汇流条兼作反射栅型IDT结构的SAW器件

摘要

本发明公开了一种汇流条兼作反射栅型IDT结构的SAW器件，它包括声表面波滤波器和声表面波谐振器，声表面波滤波器和声表面波谐振器包含有封装壳体及放置于封装壳体内的声表面波滤波器和声表面波谐振器的管芯，两管芯在封装壳体内用导线进行电连接；所述的管芯包括刻蚀在压电单晶或压电薄膜表面的汇流条兼作反射栅的输入叉指换能器和汇流条兼作反射栅的输出叉指换能器。汇流条兼作反射栅采用三角形、圆形或者椭圆形结构。采用本发明的IDT结构设计的声表面波滤波器、谐振器，在管芯面积，叉指条数，耦合孔径相同的条件下，旁瓣抑制提高了9dB以上，插入损耗降低了12dB以上。

说明书

技术领域

 本发明涉及一种声表面波器件，特别涉及一种包含声表面波带通滤波器或声表面波谐振器的声表面波器件。

背景技术

由于压电材料（压电单晶或压电薄膜）的晶体结构中不存在对称中心，当在压电材料上施加电压时，会引起压电单晶或压电薄膜中的晶格产生形变。若所加的电压为输入的电压信号就会在压电单晶或压电薄膜表面晶格中产生声表面波（SurfaceAcousticWave简称SAW），该SAW是一种沿压电单晶或压电薄膜表面传播，振幅随深入晶体材料的深度增加而迅速衰减的弹性波。

    声表面波滤波器或声表面波谐振器的滤波，谐振功能的实现是基于在压电单晶或压电薄膜表面晶格中形成的声表面波。声表面波滤波器或声表面波谐振器，包括其封装壳体，放置于封装壳体内的声表面波滤波器或声表面波谐振器的管芯，管芯与封装壳体的外引线在封装壳体内用导线进行电连接。所述声表面波滤波器或声表面波谐振器的管芯包括刻蚀在压电单晶或压电薄膜表面的输入叉指换能器（interdigitaltransducer，简称IDT）和输出叉指换能器（以下凡出现IDT的位置都是指叉指换能器）。其中的基本单元是输入IDT和输出IDT的结构。该结构的制作方法是：在压电材料（例如LiNbO₃，ZnO和AlN）表面通过蒸发或溅射一层金属铝或铜，将设计好的两个IDT的掩膜图案，利用光刻方法刻蚀在基片表面。输入叉指换能器利用晶体的逆压电效应将电信号转换成声表面波(SAW)，在基片表面上传播，经过一定的延迟后，输出换能器利用压电效应将表面波(SAW)信号转换成电信号。声表面波滤波器或声表面波谐振器的功能是对电信号进行处理，包括滤波、延时、脉冲压缩和展宽、振荡稳频、解码编码、卷积相关、谱分析等。所述的输入IDT和输出IDT及压电基片共同构成声表面波的传输通道，不同的IDT结构具有不同的声表面波传输特性，因此，声表面波滤波器或声表面波谐振器的设计主要是对输入、输出叉指换能器结构的设计。

SAW器件（包括声表面波滤波器、声表面波谐振器）的主要特点是设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择性优良、可选频率范围宽、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰（EMI）能力强、可靠性高、制作的器件体积小，重量轻，适合于微型封装。其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的1/40和1/30左右，且能实现多种复杂的功能。SAW滤波器的特征和优点，适应了现代通信系统设备及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。因此，又掀起一个新的研究SAW器件的高潮。研究热点是高频、低插损SAW滤波器。

IDT是SAW器件的核心部分，组成IDT的参数主要有：电极对数（周期数N），IDT声孔径（电极重叠长度W），叉指电极宽度a，叉指电极间隔b和叉指电极金属层厚度h，这些共同决定了该换能器的中心频率f₀。

将现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构刻蚀于压电基片表面而制作的声表面波滤波器（或声表面波谐振器）的管芯如图1所示（图中声表面波滤波器或声表面波谐振器的封装壳体及版图未画出），图中标明了输入、输出叉指换能器及反射栅的具体位置。图2标示了将现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构刻蚀于压电基片表面而制作的声表面波滤波器（或声表面波谐振器）的幅频特性，其主瓣衰减为4dB,第一旁瓣、第二旁瓣及第三旁瓣衰减分别为28dB,39dB和46dB，说明其波形带外陡直度不理想。图3标示了将现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构刻蚀于压电基片表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的插入损耗，其IL值高达28dB，说明其插入损耗较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种汇流条兼作反射栅型IDT结构的SAW器件，以克服现有技术存在的声表面波滤波器或声表面波谐振器的旁瓣抑制不佳，插入损耗大及波形带外陡直度不理想等不足。

本发明的技术方案如下：它包括声表面波滤波器或声表面波谐振器，声表面波滤波器或声表面波谐振器包含有封装壳体及放置于封装壳体内的声表面波滤波器或声表面波谐振器的管芯，管芯在封装壳体内用导线进行电连接；所述的管芯，这里指的是声表面波滤波器的管芯或声表面波谐振器的管芯，声表面波滤波器的管芯或声表面波谐振器的管芯包括刻蚀在压电单晶或压电薄膜表面的汇流条兼作反射栅的输入叉指换能器和汇流条兼作反射栅的输出叉指换能器。

所述的汇流条兼作反射栅采用三角形、圆形或者椭圆形结构。

所述的汇流条兼作反射栅采用三角形结构，该三角形为等腰三角形，其中腰边的长度L不超过输入叉指换能器和输出叉指换能器管芯长度之和的35%。

所述的汇流条兼作反射栅采用三角形结构，该三角形为等腰三角形，顶角的半角（或一腰边与水平线的夹角）为θ。

所述的汇流条兼作反射栅采用圆形结构，圆半径R不超过声表面波滤波器管芯长度的35%或声表面谐振器管芯长度的35%。

所述的汇流条兼作反射栅采用椭圆形结构，椭圆长半轴A不超过声表面波滤波器管芯长度的40%或声表面谐振器管芯长度的40%。

以上技术方案中，在输入、输出换能器的声表面波传播耦合处仍然保留长方形孔径，以提高耦合效率，这样，既可减小管芯面积，又便于叉指变迹加权，降低插入损耗，提高旁瓣抑制效率，在要求的带宽内矩形系数得到改善。在理论设计时，将传统的函数模型进行了改进，即将一根叉指指条看着一个激发源改进成一个激发源只是一个用函数模型表示的基源，一根叉指可由一个到几个或十几个基源组成，这样，对不同长度的叉指指条或形状发生变化的叉指指条都能准确的用函数模型来表示，提高设计精度。

与现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构相比，采用本发明的IDT结构（包括汇流条兼作反射栅的三角形IDT结构，汇流条兼作反射栅的圆形IDT结构，汇流条兼作反射栅的椭圆形IDT结构）设计的声表面波滤波器（或声表面波谐振器），在管芯面积，叉指条数，耦合孔径相同的条件下，其旁瓣抑制提高了9dB以上，插入损耗降低了12dB以上。或者在旁瓣抑制，插入损耗要求相同的情况下，用这三种IDT结构设计的表面波滤波器（或表面波谐振器）的管芯面积减小。

附图说明

图1：为现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构刻蚀于压电基片（或压电薄膜）表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的管芯示意图（封装壳体及压电基片或压电薄膜的轮郭线未画出）；

图2：为现有的（或称传统的或称带反射栅）IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的幅频特性示意图；

图3：为现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的插入损耗示意图；

图4：为本发明的汇流条兼作反射栅的三角形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的管芯示意图（封装壳体及压电基片或压电薄膜轮郭线未画出）；

图5：为本发明的汇流条兼作反射栅的三角形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器幅频特性示意图；

图6：为本发明的汇流条兼作反射栅的三角形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的插入损耗示意图；

图7：为本发明的汇流条兼作反射栅的圆形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的管芯示意图（封装壳体及压电基片或压电薄膜的轮郭线未画出）；

图8：为本发明的汇流条兼作反射栅的圆形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的幅频特性示意图；

图9：为本发明的汇流条兼作反射栅的圆形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的的声表面波滤波器或声表面波谐振器的插入损耗示意图；

图10：为本发明的汇流条兼作反射栅的椭圆形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的管芯示意图（封装壳体及压电基片或压电薄膜轮郭线未画出）；

图11：为本发明的汇流条兼作反射栅的椭圆形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的幅频特性示意图；

图12：为本发明的汇流条兼作反射栅的椭圆形IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的插入损耗示意图。

具体实施方式

本发明的实施例：

现有的带反射栅型IDT结构（管芯结构）如图1所示，图中的标记2表示输入叉指换能器；图中的标记3表示输出叉指换能器；图中的标记4表示反射栅；图中的标记5表示虚线框内的结构图为将现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器(或声表面波谐振器)的管芯，（封装壳体及压电基片或压电薄膜轮郭线未画出）；叉指电极的宽度为a，电极间隔为b。在a=b=7.5微米，叉指对数N=30时设计的声表面波滤波器或声表面波谐振器的幅频特性和插入损耗分别如图2、图3所示。基片材料是C轴择优取向（100）的AlN压电薄膜。[注：此处给出现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构，是为了与本发明的新结构进行比较]。

实施例一、汇流条兼作反射栅的三角形IDT管芯结构如图4所示，图中的标记1表示虚线框内的图形为汇流条兼作反射栅（同时又是管芯结构的一部分）的IDT；图中的标记2表示输入叉指换能器；图中的标记3表示输出叉指换能器；图中的标记4表示虚线框内的结构图为本发明的汇流条兼作反射栅的三角形结构的IDT刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器（或声表面波谐振器）的管芯（封装壳体、版图及压电基片或压电薄膜的轮郭线未画出）。叉指电极的宽度为a，电极间隔为b，a+b表示两个汇流条（兼作反射栅）之间的距离。在输入IDT中，声孔径变化。在a、b一定时，图中的θ角决定L的长度，也就决定了三角形结构中用于变迹加权的指条的数量，可根据具体设计要求来决定。其范围是：L的值不能超过采用汇流条兼作反射栅的三角形结构IDT的声表面波滤波器或声表面波谐振器的输入叉指换能器和输出叉指换能器管芯长度之和的35%。

在a=b=7.5微米，叉指对数N=30，θ角为45度时设计的声表面波滤波器（或声表面波谐振器）的幅频特性和插入损耗结果分别如图5、图6所示。基片材料是C轴择优取向（100）的AlN压电薄膜（基片材料可以是任何有压电效应的基片或薄膜）。

实施例二、汇流条兼作反射栅的圆形IDT管芯结构如图7所示，图中的标记1表示虚线框内的图形为汇流条兼作反射栅（同时又是管芯结构的一部分）的IDT；图中的标记2表示输入叉指换能器；图中的标记3表示输出叉指换能器；图中的标记4表示虚线框内的结构图为本发明的汇流条兼作反射栅的圆形结构的IDT刻蚀于压电基片或压电薄膜表面而制作的声表面波滤波器（或声表面波谐振器）的管芯（封装壳体、版图及压电基片或压电薄膜的轮郭线未画出）。叉指电极的宽度为a，电极间隔为b，a+b表示两个汇流条（兼作反射栅）之间的距离。在输入IDT中，声孔径变化。叉指电极的宽度为a，电极间隔为b，在圆形结构的IDT中，声孔径变化。在a、b一定时，图中的R（圆半径）决定了圆形结构IDT中用于变迹加权的指条的数量，R的范围是：R的值不能超过采用汇流条兼作反射栅的圆形结构IDT的管芯长度的35%，可根据具体设计要求来决定。在a=b=7.5微米，叉指对数N=30时设计的声表面波滤波器或声表面波谐振器的幅频特性和插入损耗分别如图8、图9所示。基片材料是C轴择优取向（100）的AlN压电薄膜。  

实施例三、汇流条兼作反射栅的椭圆形IDT管芯结构如图10所示，图中的标记1表示虚线框内的图形为汇流条兼作反射栅（同时又是管芯结构的一部分）的IDT；图中的标记2表示汇流条兼作反射栅的椭圆形输入叉指换能器；图中的标记3表示汇流条兼作反射栅的椭圆形输出叉指换能器；图中的标记4表示虚线框内的结构图为本发明的汇流条兼作反射栅的椭圆形结构的IDT刻蚀于压电基片（或压电薄膜）表面而制作的声表面波滤波器或声表面波谐振器的管芯（封装壳体、版图及压电基片或压电薄膜的轮郭线未画出）。叉指电极的宽度为a，电极间隔为b，a+b表示两个汇流条（兼作反射栅）之间的距离。在圆形结构的IDT中，声孔径变化。在a、b一定时，图中的A（即椭圆长半轴）决定了椭圆形结构IDT中用于变迹加权的指条的数量，A的取值范围是：A的值不能超过采用汇流条兼作反射栅的椭圆形结构IDT的声表面波滤波器或声表面波谐振器管芯长度的40%。可根据具体设计要求来决定。

在a=b=7.5微米，叉指对数N=30时设计的声表面波滤波器，谐振器的幅频特性和插入损耗分别如图11、图12所示意。基片材料是C轴择优取向（100）的AlN压电薄膜。  

上述本发明的汇流条兼作反射栅的三种IDT结构的声表面波滤波器或声表面波谐振器，与现有的（或称传统的或称带反射栅的）IDT结构声表面波滤波器或声表面波谐振器的特性对比情况见表1。

                      表1

对于SAW器件，从理论上说，插入损耗及主峰衰减越小越好，而旁瓣衰减（旁瓣抑制）越大越好，旁瓣抑制越大说明器件的矩形系数越好，这正是SAW器件所要求的。从表1中数据可看出，汇流条兼作反射栅的几种IDT结构的主峰衰减，旁瓣抑制及插入损耗都优于现有技术的带反射栅型IDT结构。