利用多次諧波共振在共振結構上橫向耦合的體波濾波器元件的製作方法

2023-12-10 05:08:26 2

專利名稱：利用多次諧波共振在共振結構上橫向耦合的體波濾波器元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種HBAR(HBAR/諧波體聲波諧振器)型的初級濾波器及相應的製造方法，該初級濾波器用於形成更複雜的濾波器。
背景技術：
用於構造涉及通過窄過渡區耦合兩個相同的電聲體波共振器的過濾器的原理是已知的，其中每個電聲體波共振器由夾在兩個電極間的電聲換能器構成。所述換能器的過渡區足夠窄，以在此處形成由兩個共振器發射的場的衰減波的重疊，由此產生了所述兩個共振器的諧振之間的耦合條件。這些耦合條件允許數據在濾波器的結構的輸入位置和輸出位置之間在頻譜區中傳輸，當在耦合模式時，頻譜區非常大，也就是說，兩個共振器的過渡分離區窄。此原理已用於使用傳統的體波共振器在1-30MHZ的頻率範圍中操作的頻率濾波器，所述的使用傳統體波共振器即使用通常是石英或壓電陶瓷材料的單晶材料板的基諧模式，以產生這樣的耦合。然而，朝更高頻率發展看來是複雜的，由於就此觀點來看板的薄度會增加，從而導致脆弱的結構，該脆弱的結構的厚度為幾十微米到幾微米且因此不適於工業生產技術。此原理還用於氮化鋁(AlN)的薄膜濾波器，但層本身的厚度構成嚴重的問題，因為它們僅允許存在極少程度的橫向模式的存在，該橫向模式提供兩個振動器間的能量的有效華禹合。名禾爾為"Simulation, conception et realisation de f iltre aondes de volume dans des couches pi6zo6leCtriqueS」(「壓電層的體波濾波器的模擬、設計和生產」，法國貝桑松市的弗朗什孔泰大學的論文，由A. Hernhart於2005所著)的文獻表明實際上不可能設想產生這樣的濾波器，除非通過提高使用於表面波的交指型換能器返回的力偶。該技術的問題在於增大了由兩個HBAR型的共振器在初級濾波器內產生的波的橫向振動模式提供的耦合的強度，所述的兩個HBAR型的共振器耦合在一起且可以在高達 20GHz的高頻下操作。

發明內容
為達到上述目的，本發明涉及一種HBAR型的初級濾波器，該初級濾波器用於以預定的工作頻率操作，且包括分別為HBAR型的第一共振器和第二共振器及通過衰減波的重疊而耦合的耦合元件，所述第一共振器和所述第二共振器的每一個分別包括相應的第一電激勵電極和第二電激勵電極、同一參考電極和同一單體式壓電換能器，第一電激勵電極和第二電激勵電極是分立的且由溝道隔開，所述耦合元件包括換能器的過渡區，其設置在第一共振器和第二共振器之間，所述壓電換能器由第一厚度的第一材料層構成，該第一材料層根據由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的角φ定位，且根據由IEEE標準 Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXl)/θ定義的第一切割角θ 1切割而成，使得僅在所述材料內，按照縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大於5%，且其特徵在於，所述第一共振器、所述第二共振器和所述耦合元件包括同一單塊式聲波基片，該基片被設置成面對所述壓電換能器，且通過具有相同的縱向振動模式或橫向振動模式並穿過所 述參考電極的波與所述壓電換能器耦合。根據具體實施方式
，HBAR型的初級濾波器包括一個或多個以下特徵-聲波基片由第二厚度的第二材料層構成，該第二材料層具有至少為5.IO12的工作頻率音質的乘積係數，且該第二材料層根據由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的、等於零的角度φ定向，並根據由IEEE標準Std-176 (1949年修訂版) 的命名法(YXl)/θ定義的第二切割角θ 2切割而成，且具有至少一個對應于振動模式的極
化方向;^β ,且換能器和基片的相對布局使得換能器的振動模式的極化方向和基片的對應
於第二切割角θ 2的至少一個振動模式的極化方向一致；-聲波基片的厚度與換能器的厚度的比率大於或等於1；-由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)/ φ定義的角φ等於0 ；-由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw ) Ap定義的角Φ不等於 0 ；-所述波的振動模式是縱向的；-所述波的振動模式是橫向的；-換能器的材料包括在由下述材料構成的組中氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)和鈮酸鉀；-換能器的材料優選地包括在由下述材料構成的組中鈮酸鋰(LiNbO3)和鉭酸鋰 (LiTaO3)；-聲波基片的材料包括在由下述材料構成的組中石英、鈮酸鉀、磷酸鎵單晶 (GaPO4)、四硼酸鋰(LiB4O7)、矽酸鎵鑭(La3Ga5SO14)、鉭酸鎵鑭和鋰酸鎵鑭；-所述聲波基片的材料是石英；_所述共用參考電極由熱壓金屬構成；-所述共用參考電極由金、銅或銦構成；及-所述共用參考電極通過兩個連接元件側向地延伸，該兩個連接元件圍繞換能器延伸且均具有與電激勵電極在相同水平高度的端部。本發明還涉及一種製造HBAR型初級濾波器的方法，所述方法包括以下步驟提供由第一厚度的第一材料層構成的壓電換能器，所述第一材料層根據由IEEE 標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義為等於0或不等於0的角φ定位，且根據由IEEE標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(YXl)/θ定義的第一切割角Θ1切割而成，使得僅在所述材料內，根據縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大於5%，提供由第二厚度的第二材料層構成的聲波基片，所述第二材料層具有至少為 5. IO12的工作頻率音質的乘積係數，且所述第二材料層根據由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義為等於O的角φ定位，且根據由IEEE標準std-176(1949年修訂版)的命名法(YXl)/θ限定的第二切割角θ 2而切割而成，且具有至少一個對應於來自縱向振動模式和橫向振動模式的振動模式的極化方向，採 用熱壓縮金屬在所述基片的表面和所述換能器的第一表面塗覆金屬；組裝所述換能器和所述聲波基片，且彼此相對地設置換能器和聲波基片，使得換能器的振動模式的極化方向和對應於第二切割角θ 2的基片的至少一個振動模式的極化方向一致；通過壓縮來結合基片和換能器的在所述步驟中塗覆金屬的表面；其特徵在於，所述方法還包括下述步驟在換能器的第二表面上金屬塗覆彼此分開的第一電激勵電極和第二電激勵電極， 以便形成兩個HBAR型的共振器，該兩個HBAR型的共振器通過由換能器、共用參考電極和聲波基片形成的組件的過渡耦合區互相隔開。根據具體實施方式
，HBAR型的初級濾波器的製造方法包括一個或多個以下特徵金屬塗覆第一電激勵電極和第二電激勵電極的步驟包括在換能器的第二表面上金屬塗覆整體電極的步驟，和隨後的在整體電極中切割具有預定寬度的溝道以形成互相分開的第一電極和第二電極的步驟。


通過閱讀如下僅通過示例且參照附圖給出的兩個實施方式的描述，將更好的理解本發明，其中圖1是根據本發明的HBAR型的初級濾波器的第一實施方式的透視圖；圖2是沿線II - II穿過圖1的初級濾波器的截面圖；圖3表示形成壓電換能器的晶體的第一切割角θ 1 ；圖4是鈮酸鋰晶體的體波的相速根據切割角θ 1的演化圖，該組晶體取向通常稱為「採用單向旋轉切割」；圖5是鈮酸鋰的上述波的耦合係數按照角θ 1的演化圖；圖6是對應於第一實施方式的波的極化的、與換能器的板關聯的平面表示；圖7是形成聲波基片的晶體的第二切割角θ 2的表示；圖8是對應於第一實施方式的波的極化的、與聲波基片的板關聯的平面表示；圖9是根據第一實施方式的濾波器的寬帶傳遞函數的曲線圖；圖10是圖9的曲線圖的一區域的放大圖；圖11是對應於橫向波的耦合的根據本發明的HBAR型初級濾波器的第二實施方式的立體圖；圖12是圖11的初級過濾器根據線ΧΠ - ΧΠ的截面圖；圖13是對應於第二實施方式的波的極化的、與換能器的板關聯的平面表示；圖14是對應於第二實施方式的波的極化的、與聲波基片的板關聯的平面表示；圖15是用於根據第二實施方式的濾波器在約1. 24GHz處的寬帶傳遞函數的曲線圖；圖16是圖15的曲線的一區域的放大圖17是用於進行圖1、圖2、圖11和圖12描述的初級濾波器的製造方法的流程圖。
具體實施例方式圖1和圖2示出根據本發明的HBAR型初級濾波器2的第一實施方式。初級濾 波器2包括連續的疊層，所述層包括-用於電激勵的第一上電極4和第二上電極6，該第一上電極4和第二上電極6並排設置且都由厚度為％的鋁構成；-單塊式壓電換能器8，該單塊式壓電換能器8由單晶體形式的第一材料構成且具有第一厚度^，在該示例中第一材料為鈮酸鋰(LiNbO3)；-整體式反電極10，該整體式反電極10形成電極4和電極6共用的參考電極，且在該示例中整體式反電極10為平行六面體形式、由金構成、是嵌入式的且厚度為e2 ；-單塊式聲波基片12，該單塊式聲波基片12由單晶形式的第二材料構成且具有第二厚度t2，在該示例中第二材料為鈮酸鋰(LiNbO3)。濾波器2還包括第一連接元件14和第二連接元件16，第一連接部件14和第二連接部件16分別在上電極4側和上電極6側連接到反電極10。圖1中，所有的層4、6、8、10、12具有相同的長度1且寬度為機、12、1、1、1，長度1 明顯大於寬度Wl、W2、W中的任一個，且各層的厚度為ei、tp e2和t2。為簡化圖1，將反電極10示出為具有和壓電換能器8的表面積相同的表面積。第一電極4和第二電極6的總表面積小於嵌入的反電極10的表面積。第一電極4和第二電極6沿各自的寬度Wl和寬度W2的方向由溝道18隔開，溝道 18的寬度為WC, WC相對於Wl和W2很小。相對於換能器8的厚度、，溝道18的寬度WC也是小的。第一上電極4和第二上電極6的表面分別設置成面向反電極10並與其平行，當邊緣設置成儘可能地平行時，表面中的面向區域最大。在這種方式中，假定波的激勵分別對應於第一共振器20和第二共振器22的結構， 第一共振器20和第二共振器22被稱為平-平腔，對於共振器20和共振器22，分別通過非常薄的電極4、10和非常薄的電極6、10來激勵波，其以圖2中的箭頭24指出的方向沉積在壓電換能器8的相對表面上，以在換能器8中傳導波。第一共振器20包括第一電極4和在同一剖面中垂直地位於第一電極4下方的層的區域，在此示例中所述層包括聲波基片12的相應層。第二共振器22包括第二電極6和在同一剖面中垂直地位於第二電極6下方的層的區域，在此示例中所述層包括聲波基片12的相應層。在這種方式中，第一共振器20和第二共振器22的波通過衰減波、橫向波在濾波器 2的過渡區26中耦合，在圖中該過渡區由虛線大致限定，過渡區26將兩個共振器20、22隔開且形成這兩個共振器20、22之間的耦合元件28。耦合元件28包括換能器8的位於過渡區26中且緊接在溝道18下方的部分和位於過渡區26中且垂直地位於溝道18下方的其它層的在同一剖面中的部分，所述其它層包括聲波基片12的相應層。在這種方式中，通過加入聲波基片12增大了經過耦合元件28的在兩個共振器20、22之間的耦合區的範圍。 在此示例中，壓電換能器8具有縱向振動模式，該縱向振動模式按照沿著兩個共振器16、18的厚度θι、、、e2、t2的方向的極化而被激勵，由向量表示。在此示例中，聲波基片12具有縱向振動模式&。在圖1中，與換能器8的縱向模式對應的激勵的極化向量巧to g與聲波基片12的表示為Λ/μ的縱向極化向量一致。置於換能器8和基片12間的反電極10還用作包括兩個共振器20、22的濾波器的結構的粘合劑。構成換能器8的鈮酸鋰(LiNbO3)層是從形成晶圓的粗單晶材料上按照第一切割角θ 1切割成的板。構成聲波基片12的鈮酸鋰層是從粗單晶材料的晶圓上按照第二切割角θ 2而切割成的板。在此示例中，第一連接元件14是反電極10的延續部分，該第一連接元件14在第一上電極4側延伸。第一連接元件14為條形件30的形式，條形件30的寬度等於反電極10 的長度且具有相同的厚度，且條形件30包括第一部分32、第二部分38，第一部分32沿著換能器8的第一下邊34延伸且緊貼著換能器8的位於電極4側的側面36，第二部分38沿著換能器8的第一上邊40延伸，且部分緊貼換能器8的裸露面42，裸露面42與基片12相對且自電極4凹陷。因此第一連接元件14具有與第一上電極4位於相同水平高度的端部。在該示例中，第二連接元件16是反電極10的延續部分，該第二連接元件16在第二上電極6側延伸。第二連接元件16為條形件44的形式，條形件44的寬度和反電極10 的長度相同，且具有相同的厚度，條形件44包括第一部分46和第二部分52，第一部分46沿著換能器8的第二下邊48延伸，且緊貼著換能器8的位於電極6側的側面50，第二部分52 沿著換能器8的第二上邊54延伸，且緊貼換能器8的裸露面56，裸露面56自電極6凹陷。 因此，第二連接元件16具有與第二上電極6位於相同水平高度的端部。初級濾波器2能夠插入電路中作為第一電四極子，第一電四極子的兩個輸入由電極4和第一連接元件14形成，且兩個輸出由電極6和第二連接元件16形成，連接部件14 和連接部件16處於相同的電位。當輸入端為6、16，輸出端為4、14時，還可以認為初級濾波器2是具有相對於第一電四極子反向傳輸的功能的第二電四極子。根據圖3，換能器8的板自晶圓材料根據第一切割角θ 1切割而成，該晶圓材料沒有示出但由其晶軸Xi、Y1^ Z1表示，軸Z1是晶圓的縱軸，且當製造單晶體時，晶軸Xi、Y1被預先確定。在此示例中角度θ 1是在IEEE標準Std_176 (1949修訂版)中定義的一個角，即繞晶軸Xl單向旋轉切割的角θ 1，在IEEE標準中該切割表示為(YpX11)/θ 1，X11是與根據圖3所示的厚度為tl且長度為11的下直邊對齊的軸。與切割板8關聯的坐標由三個軸X' pY' pZ' i示出，且軸X' i與軸X1成一直線。分別將軸Xi、Y1繞軸X1旋轉角度θ 1獲得兩個軸Y' γ、ν 10圖4示出了縱波和橫波的相速關於繞由鈮酸鋰構成的換能器8的晶軸X11單向旋轉切割的演進圖。線62表示根據第一切割角θ 1的橫波的相速，該橫波在換能器8中沿垂直於電極 4、6和10的平面的軸傳輸，第一切割角θ 1以度表示。線64表示根據第一角θ 1的縱波的相速，該縱波的相速以km/s表示，該縱波在換能器8中沿長度為1的軸傳輸，第一切割角θ 1以度表示。圖5表示沿繞換能器8的晶軸X1單向旋轉切割時縱波和橫波的耦合，該換能器8 由鈮酸鋰構成。線66表示耦合係數K2t根據第一切割角θ 1的演進圖，該耦合係數表示橫波的電能轉換成聲能的百分比，該第一切割角θ 1以度表示。線68表示耦合係數K2t根據第一切割角θ 1的演進圖，該耦合係數表示縱波的電能轉換成聲能的百分比，該第一切割角θ 1以度表示。在圖5中，顯然線66和線68具有角區70，在該角區中橫波實際上沒有被壓電耦合，且因此沒有被電激勵。在由20%到30%之間的K2t表示的電機耦合下，縱波激勵尤其有效。角區70以角度為36°的θ 1為中心且具有10°的範圍。圖1中描述的換能器的切割角θ 1選自圖5中的以約36°為中心的角區70。當考慮換能器8的板在圖6示出的根據平面軸X' pY'工的平面表示時，顯然，由壓電激勵的振動模式具有根據軸Y'工的標量極化，軸Y' i在圖8中示為豎直線，即相對於平面(X1, Z' D垂直，但其空間相關性根據激勵平面的空間坐標而變。極化向和軸 Y'工共線。根據圖7，聲波基片板12自粗單晶晶圓根據第二切割角θ 2切割而成，該晶圓未被示出，但由石英的晶軸Χ2、γ2、ζ2表示，軸Z2是光軸C，光軸C在水晶寶石的生長期間出現。在此示例中，角度θ 2也是在IEEE標準Std_176(1949年修訂版)中定義的一個角，即繞晶軸X2單向旋轉切割的角θ 2，在IEEE標準Std-176中該切割表示為(Υ2，Χ12)/ θ 2， X12是與根據圖3所示的具有厚度t2和長度I2的下直邊成一直線的軸。與切割成的聲波基片板12關聯的坐標由三個軸X' 2、Y' 2、Ζ' 2表示，且軸X' 2 與軸X2成一直線。分別將軸Y2、Z2繞軸X2旋轉角度θ 2獲得兩個軸Y' 2、Ζ' 2。當考慮聲波基片板12的在圖8示出的根據軸V 2、Υ' 2的平面表示時，類似於圖 6示出的用於換能器8的平面圖解，可能描述縱向振動模式的極化，在切割成的聲波基片12 中期望利用縱向振動模式的極化，聲波基片12的工作頻率音質的乘積係數至少是5Χ1012。由鈮酸鋰構成的聲波基片12的縱向振動模式也具有標量極化且根據V 2軸建立，並且該縱向振動模式根據激勵平面取決於與板關聯的局部坐標。對於由鈮酸鋰構成、採用根據IEEE標準符號表示法1949年修訂版(IEEE standard on piezoelectricity Std 176-1949，IRE會議，第37卷，第1378-1395頁，1949)表示為(YXl/ θ )的單向旋轉的換能器板8來說，有利地如果換能器8和聲波基片12的晶軸被選定對齊時，僅選定的縱波耦合。 因此，當組裝換能器和聲波基片的材料時必須考慮那些極化以使聲波耦合，期望在聲波傳播基片12中激勵該耦合，在此示例中聲傳播基片12為鈮酸鋰。在此示例中，以這樣的方式使換能器8的軸Z' i和聲波基片12的軸Z' 2成一直線來實現聲波耦合效應使極化等於聲波基片12中的橫向模式的表示為戶《%的極化。根據圖1描述的第一實施方式構造的濾波器2的響應的特徵在於，測量是依據用於不同頻帶的傳遞函數而進行的，所述的不同頻帶對應於縱向模式的強耦合的頻譜區。圖9示出換能器的基模的約5次諧波的典型寬帶頻譜響應，在此示例中是基模是 100MHz，換言之，圖9示出換能器的約500MHz處的寬帶頻譜相應。可以看見形成梳狀104 的多個濾波函數102，且濾波函數102彼此相距約10MHz。在此示例中，初級濾波器2的帶外抑制是25dB，該初級濾波器2也稱為濾波元件。在該示例中，測量到的初級濾波器的插入損耗是10dB，但考慮到被測濾波器和 50 Ω的阻抗不匹配，該插入損耗可以降低。圖10以模量線為實線且相位線為虛線的形式示出濾波傳遞函數102的放大圖，濾波傳遞函數102以頻率501. IMHz為中心，且在圖9中示出。放大圖非常清楚地示出形成濾波器的頻譜響應的兩個分開的電極，該放大圖證明了濾波器通過耦合振動模式操作，所述振動模式為對稱模式和非對稱模式，在對稱模式中， 兩個共振器20、22中的聲波振動同相，在非對稱模式中，兩個共振器20、22中的聲波振動反相。圖11和圖12示出根據本發明的HBAR型的初級濾波器202的第二實施方式。濾波器的外部幾何結構和第一實施方式的濾波器的外部幾何結構相同。與圖1、圖 2和圖10、圖11中相同的元件具有相同的附圖標記。僅濾波器202的換能器208和聲波基片212不同於圖1中的濾波器2的換能器8 和聲波基片12。單塊式壓電換能器208由單晶體形式的鈮酸鋰(LiNbO3)構成。單塊式聲波基片212由單晶體形式的石英構成。在此示例中，還假設波的激勵分別對應於第一共振器220和第二共振器222的結構，第一共振器220和第二共振器222被稱為平腔/平腔，對於共振器220和共振器222，分別通過極薄的電極4、10和電極6、10激勵波，其以圖11中箭頭24表示的方向沉積在壓電換能器208的相對表面上，用以傳導換能器208中的波。第一共振器220包括第一電極4和同一剖面中垂直地位於下方的層的區域，在此示例中，所述層包括聲波基片212的相應層。第二共振器222包括第二電極6和同一剖面中垂直地位於下方的層的區域，在此示例中所述層包括聲波基片212的相應層。在這種方式中，第一共振器220和第二共振器222的波通過橫向衰減波耦合在在濾波器2的過渡區226中，過渡區226將兩個共振器220、222隔開，且形成兩個共振器之間的耦合元件228。耦合元件228包括位於過渡區226中且緊接在溝道18下方的換能器部分208和位於過渡區226中且垂直地位於溝道18下方的在同一剖面中的其它層的部分，所述其它層包括聲波基片12的相應層。在這種方法中，通過加入聲波基片212而增大了經過耦合元件228的在兩個 共振器220、222之間的耦合區的範圍。壓電換能器208具有橫向模式，該橫向模式按照沿著共振器的長度1的方向的極化而被激勵，該極化由向量戶-、.表示。聲波基片212具有兩種橫向模式，第一種是慢速模式，第二種是快速模式。所謂的快速橫波和所謂的慢速橫波定義為正交極化的橫波，所謂的快速波的相速比所謂的慢速波的相速大。在圖11中，與換能器208的橫向模式對應的激勵的極化向量巧&與對應於聲波基片的慢速橫向模式的、表示為&_的極化向量一致。對應於快速橫向模式的激勵的極化向量在圖1中以Λ-表示，&2&與戶51&正交，且 A2di包括在基片212的延伸平面中。置於換能器208和基片212之間的反電極10還用於結合共振器2的結構。構成換能器208的鈮酸鋰(LiNbO3)層是從形成晶圓的粗單晶材料按照第一切割角θ 1切割成的板。用與圖3中所述的標記相同的標記定義該切割角Θ1。構成聲波基片212的石英層是從粗單晶的石英晶圓上按照第二切割角θ 2切割成的板。用與圖7中的標記相同的標記定義切割角θ 2。根據用於鈮酸鋰的單旋轉切割的圖5，很明顯，線66和線68具有角區272，在該角區中，實際上縱波沒有被壓電耦合，且因此沒有被電激勵。在由50%和60%之間的K2t表示的電機耦合下，橫波激勵尤其有效。角區272以角度為163°的θ 1為中心且具有10°的範圍。圖10中描述的換能器208的切割角θ 1在圖5中的角區272中選為163°。對鈮酸鋰的單旋轉切割來說，僅對應於快速橫波的模式具有通過壓電方式的電機耦合。當平面軸X' 」 V i考慮換能器208的板在圖13中示出的平面表示時，顯然，由壓電激勵的橫向模式具有沿Z'工軸的標量極化，在圖13中Z'工表示為來自端點，即垂直於平面(X' 」V ^，但其空間相關性根據激勵平面的空間坐標而變。極化向相對於 V工是共線的。當考慮石英板212的如圖14示出的根據軸X' 2、V 2的平面表示時(其類似於圖 13示出的用於換能器208的平面表示)，描述橫向模式的極化是可能的，期望在石英中利用該橫向模式的極化，所述石英例如為切割成的石英，其在一級溫度方面的敏感性接近0而不會改變跡象。石英的切割還是標量的但根據軸X' 2產生，且取決於與沿激勵平面的板關聯的局部坐標系。對於具有根據1949年修訂版的IEEE的標準符號表示法(IEEE standard on piezoelectricity Std-176-1949，IRE 會議，第 37 卷，第 1378-1395 頁，1949)表示的單向旋轉(ΥΧ1/Θ)的鈮酸鋰板或鉭酸鋰板來說，因此選定的橫波具有互相正交的極化，且有利地，只有當換能器208和聲波基片212的晶軸被選定對準時，選定的橫波才耦合。因此當組裝換能器208和聲波基片212的材料時必須考慮那些極化，以使聲波耦合，期望在聲波基片212中激勵該耦合以使其傳播，在此示例中，聲波基片212為石英。在此示例中，通過將換能器208的軸Z' i和聲波基片212的軸X' 2成一直線，或者以將換能器208的軸X'工和聲波基片212的軸Z' 2成一直線的相同方式，來實現聲波耦合效應，使得極化和聲波基片212中以戶& 表示的切割模式的極化相同，以補償相應波的相速的熱漂移。
在石英的示例中，在切割 角θ 2約為-24°時，慢速橫向模式和快速橫向模式改變它們的極化。所述模式保持正交，但對於-24°和-90°間的角θ 2的切割來說，快速切割模式替換慢速切割模式。這導致了圖11的圖示對應於少於-24°的切割角θ 2，且極化向量巧㈣對應於軸 X2的慢速切割。如果切割角θ 2大於-24°，圖11的極化向量重新排列，且將換能器的板(即換能器的激勵波的極化向量^4eis)旋轉90°是有利的，使得如果期望以勻速切割模式進行操作，則將向量&和用於慢速切割的Ato—致。實際上，當期望在溫度方面穩定濾波器202的傳遞函數，在角區內選擇切割角 θ 2，在角區內用於慢速切割波的一階的頻率的第一溫度係數接近0且逐步地向0靠近。此角區以約+35°為中心，且具有22°的範圍，由此確保一階的頻率的第一溫度係數CTFBl的絕對值小於20ppm. IT1。在這種方式中，圖11的換能器208的第一切割角(角θ 1)在圖5的區272中選擇，且將聲波基片212的第二角θ 2選擇為約+35°。圖15示出換能器的基本模式的約5次諧波(即約1.24GHz)的典型寬帶頻譜響應。 可看到形成梳狀的多個濾波函數且濾波函數彼此相距約3MHz。初級濾波器的帶外抑制是 16dB,該初級濾波器還被稱為濾波器單元。在此示例中，測量到的初級濾波器的插入損耗是10dB，但考慮到被測濾波器和 50 Ω的阻抗不匹配，則該插入損耗可以降低。圖16以模量線為實線且相位線為虛線的形式示出濾波器傳遞函數的放大圖，該濾波器傳遞函數以頻率1. 2337GHz為中心且在圖15中示出。放大圖非常清楚地示出形成濾波器的頻譜響應的兩個分開的電極，該放大圖證明了濾波器通過耦合振動模式(對稱模式和非對稱模式)而操作，在對稱模式時，在兩個共振器220、222內的聲波振動是同相的，在非對稱模式時在兩個共振器220、222內的聲波振動是反相的。圖17是圖11描述的共振器202的製造方法300的流程圖。在第一步驟302中，提供壓電換能器208，該壓電換能器208由第一厚度的第一材料層構成，第一材料層根據由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)/φ定義的、等於零的角Φ定向，且根據由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXl)/θ 限定的第一切割角θ 1切割，使得橫向波的電聲耦合度大於5%。換能器208的材料選自氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰 (LiTaO3)和鈮酸鉀。優選地，將自鈮酸鋰(LiNbO3)和鉭酸鋰(LiTaO3)選擇材料，因為該材料易於控制具有明顯厚度的單晶體的製造過程。鈮酸鋰和鉭酸鋰可製造為按照上述標準的直徑為4〃且厚度為500 μ m和350 μ m 的晶圓。在第二步驟304中，提供聲波基片212，該聲波基片由第二厚度的第二材料層構成，該第二材料層具有至少為5 X IO12的工作頻率音質的乘積係數，且該材料層根據由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw) /φ限定的、等於O的角φ定向，且根據由 IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXl)/θ限定的第二切割角θ 2切割而成， 且該材料層具有至少一個對應于振動模式的極化方向J1。聲波基片的材料包括在由如下材料形成的組中石英和典型的同構替代物、磷酸鎵(GaPO4)、鈮酸鉀、四硼酸鋰(LiB4O7)、矽酸鎵鑭(La3Ga5SO14)、鉭酸鎵鑭、鋰酸鎵鑭和它們的各種變型體，典型的同構替代物例如為Ge02、Te02，磷酸鎵(GaPO4)也是同構結構。
聲波基片的材料優選地為石英，因為石英在溫度方面具有顯著的穩定性，且在結晶學領域中已經是公知的。在下面的步驟306中，在換能器208的一個表面上和聲波基片212的一個表面上面塗覆厚度在IOOnm和200nm之間的熱壓縮金屬或冷壓縮金屬，例如金、銅或銦，以便將兩個表面結合且由此形成反電極。實際上且傳統地，通常由鉻或鈦構成的接合層包含在形成反電極的層中，且鉻接合層或鈦接合層的厚度為形成反電極的層的總厚度的10%。考慮到金的塑性及它的機械強度，金是一種特別有利於這種類型的結合的材料， 足以確保在換能器208和聲波基片212之間音頻連接。在組裝步驟308中，以這樣的方式布置換能器208和聲波基片212 使換能器208 的切割模式的極化方向&和對應於第二切割角θ 2的基片212的至少一個切割模式的極化方向戶S1—致。在下面的步驟310中，通過壓縮且根據使用的金屬而採用或不採用升高溫度來進行結合。當使用金時，無需加熱階段，且進行持續長時間的緊壓操作，利用面向的表面的特性和金屬材料的延展性以確保結合。因此，能夠以此方式製造多個鈮酸鋰複合板/石英複合板而沒有任何缺陷，對於直徑為3英寸的晶圓而言，需要在16個小時期間施加3000牛頓的壓力、溫度保持在30°。在步驟312中，共振器的板接著被磨削及拋光。在步驟314中，接著在換能器208的與基片212相對的一個表面上金屬塗覆互相分開的第一電激勵電極4和第二電激勵電極6，以便形成兩個HBAR共振器220、222，共振器 220,222通過過渡區226互相分開，過渡區226用於耦合由換能器208、共用參考電極10和聲波基片212形成的組件。兩個分開的電極4和6可以單獨地塗覆金屬或可以通過蝕刻預先準備好的初始塗有金屬的電極獲得。尤其是因為第二切割角θ 2的值的寬範圍，使得該方法簡單易行，該寬範圍使得能夠在溫度穩定性方面獲得良好效果。利用此方法獲得的共振器還可以在高達20GHz的頻率下操作。共振器輕且佔據很少的空間，從而提供高集成度。例如，這樣的共振器可以集成在零差振蕩器中或集成在用於濾高濾波器的單元中。當然，還可以設想其它應用。在一個變型中，步驟302、步驟304和步驟308由相似的步驟替換，在相似的步驟中，換能器8和聲波基片12的切割角以及換能器8和聲波基片12的相對布局使得由具有縱向振動模式的波的耦合被選定。在一個變型中，壓電換能器(8、208)由第一厚度的第一材料層構成，該材料層根據由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的不為零的角φ取向，且該材料層根據IEEE標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(ΥΧ1)/Θ定義的第一切割角 θ 1切割而成，因此僅在該材料內根據縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大於 5%。在稱為包含雙旋轉的切割變型中，換能器的模式的激勵級優先於其他兩個可能的模式，就此來說，優先模式和其它可能的模式之間振幅比大於或等於10。
權利要求
1.一種HBAR型的初級濾波器，所述初級濾波器用於以預定的工作頻率操作，且所述初級濾波器包括HBAR型的第一共振器O0、220)和第二共振器02、22幻以及用於通過衰減波的重疊而耦合的耦合元件08、228)，所述第一共振器(20、220)和所述第二共振器02、22幻分別包括相應的第一電激勵電極(4)和第二電激勵電極(6)、同一參考電極(10)和同一單塊式壓電換能器(8、208)，第一電激勵電極⑷和第二電激勵電極(6)是分立的且由溝道(18)隔開，所述耦合元件08、228)包括所述換能器(8、208)的過渡區(沈、2沈)，所述換能器(8、 208)的過渡區06、226)設置在所述第一共振器和所述第二共振器O0、22 ；220,222)之間，所述壓電換能器(8、208)由第一厚度的第一材料層構成，所述第一材料層根據由IEEE 標準乂(1-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的角φ定向，且根據由IEEE標準 Md-176(1949年修訂版)的命名法αΧ1)/θ定義的第一切割角θ 1切割而成，使得僅在所述材料內，按照縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大於5%，及其特徵在於，所述第一共振器(20、220)、所述第二共振器02、22幻和所述耦合元件08、228)包括同一單塊式聲波基片(12、212)，所述單塊式聲波基片(12、21幻設置成面對所述壓電換能器(8、208)且通過具有相同的縱向振動模式或橫向振動模式且穿過所述參考電極(10)的波與所述壓電換能器(8、208)耦合。
2.如權利要求1所述的初級濾波器，其特徵在於，所述聲波基片(12、212)由第二厚度的第二材料層構成，所述第二材料層具有至少為5 X IO12的工作頻率音質的乘積係數，且所述第二材料層根據由IEEE標準乂(1-176 (1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的、等於零的角度ψ定向，並根據由IEEE標準Md-176(1949年修訂版)的命名法( (1)/θ定義的第二切割角θ 2切割而成，且具有至少一個對應于振動模式的極化方向A1，以及特徵在於，所述換能器(8、208)和所述基片(12、21幻的相對布局使得所述換能器(8、 208)的所述振動模式的極化方向和所述基片(12、212)的對應於所述第二切割角θ 2的至少一個振動模式的極化方向一致。
3.如權利要求2所述的初級濾波器，其特徵在於，所述聲波基片(12)的厚度與所述換能器(8)的厚度的比率大於或等於1。
4.如權利要求1至3中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述由IEEE標準 Std-176 (1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的角φ等於0。
5.如權利要求1至3中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述由IEEE標準 Md-176(1949年修訂版)的命名法(YXw) /φ定義的角φ不等於0。
6.如權利要求1至5中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述波的振動模式是縱向的。
7.如權利要求1至5中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述波的振動模式是橫向的。
8.如權利要求1至7中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述換能器(8、208)的材料包括在由下述材料構成的組中氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)和鈮酸鉀。
9.如權利要求8所述的初級濾波器，其特徵在於，所述換能器(8、208)的材料優選包括在由下述材料構成的組中鈮酸鋰(LiNbO3)和鉭酸鋰(LiTaO3)。
10.如權利要求1至9中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述聲波基片 (12,212)的材料選自石英、鈮酸鉀、磷酸鎵單晶(GaPO4)、四硼酸鋰(LiB4O7)、矽酸鎵鑭 (La3Ga5SO14)、鉭酸鎵鑭和鋰酸鎵鑭。
11.如權利要求10所述的初級濾波器，其特徵在於，所述聲波基片(12、212)的材料是石英。
12.如權利要求1至11中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述共用參考電極 (10)由熱壓縮金屬構成。
13.如權利要求1至12中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述共用參考電極 (10)由金、銅或銦構成。
14.如權利要求1至13中任一項所述的初級濾波器，其特徵在於，所述共用參考電極 (10)通過兩個連接元件(14和16)側向地延伸，所述兩個連接元件(14和16)圍繞所述換能器(8、208)延伸且均具有與所述電激勵電極(4)和(6)在相同水平高度的端部。
15.一種製造初級濾波器的方法，所述方法包括以下步驟提供由第一厚度的第一材料層構成的壓電換能器(8、208)，所述第一材料層根據由 IEEE標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(ΥΧνν)/φ定義為等於0或不等於0的角φ定向，且根據由IEEE標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(YXl)/θ定義的第一切割角θ 1 切割而成，使得僅在所述材料內，根據縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大於5% ；提供由第二厚度的第二材料層構成的聲波基片(12、212)，所述第二材料層具有至少為 5 X IO12的工作頻率音質的乘積係數，且所述第二材料層根據由IEEE標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(YXwycp定義為等於0的角φ定向，且根據由IEEE標準Std-176(1949 年修訂版)的命名法(YXl)/θ定義的第二切割角θ 2切割而成，且具有至少一個對應於來自縱向振動模式和橫向振動模式的振動模式的極化方向；採用熱壓縮金屬在所述基片的表面和所述換能器的第一表面塗覆金屬；組裝所述換能器(8、208)和所述聲波基片(12、212)且彼此相對地布置所述換能器(8、 208)和所述聲波基片(12、212)，使得所述換能器(8、208)的所述振動模式的極化方向和對應於第二切割角θ 2的所述基片(12、212)的至少一個振動模式的極化方向一致；通過壓縮來結合所述基片(12、212)和所述換能器(8、208)的在所述步驟中塗覆金屬的表面；其特徵在於，所述方法還包括以下步驟在所述換能器(8、208)的第二表面上金屬塗覆彼此分開的第一電激勵電極(4)和第二電激勵電極(6)，以便形成兩個HBAR共振器(20、220 ；22、222)，所述兩個HBAR共振器(20、 220 ；22,222)通過由所述換能器(8、208)、所述共用參考電極(10)和所述聲波基片(12、 212)形成的組件的過渡耦合區(26、226)互相隔開。
16.如權利要求15所述的初級濾波器的製造方法，其特徵在於，所述的金屬塗覆第一電激勵電極(4)和第二電激勵電極(6)的步驟包括在所述換能器的所述第二表面上金屬塗覆整體電極的步驟，接著是在所述整體 電極中切割具有預定寬度的溝道以形成互相分開的所述第一電極和所述第二電極的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種具有高階諧波HBAR的初級體波濾波器，該濾波器包括兩個HBAR型的共振器(20、22)，各共振器由換能器(8)和基片(12)形成，換能器和基片通過電聲波以恰當的方式耦合。第一共振器(20)、第二共振器(22)和通過衰減波耦合的元件(28)包括同一整體式聲波基片(12)，該聲波基片設置成與所述壓電換能器(8)相對，且利用同一參考電極(10)通過具有相同的剪切振動模式或縱向振動模式的波與所述壓電換能器耦合。
文檔編號H03H9/02GK102273072SQ200980153930
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月5日 優先權日2008年11月5日
發明者多利安·加雄, 西爾萬·巴朗德拉 申請人:國家科學研究中心(C.N.R.S), 弗朗什-孔泰大學