叉指型体声波谐振器及滤波器

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，具体而言，涉及一种叉指型体声波谐振器及滤波器。

背景技术

随着多频段无线通信技术的快速发展，射频前端器件实现高度集成化和小型化的需求日益凸显，而作为无线通信系统前端设备的双通带滤波器和多通带滤波器，因其具有高选择性、小体积、低成本以及可以同时工作于多个通信频段的特征而逐渐成为通信系统中必不可少的器件。

传统的双通带滤波器和多通带滤波器通常由多个单通带滤波器串联实现，或者利用多模谐振器实现。然而，利用多个单通带滤波器串联设计多通带滤波器的方式，虽然能够对单个通带的带宽、品质因数等参数进行单独调节，但是其物理尺寸一般较大；而利用多模态谐振器设计多通带滤波器的方式，虽然能够实现较小的物理尺寸，但是常规的多模态谐振器需要同时利用体声波的多种传播模态，而不同的传播模态的体声波具有不同的传播形式、传播路径和传播速度，因此对多模态谐振器的各谐振模态的带宽、品质因数等参数只能在一定范围内进行调节，如此则具有一定的局限性。因此，如何实现降低双通带滤波器和多通带滤波器的物理体积，且能够实现多模态的独立调谐、使得多模态之间互不干扰成为了目前亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叉指型体声波谐振器及滤波器，其能够通过设置多个不同高度的叉指阵列，实现多模态谐振器的各模态独立调谐。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的一方面，提供一种叉指型体声波谐振器，该叉指型体声波谐振器包括衬底和位于衬底上的压电叠层，压电叠层包括位于衬底上的压电层以及位于压电层上的第一组叉指电极和第二组叉指电极，衬底靠近压电叠层的一侧设有空腔；其中，第一组叉指电极和第二组叉指电极均包括多个第一电极，且至少两个第一电极在压电层上的高度不同。该叉指型体声波谐振器能够通过设置多个不同高度的叉指阵列，实现多模态谐振器的各模态独立调谐。

可选地，多个第一电极在压电层上具有两个不同的高度值。

可选地，多个第一电极在压电层上具有三个不同的高度值。

可选地，叉指型体声波谐振器还包括位于压电层与衬底之间的第三叉指电极和第四叉指电极，第三叉指电极和第四叉指电极均包括多个第二电极，且至少两个第二电极在压电层上的高度不同。

可选地，多个第二电极在压电层上呈现两种或三种不同的高度。

可选地，第一电极和第二电极在压电层上的高度均在1nm至1μm之间。

可选地，压电层的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸钡钠中的一种或多种组合。

可选地，压电叠层包括至少两个，且任意一个压电叠层的多个第一电极在压电层上的高度与其余压电叠层的多个第一电极在压电层上的高度均不同。

本发明的另一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括多个上述的叉指型体声波谐振器，其中，M个叉指型体声波谐振器呈串联连接以形成串联支路，N个叉指型体声波谐振器并联连接于串联支路上，M和N均为正整数。

可选地，串联支路上的叉指型体声波谐振器的多个第一电极在压电层上的高度，和并联连接于串联支路上的叉指型体声波谐振器的多个第一电极在压电层上的高度不同。

本发明的有益效果包括：

本实施例提供的叉指型体声波谐振器，包括衬底和位于衬底上的压电叠层，压电叠层包括位于衬底上的压电层以及位于压电层上的第一组叉指电极和第二组叉指电极，衬底靠近压电叠层的一侧设有空腔；其中，第一组叉指电极和第二组叉指电极均包括多个第一电极，且至少两个第一电极在压电层上的高度不同。本申请通过在压电层的表面上分布有具有多个第一电极的第一组叉指电极和具有多个第一电极的第二组叉指电极，且将至少两个第一电极在压电层上的高度设置为不同，如此可以激发多模态声波，从而使得通过本申请提供的叉指型体声波谐振器得到的阻抗曲线具有多个主谐振峰，进而实现多模态谐振器的各模态独立调谐。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的结构示意图之一；

图2为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的压电叠层的结构示意图之一；

图3为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的压电叠层的结构示意图之二；

图4为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的压电叠层的结构示意图之三；

图5为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的压电叠层的结构示意图之四；

图6为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的压电叠层的结构示意图之五；

图7为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的结构示意图之二；

图8为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器与现有的谐振器的阻抗曲线效果对比图；

图9为本发明一些实施例提供的滤波器的结构示意图；

图10为图9中的滤波器的效果图；

图11为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的阻抗曲线调谐对比图之一；

图12为本发明一些实施例提供的叉指型体声波谐振器的阻抗曲线调谐对比图之二。

图标：10-衬底；11-空腔；20-压电叠层；21-压电层；221-第一组叉指电极；222-第二组叉指电极；223-第一电极；231-第三叉指电极；232-第四叉指电极；233-第二电极；a-第一方向；b-第二方向。

具体实施方式

下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本发明的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本发明和随附权利要求的范围内。

应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。

应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。

诸如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。应当理解，这些术语和上文所论述的那些术语意图涵盖装置的除图中所描绘的取向之外的不同取向。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本发明。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。

除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。

请参照图1和图2，本实施例提供一种叉指型体声波谐振器，该叉指型体声波谐振器包括衬底10和位于衬底10上的压电叠层20，压电叠层20包括位于衬底10上的压电层21以及位于压电层21上的第一组叉指电极221和第二组叉指电极222，衬底10靠近压电叠层20的一侧设有空腔11；其中，第一组叉指电极221和第二组叉指电极222均包括多个第一电极223，且至少两个第一电极223在压电层21上的高度不同。该叉指型体声波谐振器能够通过设置多个不同高度的叉指阵列，实现多模态谐振器的各模态独立调谐。

其中，上述衬底10的材料本申请不做限制，本领域技术人员可以自行选择合适的材料，例如硅。衬底10内的空腔11是通过预先填充牺牲材料后再通过释放牺牲材料形成的。

压电叠层20设置于衬底10的上表面，其包括第一组叉指电极221和第二组叉指电极222。请参照图2所示，图2示出的是压电叠层20的俯视图，在本实施例中，两组叉指电极(即第一组叉指电极221和第二组叉指电极222)在压电层21上是呈类似于两只手的手指呈相互交叉状的金属电极图案。需要说明的是，在本实施例中，第一组叉指电极221和第二组叉指电极222的极性不同。示例地，可以是第一组叉指电极221可以为正电极，第二组叉指电极222为负电极；或者，也可以是第一组叉指电极221为负电极，第二组叉指电极222为正电极。

这样，当对叉指型体声波谐振器中的第一组叉指电极221和第二组叉指电极222输入电信号，以向压电层21施加第一方向a(其中，第一组叉指电极221和第二组叉指电极222的延伸方向为第二方向b，第一方向a与衬底10的上表面平行，且第一方向a与第二方向b垂直)的电场，使得压电层21在其整个厚度方向(即垂直于衬底10的方向)上均产生第一方向a的电场时，第一组叉指电极221和第二组叉指电极222可以在压电层21中激发沿第一方向a传播的声表面波。

可选地，上述压电层21的材料可以为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅系压电陶瓷和铌酸钡钠中的任意一种或多种的组合。上述第一组叉指电极221和第二组叉指电极222的材料可以为钼、铂、金、银、铝、钨、钛、钌、铜和铬中的任意一种或多种的组合。

请参照图1和图2所示，第一组叉指电极221和第二组叉指电极222均包括多个第一电极223。第一组叉指电极221的第一电极223和第二组叉指电极222的第一电极223分别在压电层21上是呈类似于两只手的手指呈相互交叉状的金属电极图案。

在本实施例中，至少两个第一电极223在压电层21上的高度不同，包括多种形式。例如，可以是第一组叉指电极221的多个第一电极223中至少两个第一电极223在压电层21上的高度不同(如图4所示)；又例如，可以是第二组叉指电极222的多个第一电极223中的至少两个第一电极223在压电层21上的高度不同(图未示)；再例如，还可以是第一组叉指电极221的多个第一电极223中的至少一个第一电极223在压电层21上的高度，与第二组叉指电极222的多个第一电极223中的至少一个第一电极223在压电层21上的高度不同(如图3所示)。

在这里，需要说明的是，第一电极223在压电层21上的高度即为第一电极223自压电层21远离衬底10的一面朝向背离衬底10的方向的延伸长度。

在本实施例中，通过将至少两个第一电极223在压电层21上的高度设置成不同，可以产生多模态声波。一方面，从而可以减少通信系统的射频前端中滤波器的数量，进而满足射频器件高度集成化和小型化的需求。另一方面，由于叉指型体声波谐振器中声波的实际反射界面为空气，因此，压电层21、第一组叉指电极221和第二组叉指电极222的厚度(即压电层21的厚度、第一组叉指电极221和第二组叉指电极222在压电层21上的高度)都会影响谐振频率。所以，本申请提供的叉指型体声波谐振器可以通过至少两个具有不同高度的第一电极223，从而激发出体声波谐振器厚度模态具有不同谐振频率的谐振峰，进而实现多模态谐振器的各模态独立调谐。

需要说明的是，如图11所示，对于只有第一组叉指电极221和第二组叉指电极222的情况时，且多个第一电极223在压电层21上具有两个不同的高度值时，本申请提供的叉指型体声波谐振器可以具有两个不同谐振频率的谐振峰，通过调节第一电极223在压电层21上的高度，便可以实现调谐的目的。以该高度值包括第一高度值H1和第二高度值H2为例，可以保持第二高度值H2不变，通过独立调节第一高度值H1的高度来调节第一谐振峰的谐振频率。其中，图11所示出的左边的呈五个状态的谐振频率是通过将第一高度值H1设置成不同的高度实现的，在图11中，左边的五个谐振峰自左向右分别对应的第一高度值H1分别为0.3μm、0.29μm、0.28μm、0.27μm和0.26μm；最右边的谐振峰(即第而谐振峰)对应的第二高度值H2为0.10μm。

如图12所示，也可以通过独立调节第二高度值H2的高度值来调节第二谐振峰(即左右边的谐振峰)的谐振频率。其中，图12所示出的右边的呈五个状态的谐振频率是通过将第二高度值H2设置成不同的高度实现的，在图12中，右边的五个谐振峰自左向右分别对应的第一高度值H1分别为0.10μm、0.09μm、0.08μm、0.07μm和0.06μm；最左边的谐振峰(即第一谐振峰的)对应的第一高度值H1为0.30μm。当然，除了这种单独调节第一谐振峰或第二谐振峰的谐振频率之外，在其他的实施例中，第一谐振峰和第二谐振峰的谐振频率也可以同时调节。由于当本申请提供的叉指型体声波谐振器具有三个或者超过三个谐振峰时调谐的方式与具有两个谐振峰时的调谐方式原理相同，本领域技术人员根据上述两个谐振峰时的调谐方式可以简单推出，因此，在本实施例中不再赘述。

综上所述，本实施例提供的叉指型体声波谐振器，包括衬底10和位于衬底10上的压电叠层20，压电叠层20包括位于衬底10上的压电层21以及位于压电层21上的第一组叉指电极221和第二组叉指电极222，衬底10靠近压电叠层20的一侧设有空腔11；其中，第一组叉指电极221和第二组叉指电极222均包括多个第一电极223，且至少两个第一电极223在压电层21上的高度不同。本申请通过在压电层21的表面上分布有具有多个第一电极223的第一组叉指电极221和具有多个第一电极223的第二组叉指电极222，且将至少两个第一电极223在压电层21上的高度设置为不同，如此可以激发多模态声波，从而使得通过本申请提供的叉指型体声波谐振器得到的阻抗曲线具有多个主谐振峰，进而实现多模态谐振器的各模态独立调谐。

需要说明的是，本申请提供的叉指型体声波谐振器可以应用于双工器、双通带滤波器及多通带滤波器的搭建。利用该谐振器搭建的滤波器具有可调节的双通带或多通带，满足现代无线通讯的市场需求。

示例地，在一种可行的实施例中，请参照图1所示，多个第一电极223在压电层21上具有两个不同的高度值。为便于理解，假设两个不同的高度值分别为第一高度值和第二高度值。则多个第一电极223在压电层21上具有两个不同的高度值，换言之，可以认为是所有的第一电极223中的任意一个第一电极223的高度不是第一高度值就是第二高度值。

在本实施例中，多个第一电极223在压电层21上具有两个不同的高度值也包含多种情况。例如，可以是第一组叉指电极221的所有第一电极223的高度为第一高度值，第二组叉指电极222的所有第一电极223的高度为第二高度值(如图3所述)；又例如，还可以是第一组叉指电极221的所有第一电极223中，一部分第一电极223的高度为第一高度值、另一部分第一电极223的高度为第二高度值。第二组叉指电极222的所有第一电极223中，一部分第一电极223的高度为第一高度值、另一部分第一电极223的高度为第二高度值；再例如，可以是第一组叉指电极221的所有第一电极223中包括具有第一高度值的第一电极223和具有第二高度值的第一电极223，而第二组叉指电极222的所有第一电极223的高度均为第一高度值或者均为第二高度值；还例如，可以是第二组叉指电极222的所有第一电极223中包括具有第一高度值的第一电极223和具有第二高度值的第一电极223，而第一组叉指电极221的所有第一电极223的高度均为第一高度值或者均为第二高度值。

示例地，在另一种可行的实施例中，多个第一电极223在压电层21上具有三个不同的高度值。

假设三个不同的高度值分别为第一高度值、第二高度值和第三高度值。则多个第一电极223在压电层21上具有三个不同的高度值，换言之，可以认为是所有的第一电极223中的任意一个第一电极223的高度是第一高度值、第二高度值和第三高度值中的任意一个。在本实施例中，与多个第一电极223在压电层21上具有两个不同的高度值同理，当多个第一电极223在压电层21上具有三个不同的高度值时也包含多种情况，每种情况本领域技术人员可以根据前文中多个第一电极223具有两个不同的高度值的相关描述简单推导得到，故本申请不再赘述。

应理解，上述多个第一电极223在压电层21上具有两个或者三个不同的高度值仅为本申请给出的示例，不应当看做是对本申请的限制。示例地，多个第一电极223在压电层21上还可以具有四个或者五个不同的高度值等，本申请不再枚举。再甚者，压电层21上的所有的第一电极223的高度值还可以各不相同。

请参照图5和图6，可选地，叉指型体声波谐振器还包括位于压电层21与衬底10之间的第三叉指电极231和第四叉指电极232，第三叉指电极231和第四叉指电极232均包括多个第二电极233，且至少两个第二电极233在压电层21上的高度不同。

其中，第三叉指电极231和第四叉指电极232分别位于压电层21靠近衬底10的一面。在这里，需要说明的是，第二电极233在压电层21上的高度即为第二电极233自压电层21朝向衬底10的方向延伸的长度。

需要说明的是，第三叉指电极231和第四叉指电极232在压电层21上的排布方式与第一组叉指电极221和第二组叉指电极222在压电层21上的排布方式相同，即其排布方式与图2所示的第一组叉指电极221和第二组叉指电极222在压电层21上的排布方式相同。

至少两个第二电极233在压电层21上的高度不同也包含多种形式，且其所包含的形式与前文中至少两个第一电极223在压电层21上的高度不同所包含的形式原理相同，故本申请不再赘述。

与第一电极223在电压层上相同，在本实施例中，多个第二电极233在压电层21上也可以呈现两种或三种不同的高度。具体地，第二电极233的两种或三种不同的高度的分布形式与前文相同，本申请不再赘述。

可选地，上述第一电极223和第二电极233在压电层21上的高度均在1nm至1μm之间。第一电极223和第二电极233的具体高度值本领域技术人员可在上述范围内自行选择，本申请不做限制。

请参照图7所示，可选地，压电叠层20包括至少两个，且任意一个压电叠层20的多个第一电极223在压电层21上的高度与其余压电叠层20的多个第一电极223在压电层21上的高度均不同。

由于压电叠层20的具体结构前文已做了详细阐述，故在此不再重复说明。在本实施例中，任意一个压电叠层20的多个第一电极223在压电层21上的高度与其余压电叠层20的多个第一电极223在压电层21上的高度均不同。为便于理解，现进行举例说明。假设压电叠层20包括两个，如图7所示，若第一个压电叠层20(左边的压电叠层20)所包含的第一电极223具有第一高度值和第二高度值，第二个压电叠层20(右边的压电叠层20)所包含的第一电极223具有第三高度值和第四高度值，则，第一高度值和第二高度值都不等于第三高度值，也不等于第四高度值。

请参照图8，图8为本实施例提供的叉指型体声波谐振器与现有的谐振器的阻抗曲线效果对比图。其中，虚线为现有技术的谐振器的阻抗曲线效果图，实线为本申请提供的叉指型体声波谐振器的阻抗曲线效果图。从图中可以看出，本申请提供的叉指型体声波谐振器分别在2.7GHz和3.6GHz各具有一个谐振峰，两峰之间相距900MHz。

还有，需要说明的是，当压电叠层20包括至少两个时，每个压电叠层20可以包括第三叉指电极231和第四叉指电极232，也可以不包括第三叉指电极231和第四叉指电极232。当包括第三叉指电极231和第四叉指电极232时，则第三叉指电极231和第四叉指电极232的具体形式可参照前文，此处不再重复说明。

请参照图9所示，本发明的另一方面，还提供了一种滤波器，该滤波器包括多个上述的叉指型体声波谐振器，其中，M个叉指型体声波谐振器呈串联连接以形成串联支路，N个叉指型体声波谐振器并联连接于串联支路上，M和N均为正整数。由于叉指型体声波谐振器的具体结构及其有效效果均已在前文做了详细阐述，故本申请在此不再赘述。

例如，该滤波器可以如图9所述，包括两个串联连接的叉指型体声波谐振器和三个并联连接的叉指型体声波谐振器。当然，应理解，图9仅为示例，滤波器的具体搭建方式本领域技术人员可以自行选择。

请参照图10，图10为由图9示出的滤波器得到的效果图。可以看出，利用该叉指型体声波谐振器所搭建的滤波器分别在2.4GHz到2.58GHz和3.56到3.9GHz具有两个通带，分别可以满足2.4G、Wifi和5G、n77频段的通讯需求。

可选地，串联支路上的叉指型体声波谐振器的多个第一电极223在压电层21上的高度，和并联连接于串联支路上的叉指型体声波谐振器的多个第一电极223在压电层21上的高度不同。

为便于理解，采用图9所示的滤波器进行举例说明。串联连接的两个叉指型体声波谐振器假设分为第一谐振器(假设该谐振器的多个第一电极223在压电层21上的高度值包括第一高度值和第二高度值)和第二谐振器(假设该谐振器的多个第一电极223在压电层21上的高度值包括第三高度值和第四高度值)，并联连接的三个叉指型体声波谐振器假设分为第三谐振器(假设该谐振器的多个第一电极223在压电层21上的高度值包括第五高度值和第六高度值)、第四谐振器(假设该谐振器的多个第一电极223在压电层21上的高度值包括第七高度值和第八高度值)和第五谐振器(假设该谐振器的多个第一电极223在压电层21上的高度值包括第九高度值和第十高度值)。则这四个高度值(第一高度值、第二高度值、第三高度值和第四高度值)中的每一个都不等于这六个高度值中的任意一个(第五高度值、第六高度值、第七高度值、第八高度值、第九高度值和第十高度值)。

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

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。