梯形结构的体声波滤波器以及多工器和通信设备

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种梯形结构的体声波滤波器以及多工器和通信设备。

背景技术

近年来的通信设备小型化和高性能趋势的加快，给射频前端提出了更高的挑战。滤波器是射频通信前端最常用的器件之一，一方面要通过减小芯片和封装基板的尺寸来实现小型化，另一方面要通过减少损耗来源、更好的谐振器以及更优的设计方法来实现更好的性能。

普通的滤波器的一种典型结构如图1所示，图1是根据现有技术中的声波滤波器的一种结构的示意图。这种滤波器100采用梯形结构，输入端T1和输出端T2之间有电感L1、L2以及多个谐振器(通常称作串联谐振器)11～13，各串联谐振器的连接点与接地端之间的多个支路(通常称作并联支路)上分别设置有谐振器21～24(通常称作并联谐振器)，经由接地电感L3、L4接地。图中示出的是2个接地电感的情形，另外也可以是各并联谐振器分各自经过1个电感接地，即4个接地电感。各并联谐振器上添加有质量负载层，使并联谐振器的频率和串联谐振器的频率具有差异从而形成滤波器的通带。

图2是根据现有技术中的一种体声波谐振器的基本结构的示意图。图2示出的是截面图，其中各部分说明如下：

201：衬底，可选材料为单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英等。

202：声学镜，图2示意为一空腔。声学镜也可采用布拉格反射层及其他等效形式。

203：底电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。

204：压电薄膜层，可选单晶氮化铝，多晶氮化铝、氧化锌，PZT等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。

205：顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等，顶电极包含质量负载层。

薄膜体声波谐振器工作在串联谐振频率Fs时的阻抗为串联谐振点阻抗Rs，工作在串联谐振频率时的品质因数为Qs，串联谐振点阻抗越小Qs越大；薄膜体声波谐振器工作在并联谐振频率Fp时的阻抗为并联谐振点阻抗Rp，工作在并联谐振频率时的品质因数为Qp，并联谐振点阻抗越高Qp越大；谐振器最大Q值(Qmax)对应频率在串联谐振频率和并联谐振频率之间。应用高Q值谐振器设计的滤波器具有更低的插损和更高的滚降，所以要想得到更好的滤波器性能需要谐振器的Q值尽量高。

对于一个梯形滤波器结构，串联谐振器的串联谐振频点和并联谐振器的并联谐振频点在通带内；串联谐振器的并联谐振频点在通带外高频端，形成高频端的抑制零点；并联谐振器的串联谐振频点在通带外低频端，形成低频端抑制零点。串联谐振器的Qmax、Qs以及串联谐振频点对应频率至滤波器通带左边沿对应频率之间的Q值对通带插损影响较大，Qp其次；并联谐振器的Qp和Qmax对通带插损影响较大，Qs其次；即梯形滤波器中串联谐振器和并联谐振器的性能要求不同。

发明内容

本发明提出梯形结构的体声波滤波器以及多工器和通信设备，该波滤器中，针对滤波器中的串联谐振器，在其顶电极设置抬高部和沟槽，有助于提升滤波器的插损特性。

本发明提供以下技术方案：

一种梯形结构的体声波滤波器，所述梯形结构中包含多个串联谐振器和多个并联谐振器，串联谐振器的顶电极的边缘具有第一抬高部；所述顶电极的与第一抬高部相邻的位置处设置有沟槽。

可选地，并联谐振器的顶电极的边缘具有第二抬高部。

可选地，所述沟槽的深度在0.003um至0.05um之间。

可选地，所述沟槽的宽度在0至15um之间。

可选地，对于所述沟槽的深度与所述沟槽的宽度的乘积，以及所述谐振器的底电极、压电层和顶电极分别按照声速归一化为顶电极材料的厚度之和，该乘积与该和的比值在0.005至0.1之间。

可选地，该比值在0.01至0.05之间。

一种多工器，包含本发明所述的体声波滤波器。

一种通信设备，包含本发明所述的体声波滤波器。

附图说明

为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：

图1是根据现有技术中的声波滤波器的一种结构的示意图；

图2是根据现有技术中的一种体声波谐振器的基本结构的示意图；

图3和图4是与本发明实施方式有关的谐振器的沟槽结构的示意图；

图5是不同沟槽宽度对应谐振器Fs以下寄生模式的示意图；

图6是谐振器顶电极不同沟槽宽度对应的沟槽次谐振的示意图；

图7是不同沟槽宽度对应谐振器并联谐振点阻抗的示意图；

图8是与本发明实施方式有关的插损频率特性曲线及并联谐振器的阻抗幅值频率特性的示意图；

图9是第一实施例与第一对比例的插损频率特性对比的示意图；

图10为第一实施例与第二对比例插损频率特性对比的示意图；

图11为第一实施例与第三对比例插损频率特性对比的示意图。

具体实施方式

本发明实施方式中，在串联谐振器的顶电极边缘设置抬高部和沟槽，以改善滤波器的插损特性。以下具体加以说明。

对于梯形结构的滤波器，串联谐振器的Qmax、Qs以及串联谐振频点对应频率至滤波器通带左边沿对应频率之间的Q值对通带插损影响较大，Qp其次；并联谐振器的Qp和Qmax对通带插损影响较大，Qs其次；即梯形滤波器对串联谐振器和并联谐振器的性能要求不同。在谐振器顶电极内部与抬高部相邻的位置设置一定深度的沟槽结构，具体如图3和图4所示，图3和图4是与本发明实施方式有关的谐振器的沟槽结构的示意图，其中图3是平面示意图，图4为图3的pp'截面示意图。作为示例，图中的谐振器在图2所示的现有技术中的谐振器的基础上，对于顶电极的结构加以改进，具体是在顶电极边缘设置抬高部206以及顶电极边缘(同时也位于谐振有效区边缘)设置沟槽207，该沟槽207位于抬高部206的内侧并与抬高部206相邻，其宽度为W，深度为H。抬高部的材料可选用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或这些金属的复合或合金等。

沟槽207截面积会影响谐振器的性能。考虑到半导体材料加工工艺的复杂度，在实现不同的该截面积时，最好是固定沟槽深度并改变沟槽宽度。这样，沟槽207结构上的不同宽度即对应不同的谐振器性能。

一方面，沟槽宽度越宽对谐振器的Fs以下的寄生模式的抑制效果越好，如图5所示。图5是不同沟槽宽度对应谐振器Fs以下寄生模式的示意图，具体示出了谐振器的谐振有效区边缘沟槽深度为H1时，不同沟槽宽度对应谐振器串联谐振频点频率(Fs＝2620MHz)以下的阻抗实部频率特性曲线。粗实线为谐振器沟槽宽度为W3时对应的谐振器阻抗实部频率特性曲线，细实线为谐振器沟槽宽度为W1时对应的谐振器阻抗实部频率特性曲线，虚线为谐振器不设置沟槽结构时对应的谐振器阻抗实部频率特性曲线。由此可见沟槽的设置可以有效抑制谐振器Fs以下的对应频段的寄生模式，沟槽深度一定时沟槽宽度越宽，其对Fs以下的对应频段的寄生模式的抑制效果越好。通过在谐振器顶电极边缘设置一定宽度的沟槽结构可以使得串联谐振器Fs以下对应频段的谐振器Q值显著提高，从而使得滤波器对应频段的插损特性得到改善。

另一方面，沟槽宽度越宽也会使得沟槽次谐振越明显，如图6所示。图6是谐振器顶电极不同沟槽宽度对应的沟槽次谐振的示意图，具体示出了谐振器顶电极边缘沟槽深度为H1时，不同沟槽宽度(W1

再一方面，沟槽宽度越宽也会使得并联谐振点阻抗越低，如图7所示。图7是不同沟槽宽度对应谐振器并联谐振点阻抗的示意图，具体示出了谐振器沟槽深度为H1时，不同沟槽宽度对应的谐振器并联谐振点阻抗Rp，随着沟槽宽度的增大谐振器Qp减小。因为对于梯形结构滤波器并联谐振器的Qp和Qmax对通带插损影响较大，所以并联谐振器的沟槽宽度应该小于某一指定值。而对于滤波器来说，并联谐振器的Qp会影响滤波器这个通带的插损，特别是对通带左侧插损影响更大，如图8所示，图8是与本发明实施方式有关的插损频率特性曲线及并联谐振器的阻抗幅值频率特性的示意图，其中以图1所示的滤波器为例，具体示出了滤波器的插损频率特性曲线以及并联谐振器的阻抗幅值频率特性曲线。实线为插损频率特性曲线，圆圈标记的曲线为并联谐振器22和23阻抗幅值频率特性曲线，三角形标记的曲线为并联谐振器21和24的阻抗幅值频率特性曲线。由图8可知并联谐振器的并联谐振频点Fp位于滤波器通带的低频端，所以并联谐振器的Qp对滤波器通带左侧插损影响较大。

从以上分析可以看出，沟槽宽度是需要考虑的重要方面。以下通过不同大小的沟槽宽度对应的性能表现，来说明沟槽宽度的选择方式。如表1所示，表1是本发明第一实施例与第一、第二、第三对比例中的谐振器顶电极边缘沟槽宽度的列表，其中W1、W3、W5表示该宽度，并且W1

表1

图9是第一实施例与第一对比例的插损频率特性对比的示意图。此处以通带为2515MHz-2675MHz的滤波器为例进行说明。粗实线为本发明第一实施例插损频率特性曲线，细实线为本发明第一对比例插损频率特性曲线。由于第一实施例串联谐振器有效区边缘设置了一定宽度的沟槽结构，从而相对于第一对比例(不设置沟槽结构)谐振器Fs以下的寄生模式显著减弱，同时由寄生模式引起的滤波器通带内的纹波系数明显减小。

图10为第一实施例与第二对比例插损频率特性对比的示意图。粗实线为第一实施例的插损频率特性曲线，细实线为第二对比例的插损频率特性曲线，虚线为串联路径中某一级串联谐振器的插损频率特性。第二对比例中滤波器在2625MHz附近由于串联谐振器沟槽次谐振的存在使得插损严重恶化，所述插损恶化是滤波器串联路径中所有串联谐振器沟槽次谐振叠加的结果。如图10所示，滤波器中串联谐振器沟槽深度H1一定时，沟槽宽度越宽对谐振器的Fs以下的寄生模式的抑制效果越好，所以在2515MHz-2620MHz频段第二对比例的插损特性优于第一实施例插损特性；但是沟槽宽度越宽沟槽次谐振越明显，沟槽次谐振使得对应频段的插损特性严重恶化。从而使得滤波器的纹波系数较差，同时滤波器的群延时波动也会随之增大。

图11为第一实施例与第三对比例插损频率特性对比的示意图，其中粗实线为第一实施例插损频率特性曲线，细实线为第三对比例插损频率特性曲线。由于第三对比例中并联谐振器的并联谐振点阻抗比较低，所以第三对比例相对于第一实施例整个通带插损都有所恶化，且越靠近低频端插损恶化越严重。这说明并联谐振器不宜设置沟槽。

对于梯型滤波器中的串联谐振器的沟槽宽度设置应当在一个合理的范围内，使其既可以有效抑制谐振器Fs以下的对应频段的寄生模式，同时又不会产生较强的沟槽次谐振。定义如下参数，沟槽横截面积(沟槽深度H乘以沟槽宽度W，单位均为um微米)与谐振器的层叠结构(stack)中的不同材料按照声速归一化为顶电极材料的总厚度(单位为um)的比值。即该比值的计算公式如下：

对于串联谐振器，上述比值可以在0.005至0.1之间，最好是在0.01至0.05之间。在一般的制造条件下，沟槽的深度在0.003um至0.05um之间，这样，沟槽的宽度可在0至15um之间。

根据本发明实施方式的技术方案，在谐振器的顶电极边缘设置抬高部和沟槽，并在沟槽深度一定的情况下，通过对梯型滤波器中的串联谐振器的沟槽宽度进行合理的设置，既可以有效抑制串联谐振器Fs以下的对应频段的寄生模式，又不会在临近串联谐振器的串联谐振频点的高频端产生较强的沟槽次谐振，从而使得滤波器的插损得到改善。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。