宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构

摘要

本发明提出一种宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构，属于新型元器件芯片领域。本发明用于解决目前声表面波滤波器结构存在着宽带时插入损耗很大的问题，包括射频信号输入部分、射频信号输出部分以及输入和输出部分之间用于射频信号进行屏蔽的屏蔽条部分。通过本发明的上述结构，能够实现良好的阻带抑制。

说明书

技术领域

本发明涉及新型元器件芯片领域，具体涉及一种宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构。

背景技术

声表面波(SAW)滤波器采用半导体平面工艺生产，有体积小、重量轻、一致性好、抗电磁干扰、不需调试等优点。随着我国无线通信业务的不断增长，对低损耗滤波器的需求日益增加。为了改善系统噪声系数、降低所需的放大器增益和功耗，研制出了多种声表面波(SAW)滤波器低损耗技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构，实现了宽带低损耗声表面滤波器插入损耗为21.1dB的宽带低损耗目标。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：

宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构，包括射频信号输入部分、射频信号输出部分以及输入和输出部分之间用于射频信号进行屏蔽的屏蔽条部分。

进一步的是，所述射频信号输入部分为输入叉指换能器，所述输入叉指换能器的结构为单相单向换能器结构，所述输入叉指换能器每个周期中叉指指条的指宽不同，用于使输入叉指换能器激发的声表面波具有单向性，且朝向输出叉换能器方向传播的声表面波能量递增。

进一步的是，所述输入叉指换能器沿滤波器孔径方向包括40个子通道，所述40个子通道具有不同的声同步频率和不同的孔径，每个子通道均在其声同步频率处激励声表面波，用于使输入叉指换能器的电声转换效率达到最高。

进一步的是，采用了单相单向换能器结构的输入叉指换能器共有94根指条，通过对每根指条进行极性加权处理，确定出输入叉指换能器的40个子通道的声同步频率和孔径。

进一步的是，所述射频信号输出部分为输出叉指换能器，所述输出叉指换能器的结构为单相单向换能器结构，所述输出叉指华能器每个周期中叉指指条的指宽不同，用于使输出叉指换能器接收的声表面波具有单向性，且朝向输入叉指换能器方向接收的声表面波能量递增。

进一步的是，所述输出叉指换能器沿滤波器孔径方向包括40个子通道，所述40个子通道的声同步频率和孔径均与输入叉指换能器相同，每个子通道均在其声同步频率处接收声表面波，用于使输出叉指换能器的声电转换效率达到最高。

进一步的是，采用了单相单向换能器结构的输出叉指换能器共有94根指条，通过对没根指条进行极性加权处理，确定出与输入叉指换能器相同的输出叉指换能器的40个子通道的声同步频率和孔径。

进一步的是，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器的上部和下部均设置有压焊点。

本发明的有益效果是，通过上述宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构，通过设置射频输入部分、射频信号输出部分以及输入和输出部分之间用于射频信号进行屏蔽的屏蔽条部分，可以实现宽带低损耗声表面波滤波器插入损耗为21.1dB的宽带低损耗目标。

附图说明

图1为本发明宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构的整体结构示意图；

图2(a)为本发明实施例中传统倾斜换能器电极形状图，图2(b)为本发明实施例中准倾斜换能器电极形状图；

图3为本发明实施例中准倾斜换能器结构滤波器的整体结构示意图；

图4为本发明实施例中准倾斜换能器结构滤波器的工作原理示意图；

图5为本发明实施例中输入叉指换能器采用的单相单向换能器结构图；

图6为本发明实施例中输出叉指换能器采用的单相单向换能器结构图；

图7为本发明实施中使用专用测试夹具获得的滤波器频率响应曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明提出一种宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构，其整体结构示意图见图1,其中，该结构包括射频信号输入部分、射频信号输出部分以及输入和输出部分之间用于射频信号进行屏蔽的屏蔽条部分。

上述结构中，射频信号输入部分可以为称为输入叉指换能器，输入叉指换能器的结构可以为单相单向换能器结构，输入叉指换能器每个周期中叉指指条的指宽不同，用于使输入叉指换能器激发的声表面波具有单向性，且朝向输出叉换能器方向传播的声表面波能量递增。

这里，针对输入叉指换能器，一方面：由于在叉指换能器每个周期中叉指指条的指宽不一致，导致输入叉指换能器激发的声表面波具有单向性，朝向输出叉指换能器方向传播的声表面波能量更强些，减小了输入叉指换能器激发的声表面波的双向损耗；另一方面：输入叉指换能器沿滤波器孔径方向由40个子通道合成，40个子通道具有不同的声同步频率和不同的孔径，每个子通道都在其声同步频率处激励声表面波，使输入叉指换能器的电声转换效率达到最高。

同时，采用了单相单向换能器结构的输入叉指换能器共有94根指条，对每根指条进行了极性加权，确定了输入叉指换能器40个子通道的声同步频率和孔径，输入IDT上、下部的压焊点尺寸与输入IDT压焊点相连接的左右两边的屏蔽条尺寸的设计，都保证了滤波器的插入损耗＜22dB、-3dB带宽≥39.8Mhz、带外抑制＞40dB等电参数的实现。

另外，本发明中提到的射频信号输出部分可以称为为输出叉指换能器，输出叉指换能器的结构为单相单向换能器结构，输出叉指华能器每个周期中叉指指条的指宽不同，用于使输出叉指换能器接收的声表面波具有单向性，且朝向输入叉指换能器方向接收的声表面波能量递增。

这里，针对输出叉指换能器，一方面：输出叉指换能器采用了单相单向换能器结构，由于在叉指换能器每个周期中叉指指条的指宽不一致，导致输出叉指换能器接收的声表面波具有单向性，朝向输入叉指换能器方向接收的声表面波能量更强些，减小了输出叉指换能器接收的声表面波的双向损耗；另一方面：输出叉指换能器与输入叉指换能器一样，沿滤波器孔径方向由40个子通道合成，40个子通道的声同步频率和孔径与输入叉指换能器完全相同，每个子通道都在其声同步频率处接收声表面波，使输出叉指换能器的声电转换效率达到最高。

同时，采用了单相单向换能器结构的输出叉指换能器共有94根指条，对每根指条进行了极性加权，确定了输出叉指换能器40个子通道的声同步频率和孔径与输入叉指换能器的完全相同，输出叉指换能器上、下部的压焊点尺寸与输出叉指换能器压焊点相连接的左右两边的屏蔽条尺寸的设计，都保证了滤波器的插入损耗＜22dB、-3dB带宽≥39.8Mhz，带外抑制＞40dB等电参数的实现。

并且，输入叉指换能器(用于激发声表面波)和输出叉指换能器(用于接收声表面波)之间对射频信号的屏蔽条部分尺寸设计，阻断了输入端的射频信号直接耦合到输出端，保证了滤波器的插入损耗＜22dB、-3dB带宽≥39.8Mhz、带外抑制＞40dB等电参数的实现。

实施例

常规的声表面波滤波器结构存在着宽带时插入损耗很大的问题，原因是周期取样的IDT(叉指换能器)只有在与其声同步频率处声电转换效率最高，偏离中心频率越远，声电转换效率越低。为此采用倾斜换能器(SLANT),沿着器件孔径方向电极周期是变化的。器件的下部电极间距较小，激励通带高频部分的信号，而器件的上部电极间距较大，则激励低频部分的信号。

这样将滤波器划分成不同频率的很多子通道，如有8个子通道，每个子通道产生不同频率的窄通带，即有8个窄通带频响，最终合成一个宽通带(总频响)。对子通道的孔径进行加权(调整每个子通道的孔径大小)可实现相当平坦的总频响，对IDT的结构进行电容加权、抽指加权、指条极性加权或指条变迹加权可实现良好的阻带抑制。

这类滤波器的输入和输出倾斜换能器的每一个子通道可采用指条极性加权，以提高声表面波滤波器带外抑制和矩形度指标，同时对各个子通道的孔径进行加权可控制通带响应形状。在倾斜换能器(SLANT)基础上加上DART或DWSF等SPUDT(单相单向换能器)设计可以实现宽带低损耗滤波器。

为此，本实施例设计开发一种新型的SLANT/SPUDT宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构，实现一种宽带低损耗声表面滤波器(中心频率为76.8Mhz、-3dB带宽≥39.8Mhz(-3dB相对带宽为51.8％)、-40dB带宽≤50Mhz、带外抑制＞40dB)、插入损耗＜22dB的宽带低损耗目标。

参见图2，其中图2(a)为本发明实施例中传统倾斜换能器电极形状图，图2(b)为本发明实施例中准倾斜换能器电极形状图，本实施例是通过采用一种准倾斜叉指换能器(SLANT)(如下图(b)准倾斜换能器电极形状所示)芯片结构以降低宽带声表面波滤波器插入损耗的设计方法，即滤波器芯片由输入和输出两个准倾斜叉指换能器及两个准倾斜叉指换能器之间的屏蔽条构成。

其中：首先，该滤波器芯片中的输入和输出两个准倾斜叉指换能器均采用了单相单向换能器结构，每个准倾斜叉指换能器减小了双向损耗；其次，该滤波器芯片中的输入和输出两个准倾斜叉指换能器沿滤波器孔径方向由40个子通道合成，每个子通道都在其声同步频率处激励和接收声表面波，使滤波器的声电转换效率达到最高。

这里，本实施例未采用图2(a)所示的传统倾斜换能器电极形状，而采用了图2(b)所示的准倾斜换能器电极形状，由输入和输出两个准倾斜叉指换能器及两个准倾斜叉指换能器之间的屏蔽条构成的滤波器芯片的整体结构示意图见图3，由图3可见，滤波器芯片中的两个准倾斜叉指换能器由A1，…，Ai,…，AN个子通道构成，本实施例中AN为40，即有40个子通道，每两个子通道之间由连接条δAi连接，在图3中，A1子通道和Ai子通道之间由连接条δA1连接，Ai子通道和AN子通道之间由连接条δAi连接，A1子通道到AN子通道的40个子通道之间共有39个连接条(通道)，即δAi的i取值从1到39。

参见图4，其为本实施例中准倾斜换能器结构滤波器的工作原理示意图，这里，由于本实施例中宽带低损耗声表面波滤波器采用了压电单晶片为基片材料，A1子通道的输入叉指换能器在输入电信号的激励下，根据压电材料的逆压电效应，会激发在A1子通道中双向传播的声表面波，当朝向输出叉指换能器方向传播的声表面波到达输出叉指换能器区域时，根据压电材料的压电效应，输出叉指换能器会接收声表面波并将其转化为电信号进行输出，而输入叉指换能器激励的朝向输出叉指换能器相反方向传播的声表面波则被后续工序使用的吸声材料吸收掉。在本实施例的A1子通道中，输入和输出叉指换能器的指条宽度是均匀不变的，其激发和接收声表面波波长为λ1，对应的A1子通道的频率响应中心频率为f1。

同理：在本实施例的A2子通道中，输入和输出叉指换能器的指条宽度是均匀不变的，其激发和接收的声表面波波长为λ2，对应的A2子通道的频率响应中心频率为f2；在本实施例的Ai子通道中，输入和输出叉指换能器的指条宽度是均匀不变的，其激发和接收的声表面波波长为λi，对应的Ai子通道的频率响应中心频率为fi；在本实施例的Ai子通道中，输入和输出叉指换能器的指条宽度是均匀不变的，其激发和接收的声表面波波长为λ40，对应的A40子通道的频率响应中心频率为f40。

综上所述，本实施例中的宽带低损耗声表面波滤波器总频率响应则是A1子通道、A2子通道、……、Ai子通道、……、A40子通道共计40个子通道的频率响应之和。

因此，本实施例滤波器芯片中的两个准倾斜叉指换能器由A1，…，Ai,…，A40等40个子通道构成，每个子通道的中心频率、声表面波波长是不同的，这使每个子通道的输入叉指换能器长度不一样，同理，每个子通道的输出叉指换能器长度也不一样。本实施例中的每个子通道是由一个又一个四边形连接的，其连接情况见上图中的δA1连接条(用于连接A1子通道和Ai子通道)，以及上图中的δAi连接条(用于连接Ai子通道和AN子通道)。

另外，本实施例中输入和输出叉指换能器40个子通道的中心频率、孔径长度参数指标确定情况，以及输入和输出叉指换能器选用的单相单向换能器的指条结构构成、指条极性加权方案详细内容如下：

根据本实施例中声表面滤波器的电参数要求，为优化插入损耗，减小输入叉指换能器的双向损耗，本实施例中的输入叉指换能器采用了单相单向换能器，其结构如下图5，其中，λ(λ＝Vs/Fo，Vs为声表面波波速，Fo为某一通道中心频率)为某一通道声表面波周期波长，每周期共有4根叉指指条中，每周期共有2根叉指指条，现用4根指条取代原来的2根指条，指条条宽为a1和a2的各有2指，a1和a2分别为(3λ/16)和(λ/16)。

如图5所示，由于在IDT每个周期中叉指指条的指宽不一致，导致输入叉指换能器激发的声表面波具有单向性，朝向输出叉指换能器方向传播的声表面波能量更强些，减小了输入叉指换能器激发的声表面波的双向损耗；另一方面，输入叉指换能器沿滤波器孔径方向(垂直于声表面波传播方向)由40个子通道合成，40个子通道具有不同的声同步频率(中心频率)和不同的孔径，每个子通道都在其声同步频率处激励声表面波，使输入叉指换能器的电--声转换效率达到最高。

根据本实施例中声表面滤波器的电参数要求，为优化带外抑制，采用了如上图5单相单向换能器结构的输入叉指换能器共有94根指条(即23.5个周期)，对每根指条进行了极性加权，确定了输入叉指换能器40个子通道的声同步频率(中心频率)和孔径，具体情况如下：

1)规定连接输入叉指换能器上部压焊区的电极极性为-1，而连接输入叉指换能器下部压焊区的电极极性为+1，则输入叉指换能器94根指条极性加权(从左到右)如下表1：

2)输入和输出叉指换能器40个子通道的声同步频率(中心频率)确定如下表2：

3)输入和输出叉指换能器(IDT)40个子通道的孔径长度确定如下表3：

另外，根据本实施例中声表面滤波器的电参数要求，为优化插入损耗，减小输出叉指换能器的双向损耗，本实施例中的输出叉指换能器采用了单相单向换能器，其结构如图6，其中，λ(λ＝Vs/Fo，Vs为声表面波波速，Fo为某一通道中心频率)为某一通道声表面波周期波长，每周期共有3根叉指指条中，每周期共有2根叉指指条，现用3根指条取代原来的2根指条，指条条宽分别为a1、a2和a3，a1指条条宽为(2λ/17)，a2为(4λ/17)，a3为(3λ/17)。

如图6所示，由于在IDT每个周期中叉指指条的指宽不一致，导致输出叉指换能器接收的声表面波具有单向性，朝向输入叉指换能器方向接收的声表面波能量更强些，减小了输出叉指换能器接收的声表面波的双向损耗；另一方面，输出叉指换能器沿滤波器孔径方向(垂直于声表面波传播方向)由40个子通道合成，40个子通道具有不同的声同步频率(中心频率)和不同的孔径，每个子通道都在其声同步频率处激励声表面波，使输出叉指换能器的声电转换效率达到最高。

根据本实施例中声表面滤波器的电参数要求，为优化带外抑制，采用了如上图2单相单向换能器结构的输出叉指换能器共有94根指条(即31.33个周期)，对每根指条进行了极性加权，确定了输出叉指换能器40个子通道的声同步频率(中心频率)和孔径，具体情况如下：

1)规定连接输出叉指换能器上部压焊区的电极极性为-1，而连接输出叉指换能器下部压焊区的电极极性为+1，则输出叉指换能器94根指条极性加权(从左到右)如下表4：

2)输出叉指换能器40个子通道的声同步频率(中心频率)和孔径长度与输入叉指换能器的完全相同，见上表2及表3。

如上所述，输入叉指换能器采用图5的单相单向换能器结构，共有94根叉指指条(23.5个周期)，某一通道的叉指指条按照表1的指条极性加权方式与输入叉指换能器中的上、下部通道或压焊区相连接，这样就形成了具有40个通道的输入叉指换能器；同理，输出叉指换能器采用图6的单相单向换能器结构，共有94根叉指指条(31.33个周期)，某一通道的叉指指条按照表4的指条极性加权方式与输出叉指换能器中的上、下部通道或压焊区相连接，这样就形成了具有40个通道的输出叉指换能器。

另外，根据本实施例中声表面滤波器的电参数要求，为优化插入损耗，选用Y切127.86°铌酸锂(LiNbO

按照上述本发明技术解决方案详细内容，为获得CIF格式的低损耗声表面波滤波器芯片光刻掩膜版制版数据，编制了低损耗声表面波滤波器芯片结构计算机数据输出程序，并将制版数据送外协单位制作光刻掩膜版。最终确定滤波器芯片尺寸为9mm(长)*4mm(宽)*0.5mm(高)，装配在SMD1365表贴陶瓷封装外壳中。将外制的光刻掩膜版在我公司声表面波滤波器生产线流片生产，得到的声表面波滤波器频率响应曲线如图7，达到了本实施例的技术目标。由图可见，该宽带低损耗声表面滤波器的-3dB带宽为39.8Mhz、带外抑制＞40dB)、插入损耗为21.2dB、-40dB带宽为50Mhz，达到了本实施例拟实现的宽带低损耗目标。

因此，本实施例通过采用一种新型的SLANT/SPUDT宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构以降低宽带声表面波滤波器插入损耗，与传统的横向高损耗声表面波滤波器芯片结构相比，本实施例的芯片结构可优化滤波器插入损耗15～20dB。另外，本实施例的SLANT/SPUDT(准倾斜换能器电极形状)宽带低损耗声表面波滤波器芯片结构，使用了最小的声通道数(40个子通道)，与传统的SLANT(传统倾斜换能器电极形状)声表面波滤波器芯片结构相比，大大减小了声通道数及制版数据量，更易于制作光掩膜版，同时可以减小芯片尺寸10～15％或改善矩形系数。