弹性波器件和使用弹性波器件的天线双工器

摘要

一种弹性波器件包括：压电基板；梳形电极，其形成在所述压电基板上并且激励瑞利波作为主要弹性波；第一电介质膜，其形成在所述压电基板上以覆盖所述梳形电极；以及第二电介质膜，其一部分设置在所述梳形电极的电极指之间，一部分设置在所述梳形电极上方。设置在所述电极指之间的所述部分设置在所述压电基板和所述第一电介质膜之间。设置在所述梳形电极上方的所述部分设置在所述梳形电极和所述第一电介质膜之间。通过所述第一电介质膜传播的横波的速度低于由所述梳形电极激励的瑞利波的速度。通过所述第二电介质膜传播的横波的速度高于由所述梳形电极激励的瑞利波的速度。

说明书

技术领域

本发明涉及弹性波器件和使用弹性波器件的天线双工器。

背景技术

图10是传统的弹性波器件101的横截面示意图。弹性波器件101包括 压电基板102、形成在压电基板102上且激励波长λ的瑞利波(Rayleigh wave) 作为主要弹性波的梳形电极103、以及在基板102上方以覆盖梳形电极103 的方式形成的电介质膜104。

具有与压电基板102符号相反的频率温度系数(TCF)的电介质膜104 改善了弹性波器件101的TCF。

与弹性波器件101类似的传统弹性波器件公开于例如专利文献1中。

传统弹性波器件101产生频率在作为主要弹性波的瑞利波的谐振频率和 反谐振频率之间的不需要的弹性波，即水平剪切(SH)波。在弹性波器件 101用在梯型滤波器或双模式SAW(DMS)滤波器中的情况下，SH波产生 这些滤波器的通带中的波纹(ripple)，并且导致其特性劣化。

图11示出了弹性波器件101的导纳特性(dB)。在弹性波器件101中， 压电基板102由铌酸锂(LiNbO₃)系基板制成，其具有以欧拉角(φ、θ、ψ) 表示的切割面和瑞利波传播方向，其中-10°≤φ≤10°、33°≤θ≤43°、并且-10° ≤ψ≤10°。梳形电极103由膜厚为0.05λ的钼电极制成，并且激励波长λ为 4000nm的瑞利波作为主要弹性波。电介质膜104由膜厚为0.25λ的二氧化硅 制成，所述膜厚是从基板102和电介质膜104之间的界面测量到电介质膜104 的上表面的。如图11所示，由在瑞利波的谐振点和反谐振点之间的作为不 需要的弹性波的SH波产生乱真发射(spurious emission)108。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开No.WO2005/034347

发明内容

一种弹性波器件包括：压电基板；梳形电极，其形成在所述压电基板上 并且激励瑞利波作为主要弹性波；第一电介质膜，其形成在所述压电基板上 以覆盖所述梳形电极；以及第二电介质膜，其一部分设置在所述梳形电极的 电极指之间，一部分设置在所述梳形电极上方。所述第二电介质膜的设置在 所述梳形电极的电极指之间的部分设置在所述压电基板和所述第一电介质 膜之间。所述第二电介质膜的设置在所述梳形电极上方的部分设置在所述梳 形电极和所述第一电介质膜之间。通过所述第一电介质膜传播的横波的速度 低于由所述梳形电极激励的瑞利波的速度。通过所述第二电介质膜传播的横 波的速度高于由所述梳形电极激励的瑞利波的速度。

该结构在相对地增大作为不需要的弹性波的SH波的频率的同时防止了 作为主要弹性波的瑞利波的频率增大。由于SH波和瑞利波二者的能量都集 中在压电基板的上表面附近，然而与SH波相比，瑞利波的更大的能量分布 在第一电介质膜中，所以能够防止瑞利波的频率增大。

结果，在使用该弹性波器件的滤波器中，由SH波导致的乱真发射被从 该滤波器的通带去除，因此改善了该滤波器的通过特性。

附图说明

图1是根据本发明一示范性实施例的弹性波器件的横截面示意图。

图2示出根据实施例的弹性波器件的特性。

图3示出根据实施例的弹性波器件的特性。

图4是根据实施例的另一弹性波器件的横截面示意图。

图5示出根据实施例的弹性波器件的特性。

图6是根据实施例的又一弹性波器件的横截面示意图。

图7是根据实施例的再一弹性波器件的横截面示意图。

图8A示出根据实施例的弹性波器件的特性。

图8B示出根据实施例的弹性波器件的特性。

图8C示出根据实施例的弹性波器件的特性。

图9是包括根据实施例的弹性波器件的天线双工器的电路框图。

图10是传统的弹性波器件的横截面示意图。

图11示出传统弹性波器件的特性。

具体实施方式

图1是根据本发明一示范性实施例的弹性波器件的横截面示意图(与叉 指换能器(IDT)电极的延伸方向垂直的横截面示意图)。

图1所示的弹性波器件1包括压电基板2、形成在压电基板2上并且激 励瑞利波作为主要弹性波的梳形电极3、形成在基板2上以覆盖梳形电极3 的第一电介质膜4。弹性波器件1还包括设置在梳形电极3的电极指之间并 且在压电基板2和第一电介质膜4之间的第二电介质膜5、以及设置在梳形 电极3上方并且在梳形电极3和第一电介质膜4之间的第二电介质膜6。所 述瑞利波的波长λ是电极指的节距的2倍长。

通过第一电介质膜4传播的横波的速度低于由梳形电极3激励的瑞利波 的速度。通过第二电介质膜5和6传播的横波的速度高于由梳形电极3激励 的瑞利波的速度。

由梳形电极3激励的作为不需要的弹性波的水平剪切(SH)波的速度高 于通过第一电介质膜4传播的横波的速度，并且低于通过第二电介质膜5和 6传播的横波的速度。

在不提供第二电介质膜5和6的情况下，在主要弹性波，即瑞利波的谐 振频率和反谐振频率之间产生不需要的弹性波，即SH波。

弹性波器件1防止瑞利波的频率增大，同时使不需要的弹性波即SH波 的频率相对增大。由于SH波和瑞利波二者的能量都集中在压电基板2的上 表面附近，而与SH波相比，瑞利波的更大的能量分布在第一电介质膜4中， 所以防止了瑞利波的频率增大。

结果，弹性波器件1用于滤波器中时从滤波器的通带去除了由SH波引 起的乱真发射，从而改善了滤波器的通过特性。

压电基板2由激励瑞利波作为主要弹性波的压电单晶基板制成。例如， 压电基板2由铌酸锂(LiNbO₃)系基板制成，其具有以欧拉角(φ、θ、ψ) 表示的切割角和瑞利波传播方向，其中-10°≤φ≤10°、33°≤θ≤43°、并且-10° ≤ψ≤10°。压电基板2可以是压电媒质(medium)基板或压电媒质薄膜，例 如由石英基板或钽酸锂(LiTaO₃)系基板、或铌酸钾系基板、或压电单晶媒 质制成。由石英系基板制成的压电基板2具有以欧拉角(φ、θ、ψ)表示的 切割角和主要弹性波传播方向，其中-1°≤φ≤1°、113°≤θ≤135°、并且-5° ≤ψ≤5°。由钽酸锂(LiTaO₃)系基板制成的压电基板2具有以欧拉角(φ、 θ、ψ)表示的切割角和主要弹性波传播方向，其中-7.5°≤φ≤2.5°、111°≤θ ≤121°、并且-2.5°≤ψ≤7.5°。角度φ和θ表示压电基板2的切割角，角度ψ 表示由形成在压电基板2上的梳形电极3激励的主要弹性波的传播方向。

设置在压电基板2上的梳形电极3包括一对叉指换能器，从弹性波器件 1上方看时，所述叉指换能器具有彼此交叉的梳形。梳形电极3由诸如铝、 铜、银、金、钛、钨、钼、铂或铬之类的单种金属，主要包含这些金属中的 一种的合金，或者这些金属的叠层结构制成。在梳形电极3具有叠层结构的 情况下，例如，梳形电极3包括主要由钼制成的Mo电极层和主要由铝制成 并且从压电基板2起按顺序设置在Mo电极层上的Al电极层。Mo电极层具 有较高的密度，因此将主要弹性波限制在弹性波器件1的表面上，而Al电 极层减小了梳形电极3的电阻。Mo电极层可包含诸如硅之类的添加物，而 Al电极层可包含诸如镁、铜或硅之类的添加物。这些添加物增大了梳形电极 3的耐受电功率。

梳形电极3的总膜厚用梳形电极3的总密度“b”和铝的密度“a”表示， 优选不小于0.05λ×b/a并且不大于0.15λ×b/a。该条件允许主要弹性波集中 在弹性波器件1的表面上。

第一电介质膜4可以由通过其传播的横波的速度低于由梳形电极3激励 的瑞利波的任何媒质制成。例如，第一电介质膜4由主要由二氧化硅(SiO₂) 制成的媒质制成。SiO₂具有与压电基板2符号相反的频率温度系数(TCF)。 由SiO₂制成的第一电介质膜4改善了弹性波器件1的频率温度系数。

在第一电介质膜4由硅氧化物制成的情况下，第一电介质膜4的膜厚被 确定为使得由梳形电极3激励的主要弹性波的频率温度系数的绝对值不大于 预定值(40ppm/℃)。根据该实施例，第一电介质膜4的膜厚是从第一电介 质膜4与设置在梳形电极3的电极指之间的第二电介质膜5之间的界面到第 一电介质膜4的上表面的距离。满足所述预定值并且由硅氧化物制成的第一 电介质膜4的厚度不小于0.2λ且不大于0.5λ。

第二电介质膜5和6可以由通过其传播的横波的速度比由梳形电极3激 励的瑞利波更快的任何媒质制成。所述媒质可以主要由例如金刚石、硅、硅 氮化物、硅氮氧化物、铝氮化物或铝氧化物制成。

图2示出了包括压电基板2、梳形电极3、第一电介质膜4、以及第二电 介质膜5和6的弹性波器件1的导纳特性(dB)。压电基板2由铌酸锂(LiNbO₃) 系基板制成，具有以欧拉角(φ、θ、ψ)表示的切割角和瑞利波传播方向， 其中-10°≤φ≤10°、33°≤θ≤43°、并且-10°≤ψ≤10°。梳形电极3包括钼电 极，其膜厚为0.05λ，并且激励波长λ为4000nm的瑞利波作为主要弹性波。 第一电介质膜4由二氧化硅(SiO₂)制成，从第二电介质膜5与第一电介质 膜4之间的界面到膜4的上表面测量的膜厚为0.25λ。第二电介质膜5和6 由硅氮化物(SiN)制成，其膜厚为0.045λ。

如图2所示，第二电介质膜5和6将由SH波产生的乱真发射8(在SH 波的谐振点处)移动到比瑞利波的反谐振点7更高的频率处。

图3示出针对第二电介质膜5和6的膜厚(d)从0λ变化到0.0125λ， 由SH波产生的乱真发射的频率变化。每个频率变化是通过将变化除以SH 波的谐振频率计算的百分数，并且参照第二电介质膜5和6的膜厚(d)来 表示。

如图2和3所示，第二电介质膜5和6的较大膜厚更有效地防止了瑞利 波(即主要弹性波)的频率增大，同时相对地增大了SH波(即不需要的弹 性波)的频率。由于SH波和瑞利波二者的能量都集中在压电基板2的上表 面附近，而与SH波相比，瑞利波的更大的能量分布在第一电介质膜4中， 所以防止了瑞利波的频率增大。

结果，弹性波器件1用于滤波器中时从所述滤波器的通带去除了由SH 波引起的乱真发射，因此改善了滤波器的通过特性。

如图4所示，形成在梳形电极3上方的第二电介质膜6的膜厚优选小于 形成在梳形电极3的电极指之间的第二电介质膜5的膜厚。

图5示出当第二电介质膜5的膜厚(d)保持在0.0125λ时，针对第二电 介质膜6的膜厚从0.0125λ变化到0λ，由SH波引起的乱真发射的频率变化。 每个频率变化是通过将变化除以SH波的谐振频率计算的百分数，并且参照 第二电介质膜6的膜厚(d)0.0125λ来表示。压电基板2由铌酸锂(LiNbO₃) 系基板制成，其具有以欧拉角(φ、θ、ψ)表示的切割角和瑞利波传播方向， 其中-10°≤φ≤10°、33°≤θ≤43°、并且-10°≤ψ≤10°。梳形电极3包括钼电 极层，其膜厚为0.05λ，并且激励波长λ为4000nm的瑞利波作为主要弹性波。 由二氧化硅(SiO₂)制成的第一电介质膜4的膜厚为0.25λ。第二电介质膜5 和6由硅氮化物(SiN)制成。

第二电介质膜6的0λ的膜厚指的是其中在梳形电极3上方不形成第二 电介质膜6的结构，即梳形电极3的上表面直接接触第一电介质膜4，如图 6所示。更具体地，图6所示的弹性波器件1包括压电基板2、形成在压电 基板2上并且激励瑞利波作为主要弹性波的梳形电极3、形成在基板2上方 以覆盖梳形电极3的第一电介质膜4、以及形成在梳形电极3的电极指之间 并且在压电基板2和第一电介质膜4之间的第二电介质膜5。

如图5所示，形成在梳形电极上方并且与形成在梳形电极3的电极指之 间的第二电介质膜5相比具有更小的膜厚的第二电介质膜6更有效地防止了 作为主要弹性波的瑞利波的频率增大，同时相对地增大了作为不需要的弹性 波的SH波的频率。在压电基板2的上表面附近，SH波产生比瑞利波更大 的能量，且因此被设置在梳形电极3上方的第二电介质膜6的附加质量所影 响。所以，形成在梳形电极3上方的第二电介质膜6比形成在梳形电极3的 电极指之间的第二电介质膜5薄，以进一步增大SH波的频率。

结果，弹性波器件1在用于滤波器中时从所述滤波器的通带去除了由 SH波引起的乱真发射，从而改善了滤波器的通过特性。

如图7所示，第二电介质膜5和6可以优选形成在梳形电极3的电极指 的侧表面上。该结构允许电介质膜5和6更多地保护梳形电极3。

在图1、4和6所示的弹性波器件1中，形成在梳形电极3的电极指之 间的第二电介质膜5的膜厚小于梳形电极3的膜厚。该结构确保了机电耦合 系数。

图8A至8C示出弹性波器件1的机电耦合系数，其中由硅氮化物制成 的第二电介质5的膜厚(与第二电介质膜6的膜厚相同)发生变化。在弹性 波器件1中，压电基板2由铌酸锂(LiNbO₃)系基板制成。梳形电极3包括 钼电极层，其膜厚为0.05λ，并且激励波长λ为4000nm的瑞利波作为主要弹 性波。第一电介质膜4由硅氧化物制成，其膜厚为0.25λ。第二电介质膜5 和6由硅氮化物制成。在图8A到8C中，水平轴表示第二电介质膜5的膜 厚与梳形电极3的膜厚的比例，垂直轴表示弹性波器件1的机电耦合系数 (％)。图8A示出如下器件的机电耦合系数，其中压电基板2由铌酸锂系基 板制成，其具有以欧拉角(φ、θ、ψ)＝(0°、36°、0°)表示的切割角和瑞 利波传播方向。图8B示出如下器件的机电耦合系数，其中压电基板2由铌 酸锂系基板制成，其具有以欧拉角(φ、θ、ψ)＝(0°、38°、0°)表示的切 割角和瑞利波传播方向。图8C示出如下器件的机电耦合系数，其中压电基 板2由铌酸锂系基板制成，其具有以欧拉角(φ、θ、ψ)＝(0°、40°、0°) 表示的切割角和瑞利波传播方向。如图8A至8C所示，在压电基板2由具 有以欧拉角(φ、θ、ψ)表示的切割角和瑞利波传播方向的铌酸锂(LiNbO₃) 系基板制成，其中-10°≤φ≤10°、33°≤θ≤43°、-10°≤ψ≤10°，并且第一电 介质膜4由硅氧化物制成，其膜厚不小于0.2λ且不大于0.5λ的情况下，形 成在梳形电极3的电极指之间的第二电介质膜5的膜厚不大于梳形电极3的 膜厚的0.9倍将允许弹性波器件1的机电耦合系数k²不小于5％。

图9是采用根据实施例的弹性波器件的天线双工器10的电路框图。如 图9所示，天线双工器10包括具有第一通带的第一滤波器11和具有比第一 通带更高的第二通带的第二滤波器12。

图9所示的天线双工器10用于通用移动通信系统(UMTS)的频带8， 并且包括用作发射滤波器的第一滤波器11和用作接收滤波器的第二滤波器 12。第一滤波器11具有从880MHz到915MHz的通带，第二滤波器12具有 从925MHz到960MHz的通带。第一滤波器11连接在输入端子14和天线端 子15之间，并且在输入端子14处接收发射信号，从天线端子15输出发射 信号。第一滤波器11包括以梯形连接的串联谐振器13和并联谐振器17。并 联谐振器17的谐振频率低于串联谐振器13的反谐振频率。并联谐振器17 经由接地端子19连接到接地20。第一滤波器11包括连接在接地端子19和 接地20之间的电感器18。

第二滤波器12包括例如谐振器21和纵模耦合滤波器22，二者都连接在 天线端子15和输出端子(平衡端子)16之间。第二滤波器12在天线端子 15处接收接收信号，并且从输出端子16输出所述接收信号。

天线双工器10包括连接在第一滤波器11和第二滤波器12之间的移相 器23。移相器23为发射滤波器和接收滤波器中的一个提供在发射滤波器和 接收滤波器中的另一个的通带处的高阻抗，以改善发射滤波器和接收滤波器 之间的隔离性。

第一滤波器11采用根据实施例的弹性波器件1。特别地，在第一滤波器 11采用梯型弹性波滤波器的情况下，至少在形成通带的右翼的串联谐振器 13中的根据实施例的弹性波器件1从第一滤波器11的通带去除了由SH波 引起的乱真发射，从而改善了第一滤波器11的通过特性。

工业实用性

根据本发明的弹性波器件和使用弹性波器件的天线双工器防止了使用 弹性波器件的滤波器的通过特性劣化，可应用于诸如便携式电话之类的电子 设备。

参考数字

1  弹性波器件

2  压电基板

3  梳形电极

4  第一电介质膜

5、6  第二电介质膜

7  反谐振点

8  由SH波引起的乱真发射

10  天线双工器

11  第一滤波器

12  第二滤波器

13  串联谐振器