CN101145767A - 声波器件和滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了声波器件和滤波器。该声波器件包括压电基板、设置在所述压电基板上的第一介电膜、设置在所述第一介电膜上并激发声波的电极，以及设置成覆盖所述电极并且比所述电极更厚的第二介电膜。

Description

声波器件和滤波器

技术领域

本发明涉及声波器件和滤波器，尤其涉及一种具有改善的温度特性的声波器件以及使用该声波器件的滤波器。

背景技术

SAW(表面声波)器件是众所周知的，在SAW器件中，压电基板的表面中形成有由IDT(叉指换能器)形成的梳状电极以及反射电极。通过梳状电极激发出声波并在压电基板的表面上进行传播。SAW器件的特征在于其结构紧凑而且很轻，并且能够很大程度地衰减输入信号。因此，SAW器件广泛地用于蜂窝式电话中使用的收发滤波器和天线转换开关中。

除了SAW器件以外，还开发出了声边界波(acoustic boundary wave)器件，在声边界波器件中，声波通过两种不同介质之间的界面进行传播。声边界波器件的优势在于，两种介质之间的界面处的杂质粒子不会导致频率变化并且不会增加电损耗。

蜂窝式电话目前较高的性能需要改善声学器件的温度特性。日本专利No.3407459(文献1)公开了一种设计用于改善温度特性的声波器件(以下称为第一现有技术)。图1A是该第一现有技术的声波器件的平面图，而图1B是沿图1A所示的A-A线截取的截面图。参照图1A，在例如由钽酸锂(LiTaO₃)制成的压电基板上设置有例如由铝制成的梳状电极14和反射电极16。出于简化的目的，在图1A中仅示出了电极14的少数几个指。然而，每个实际的电极14都有大量的指。图1A中也对反射电极16进行了简化。如图1B所示，氧化硅(SiO₂)膜18覆盖了梳状电极14和反射电极16。在图1A中，出于简化的目的而省略了氧化硅膜18。可以通过将氧化硅膜18的厚度设为大于等于0.22λ且小于等于0.38λ来改善如此形成的声波器件的温度特性，其中λ是梳状电极14的周期(period)。上述结构中的声波被称为勒夫波。

还开发出了另一种声波器件(以下称为第二现有技术)。如图2所示，第二现有技术以第一现有技术为基础，并且通过在氧化硅膜18上形成氧化铝(Al₂O₃)膜20来而构成。声波的能量被限制在压电基板12和氧化硅膜18之间，并且通过二者之间的界面进行传播。

日本专利申请公报No.52-16146(文献2)公开了一种具有被设计来改善温度特性的结构的声波器件。压电基板由陶瓷制成，且在梳状电极与压电基板之间设置有氧化钛(TiO₂)膜。

日本专利申请公报No.11-31942(文献3)公开了一种在梳状电极的下方设置有介电材料的器件的机电耦合系数。

第一和第二现有技术的声波器件具有彼此温度系数不同的谐振频率和反谐振频率。可以单独地对谐振频率和反谐振频率下的温度特性进行改善。然而，却很难同时对谐振频率和反谐振频率下的温度特性进行改善。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而提出的，并且提供了一种具有改善的温度特性的声波器件，其中减小了谐振频率下的温度系数与反谐振频率下的温度系数之间的差异。

本发明的一方面提供了一种声波器件，该声波器件包括压电基板、设置在该压电基板上的第一介电膜、设置在该第一介电膜上并激发声波的电极，以及设置成覆盖所述电极并且比所述电极更厚的第二介电膜。

本发明的第二方面提供了一种包括至少一种如上所述构造的声波器件的滤波器。

附图说明

下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行说明，附图中：

图1A是在本说明书中被称为第一现有技术的声波器件的平面图；

图1B是沿图1A所示的A-A线截取的截面图；

图2是在本说明书中被称为第二现有技术的声波器件的平面图；

图3是根据本发明第一实施方式的声波器件的截面图；

图4是第二现有技术的声波器件的温度特性曲线；

图5是第一实施方式的声波器件的温度特性曲线；

图6是第二现有技术和第一实施方式的等效电路图；

图7是根据第二实施方式的声波器件的截面图；

图8是示出对于氧化铝膜而言膜厚与机电耦合系数之间的关系以及对于氧化硅膜而言膜厚与机电耦合系数之间的关系的曲线；

图9是根据第三实施方式的声波器件的截面图；

图10是根据第四实施方式的声波器件的截面图；

图11示意性示出了根据第五实施方式的梯形滤波器；

图12示意性示出组合了第六实施方式的双模滤波器的滤波器；而

图13示意性示出组合了第七实施方式的单端对(one-port)谐振器和第六实施方式的双模滤波器的梯形滤波器。

具体实施方式

下面对于本发明的实施方式进行描述，出于简化的目的，仅示出梳状电极和反射电极的几个电极指。

[第一实施方式]

图3是根据本发明第一实施方式的声波器件的截面图。在图3中，用相同的标号来表示与前面描述的附图中所示部件相同的部件。在由30°Y向切割X向传输的铌酸锂(LiNbO₃)制成的压电基板12上形成有第一介电膜22a。第一介电膜22a可以由氧化硅(SiO₂)制成并且厚度可以为10nm。在介电膜22a上以例如170nm的厚度设置有梳状电极14和反射电极16，梳状电极14和反射电极16可以由铜(Cu)制成。以例如1050nm的厚度设置可以由氧化硅制成的第二介电膜24，使之覆盖梳状电极14和反射电极16。在第二介电膜24上以例如2μm的厚度设置有第三介电膜26，第三介电膜26可以为氧化铝。

图4是使用第二现有技术的声波器件的梯形滤波器的温度特性曲线。图5是使用第一实施方式的声波器件的梯形滤波器的温度特性曲线。上述梯形滤波器中的每一个都具有四级结构，其中串联谐振器的周期约等于1.985μm，而并联谐振器的周期约等于2.056μm。

如图4所示，第二现有技术在通带的低频侧的损耗3.5dB处对于-35℃到+85℃的温度变化，频率变化为-20.8ppm/℃。此外，第二现有技术在通带的高频侧的损耗3.5dB处对于-35℃到+85℃的温度变化，频率变化为+5.9ppm/℃。因此，频率变化之间的差异约等于26.7ppm/℃。

相反，如图5所示，第一实施方式在通带的低频侧的损耗3.5dB处对于-35℃到+85℃的温度变化，频率变化为+4.9ppm/℃。此外，第一实施方式在通带的高频侧的损耗3.5dB处对于-35℃到+85℃的温度变化，频率变化为+5.8ppm/℃。因此，频率变化之间的差异仅约为0.9ppm/℃。

第二现有技术和第一实施方式的声波器件具有图6所示的等效电路。参照图6，由电感Lm、电容Cm和电阻Rm构成的串联电路串联在端子28之间。另一电容Co与所述串联电路并联。当该等效电路是无Rm的纯电抗电路时，可以将第二现有技术和第一实施方式的声波器件的谐振频率fr和反谐振频率fa分别表示为公式(1)和(2)：

$\mathrm{fr}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LmCm}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{fa}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{Lm}({\mathrm{Cm}}^{-1}+{\mathrm{Co}}^{-1})}}---\left(2\right)$

从公式(1)可以看出，谐振频率fr的温度系数取决于Lm和Cm的温度系数。从公式(2)可以看出，反谐振频率fa的温度系数取决于Lm、Cm和Co的温度系数以及Co的大小。这里应该注意的是，反谐振频率fa的温度系数取决于Co的温度系数和大小，而谐振频率fr的温度系数与Co的温度系数和大小无关。因此，谐振频率的温度系数与反谐振频率的温度系数之间存在很大的差异。上述差异导致了通带的低频侧和高频侧的不同温度特性。

在第二现有技术中，Co的温度系数主要取决于制成压电基板12的铌酸锂(lithium niobate)的介电常数的温度系数。尽管铌酸锂对于不同的取向有不同的介电常数值，但是其相对介电常数约为40。铌酸锂的介电常数具有非常大的温度系数。因此，Co的温度系数非常大，并且谐振频率的温度系数与反谐振频率的温度系数之间存在很大的差异。因此，如图4所示，很难同时改善通带的低频侧和其高频侧的温度特性。

在第一实施方式中，第一介电膜22a设置在压电基板12与梳状电极14和反射电极16之间，其中第一介电膜22a由介电常数的温度系数很小的氧化硅制成。形成第一介电膜22a的氧化硅膜的相对介电常数约等于4.2并且小于压电基板12的铌酸锂的相对介电常数。因此，第一介电膜22a具有小Co值。因此第一实施方式中的Co的温度系数受到氧化硅膜的介电常数的温度系数的影响，并且小于第二现有技术中的温度系数。因此，第一实施方式能够减小谐振频率的温度系数与反谐振频率的温度系数之间的差异。因此，如图5所示，第一实施方式的声波器件能够同时改善通带的低频侧和其高频侧的温度特性。

[第二实施方式]

图7是根据本发明第二实施方式的声波器件的截面图。在图7中，用相同的标记来表示与前面描述的附图中所示的部件相同的部件。参照图7，在压电基板12上形成有可以由氧化铝制成的第一介电膜22b。第二实施方式的其他部分与第一实施方式相同。

由氧化铝制成的第一介电膜22b设置在压电基板12与梳状电极14和反射电极16之间。对于这种结构，与第一实施方式的情况相同，也可以改善声波器件的温度特性。

第一介电膜22b的氧化铝膜与氧化硅膜比，具有更高的抗干蚀刻或湿蚀刻能力。因此，与第一实施方式的声波器件相比，第二实施方式的声波器件可以更容易地制出。

此外，氧化铝膜的相对介电常数约为9，大于氧化硅膜的相对介电常数。当氧化铝膜比氧化硅膜更厚时，氧化铝膜会提供与氧化硅膜相同的作用。膜越厚，越容易进行处理控制。因此，与第一实施方式相比，第二实施方式制造起来更容易。

图8是示出分别具有由氧化硅膜和氧化铝膜形成的第一介电膜的器件的机电耦合系数的变化曲线。在图8中，利用有限元方法通过fa-fr获得机电耦合系数，并且膜厚为0nm的第一介电膜的机电耦合系数为100％。梳状电极14的周期入为2μm。机电耦合系数表示从电能到机械能的转换效率。通常，机电耦合系数越大，越可能激发出声波。

图8示出了氧化硅膜和氧化铝膜的机电耦合系数随着它们的膜厚增加到40nm(0.02λ)而降低。曲线的横轴为第一介电膜的厚度，而左纵轴表示归一化机电耦合系数(5)，右纵轴表示fa-fr(MHz)。对于40nm(0.02λ)的膜厚来说，机电耦合系数约为40％。图8示出了当机电耦合系数约大于等于60％时，氧化铝膜与氧化硅膜相比，机电耦合系数相对于膜厚的变化率较小。相反，当机电耦合系数在40％到60％之间时，氧化硅膜与氧化铝膜相比，机电耦合系数相对于膜厚的变化率较小。此外，对于直到40nm(0.02λ)的膜厚来说，当氧化铝膜比氧化硅膜更厚时，可以获得大约相等的机电耦合系数。机电耦合系数相对于膜厚的变化率越小且膜越厚，制造工艺的可控性就越好。因此，优选的是，由这样的氧化铝膜来形成第一介电膜，该氧化铝膜的机电耦合系数相对于膜厚的变化率较小并且当机电耦合系数大于等于60％时可以具有较大的膜厚。对于40％到60％之间的机电耦合系数，当由氧化硅膜来形成第一介电膜时，可以降低机电耦合系数相对于膜厚的变化率，而当由氧化铝膜来形成第一介电膜时，可以使第一介电膜更厚。当氧化硅膜为40nm(0.02λ)或更厚时，机电耦合系数转而增大。这是因为氧化硅膜的厚度增大，并且氧化硅膜所产生的电容Co较之压电基板所产生的电容占据主导地位。因此，声波的性能更多的取决于氧化硅膜，并且出现了氧化硅膜的机械谐振锐度的影响。通常，Q值(所生长的氧化硅膜的谐振锐度)比由单晶制成的压电基板的谐振锐度要差。因此，制造40nm(0.02λ)或更大厚度的氧化硅膜并不是优选的。

蜂窝式电话中所采用的一般SAW滤波器使用具有由36°Y向切割X向传输的钽酸锂(LiTaO₃)制成的压电基板的声波器件。为了得到与上述器件一样大的机电耦合系数，优选如图8所示，氧化硅膜的厚度约为10nm(0.005λ)，而氧化铝膜的厚度约为20nm(0.01λ)。

在第一和第二实施方式的声波器件中，由氧化铝膜形成的第三介电膜26设置在由氧化硅膜形成的第二介电膜24上，其中氧化铝膜较之氧化硅膜具有更大的声速。因此，声波的能量被限制在第二介电膜24中，从而实现了其中声波通过压电基板12与第一介电膜22a或22b之间的边界传播的声边界波。

[第三实施方式]

图9是根据本发明第三实施方式的声波器件的截面图。在图9中，用相同的标记来表示与前面描述的附图中所示的部件相同的部件。在例如由30°Y向切割X向传输铌酸锂制成的压电基板12上设置有例如由氧化硅制成的第一介电膜22a。在第一介电膜22a上设置有例如由铜制成的梳状电极14和反射电极16。设置由氧化硅制成的第二介电膜24，使之覆盖梳状电极14和反射电极16。

因为由氧化硅制成的第一介电膜22a设置在压电基板12a与梳状电极14和反射电极16之间，所以第三实施方式具有与第一实施方式的情况相同的改善的温度特性。

[第四实施方式]

图10是根据第四实施方式的声波器件的截面图，用相同的标号来表示与前面描述的附图中所示的部件相同的部件。压电基板12上设置有例如由氧化铝制成的第一介电膜22b。第四实施方式的其他结构与第三实施方式相同。

因为由氧化铝制成的第一介电膜22b设置在压电基板12a与梳状电极14和反射电极16之间，所以第四实施方式具有与第二实施方式的情况相同的改善的温度特性。此外，与采用由氧化硅制成的第一介电膜22a的第三实施方式相比，以氧化铝作为第一介电膜在抗蚀刻和膜厚可控性方面更易于制造声波器件。

第三和第四实施方式中激发出的声波是勒夫波。

在以上提到的第一到第四实施方式中，第一介电膜22a由氧化硅制成，而第二介电膜由氧化铝制成。然而，第一介电膜22a和第二介电膜22b并不限于这些物质，而是可以由其他材料制成。优选的是，第一介电膜22a和第二介电膜22b由温度系数比压电基板12的介电常数的温度系数小的材料制成，并且可以由氮化硅(SiN)制成。此外优选的是，第一介电膜22a和第二介电膜22b不具有压电特性。

在前述内容中，第三介电膜26是由氧化铝制成的。另选的是，可以使用其他材料，只要该材料的声速大于第二介电膜的声速从而使得声边界波的能量被限制在第二介电膜24中并且通过压电基板12与第一介电膜22a或22b之间的边界传播即可。

压电基板12不限于第一到第四实施方式中所采用的铌酸锂，而是可以为其他材料。优选的是，压电基板12可以由机电耦合系数较大的材料(如钽酸锂)制成。

[第五实施方式]

图11示意性示出了根据第五实施方式的滤波器。参照该图，梯形滤波器30具有串联且布置在串联臂中的三个单端对谐振器32，以及布置在并联臂中的两个单端对谐振器32。每个单端对谐振器32均由一对梳状电极IDT1和一对反射电极R1构成。单端对谐振器32是第一至第四实施方式中的任意一个。梯形滤波器30的一端与充当输入端的第一端子40相连接，而其另一端与充当输出端的第二端子42相连接。

[第六实施方式]

图12示意性示出了根据第六实施方式的滤波器。参照该图，滤波器34由双模滤波器36构成，每个双模滤波器36均由三个IDT构成。每个双模滤波器36均包括一对反射电极R2和插入在这对反射电极R2之间的三对梳状电极IDT2、IDT3和IDT4。其中一个双模滤波器36的IDT3与第一端子40相连接，而另一个双模滤波器36的IDT3与第二端子42相连接。第一端子40和第二端子42可以分别充当输入和输出端子。双模滤波器36可以是第一至第四实施方式中的任意一个。通过连接两个滤波器36的电极IDT2并连接其电极IDT4，使两个双模滤波器36串联连接。

[第七实施方式]

图13示意性示出了根据第七实施方式的滤波器。滤波器38包括一个单端对谐振器32和一个双模滤波器36。单端对谐振器32是在图11所示的第五实施方式中所采用的，双模滤波器36是在图12所示的第六实施方式中所采用的。单端对谐振器32的IDT1与第一端子40相连接，而双模滤波器36的IDT2和IDT4与第二端子42相连接。第一端子40可以是输入端子，第二端子42可以是输出端子。通过将单端对谐振器32的IDT1连接到双模滤波器36的IDT3，使单端对谐振器32和双模滤波器36串联连接。

根据第五到第七实施方式，可以提供具有改善的温度特性的各种类型的滤波器。可以对第五到第七实施方式的滤波器进行任意方式的组合从而产生其他类型的滤波器。

本发明不限于具体公开的实施方式，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出其他实施方式和变型。

本申请基于2006年9月11日提交的日本专利申请No.2006-245596，这里以引用的方式将其全文内容并入。

Claims (10)

1.一种声波器件，该声波器件包括：

压电基板；

设置在所述压电基板上的第一介电膜；

设置在所述第一介电膜上并激发声波的电极；以及

设置成覆盖所述电极并且比所述电极更厚的第二介电膜。

2.根据权利要求1所述的声波器件，该声波器件还包括设置在所述第二介电膜上的第三介电膜，其中所述第三介电膜的声速大于所述第二介电膜的声速。

3.根据权利要求1所述的声波器件，其中，所述第二介电膜包括氧化硅。

4.根据权利要求1所述的声波器件，其中，所述第一介电膜的介电常数的温度系数小于所述压电基板的介电常数的温度系数。

5.根据权利要求1所述的声波器件，其中，所述第一介电膜包括氧化硅。

6.根据权利要求1所述的声波器件，其中，所述第一介电膜的相对介电常数比氧化硅的相对介电常数要大。

7.根据权利要求1所述的声波器件，其中，所述第一介电膜包括氧化铝。

8.根据权利要求2所述的声波器件，其中，所述第三介电膜包括氧化铝。

9.根据权利要求1所述的声波器件，其中，所述压电基板包括钽酸锂和铌酸锂之一。

10.一种包括多个声波器件的滤波器，所述多个声波器件中的至少一个包括：

压电基板；

设置在所述压电基板上的第一介电膜；

设置在所述第一介电膜上并激发声波的电极；以及

设置成覆盖所述电极并且比所述电极更厚的第二介电膜。

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