结构图;

图3是本发明实施例中的声通道倾斜加权结构图;

图4是本发明实施例中的间隔式活塞式加权结构图;

图5是本发明实施例中的间隔式活塞式加权结构图;

图中,1、支撑衬底,2、高声速层,3、功能层,3、压电层、5、金属指条,6、接电端口,7、声通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例中一种多层薄膜结构的声表面波滤波器,如图1所示,所述多层薄膜结构的声表面波滤波器,包括压电层4和所述压电层4上方梳状设置的金属指条5,在所述压电层4下方设置有功能层3,在所述功能层3下方设置有高声速层2,在所述高声速层2下方设置有支撑衬底1。

在本发明实施例中,为了高温度稳定性和高Q目的,本发明多层薄膜结构的声表面波滤波器中的支撑衬底1由复合薄膜作为衬底,利用复合薄膜中各层温度互补特性及不同声阻抗特性来提高温度稳定性和减小体波能量损耗,同时通过对谐振器指条加权来抑制横向模,进一步减小声表面波能量损耗,提升谐振器Q值。

具体的,在一些实施例中,所述支撑衬底1为硅材料构成。选择硅材料作为支撑底座,其具备散热快、成本低,易于集成等优点。

所述高声速层2材料可采用金属、蓝宝石、氧化铝、氮化硅(SiN)和氮化铝(AlN)。

所述功能层3材料可采用二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氟氧化硅(SiOF)、五氧化二钽(Ta2O5)。

所述压电层4材料可采用钽酸锂和铌酸锂。

本发明中利用声通道中不同薄膜层的温度互补特性以及不同声阻抗特性来提高温度稳定性并降低体波能量损耗;因此本发明将压电层4、功能层3和高声速层2的总厚度控制在一个声波长以内,其中所述高声速层2中所采用的材料的声速高于其他层,所以被称为高声速层。

在一些实施例中,由于材料硅的声速高于压电材料的声速,所以所述高声速层2的也可以采用硅,同样的,所述支撑衬底也可以采用硅作为衬底材料。

由于横向模会来带来大量的声表面波能量损耗,所以也需要进一步抑制横向模,本发明通过对滤波器中金属指条加权来抑制横向模,从而进一步减少声表面波能量损耗,提升整个滤波器的Q值。

图2是本发明实施例中的金属指条倾斜加权结构图,如图2所示,在本实施例中,所述金属指条5中的其中一个末端连接有接电端口6;所述接电端口6作为一种主干汇流条,能够引导给声通道7;所述声通道7是由叉指构成的声表面波传播通道,一般在上下两侧的汇流条之间(图2中仅展示了一根汇流条);本实施例中将金属指条5倾斜一定角度,即通过一定的方式使得金属指条可以左右倾斜,一般可以保证在0~10°左右;并且保证这些金属指条5之间相互平行,同时汇流条之间仍然水平且相互平行,从而保证汇流条之间所形成的区域(覆盖了所有金属指条5的区域),即声通道7仍然保持水平状态。

图3是本发明实施例中的声通道倾斜加权结构图,如图3所示,在本实施例中,本实施例中金属指条5保持正常的竖直状态,此时将声通道7倾斜一定角度,在这个过程中可以将汇流条6倾斜一定角度,其实质是将除金属指条5以外的多层薄膜进行倾斜,以保证金属指条5仍然处于竖直状态,其他层级结构维持倾斜状态,从而使得声通道7处于倾斜状态。

可以理解的是,假设在一种常规状态下,所述滤波器的俯视图中,金属指条5是竖直向下的状态,声通道7呈现出矩形形状(或类矩形形状);本发明上述实施例中通过对金属指条5或者声通道7进行倾斜,让所述金属指条5呈现出左右倾斜的状态或者所述声通道7呈现为平行四边形的状态;从而使得金属指条与声通道7呈现一定的夹角,有效抑制滤波器中的横向模;当然上述举例只是一种较为特殊的声通道结构,其他非规则的声通道的倾斜方式可以参考矩形声通道结构的倾斜方式做适应性调整。

在一些优选实施例中,不管是金属指条的倾斜还是声通道的倾斜,其倾斜角度都设置在0~20°之间,这种角度下不仅能够有效抑制横向模,还能保证结构的稳定性。

在一些可行的实施例中,本实施例将声通道倾斜和金属指条倾斜同时进行,即将声通道倾斜一定角度,同时将金属指条也倾斜一定角度,本实施例较前两种实施例在制备上更加任意,能够满足更多的需求。

图4是本发明实施例中的间隔式活塞式加权结构图,如图4所示,图4是金属指条5的俯视图,在本实施例中,将梳齿状的金属指条5中间隔的金属指条5的末端加宽或者加厚处理,从而增大金属指条4的截面积。

图5是本发明实施例中的间隔式活塞式加权结构图,如图5所示,图5仍然是金属指条5的俯视图,在本实施例中,将梳齿状的金属指条中所有的金属指条5的末端加宽或者加厚处理,从而增大金属指条5的截面积。

在本发明实施例中,所述加宽处理指的是将金属指条5末端的宽度增加,即相对于而言减少了指条末端与相邻指条末端的指条间隔;所述加厚处理指的是在金属指条5末端的厚度增加,即使得所述指条末端呈向上凸起。

可以理解的是,本发明中的金属指条5还可以与其他结构形成换能器等结构,本领域技术人员可以根据实际情况进行充分的理解和应用。

在一些实施例中,所述倾斜加权和所述活塞式加权可以同时设置,举个例子,所述金属指条4可以倾斜设置,同时所述金属指条4的末端进行了加宽处理或者加厚处理,以上倾斜加权和所述活塞式加权的具体实施方式可以随机组合,本发明就不再一一例举。

本发明采用薄膜结构的高性能滤波器,由支撑衬底、高声速层、功能层、压电层和金属指条组成,首先利用压电复合薄膜结构抑制体波散射,其次通过对金属指条进行加权设计,进一步减小表面波的杂波损耗,从而实现低损耗、高矩形度和高温度稳定性的声表面波滤波器,满足未来通讯密集频谱的滤波器需求。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

在本发明的描述中,需要理解的是,术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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发明和简化描述,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发明的限制。

在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”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连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定,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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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