專利名稱：利用多次諧波共振在共振結(jié)構(gòu)上橫向耦合的體波濾波器元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(yīng)的制造方法，該初級濾波器用于形成更復(fù)雜的濾波器。
背景技術(shù)：
用于構(gòu)造涉及通過窄過渡區(qū)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(gòu)成。所述換能器的過渡區(qū)足夠窄，以在此處形成由兩個共振器發(fā)射的場的衰減波的重疊，由此產(chǎn)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(shù)據(jù)在濾波器的結(jié)構(gòu)的輸入位置和輸出位置之間在頻譜區(qū)中傳輸，當在耦合模式時，頻譜區(qū)非常大，也就是說，兩個共振器的過渡分離區(qū)窄。此原理已用于使用傳統(tǒng)的體波共振器在1-30MHZ的頻率范圍中操作的頻率濾波器，所述的使用傳統(tǒng)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(chǎn)生這樣的耦合。然而，朝更高頻率發(fā)展看來是復(fù)雜的，由于就此觀點來看板的薄度會增加，從而導(dǎo)致脆弱的結(jié)構(gòu)，該脆弱的結(jié)構(gòu)的厚度為幾十微米到幾微米且因此不適于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。此原理還用于氮化鋁(AlN)的薄膜濾波器，但層本身的厚度構(gòu)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(shè)計和生產(chǎn)”，法國貝桑松市的弗朗什孔泰大學(xué)的論文，由A. Hernhart于2005所著)的文獻表明實際上不可能設(shè)想產(chǎn)生這樣的濾波器，除非通過提高使用于表面波的交指型換能器返回的力偶。該技術(shù)的問題在于增大了由兩個HBAR型的共振器在初級濾波器內(nèi)產(chǎn)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(fā)明內(nèi)容
為達到上述目的，本發(fā)明涉及一種HBAR型的初級濾波器，該初級濾波器用于以預(yù)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(yīng)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(qū)，其設(shè)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(gòu)成，該第一材料層根據(jù)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(jù)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(nèi)，按照縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大于5%，且其特征在于，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(shè)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并穿過所 述參考電極的波與所述壓電換能器耦合。根據(jù)具體實施方式
，HBAR型的初級濾波器包括一個或多個以下特征-聲波基片由第二厚度的第二材料層構(gòu)成，該第二材料層具有至少為5.IO12的工作頻率音質(zhì)的乘積系數(shù)，且該第二材料層根據(jù)由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的、等于零的角度φ定向，并根據(jù)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(yīng)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(yīng)
于第二切割角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于或等于1；-由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)/ φ定義的角φ等于0 ；-由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw ) Ap定義的角Φ不等于 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(gòu)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(yōu)選地包括在由下述材料構(gòu)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(gòu)成的組中石英、鈮酸鉀、磷酸鎵單晶 (GaPO4)、四硼酸鋰(LiB4O7)、硅酸鎵鑭(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(gòu)成；-所述共用參考電極由金、銅或銦構(gòu)成；及-所述共用參考電極通過兩個連接元件側(cè)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(fā)明還涉及一種制造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(gòu)成的壓電換能器，所述第一材料層根據(jù)由IEEE 標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義為等于0或不等于0的角φ定位，且根據(jù)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(nèi)，根據(jù)縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大于5%，提供由第二厚度的第二材料層構(gòu)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(zhì)的乘積系數(shù)，且所述第二材料層根據(jù)由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義為等于O的角φ定位，且根據(jù)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(yīng)于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，采 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涂覆金屬；組裝所述換能器和所述聲波基片，且彼此相對地設(shè)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(yīng)于第二切割角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(jié)合基片和換能器的在所述步驟中涂覆金屬的表面；其特征在于，所述方法還包括下述步驟在換能器的第二表面上金屬涂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(qū)互相隔開。根據(jù)具體實施方式
，HBAR型的初級濾波器的制造方法包括一個或多個以下特征金屬涂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涂覆整體電極的步驟，和隨后的在整體電極中切割具有預(yù)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(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)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(jù)切割角θ 1的演化圖，該組晶體取向通常稱為“采用單向旋轉(zhuǎn)切割”；圖5是鈮酸鋰的上述波的耦合系數(shù)按照角θ 1的演化圖；圖6是對應(yīng)于第一實施方式的波的極化的、與換能器的板關(guān)聯(lián)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(yīng)于第一實施方式的波的極化的、與聲波基片的板關(guān)聯(lián)的平面表示；圖9是根據(jù)第一實施方式的濾波器的寬帶傳遞函數(shù)的曲線圖；圖10是圖9的曲線圖的一區(qū)域的放大圖；圖11是對應(yīng)于橫向波的耦合的根據(jù)本發(fā)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(jù)線ΧΠ - ΧΠ的截面圖；圖13是對應(yīng)于第二實施方式的波的極化的、與換能器的板關(guān)聯(lián)的平面表示；圖14是對應(yīng)于第二實施方式的波的極化的、與聲波基片的板關(guān)聯(lián)的平面表示；圖15是用于根據(jù)第二實施方式的濾波器在約1. 24GHz處的寬帶傳遞函數(shù)的曲線圖；圖16是圖15的曲線的一區(qū)域的放大圖17是用于進行圖1、圖2、圖11和圖12描述的初級濾波器的制造方法的流程圖。
具體實施例方式圖1和圖2示出根據(jù)本發(fā)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(xù)的疊層，所述層包括-用于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并排設(shè)置且都由厚度為％的鋁構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(cè)和上電極6側(cè)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 明顯大于寬度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的總表面積小于嵌入的反電極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相對于Wl和W2很小。相對于換能器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(shè)置成面向反電極10并與其平行，當邊緣設(shè)置成盡可能地平行時，表面中的面向區(qū)域最大。在這種方式中，假定波的激勵分別對應(yīng)于第一共振器20和第二共振器22的結(jié)構(gòu)， 第一共振器20和第二共振器22被稱為平-平腔，對于共振器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(dǎo)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于第一電極4下方的層的區(qū)域，在此示例中所述層包括聲波基片12的相應(yīng)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于第二電極6下方的層的區(qū)域，在此示例中所述層包括聲波基片12的相應(yīng)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(qū)26中耦合，在圖中該過渡區(qū)由虛線大致限定，過渡區(qū)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的位于過渡區(qū)26中且緊接在溝道18下方的部分和位于過渡區(qū)26中且垂直地位于溝道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(yīng)層。在這種方式中，通過加入聲波基片12增大了經(jīng)過耦合元件28的在兩個共振器20、22之間的耦合區(qū)的范圍。 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(yīng)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。置于換能器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(jié)構(gòu)的粘合劑。構(gòu)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(gòu)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(xù)部分，該第一連接元件14在第一上電極4側(cè)延伸。第一連接元件14為條形件30的形式，條形件30的寬度等于反電極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的位于電極4側(cè)的側(cè)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位于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(xù)部分，該第二連接元件16在第二上電極6側(cè)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的位于電極6側(cè)的側(cè)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位于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處于相同的電位。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是具有相對于第一電四極子反向傳輸?shù)墓δ艿牡诙娝臉O子。根據(jù)圖3，換能器8的板自晶圓材料根據(jù)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，且當制造單晶體時，晶軸Xi、Y1被預(yù)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(zhuǎn)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(jù)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(guān)聯(lián)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(zhuǎn)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(guān)于繞由鈮酸鋰構(gòu)成的換能器8的晶軸X11單向旋轉(zhuǎn)切割的演進圖。線62表示根據(jù)第一切割角θ 1的橫波的相速，該橫波在換能器8中沿垂直于電極 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(jù)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(zhuǎn)切割時縱波和橫波的耦合，該換能器8 由鈮酸鋰構(gòu)成。線66表示耦合系數(shù)K2t根據(jù)第一切割角θ 1的演進圖，該耦合系數(shù)表示橫波的電能轉(zhuǎn)換成聲能的百分比，該第一切割角θ 1以度表示。線68表示耦合系數(shù)K2t根據(jù)第一切割角θ 1的演進圖，該耦合系數(shù)表示縱波的電能轉(zhuǎn)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(qū)70，在該角區(qū)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(qū)70以角度為36°的θ 1為中心且具有10°的范圍。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(qū)70。當考慮換能器8的板在圖6示出的根據(jù)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(jù)軸Y'工的標量極化，軸Y' i在圖8中示為豎直線，即相對于平面(X1, Z' D垂直，但其空間相關(guān)性根據(jù)激勵平面的空間坐標而變。極化向和軸 Y'工共線。根據(jù)圖7，聲波基片板12自粗單晶晶圓根據(jù)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(xiàn)。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(zhuǎn)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(jù)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(guān)聯(lián)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(zhuǎn)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(jù)軸V 2、Υ' 2的平面表示時，類似于圖 6示出的用于換能器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(zhì)的乘積系數(shù)至少是5Χ1012。由鈮酸鋰構(gòu)成的聲波基片12的縱向振動模式也具有標量極化且根據(jù)V 2軸建立，并且該縱向振動模式根據(jù)激勵平面取決于與板關(guān)聯(lián)的局部坐標。對于由鈮酸鋰構(gòu)成、采用根據(jù)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(zhuǎn)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(xiàn)聲波耦合效應(yīng)使極化等于聲波基片12中的橫向模式的表示為戶《%的極化。根據(jù)圖1描述的第一實施方式構(gòu)造的濾波器2的響應(yīng)的特征在于，測量是依據(jù)用于不同頻帶的傳遞函數(shù)而進行的，所述的不同頻帶對應(yīng)于縱向模式的強耦合的頻譜區(qū)。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(yīng)，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(yīng)?？梢钥匆娦纬墒釥?04 的多個濾波函數(shù)102，且濾波函數(shù)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(shù)102的放大圖，濾波傳遞函數(shù)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(yīng)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(jù)本發(fā)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(jié)構(gòu)和第一實施方式的濾波器的外部幾何結(jié)構(gòu)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不同于圖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(gòu)成。單塊式聲波基片212由單晶體形式的石英構(gòu)成。在此示例中，還假設(shè)波的激勵分別對應(yīng)于第一共振器220和第二共振器222的結(jié)構(gòu)，第一共振器220和第二共振器222被稱為平腔/平腔，對于共振器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(dǎo)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于下方的層的區(qū)域，在此示例中，所述層包括聲波基片212的相應(yīng)層。第二共振器222包括第二電極6和同一剖面中垂直地位于下方的層的區(qū)域，在此示例中所述層包括聲波基片212的相應(yīng)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(qū)226中，過渡區(qū)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包括位于過渡區(qū)226中且緊接在溝道18下方的換能器部分208和位于過渡區(qū)226中且垂直地位于溝道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(yīng)層。在這種方法中，通過加入聲波基片212而增大了經(jīng)過耦合元件228的在兩個 共振器220、222之間的耦合區(qū)的范圍。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(yīng)的激勵的極化向量巧&與對應(yīng)于聲波基片的慢速橫向模式的、表示為&_的極化向量一致。對應(yīng)于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。置于換能器208和基片212之間的反電極10還用于結(jié)合共振器2的結(jié)構(gòu)。構(gòu)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(gòu)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(jù)用于鈮酸鋰的單旋轉(zhuǎn)切割的圖5，很明顯，線66和線68具有角區(qū)272，在該角區(qū)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(qū)272以角度為163°的θ 1為中心且具有10°的范圍。圖10中描述的換能器208的切割角θ 1在圖5中的角區(qū)272中選為163°。對鈮酸鋰的單旋轉(zhuǎn)切割來說，僅對應(yīng)于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，即垂直于平面(X' ”V ^，但其空間相關(guān)性根據(jù)激勵平面的空間坐標而變。極化向相對于 V工是共線的。當考慮石英板212的如圖14示出的根據(jù)軸X' 2、V 2的平面表示時(其類似于圖 13示出的用于換能器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(jù)軸X' 2產(chǎn)生，且取決于與沿激勵平面的板關(guān)聯(lián)的局部坐標系。對于具有根據(jù)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(zhuǎn)(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(xiàn)聲波耦合效應(yīng)，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(yīng)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，但對于-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(dǎo)致了圖11的圖示對應(yīng)于少于-24°的切割角θ 2，且極化向量巧㈣對應(yīng)于軸 X2的慢速切割。如果切割角θ 2大于-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(zhuǎn)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&和用于慢速切割的Ato—致。實際上，當期望在溫度方面穩(wěn)定濾波器202的傳遞函數(shù)，在角區(qū)內(nèi)選擇切割角 θ 2，在角區(qū)內(nèi)用于慢速切割波的一階的頻率的第一溫度系數(shù)接近0且逐步地向0靠近。此角區(qū)以約+35°為中心，且具有22°的范圍，由此確保一階的頻率的第一溫度系數(shù)CTFBl的絕對值小于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(qū)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(yīng)。 可看到形成梳狀的多個濾波函數(shù)且濾波函數(shù)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(shù)的放大圖，該濾波器傳遞函數(shù)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(yīng)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(nèi)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(nèi)的聲波振動是反相的。圖17是圖11描述的共振器202的制造方法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(gòu)成，第一材料層根據(jù)由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw)/φ定義的、等于零的角Φ定向，且根據(jù)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于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(yōu)選地，將自鈮酸鋰(LiNbO3)和鉭酸鋰(LiTaO3)選擇材料，因為該材料易于控制具有明顯厚度的單晶體的制造過程。鈮酸鋰和鉭酸鋰可制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(gòu)成，該第二材料層具有至少為5 X IO12的工作頻率音質(zhì)的乘積系數(shù)，且該材料層根據(jù)由IEEE標準Std-176(1949年修訂版)的命名法(YXw) /φ限定的、等于O的角φ定向，且根據(jù)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(yīng)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(gòu)替代物、磷酸鎵(GaPO4)、鈮酸鉀、四硼酸鋰(LiB4O7)、硅酸鎵鑭(La3Ga5SO14)、鉭酸鎵鑭、鋰酸鎵鑭和它們的各種變型體，典型的同構(gòu)替代物例如為Ge02、Te02，磷酸鎵(GaPO4)也是同構(gòu)結(jié)構(gòu)。
聲波基片的材料優(yōu)選地為石英，因為石英在溫度方面具有顯著的穩(wěn)定性，且在結(jié)晶學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)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的一個表面上面涂覆厚度在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(jié)合且由此形成反電極。實際上且傳統(tǒng)地，通常由鉻或鈦構(gòu)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%?？紤]到金的塑性及它的機械強度，金是一種特別有利于這種類型的結(jié)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(yīng)于第二切割角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(jù)使用的金屬而采用或不采用升高溫度來進行結(jié)合。當使用金時，無需加熱階段，且進行持續(xù)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(jié)合。因此，能夠以此方式制造多個鈮酸鋰復(fù)合板/石英復(fù)合板而沒有任何缺陷，對于直徑為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涂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(qū)226互相分開，過渡區(qū)226用于耦合由換能器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可以單獨地涂覆金屬或可以通過蝕刻預(yù)先準備好的初始涂有金屬的電極獲得。尤其是因為第二切割角θ 2的值的寬范圍，使得該方法簡單易行，該寬范圍使得能夠在溫度穩(wěn)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。共振器輕且占據(jù)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于濾高濾波器的單元中。當然，還可以設(shè)想其它應(yīng)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(gòu)成，該材料層根據(jù)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(jù)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(nèi)根據(jù)縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大于 5%。在稱為包含雙旋轉(zhuǎn)的切割變型中，換能器的模式的激勵級優(yōu)先于其他兩個可能的模式，就此來說，優(yōu)先模式和其它可能的模式之間振幅比大于或等于10。
權(quán)利要求
1.一種HBAR型的初級濾波器，所述初級濾波器用于以預(yù)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幻以及用于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(yīng)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(qū)(沈、2沈)，所述換能器(8、 208)的過渡區(qū)06、226)設(shè)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(gòu)成，所述第一材料層根據(jù)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(jù)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(nèi)，按照縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大于5%，及其特征在于，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(shè)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(quán)利要求1所述的初級濾波器，其特征在于，所述聲波基片(12、212)由第二厚度的第二材料層構(gòu)成，所述第二材料層具有至少為5 X IO12的工作頻率音質(zhì)的乘積系數(shù)，且所述第二材料層根據(jù)由IEEE標準乂(1-176 (1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的、等于零的角度ψ定向，并根據(jù)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(yīng)于振動模式的極化方向A1，以及特征在于，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(yīng)于所述第二切割角θ 2的至少一個振動模式的極化方向一致。
3.如權(quán)利要求2所述的初級濾波器，其特征在于，所述聲波基片(12)的厚度與所述換能器(8)的厚度的比率大于或等于1。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，所述由IEEE標準 Std-176 (1949年修訂版)的命名法(YXw)Ap定義的角φ等于0。
5.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，所述由IEEE標準 Md-176(1949年修訂版)的命名法(YXw) /φ定義的角φ不等于0。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，所述波的振動模式是縱向的。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，所述波的振動模式是橫向的。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，所述換能器(8、208)的材料包括在由下述材料構(gòu)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(quán)利要求8所述的初級濾波器，其特征在于，所述換能器(8、208)的材料優(yōu)選包括在由下述材料構(gòu)成的組中鈮酸鋰(LiNbO3)和鉭酸鋰(LiTaO3)。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，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)、硅酸鎵鑭 (La3Ga5SO14)、鉭酸鎵鑭和鋰酸鎵鑭。
11.如權(quán)利要求10所述的初級濾波器，其特征在于，所述聲波基片(12、212)的材料是石英。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，所述共用參考電極 (10)由熱壓縮金屬構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，所述共用參考電極 (10)由金、銅或銦構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項所述的初級濾波器，其特征在于，所述共用參考電極 (10)通過兩個連接元件(14和16)側(cè)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。
15.一種制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(gòu)成的壓電換能器(8、208)，所述第一材料層根據(jù)由 IEEE標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(ΥΧνν)/φ定義為等于0或不等于0的角φ定向，且根據(jù)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(nèi)，根據(jù)縱向模式或橫向模式的波的電聲耦合度大于5% ；提供由第二厚度的第二材料層構(gòu)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(zhì)的乘積系數(shù)，且所述第二材料層根據(jù)由IEEE標準Std-176 (1949年修訂版)的命名法(YXwycp定義為等于0的角φ定向，且根據(jù)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(yīng)于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；采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涂覆金屬；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(yīng)于第二切割角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(jié)合所述基片(12、212)和所述換能器(8、208)的在所述步驟中涂覆金屬的表面；其特征在于，所述方法還包括以下步驟在所述換能器(8、208)的第二表面上金屬涂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(qū)(26、226)互相隔開。
16.如權(quán)利要求15所述的初級濾波器的制造方法，其特征在于，所述的金屬涂覆第一電激勵電極(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涂覆整體電極的步驟，接著是在所述整體 電極中切割具有預(yù)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(fā)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?shù)姆绞今詈?。第一共振?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(shè)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(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者多利安·加雄, 西爾萬·巴朗德拉 申請人:國家科學(xué)研究中心(C.N.R.S), 弗朗什-孔泰大學(xué)