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CN112840561A - 谐振腔表面声波(saw)滤波器 - Google Patents

谐振腔表面声波(saw)滤波器 Download PDF

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CN112840561A CN201980050135.XA CN201980050135A CN112840561A CN 112840561 A CN112840561 A CN 112840561A CN 201980050135 A CN201980050135 A CN 201980050135A CN 112840561 A CN112840561 A CN 112840561A
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Fu Ruisienxitong
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Abstract

本发明涉及一种耦合腔滤波器结构，其使用表面声波，具体使用引导表面声波，其包括：声波传播基板(102)；设置在基板(102)上、各自包括叉指梳状电极(124、126)的至少一个输入换能器结构(112)和一个输出换能器结构(114)；一个反射结构(116)，所述反射结构(116)包括至少一个或更多个金属条(114)，在声波传播方向上定位在输入换能器结构(112)与输出换能器结构(114)之间的一距离处；其特征在于，声波传播基板(102)是包括基底基板(106)和压电层(104)的复合基板。本发明还涉及一种耦合腔滤波器结构，其中，一个反射结构(816)包括槽(822)。本发明还涉及一种SAW梯式滤波器装置，其包括至少两个如前所述的耦合腔滤波器结构，其中，至少两个耦合腔滤波器结构定位在单条线上。

Description

谐振腔表面声波(SAW)滤波器
本发明涉及用于滤波器应用的表面声波装置，并且更具体地涉及用于表面声波滤波器装置的复合基板。
近年来，表面声波(SAW)装置已被越来越多地应用于诸如滤波器、传感器和延迟线的实际应用中。
SAW滤波器的合成需要不同类型的工具，并允许实现不同类型的结构。然而，在SAW装置中使用经典滤波器结构面临各种问题(诸如装置的紧凑性和性能)。
SAW滤波器装置通常使用由单片石英、LiNbO3或LiTaO3晶体制成的晶片作为压电材料。然而，取决于所使用的压电材料，压电基板的使用会导致对温度的高敏感性或弱机电耦合。这会导致滤波器的通带特性性能较差。
滤波器性能是通过使用诸如带宽、带内插入损耗、抑制和过渡带宽的若干参数、将通带和抑制带分开来限定的。
此外，在开发在几GHz下工作的微波滤波器时，使用腔来生成滤波器传递函数中的极点和零点是一种系统地使用的众所周知的技术。这种滤波器需要一波导，沿着该波导设置有取决于彼此连接的方式(串联或并联)而产生极点或零点的谐振元件。这种滤波器的合成基于这些极点和零点的组合，从而在假设源与滤波结构之间具有给定耦合因数的情况下提供了减小的带内波纹和改进的带外抑制。在任何情况下，滤波器仅包含一系列腔，所述一系列腔彼此连接或沿着所述波导放置，并且通过电连接器或直接经由波导边缘进入。对于SAW装置，必须实现从电磁波到声波的转换，并且反之亦然，以提供经电磁滤波的信号。在两者之间，电极结构通过以下方式组合：谐振可以以电或声的方式进行组合，以产生滤波效果。
迄今为止，SAW滤波器的目前开发的解决方案使用三种架构来实现滤波器功能，主要是阻抗元件点阵(所谓的梯式SAW)或纵向耦合的谐振器滤波器(LCRF)或双模SAW(DMS)滤波器，这两种滤波器都基于使用在接近布拉格条件下工作的光栅的耦合IDT。然而，这些方法通常允许在通带中放置两个或更多个极点，从而导致装置的性能未被优化，并且需要相对大的占地面积。
本发明的目的是通过提供一种沉积在复合基板上的表面声波(SAW)滤波器装置来克服先前提及的缺点，所述表面声波(SAW)滤波器装置具有改进的设计，以实现紧凑性、简单性和多功能性以及良好的性能。
本发明的目的是通过耦合腔滤波器结构实现的，该耦合腔滤波器结构使用表面声波，具体地使用引导表面声波，该耦合腔滤波器结构包括：声波传播基板；至少一个输入换能器结构和一个输出换能器结构，该至少一个输入换能器结构和该一个输出换能器结构设置在基板上，该至少一个输入换能器结构和该一个输出换能器结构各自包括叉指梳状电极；一个反射结构，所述反射结构包括至少一个或更多个金属条，该反射结构在声波传播方向上定位在输入换能器结构与输出换能器结构之间的距离d处；其特征在于，声波传播基板是包括基底基板和压电层的复合基板。利用这种滤波器结构，可以调整通带，并且与本领域的上述滤波器结构相比，可以同时获得具有减小的占地面积的滤波器结构。
根据本发明的变型，耦合腔滤波器结构可以被构造成使得表面声波是压电层内的剪切波或纵波。尽管在现有技术中使用瑞利波，但是使用压电层而不是块状基板为使用不同类型的声波开辟了道路，从而提供了另外的优化参数。引导剪切波可以提供使用复合基板能够达到的最高机电耦合。与经典的类瑞利波相比，它们允许利用更多的热补偿机会来获得比椭圆极化波更高的波速。此外，使用基板和激发条件的给定组合能够激发纵向极化引导波，从而产生比其它波型(剪切波和瑞利波)更高的速度，耦合度超过5％。
根据本发明的变型，至少一个输入换能器结构和一个输出换能器结构的叉指梳状电极可以由通过p＝λ/2给出的布拉格条件限定，λ是所述换能器结构的工作声波长，并且p是所述换能器结构的电极节距。这种方法能够针对给定频率、带宽和能量限制产生最佳的尺寸和激励条件或耦合条件。
根据本发明的变型，耦合腔滤波器结构还可以包括至少一个布拉格镜，该至少一个布拉格镜在声波传播方向上与输入换能器结构和/或输出换能器结构分开地位于一个反射结构所在侧的相反侧上。位于换能器结构旁边的布拉格镜的存在使得能够减少结构中的损耗。
根据本发明的变型，耦合腔滤波器结构可以包括多个反射结构，所述多个反射结构通过间隙g彼此分开，在声波传播方向上定位在距离d处并且关于输入换能器结构与输出换能器结构定位在其间，反射结构之间的各个间隙g以及换能器结构与其相邻反射结构之间的各个间隙d形成声腔。该结构具有超过一个反射结构的事实在该结构中提供了多个声腔。更多数量的声腔可以使过渡带变窄。
根据本发明的变型，腔滤波器结构的各个声腔的尺寸可以小于λ/4，具体地使得腔中的相速度优于反射结构中的相速度。这样的尺寸可以改进谐振条件，从而改进滤波器的性能。
根据本发明的变型，多个反射结构中的相邻反射结构之间的距离和/或反射结构与相邻换能器结构之间的距离可以相同或不同。通过调整间隙的尺寸从而调整腔的尺寸，可以改进滤波器参数。
根据本发明的变型，一个反射结构或多个反射结构可以具有单体(unitary)金属条反射系数，该单体金属条反射系数优于复合基板以及换能器结构的电极的耦合系数ks 2，具体地，该单体金属条反射系数优于耦合系数ks 2至少1.5倍。对于给定带宽，反射系数与耦合系数的更高比提供了基本平坦的带内传递函数和锐化的过渡带，与不满足该条件的滤波器相比，带内波纹效应减小。
根据本发明的变型，各个反射结构可以包括至少一个或更多个金属条，金属条的节距与换能器结构的电极节距相同或不同。使用高反射结构可以使镜对制造变化具有更大的容忍度，但也使反射函数零点偏移，以改进带外抑制。
根据本发明的变型，各个反射结构的金属条可以彼此电连接。因此，可以在各个反射结构中获得恒定的电势值，从而提高反射结构在布拉格条件下的反射系数。
根据本发明的变型，多个反射结构中的各个反射结构的金属条的数量可以小于30，优选地小于20，使得多个反射结构的反射系数大于0.5，具体地大于0.8。因此，可以改善腔对声能的限制，并且可以在结构中提供模式耦合条件。
根据本发明的变型，来自压电层的材料的声阻抗与来自多个反射结构中的各个反射结构的金属条的材料的声阻抗之间的差可以使得多个反射结构的反射系数优于0.5，具体地优于0.8。通过增大反射系数，可以减小滤波器结构的尺寸。
本发明的目的还通过耦合腔滤波器结构来实现，该耦合腔滤波器结构使用表面声波，具体地使用引导表面声波，该耦合腔滤波器结构包括：声波传播基板；至少一个输入换能器结构和一个输出换能器结构，该至少一个输入换能器结构和该一个输出换能器结构设置在基板上，该至少一个输入换能器结构和该一个输出换能器结构各自包括电极；一个反射结构，所述反射结构包括槽，反射结构在声波传播方向上定位在输入换能器结构与输出换能器结构之间的距离L处；其特征在于，声波传播基板是包括基底基板和压电层的复合基板。利用这种滤波器结构，可以调整通带，并且与本领域的上述滤波器结构相比，可以同时获得具有减小的占地面积的滤波器结构。
根据本发明的变型，耦合腔滤波器结构可以被构造成使得表面声波是压电层内的剪切波或纵波。尽管在现有技术中使用瑞利波，但是使用压电层而不是块状基板为使用不同类型的声波开辟了道路，从而提供了另外的优化参数。引导剪切波可以提供使用复合基板能够达到的最高机电耦合。与经典的类瑞利波相比，它们允许利用更多的热补偿机会来获得比椭圆极化波更高的波速。此外，使用基板和激发条件的给定组合能够激发纵向极化引导波，从而产生比其它波型(剪切波和瑞利波)更高的速度，耦合度超过5％。
根据本发明的变型，耦合腔滤波器结构还可以包括至少一个附加槽，该至少一个附加槽在声波传播方向上与输入换能器结构和/或输出换能器结构分开地位于一个反射结构所在侧的相反侧上。位于换能器结构旁边的槽的存在使得能够减少结构中的损耗，并且可以被构造以获得在换能器中传播的声波的全反射。
根据变型，至少一个输入换能器结构和一个输出换能器结构的电极可以由等于nλ的电极节距p限定，λ是所述换能器结构的工作声波长。
根据变型，耦合腔滤波器结构还可以包括至少一个附加槽，该至少一个附加槽在声波传播方向上与输入换能器结构和/或输出换能器结构分开地位于一个反射结构所在侧的相反侧上。
根据变型，在声波传播方向上与输入换能器结构和/或输出换能器结构分开地位于一个反射结构所在侧的相反侧上的至少一个附加槽的深度D3可以大约为λ或更大。
根据变型，耦合腔滤波器可以包括多个反射结构，该多个反射结构通过间隙g彼此分开，在声波传播方向上定位在输入换能器结构与输出换能器结构之间的距离L处，反射结构之间的各个间隙g形成声腔。根据变型，槽的边缘与如下的位置A、B之间的距离L2可以形成声腔，即，所述位置A、B在声波传播方向上对应于换能器结构(812、814)的位于该槽所在一侧上的节距的末端(end)。该结构具有超过一个反射结构的事实在该结构中提供了多个声腔。更多数量的声腔可以使过渡带变窄。
根据变型，槽(822、1022、1322、1422、1522、1722)的边缘与至少一个附加槽(932、934)的边缘之间的距离可以大约为nλ。这样的尺寸可以改进谐振条件，从而改进滤波器的性能。
根据变型，反射结构的槽的后角可以大约为70°或更大，具体地大约为90°，该后角是水平轴线X与该槽的边缘壁之间的角度。
根据变型，反射结构的槽的深度大约为λ或更大，具体地，大约为10λ或更大，λ是表面声波的波长。
根据变型，至少一个附加槽被构造以获得传播波沿着传播方向的全反射。
根据变型，在多个反射结构的至少两个槽之间形成的声腔可以位于基板的表面处，所述表面也是基板的设置有换能器的表面。
根据变型，在多个反射结构的至少两个槽之间形成的声腔可以位于被包括在基板的表面与至少两个槽的位于深度D处的底表面之间的深度处。
根据变型，输入换能器结构和输出换能器结构可以不同，具体地，各个换能器结构的电极指的数量可以不同。因此，滤波器结构更加通用，并且可以修改换能器的结构，以优化反射结构内的模式的耦合效率，从而获得低插入损耗。
根据本发明的变型，声腔可以被分割成彼此分开的子腔。子腔可以通过附加层彼此分开，从而允许生成从一个腔到另一腔的倏逝耦合。因此，子腔有利于将能量限制在结构中，并且可以导致装置紧凑性的改进。
根据本发明的变型，腔滤波器结构在声波传播方向上包括至少三个或更多个换能器结构。源密度可以增大，从而产生改进的抑制。而且，与只有两个换能器的相同滤波器相比，滤波器频带可以更平坦。
根据本发明的变型，压电层的特性和换能器结构的电极的特性可以被选择成使得压电层中的剪切波(优选地是引导剪切波或引导纵波)的机电耦合系数ks 2优于5％，具体地优于7％，以获得更高的滤波器带通属性，具体地通过调整换能器结构的电极几何形状(例如电极的厚度、宽度和/或长度和/或数量和/或形状)以及压电层的厚度(压电层的厚度应大于或等于波长λ的5％)。
根据本发明的变型，压电层的厚度可以被选择成使得压电层(104)中的剪切波(优选地是引导剪切波或引导纵波)的机电耦合系数ks 2优于5％，具体地优于7％。对于更大的厚度(大于λ)，声波失去了它的引导属性，从而在层中产生多重波发射以及在基板中产生能量损耗。
根据本发明的变型，腔滤波器结构还可以包括夹设在基底基板与压电层之间的介电层，具体是SiO2层。介电层或钝化层可以改进压电层在基底基板上的附着，但也可以改进机电耦合，同时保持表面声波装置的温度稳定性。优选地，介电层具有小于1μm的厚度，具体是在100nm至1μm范围内的厚度。
根据本发明的变型，复合基板的压电层可以是氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT、铌酸钾KNbO3和类似材料(诸如KTN等)以及压电弛豫剂(诸如PMN-PT和相关材料)、氮化镓(GaN)、钽酸锂LiTaO3或铌酸锂LiNbO3，所述钽酸锂LiTaO3或铌酸锂LiNbO3具有根据标准IEEE 1949 Std-176被限定为(YXI)/θ的钽酸锂LiTaO3或铌酸锂LiNbO3晶体取向，其中晶体取向角θ被包括在0°至60°之间或被包括在90°至150°之间。
根据本发明的变型，复合基板的基底基板可以是硅(具体是包括富陷阱层的高电阻率硅基板)、碳金刚石、蓝宝石或碳化硅中的一种。针对高电阻率，可以理解电阻率超过1000Ohm.cm。为了将压电层转移到硅上，可以使用大规模生产方法，如SmartCutTM，其在压电源基板中使用离子注入来限定要转移的层，将源基板附着到硅基板，并通过热处理或机械处理来转移该层。基于将压电基板结合到基底基板并随后对压电基板进行减薄(经由CMP、研磨、抛光)的更简单方法也可以用于本发明，特别适用于设想的最终厚度大约为5μm至20μm的厚压电层。这两种方法(经由SmartCutTM或经由结合/减薄的层转移)都导致在基底基板上形成单晶压电层，因此具有高质量。
根据本发明的变型，基底基板可以在压电层下包括布拉格镜。布拉格镜由层叠体组成，该层叠体具有周期性交替的声阻抗、被沉积或制造在任何无机材料板的顶部上。如果各层的厚度约为声波长的四分之一，则所述层叠体对于在顶部压电层中激发的波就表现得像镜子一样。因此，镜反射波，其中分量指向基板深度，从而将波限制在压电层中。
根据本发明的变型，耦合腔表面声波滤波器结构具有被包括在0.5％至10％之间的滤波器带通。可以通过改变腔滤波器结构的参数来改变滤波器装置的带通，因此该装置可以适用于用户的规格以获得所需的滤波器带通。
根据本发明的变型，耦合腔滤波器结构还可以包括形成在换能器结构和至少一个反射结构上的钝化层，该钝化层具有预定厚度，在换能器结构和/或至少一个反射结构上，该预定厚度是相同的或不同的。
本发明的目的还通过一种SAW梯式滤波器装置来实现，所述SAW梯式滤波器装置包括至少两个如前所述的耦合腔滤波器，其中，所述至少两个耦合腔滤波器装置可以定位在单条线上。由于根据本发明的耦合腔滤波器可以定位在单条线上，因此多个腔滤波器的定位和连接不需要像现有技术的SAW梯式装置那样大的空间。与现有的SAW梯式滤波器装置相比，根据本发明的SAW梯式滤波器装置存在于更紧凑的装置中。
可以通过参考结合附图进行的以下描述来理解本发明，其中附图标记标识本发明的特征。
图1a和图1b例示了根据本发明第一实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构及其变型。
图2a至图2e例示了根据本发明第二实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构及其变型。
图3a至图3d示出了如图2b所示的耦合腔表面声波滤波器结构的性能，该耦合腔表面声波滤波器结构具有根据本发明的复合基板，该复合基板在6μm的LiTaO3(YXI)/42°压电层与半无限(100)硅基板之间具有500nm的SiO2层。
图4示出了列出了根据本发明的如图2b所示的耦合腔表面声波滤波器结构的特性的表。
图5a和图5b例示了根据本发明第三实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构。
图6例示了根据本发明第四实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构。
图7例示了根据本发明第五实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构。
图8a至图8h例示了根据本发明第六实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构及其变型。
图9示出了用于模拟的实际示例的根据本发明第三实施方式的装置。
图10a和图10b示出了根据本发明第三实施方式的如图9所示的耦合腔表面声波滤波器结构的模拟特性。
图11a至图11d示出了装置参数对根据本发明第三实施方式的如图9所示的耦合腔表面声波滤波器结构的模拟特性的影响。
图12a和图12b例示了根据现有技术的SAW梯式滤波器装置的示例(图12a)和根据本发明的SAW梯式滤波器装置的示例(图12b)。
图1示出了根据本发明第一实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构。在图1a中，耦合腔表面声波滤波器结构100在作为复合基板的基板102上实现。复合基板102包括形成在基底基板106上的具有晶轴X、Y和Z的压电材料层104。
本实施方式中的压电层104为LiTaO3或LiNbO3(特别是具有根据标准IEEE1949Std-176由(YXI)/θ限定的切割取向，其中晶体取向角θ被包括在0°至60°之间或90°至150°之间)、铌酸钾KNbO3和类似材料合成物(诸如KTN)以及使用溅射膜或外延膜的其它压电层(例如氮化铝AlN、氧化锌ZnO、PZT、GaN或AlN与GaN的任何合成物)。
形成在基底基板106上的压电层104的厚度大约为一个波长λ或更小，具体是约20μm或更小。基底基板106的厚度t大于压电层104的厚度。优选情况对应于基底基板的厚度比压电层104的厚度大至少十倍，具体是大50倍至100倍，这将对应于等于250μm-500μm的基底基板厚度。
本发明第一实施方式中使用的基底基板106是硅基板，具体是高电阻率硅基板。硅基板的取向优选为(100)，这是因为与诸如(110)、(111)或(001)的其它晶体取向相比，(100)的声波传播速度更高，然而可以使用其它晶体取向。作为硅的替代，可以选择声波传播速度大于压电层中的声波传播速度的其它基板材料，诸如可以使用碳金刚石、蓝宝石或碳化硅。
在本发明的变型中，基底基板106还可以包括靠近顶部压电材料层的所谓富陷阱层，所述富陷阱层改善了基底基板的隔离性能，并且可以由多晶材料、非晶材料或多孔材料(诸如例如多晶硅、非晶硅或多孔硅)中的至少一种形成，但本发明不限于此类材料。
在本发明的变型中，基底基板106还可以在压电层104下包括布拉格镜。布拉格镜由层叠体组成，该层叠体具有周期性交替的声阻抗、被沉积或制造在任何无机材料板的顶部上。声阻抗是波速乘以材料密度的乘积，并且用瑞利表示，最好用M瑞利(即，106瑞利)表示。压电层被沉积或制造在层叠体的顶部以激发和检测声波。该叠体可以有利地由钨和二氧化硅、或Si3N4和SiO2、或Mo和Al的交替物组成，并且通常由表现出声阻抗比大于2的任何材料对组成。无机基板可以有利地为标准硅或高电阻率硅或玻璃，并且通常是表现出热膨胀系数(TCE)小于6ppm/K的任何材料。它还可以包含富陷阱层以改进电隔离。有利地，该叠体的第一层可以是SiO2或通常是可以被用于将压电层结合到上述复合基板的任何材料。
在本实施方式中，在压电层104与基底基板106之间的界面110处设置薄的SiO2层108，以改进压电材料层104与基底基板106的附着。SiO2层110厚度为200nm，但在变型中，SiO2层110的厚度可以变化，并且厚度可以大于或小于200nm，具体地，可以在10nm至6μm之间变化。
耦合腔滤波器结构100还包括两个换能器结构112、114和一个反射结构116，该反射结构116在如图1所示的传播方向X上在两个换能器结构112、114之间定位在距换能器结构112、114一定距离d处。位于反射结构116与一个换能器结构112、114之间的区域(例如，宽度由距离d限定的区域118)对应于声腔120。在本例中，电极在换能器112、114的节距p内居中。因此，在下文中，换能器结构112、114的节距p的末端位于距电极128一定距离处。在示例中，当换能器结构112、114的比a/p为50％时，节距p的末端与换能器结构112、114的第一电极128的距离等于/8。
作为结果，声腔在反射结构116与换能器结构112、114的位于反射结构116所在一侧上的节距p的末端之间延伸。因此，在耦合腔表面声波滤波器结构100中，在声波传播方向上存在各种声腔，在图1a所示的耦合腔滤波器结构中，存在两个声腔120。
反射结构116通常包括一个或更多个金属条122并且由金属条122的节距(未示出)限定，该节距对应于反射结构116内金属条122之间的距离。与换能器结构112、114类似，反射结构116中的节距通过使金属条在节距内居中来限定。
换能器结构112和114对应于输入换能器结构112和输出换能器结构114，但是它们的位置也可以互换，使得在声波传播方向上，输入换能器结构在结构的右侧，而输出换能器结构在结构的左侧。E符号表示换能器结构的输入声信号，而S符号表示换能器结构的输出声信号。
各个换能器结构112、114包括两个叉指梳状电极124、126，各个叉指梳状电极分别包括多个电极装置(means)128、130。在本实施方式中，电极装置128、130具有电极指的形状。梳状电极124、126及其相应的电极指128、130由铝基材料(例如，纯铝或铝合金(这种Al掺杂有Cu、Si或Ti))形成。然而，可以使用针对更小的电极相对厚度生成更强的反射系数的其它材料。就此而言，优选的电极材料是具有粘附层的铜(Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)、铂(Pt)或金(Au)，所述粘附层诸如是钛(Ti)或钽(Ta)或铬(Cr)、锆(Zr)、钯(Pd)、铱(Ir)、钨(W)等。
换能器结构112、114也由电极节距p(未示出)限定，电极节距p对应于来自相对的梳状电极124和126的两个相邻电极指128、130之间的边缘到边缘电极指距离。在本发明的变型中，电极节距p由通过p＝λ/2给出的布拉格条件限定，λ是所述换能器结构112、114的工作声波长。针对工作声波长λ，可以理解，λ是遵循λ＝V/f的声波长，其中f为滤波器结构的预定中心频率，并且V为所用模式的相速度。这种换能器结构也称为每波长2指的叉指换能器(IDT)。
在本发明的变型中，叉指换能器可以不在布拉格条件下工作，例如，使用每波长3指或4指的激励结构或每两波长5指的换能器或每三波长7指或8指的换能器。
换能器结构112和114可以是对称的，即它们具有相同数量的相同特性的电极指128、130。然而，在本发明的变型中，换能器结构112和114也可以是不同的；具体地，换能器结构112和114可以具有不同数量的电极指128、130。
梳状电极128、130的电极指132、134全部具有基本相同的长度l、宽度w以及厚度h。根据本实施方式的变型，电极指132、134可以具有不同的长度l、宽度w和厚度h。尺寸被调整以获得期望的耦合系数ks或利用其它特征(诸如消除剪切模、调制IDT阻抗、减少不需要的模式发射等)。
在本发明的变型中，换能器结构112、114可以啁啾(chirped)，这意味着换能器结构中的电极节距p可以以线性方式或以双曲线方式连续变化。这将能够扩大换能器的工作频带，并且可以产生一定程度的对温度的鲁棒性。
反射结构116的金属条122的节距可以与换能器结构112、114的电极节距p相同。在变型中，反射结构116的金属条122的节距可以不同于换能器结构112、114的电极节距p。
在本发明的变型中，反射结构116也可以啁啾以增加滤波器的工作频带和位于换能器结构112、114之间的声腔118的谐振效率。
在变型中，耦合腔滤波器结构100还包括两个布拉格镜132、134。该变型如图1b所示，其中各个布拉格镜132、134在声波传播方向上靠近换能器结构112、114定位在耦合腔滤波器结构200外侧，这意味着定位在反射结构116所在侧的另一侧。各个布拉格镜132、134被定位在距其相应换能器结构112、114距离s处。各个布拉格镜132、134包括一个或更多个金属条136并且由金属条136的节距(未示出)限定，该节距对应于布拉格镜132、134内金属条136之间的距离。
在本发明的变型中，反射结构116和布拉格镜132、134可以通过刻蚀槽而不是沉积金属条136、210来构建。槽可以被刻蚀在复合基板102的压电层104中，并且甚至向下刻蚀到基底基板106。
在变型中，可以在换能器结构112、114和至少一个反射结构116上形成钝化层(未示出)。钝化层具有预定厚度，该预定厚度在换能器结构112、114和/或至少一个反射结构116上是相同的或不同的。也可以在布拉格镜132、134上形成钝化层。在该变型中，基板可以是诸如钽酸锂或铌酸锂块晶片的单片压电晶片，并且钝化层可以有利地是二氧化硅SiO2层或五氧化二钽Ta2O5层。在本实施方式中，钝化层具有正的热膨胀系数(TCE)，而基板具有负的热膨胀系数(TCE)，层厚度被设定为降低SAW装置的频率温度系数(TCF)。
图2a至图2e示出了根据本发明第二实施方式的耦合腔滤波器结构及其变型。对于所有图2a至图2e，耦合腔滤波器结构以2D平面图示出，并且不再示出该耦合腔滤波器结构所位于的基板。然而，该基板与图1a、图1b中的基板102相同。将使用与图1a和图1b相同的附图标记来指代相同特征，并且将不再详细解释。
在图2a中，与耦合腔滤波器结构200类似，耦合腔滤波器结构300包括两个换能器结构112、114，其中两个布拉格镜132、134各自位于一个换能器结构旁边。与耦合腔滤波器200的区别在于，在换能器结构112、114之间存在多个反射结构，即四个反射结构202、204、206、208。多个反射结构中的各个反射结构202、204、206、208包括至少一个或更多个金属条210，并且由金属条210的节距(未示出)限定，该节距对应于各个反射结构202、204、206、208内金属条210之间的距离。这里，各个反射结构204、206、208、210的金属条210总计为四，但是可以更多或更少。多个反射结构中的反射结构204、206、208、210也可以具有相同数量的金属条210，但是在变型中，它们可以各自具有不同数量的金属条210。例如，反射结构204、206、208、210中的金属条210的数量可以在换能器结构112、114之间的整个反射结构204、206、208、210处增加然后减少，以加强结构实际中心处的谐振。
这些反射结构202、204、206、208通过间隙g彼此分开。位于两个相邻反射结构(例如宽度由间隙g限定的202和204)之间的区域对应于声腔212。与耦合腔滤波器结构100和200类似，位于反射结构与相邻换能器结构之间的区域也对应于声腔214，但是该区域的宽度由该反射结构与该相邻换能器结构之间的距离d限定。与第一实施方式类似，换能器结构112、114的电极在换能器112、114的节距p内居中，并且声腔被限定为位于反射结构116与换能器结构112、114的在该反射结构116所在一侧上的节距p的末端之间的区域。
因此，在耦合腔表面声波滤波器结构中，在声波传播方向上存在被反射结构分开的各种腔，或者换句话说，腔被两个反射结构包围在换能器之间。因此，在图2a所示的耦合腔滤波器结构300中，在模式传播方向上总共存在五个声腔212、214。对于换能器结构之间的给定数量的反射结构，并且换能器结构在布拉格条件下工作，声腔的数量等于反射结构的数量加一。
在本发明的变型中，反射结构202、204、206、208也可以啁啾，以增加滤波器的工作频带以及位于换能器结构212、214之间的声腔212、214的谐振效率。
在本发明的变型中，反射结构202、204、206、208和布拉格镜132、134可以通过刻蚀槽而不是沉积金属条136、210来构建。槽可以被刻蚀在复合基板102的压电层104中，并且甚至向下刻蚀到基底基板106。
在本发明的变型中，反射结构202、204、206、208的金属条210和/或布拉格镜132、134的金属条136可以彼此电连接。在图2b中针对耦合腔滤波器结构400示出了反射结构202、204、206、208的反射条210和布拉格镜132、134的反射条136彼此连接的变型。这在布拉格条件下导致反射结构202、204、206、208的反射系数和布拉格镜132、134的反射系数的改善。所有反射结构202、204、206、208和/或布拉格镜132、134在所谓的短路条件下工作，这意味着给定的反射结构202、204、206、208的所有金属条210/布拉格镜132、134的所有金属条136彼此连接，从而在整个所述光栅结构中产生恒定的电势值。
在本发明的变型中，耦合腔滤波器结构可以包括三个或甚至更多个换能器结构。在图2c中示出了在耦合腔滤波器结构400中存在三个换能器结构402、404、406的变型。耦合腔滤波器结构400也不同于如图2a所示的耦合腔滤波器结构300，因为多个反射结构总共包括六个反射结构302、304、306、308、310、312。同样，将使用相同的附图标记来描述图2a中已经针对耦合腔滤波器结构300描述的相同特征。
与图2a中的结构类似，换能器结构中的两个换能器结构112、114被定位在反射结构302、304、306、308、310、312的外侧，而第三换能器结构314被定位在反射结构302、304、306、308、310、312的中间，使得在第三换能器结构314的每一侧上，存在三个反射结构302、304、306以及308、310、312。换能器结构314也与两个相邻反射结构分开距离d，该距离d对应于换能器结构112、114与其相应的相邻反射结构(这里针对换能器结构112则是302，并且针对换能器结构114则是312)之间的相同距离。耦合腔滤波器500于是总共包括八个声腔316。与图2a中所示的只有两个换能器结构112、114的腔滤波器结构300相比，这种腔滤波器结构500是对称的，并且导致腔316中的能量限制更强。
在本发明的变型中，第三换能器314未位于耦合腔滤波器结构的中间，使得耦合腔滤波器结构不对称。
在本发明的变型中，多个声腔可以被分割成子腔。该变型如图2d所示，其中子腔通过附加层的存在而彼此分开。同样，耦合腔滤波器结构600也不同于如图2a所示的耦合腔滤波器结构300，因为多个反射结构总共包括三个反射结构402、404、406。同样，将使用相同的附图标记来描述图2a中已经针对耦合腔滤波器结构300描述的相同特征。在腔滤波器结构600中，分别位于反射结构402、404、406之间以及换能器结构112、114与其相邻反射结构402和406之间的声腔408被分割成两个部分，从而导致在两个换能器结构112、114之间存在八个暗区410和四个白区412。暗区410表示波速小于白区412的位置，从而导致比图2a所示的耦合腔滤波器结构300更好的能量限制。因此，耦合腔滤波器结构600产生额外的极点，从而导致耦合腔滤波器结构600的紧凑性的改进。
在本发明的变型中，输入换能器结构和输出换能器结构不是对称的或不是相同的，并且该变型如图2e所示。同样，耦合腔滤波器结构700也不同于如图2a所示的耦合腔滤波器结构300，因为多个反射结构总共包括两个反射结构502、504。同样，将使用相同的附体标记来描述在图2a中已经针对耦合腔滤波器结构300描述的相同特征。在图2中，各个换能器结构的电极指的数量是不同的。在耦合腔滤波器结构700中，换能器结构114包括各具有五个电极指128、130的叉指梳状电极124、126，在整个换能器结构114中具有恒定的电极节距p。换能器结构506包括叉指梳状电极508、510，但是它们各自具有八个电极指128、130，并且此外，在换能器结构506中，在梳状电极508的第三电极指128与梳状电极510的第四电极指130之间存在间隙。此外，在该变型中，换能器结构114、506旁边不存在布拉格镜，这将产生比图2a的耦合腔滤波器结构300更多的损耗和波纹。然而，该耦合腔滤波器结构700提供了比图2a所示结构更紧凑且更简单的设计。
耦合腔表面声波滤波器结构按如下方式工作。输入叉指换能器(IDT)向反射结构发射声能并激发其谐振。反射结构彼此耦合，这因此生成耦合条件，从而产生从一个反射结构到另一反射结构的能量转移。多个这样的反射结构可以彼此耦合，但是存在收集所传输的能量的至少一个输出换能器结构。
因此，本发明提出了使用耦合腔滤波器结构，该耦合腔滤波器结构利用来自复合基板的顶部压电层的波引导，并且使用将能量从一个反射结构耦合到另一反射结构的声谐振腔。
在耦合腔滤波器结构的情况下，换能器结构的谐振发生在滤波器的低频过渡带，而反谐振几乎发生在滤波器频带的中间。因此，机电耦合系数的条件类似于阻抗滤波器所需的条件，即耦合系数必须比将达到的频带大1.5倍到2倍，因为给定的模式必须表现出与将达到的带通成比例的耦合因数，从而允许减少该频带内的插入损耗。然而，需要大于耦合系数的大反射系数(理想情况下为耦合系数的1.5倍或更大)来实现滤波器频带。
根据本发明，即使当换能器结构的耦合系数为5％或更大时，也可以利用复合基板实现反射系数相对于耦合系数的关系。当使用在复合基板的压电层中引导的剪切波或纵波时，尤其如此。
由于压电层的厚度小于波长，所以在压电层内引导剪切波模式或纵向模式。此外，可以降低复合基板中的能量损耗。压电层的厚度应大于或等于波长λ的5％。对于厚压电层，复合基板的剪切模式不再被完全引导，而是具有损耗体分量，该损耗体分量在与基底基板的界面处反射，并导致寄生模式或嘎嘎声效果(rattle effect)。然而，对于薄压电层(即波长或亚波长厚度)，剪切模式被完全引导而没有损耗体模式。
滤波器装置的品质因数是滤波器的透射率，其示出了作为频率的函数的滤波器带通，带通中具有以dB为单位的损耗水平。滤波器带通取决于各种因素，即耦合系数、腔数量和反射系数。
取决于压电层的尺寸、换能器结构的尺寸、反射结构的长度的尺寸、耦合反射结构的数量和模式的耦合系数，可以根据换能器结构的设计和选择性，合成具有极低插入损耗(即优于2dB，具体地小于1dB)、具有15dB至20dB甚至更高的抑制的多极点零点滤波器。
关于声腔的尺寸，所述声腔理想情况下应为四分之一波长长或奇数个四分之一波长，以满足根据现有技术的最佳谐振条件。在本发明中，声腔长度可以小于四分之一波长。这是由于从自由表面到光栅区域速度变化很大，从而产生比使用标准真声SAW解决方案所能达到的声阻抗失配大得多的声阻抗失配。
关于耦合系数，对于复合基板和金属条参数(材料、尺寸)，耦合系数与带通值直接相关的因数为0.7，使得可以通过选择腔滤波器结构的材料和尺寸来得到滤波器装置的所需带通。
关于反射结构中金属条的数量，其被选择成生成大于0.5(具体地大于0.8)的全局反射系数，以允许将声能限制在腔中并因此提供模式耦合条件。
如已经提及的，反射系数的大小优选地大于耦合系数，理想情况下比耦合系数参数高1.5倍或更多倍。反射系数越大，金属条的数量就越少，并因此滤波器带宽就越大。例如，大于15％的反射系数允许减少构成反射结构的金属条的数量，这直接影响滤波器的带宽：如果结构的反射系数大于或等于50％，则反射结构中的金属条的数量越少，带宽越大。在考虑反射系数大于15％的情况下，可以实现带宽大于5％的滤波器。
给出了在2.6GHz下工作、带宽超过7％且带内波纹小于0.6dB的滤波器装置的特定示例，该滤波器装置在如下复合基板上具有30nm厚的钽(Ta)电极，该复合基板在(100)硅基板上的1μm厚的SiO2层上包括300nm厚的(YXI)/52°LiNbO3层。在本示例中，反射系数达到20％，并且耦合因数约为18％。
图3a至图3d示出了表面声波滤波器装置的特性，该表面声波滤波器装置包括如图2b所示的腔滤波器结构，具有根据本发明的复合基板，在6μm的LiTaO3(YXI)/42°压电层与半无限(100)硅基板之间具有500nm的SiO2层。该构造适用于在50MHz至250MHz的频率范围内工作。
在这种复合基板上，可以激发并传播纯剪切真声模式。
对于该SAW滤波器装置，使用了图2b所示的耦合腔滤波器结构，即各自具有相邻布拉格镜的输入换能器结构和输出换能器结构、四个反射结构，从而导致在换能器结构之间存在五个声腔。各个反射结构和布拉格镜两者的金属条彼此连接，以进行短路操作。
叉指换能器结构的电极节距被设定为9.95μm，并且比a/p被设定为0.3，电极指对的数量被设定为15。此外，镜光栅周期被设定为10μm，并且a/p被设定为0.4，具有30个电极。镜光栅与叉指换能器结构之间的间隙被设定为9μm，该间隙对应于约半个波长。各自具有14个电极(electrode)的两个内部反射结构由4.8μm的间隙g分开，该间隙对应于约四分之一波长。于是孔径(aperture)为3.1mm。
图3a示出了作为频率(MHz)(从170MHz到250MHz)的函数的滤波器传递函数和滤波器群延迟的总体视图。群延迟是相位线性度的度量。图3b示出了图3a在中心频率附近的放大图，因此聚焦于带通上，其示出了非常低的传输损耗。图3c是也是频率(MHz)的函数的反射系数，其示出了滤波器极点的特征(signature)(最小|S11|峰)。图3d是本领域技术人员当前用于评估滤波器的两个端口的电阻抗匹配的所谓反射系数的史密斯算盘图。反射系数必须以50Ohm左右的条件为中心，即要匹配的算盘中心。
图3a中的传递函数表示装置的性能，其中滤波器带通在210MHz至218MHz之间。在图3b中，可以看到滤波器带通在0.5dB左右呈现平坦曲线，其中带内波纹低。
图4示出了列出了根据本发明的如图2b所示的耦合腔表面声波滤波器结构的特性的表。对于所有耦合腔滤波器结构，使用的复合基板与图3相同，即6μm的LiTaO3(YXI)/42°压电层，在该压电层与半无限(100)硅基底基板之间有500nm的SiO2层。
耦合腔滤波器结构对应于图2b，即各自具有相邻布拉格镜的输入换能器结构和输出换能器结构、四个反射结构，从而导致在换能器结构之间存在五个声腔。各个反射结构和布拉格镜两者的金属条彼此连接，以进行短路操作。
图4中描述的所有耦合腔滤波器结构对应于纯剪切波模式的传播，并且示出了性能，即滤波器带通从0.5％变化至10％，低于2dB的低插入损耗，15dB至20dB的抑制损耗，大于5％的耦合因数，以及低于20ppm/K的频率温度系数(TCF)。使用LNO薄层(例如，其具有Pt或W或Ta或Mo基电极，厚度与当前沉积技术兼容，即h/λ等于小于5％，h为金属条的绝对厚度)可以实现高达10％的带通。
针对耦合腔SAW滤波器装置的所需性能，因此可以选择材料，以便调整耦合系数并调整反射结构的数量和尺寸，以不超过耦合腔滤波器结构的尺寸限制。
根据本发明的耦合腔SAW滤波器装置使用复合基板的剪切波，以便获得窄滤波器带通，所述窄滤波器带通包括在0.5％至10％之间，具有低于2dB的低插入损耗、15dB至20dB的抑制损耗以及滤波器带通内的低波纹、由于改进的紧凑性而减小的尺寸。
图5a和图5b例示了根据本发明第三实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构。
在第三实施方式中，与图1a和图1b中所示的第一实施方式类似，在与图1a和图1b的基板102相同的复合基板102上实现耦合腔表面声波滤波器结构800。
将使用与图1a和图1b相同的附图标记来指代相同特征，并且将不再详细解释。
在本实施方式中，在压电层104与基底基板106之间的界面110处设置以改进压电材料层104与基底基板106的附着的薄SiO2层108的厚度为500nm。
耦合腔滤波器结构800包括两个换能器结构812、814和一个反射结构816，所述一个反射结构816在如图5a所示的传播方向X上以距换能器结构812、814一定距离L定位在两个换能器结构812、814之间。
各个换能器结构812、814包括两个电极824、826(未示出)，各个电极824、826分别包括多个电极装置828、830。梳状电极以另选方式连接到+V/-V电势，电极824在+V处，并且电极826在-V处，或者反之亦然。在变型中，电极824、826可以是梳状电极，具体是叉指电极。
换能器结构812、814由电极节距p(未示出)限定，电极节距p对应于来自相对的梳状电极824和826的两个相邻电极指828、830之间的边缘到边缘电极指距离。
在本实施方式中，换能器结构812、814的电极节距p由多倍波长nλ限定，λ是所述换能器结构812、814的工作声波长。
换能器结构的金属比a/p被限定为电极宽度a与电极节距p的比。
在本发明的该实施方式中，反射结构816通过槽822实现，并且由与槽822的两个侧边缘壁822a与822b之间的距离相对应的尺寸L1及槽822的总深度D限定。槽822的总深度D被限定在压电层104的定位有换能器812、814的表面与槽822的底表面822c之间。槽822的深度D大约为λ或更大，具体地大约为10λ或更大，λ是表面声波的波长。
此外，槽822还由刻蚀后角θ 340限定，从而限定槽的边缘壁822a、822b相对于水平轴线X和槽822c的底表面的位置。后角θ840可以大约为70°或更大，具体地大约为90°。图5a例示了具有与90°的后角θ340相对应的垂直边缘壁的槽822。
位于反射结构816与换能器结构812、814之间的区域(例如，宽度由距离L2限定的区域818)对应于声腔820。距离L2被限定为槽822的一个边缘壁822a、822b与位于换能器812、814所在的压电层表面上的点A、B之间的距离。点A、B位于换能器结构812、814的位于槽822所在一侧上的节距的末端处，如图5a所示。当电极在节距内居中时，换能器结构812、814的节距的末端不对应于换能器结构812、814的第一电极830的端部。例如，当比a/p为50％时，节距的末端位于换能器结构812、814的第一电极830的等于λ/8的距离处。图5b对应于图5a，其中换能器结构812、814仅包括两个电极828和830，以便更清楚地示出声腔820的区域818。
在耦合腔表面声波滤波器结构800中，在图5a和图5b所示的耦合腔滤波器结构中，在声波传播方向上存在两个声腔820。
在本发明的该实施方式中，反射结构816是通过设置(例如，刻蚀)槽822而不是像第一实施方式和第二实施方式中那样沉积金属条来实现的。
槽822被设置在复合基板102的压电层104中，并在SiO2层中向下进入基底基板106直到总深度D。D1对应于深度D的仅在基底基板106中实现的部分。
在变型中，槽822可以仅被刻蚀穿过压电层104且向下穿过SiO2层108到基底基板106的表面，该表面是SiO2层108与基底基板106之间的界面810。因此，D1将等于0。
在第四实施方式中，基于第三实施方式，耦合腔滤波器结构900还包括两个布拉格镜832、834。该实施方式如图6所示，其中各个布拉格镜832、834在声波传播方向X上靠近换能器结构812、814定位在反射结构816所在侧的另一侧上。
各个布拉格镜832、834定位在距其相应换能器结构812、814距离s处。各个布拉格镜832、834包括一个或更多个金属条836，并且由金属条836的节距限定，该节距对应于布拉格镜832、834内的金属条836之间的距离。与换能器一样，布拉格镜832、834中的节距通过使金属条840在节距内居中来限定。
在该变型中，布拉格镜832、834的节距也等于n倍的波长λ，因此是nλ。
在这种情况下，在布拉格镜832、834所在一侧上，波将根据相位变化而被反射，而在槽的一侧，反射的类型将取决于槽的宽度和深度。
在第五实施方式中，基于第三实施方式，耦合腔滤波器结构1000包括两个附加槽932、934，各个附加槽932、934在声波传播方向上靠近换能器结构812、814定位在反射结构816所在侧的另一侧上。该实施方式如图7所示。
各个附加槽932、934被定位在距其相应换能器结构812、814距离s处。各个附加槽932、934由其宽度L3和其总深度D3限定。附加槽932、934的总深度D3被限定在压电层104的定位有换能器812、814的表面与附加槽932、934的底表面932c、934c之间。深度D2被限定为附加槽932、934从槽822的底表面822c到槽932、934的底表面932c、934c的深度。因此，总深度D3被限定为D加D2，D是反射结构816的槽822的总深度。至少一个附加槽(932、934)的深度D3大约为λ或更大。
在本发明的该实施方式中，反射结构816和附加槽932、934是通过设置(例如，刻蚀)槽而不是像第一实施方式和第二实施方式中那样沉积金属条来实现的。
各个附加槽932、934被构造为具有传播波沿着传播方向的全反射。
在变型中，耦合腔滤波器结构可以在输入换能器一侧上包括布拉格镜和槽(分别在声波传播方向X上靠近换能器结构812、814定位在反射结构816所在侧的另一侧上)，并且在输出换能器的该侧上包括槽。
根据第三实施方式至第五实施方式中的一个实施方式的耦合腔滤波器装置类似于根据第一实施方式的耦合腔滤波器装置工作，但是其结构特征(即，换能器和镜的节距、腔的尺寸)已被调整，使得满足条件，以使装置显示出与第一实施方式类似的功能。
这是因为在边缘上反射的情况下，反射位置的限定是几何限定的。因此，无论换能器内相位的原点如何，相位构造(construction)将只针对整数个波长发生。布拉格镜等效反射中心的限定比较困难，因为它表现出主要取决于反射强度的相位变化。布拉格镜的反射函数被限定为在镜的一个边缘处限定的反射波与入射波的比。在本领域中已知，光栅的单个电极上的反射系数的大小调节与光栅的反射操作相对应的光谱带的宽度。然而，由于反射函数在镜阻带开始与结束之间的相位变化总是在pi至2×pi范围内，因此反射系数的大小似乎也影响反射系数随频率的相位变化。
因此，将第一实施方式和第二实施方式的包括金属条的反射结构替换为第三实施方式、第四实施方式、第五实施方式和第六实施方式中的包括槽的反射结构导致具有λ的倍数的条件，以使耦合腔滤波器装置工作。
根据第一实施方式和第二实施方式的耦合腔滤波器装置的所有变型也可以应用于根据第三实施方式、第四实施方式、第五实施方式和第六实施方式的耦合腔滤波器装置。
图8a至图8h例示了根据本发明第六实施方式的耦合腔表面声波滤波器结构及其变型。
图8a和图8b中示出的基板与图5a、图5b、图6和图7的基板102相同。将使用图7中相同的附图标记来指代相同的特征，并且将不再详细解释。
在图8a中，与耦合腔滤波器结构1000类似，耦合腔滤波器结构1100包括两个换能器结构812、814，其中两个槽932、934各自靠近一个换能器结构定位。与耦合腔滤波器900的区别在于，在换能器结构812、814之间存在多个反射结构，即两个反射结构1006和1016。多个反射结构中的各个反射结构1006、1016对应于槽1022，并且由槽1022的宽度L1和总深度D限定。
这些反射结构1006、1016在传播方向X上通过间隙g彼此分开。位于两个相邻反射结构1006、1016之间的区域1008(其宽度由间隙g限定)对应于声腔1010。声腔1010可以被认为是中心腔，而腔1020可以称为侧腔。
与耦合腔滤波器结构800和900类似，位于反射结构1006、1016与相邻换能器结构812、814之间的区域1018也对应于声腔1020，该声腔1020的宽度由反射结构1006、1016的边缘与位于压电层104表面上的点A、B之间的距离L2限定。
区域1008实际上包括在基底基板106的顶部上的压电层104和SiO2层108。
因此，在耦合腔表面声波滤波器结构1100中，在声波传播方向上存在三个腔，所述三个腔被反射结构分开，或者换句话说，腔被两个反射结构包围在换能器之间。
在第六实施方式的另一变型中，如图8b所示，耦合腔表面声波滤波器结构1200具有在槽1006与槽1016之间的区域1008，该区域1008没有压电层104并且没有SiO2层108。在区域1008中，仅存在基底基板106。根据另外的变型，基底基板的表面也可以被刻蚀，使得区域1008中的基底基板的厚度将小于区域1018中的基底基板的厚度。
对于所有图8c至图8h，还例示了具有子腔的变型，耦合腔滤波器结构1300至1800以2D平面图自上而下示出。
在如图8c所示的耦合腔滤波器结构1300中，多个反射结构中的两个反射结构1206、1216通过间隙w但在传播方向Z上彼此分开。与图8a的区域1008类似，区域1208可以被刻蚀或不被刻蚀。在这种情况下，声腔1020被分割成两个子腔1020a、1020b。
在耦合腔滤波器结构1400中，与在腔滤波器装置1100中类似，多个反射结构1316在传播方向X上通过间隙g彼此分开，并且与腔滤波器装置1200类似，多个反射结构1316也通过间隙w但在传播方向Z上彼此分开。与图8a的区域1008和图8c的区域1210类似，多个反射结构之间的区域1308可以被刻蚀或不被刻蚀。
在该变型中，与根据本发明第二实施方式的装置600类似，声腔1310、1320被分割成多个子腔1310a、1310b、1320a、1320b。
如图8e所示，在耦合腔滤波器结构1500中，沿着两个换能器结构812、814之间的整个距离，多个反射结构1506、1516被在Z方向上具有宽度w1的中心区域1510对称地分开，其中不存在反射结构1506、1516。此外，与在先前变型中的在Z方向上被拉长的刻蚀槽不同，槽1522现在是方形的。为了清楚起见，在图8e上仅标注了一个反射结构1506、1516和一个槽1522。
如图8f所示，在耦合腔滤波器结构1600中，换能器结构812、814之间没有反射结构1506、1516的区域1610的尺寸不同于图8e的区域1510。区域1610实际上更薄，在Z方向上在一行中移除了三个反射结构。区域1610可以被同化为对多个反射结构的对称性的破坏。为了清楚起见，在图8f上仅标注了一个反射结构1506、1516和一个槽1522。
在另一变型中，图8g所示的装置1700对应于图8e的装置1500，具有两个附加槽1532、1534，包括多个反射结构1506、1516并因此包括多个槽1522。
在本发明的变型中，耦合腔滤波器结构1800可以包括三个或甚至更多个换能器结构。在图8h中示出了在耦合腔滤波器结构1200中存在三个换能器结构1210、1212、1214的变型。
类似于图2c中的结构，换能器结构中的两个换能器结构1210、1214被定位在反射结构1706、1716的外侧，而第三换能器结构1212被定位在反射结构1706、1716的中间，使得在第三换能器结构1212的每一侧上都存在一个反射结构1706、1716并因此存在槽1722。换能器结构1212也与两个相邻反射结构1706、1716分开距离L，该距离L对应于换能器结构1210、1214与其相应相邻反射结构(这里针对换能器结构1210则是1706，并且针对换能器结构1214则是1716)之间的相同距离。这种腔滤波器结构1800是对称的，并且与图8c所示的只有两个换能器结构812、814的腔滤波器结构1300相比，在腔1720中产生更强的能量限制。此外，这里，与如图8c所示的装置1300类似，反射结构1706、1716也以距离w1彼此分开。
在本发明的变型中，第三换能器1210未被定位在耦合腔滤波器结构的中间，使得耦合腔滤波器结构不对称。
图9示出了用于模拟的根据本发明第三实施方式的装置。
对于该模拟，所使用的装置对应于如图7所示的装置1000，但是这里换能器结构812和814各自仅包括两个电极指828、830。
此外，使用了以下结构参数。针对模拟使用了复合基板，该复合基板在500nm的LiTaO3(YXI)/42°压电层与半无限(100)硅基板之间具有200nm的SiO2层。换能器的电极节距p等于800nm，从而在2.5GHz附近的频率工作中产生等于1.6μm的波长λ。金属化比a/p等于0.5，这意味着电极宽度a等于400nm。电极指由Al-Cu制成，厚度设定为100nm。
图10a和图10b示出了根据本发明第三实施方式的示例的如图9所示的耦合腔表面声波滤波器结构的模拟特性。
在该实际示例中，利用节距p等于2μm、深度D1等于节距p、深度D2等于6×p、槽宽度L1等于6.4μm并且宽度L2等于2×p的网格结构(未示出)进行模拟。使用了在(100)硅基板上具有600nm厚的LiTaO3、500nm厚的SiO2的复合基板。
图10a示出了作为X轴上的频率(单位：GHz)的函数的导纳的曲线图，该导纳的实部在左侧Y轴上并且虚部在右轴上。图10a示出了61800GHz和62000GHz附近的两个峰，与62000GHz附近的另一峰相比，61750GHz附近的峰显示出很强的导纳。
图10b示出了作为X轴上的频率(单位：GHz)的函数的跨导纳的曲线图，该导纳的实部在左侧Y轴上并且虚部在右轴上。图10b示出了61800GHz和62000GHz附近相同的两个峰，但这次的贡献更均衡，两个峰的幅度相等。
这些图例示了两种耦合模式，两个平衡贡献允许有效限定滤波器带通，无论实际幅度水平如何。
图11a至图11d示出了根据本发明的针对各种尺寸的反射结构的滤波器基本结构的导纳计算。
在600nm的LiTaO3(YXI)/42°压电层与半无限(100)硅基板之间具有500nm的SiO2层的复合基板被用于模拟。
图11a至图11b示出了针对槽的变化的深度D1的作为X轴上的频率(单位：GHz)的函数的导纳的曲线图，该导纳的实部在左侧Y轴上并且虚部在右轴上。示出的频率范围在61000GHz至63000GHz之间。所有曲线图示出了61800GHz和62500GHz附近的与图10b相同的两个峰，这可以被视为双峰形成，其中在61800GHz附近的第一峰比在63000GHz附近的第二峰具有更高的导纳值。在图10d中，双峰实际上比图11a、图11b或图10c中的带宽更窄。
在图11a至图11c中，D1在1μm至0.2μm之间变化，而在图11d中，D1在1μm至2μm之间变化。
在图11a至图11d中，可以看到峰的相同表现。当D1从1μm减小到0.2μm时，双峰形成向更高频率移动，同时第一峰的导纳减小并且第二峰的导纳增大。在图11b、图11c和图11d中，第二峰的导纳增大，使得其实际上达到了比第一峰更高的值，而在图11a中，针对等于0.2μm的D1，两个峰相等。
图12a和图12b例示了根据现有技术的SAW梯式滤波器装置的示例(图12a)和根据本发明的SAW梯式滤波器装置的示例(图12b)。
在图12a中，四个换能器结构1612、1614、1616和1618各自被夹设在两个反射结构1632与1634之间。换能器1612、1614、1616、1618的叉指电极通过金属线1640彼此连接。如可以看出的，这种设计是笨重的，因为换能器及其金属连接需要很大的空间。无论在垂直还是水平上，换能器都不能在单条线上对齐，因为它们需要彼此移动，以允许换能器之间的连接。
图12b示出了SAW梯式滤波器装置2000，其中根据本发明的两个腔耦合滤波器装置1000靠近彼此定位在单条线上。各个腔耦合滤波器装置1000分别包括两个换能器结构1712、1714和1716、1718，具有相应反射结构1732、1734和1716。反射结构1716位于两个换能器结构之间，例如1716位于1712与1714之间，并且反射结构1732和1734各自定位在换能器结构的与反射结构1716所在侧相反的一侧上。在图12b中，反射结构1716、1734和1732被表示为槽，如图8所示。与图12a类似，换能器的电极通过金属线1740彼此连接。
图12b示出了具有两个腔耦合滤波器装置1000的SAW梯式滤波器装置2000，但是根据本发明的腔耦合滤波器装置1000的任何变型都可以用于SAW梯式滤波器装置。
根据本发明的SAW梯式滤波器装置2000是更紧凑的，并且不需要像图12a所示的SAW梯式滤波器装置那样大的空间。
已经描述了本发明的多个实施方式。然而，应当理解，在不偏离所附权利要求的情况下可以进行各种修改和增强。

Claims (37)

1.一种耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构使用表面声波，具体地使用引导表面声波，所述耦合腔滤波器结构包括：
声波传播基板(102)；
至少一个输入换能器结构(112、506)和一个输出换能器结构(114、506)，所述至少一个输入换能器结构(112、506)和所述一个输出换能器结构(114、506)设置在所述基板(102)上，所述至少一个输入换能器结构(112、506)和所述一个输出换能器结构(114、506)各自包括叉指梳状电极(124、126、508、510)；
一个反射结构(116)，所述反射结构(116)包括至少一个或更多个槽(122)，所述反射结构(116)在声波传播方向上定位在所述输入换能器结构与所述输出换能器结构(112、114、506)之间的距离d处；
其特征在于，
所述声波传播基板(102)是包括基底基板(106)和压电层(104)的复合基板。
2.根据权利要求1所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构被构造成使得所述表面声波是所述压电层(104)内的剪切波或纵波，具体地是所述压电层(104)内的引导剪切波或引导纵波。
3.根据权利要求1或2所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述至少一个输入换能器结构(112)和所述一个输出换能器结构(114)的所述叉指梳状电极(124、126)由通过p＝λ/2给出的布拉格条件限定，λ是所述换能器结构(112、114)的工作声波长，并且p是所述换能器结构(112、114)的电极节距。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构还包括至少一个布拉格镜(132、134)，所述至少一个布拉格镜(132、134)在所述声波传播方向上与所述输入换能器结构(112)和/或所述输出换能器结构(114)分开地位于所述一个反射结构(116)所在侧的相反侧上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构包括多个反射结构，所述多个反射结构通过间隙g彼此分开，在所述声波传播方向上定位在所述输入换能器结构与所述输出换能器结构(112、114、506)之间的距离d处，所述反射结构(116、202、204、206、208、302、304、306、308、310、312、402、404、408)之间的各个间隙g以及换能器结构(112、114)与其相邻反射结构之间的各个间隙d形成声腔(120、212、214、316、408)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，各个声腔(120、212、214、316、408)的尺寸小于λ/4，具体地使得所述声腔(120、212、214、316、408)中的相速度优于所述反射结构(116、202、204、206、208、302、304、306、308、310、312、402、404、408)中的相速度。
7.根据权利要求5或6所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述多个反射结构中的相邻反射结构(202、204、206、208、302、304、306、308、310、312、402、404、408)之间的距离g和/或反射结构(116、202、204、206、208、302、304、306、308、310、312、402、404、408)与相邻换能器结构(112、114、506)之间的距离d相同或不同。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述反射结构(116)或所述反射结构(202、204、206、208、302、304、306、308、310、312、402、404、408)具有与单体金属条有关的反射系数，所述反射系数优于与所述复合基板(102)以及所述换能器结构(112、114、506)的所述梳状电极(124、126、604、606)有关的耦合系数ks 2，具体地，反射系数优于所述耦合系数ks 2至少1.5倍。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述多个反射结构中的各个反射结构(116、202、204、206、208、302、304、306、308、310、312、402、404、408)包括至少一个或更多个金属条(122、210)，所述金属条的节距与所述换能器结构(112、114、506)的所述电极节距p相同或不同。
10.根据权利要求9所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述多个反射结构中的各个反射结构(116、202、204、206、208、302、304、306、308、310、312、402、404、408)的所述金属条(124)彼此电连接。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述多个反射结构中的各个反射结构(116、202、204、206、208、302、304、306、308、310、312、402、404、408)的金属条(122、210)的数量小于30，优选地小于20，使得所述多个反射结构的所述反射系数大于0.5，具体地大于0.8。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，来自所述压电层(104)的材料的声阻抗与来自所述多个反射结构的所述金属条(122、210)的材料的声阻抗之间的差使得所述多个反射结构的所述反射系数优于0.5，具体地优于0.8。
13.一种耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构使用表面声波，具体地使用引导表面声波，所述耦合腔滤波器结构包括：
声波传播基板(102)；
至少一个输入换能器结构(812)和一个输出换能器结构(814)，所述至少一个输入换能器结构(812)和所述一个输出换能器结构(814)设置在所述基板(102)上，所述至少一个输入换能器结构(812)和所述一个输出换能器结构(814)各自包括电极(824、826)；
一个反射结构(816)，所述反射结构包括槽(822)，所述反射结构在声波传播方向上定位在所述输入换能器结构(812)与所述输出换能器结构(814)之间的距离L处；
其特征在于，
所述声波传播基板(102)是包括基底基板(106)和压电层(104)的复合基板(102)。
14.根据权利要求13所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构被构造成使得所述表面声波是所述压电层(104)内的剪切波或纵波，具体地是所述压电层(104)内的引导剪切波或引导纵波。
15.根据权利要求13或14所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述至少一个输入换能器结构(812)和所述一个输出换能器结构(814)的所述电极(824、826)由等于nλ的电极节距p限定，λ是所述换能器结构(812、814)的工作声波长。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构还包括至少一个附加槽(932、934)，所述至少一个附加槽(932、934)在所述声波传播方向上与所述输入换能器结构(812)和/或所述输出换能器结构(814)分开地位于所述一个反射结构(816)所在侧的相反侧上。
17.根据权利要求16所述的耦合腔滤波器结构，其中，在所述声波传播方向上与所述输入换能器结构(812)和/或所述输出换能器结构(814)分开地位于所述一个反射结构(816)所在侧的相反侧上的所述至少一个附加槽(932、934)的深度D3大约为λ或更大。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构包括多个反射结构(1006、1016、1206、1216、1306、1316、1416、1616)，所述多个反射结构(1006、1016、1206、1216、1306、1316、1416、1616)通过间隙g彼此分开，在所述声波传播方向上定位在所述输入换能器结构(812)与所述输出换能器结构(814)之间的距离L处，所述反射结构(1006、1016、1206、1216、1306、1316、1416、1616)之间的各个间隙g形成声腔(1010、1210、1310、1410、1510、1710)。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述槽(822、1022、1322、1422、1522、1722)的边缘与如下的位置A、B之间的距离L2形成声腔(820、1020、1220、1320、1420、1520、1620、1720)，即，所述位置A、B在所述声波传播方向上对应于所述换能器结构(812、814)的位于所述槽所在一侧上的节距的末端。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述槽(822、1022、1322、1422、1522、1722)的边缘与所述至少一个附加槽(932、934)的边缘之间的距离大约为nλ。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述反射结构(816、1006、1016、1206、1216、1306、1316、1416、1616)的所述槽(822、1022、1322、1422、1522、1722)的后角θ(840)大约为70°或更大，具体地，大约为90°，所述后角θ(840)是水平轴线X与所述槽(822)的边缘壁(822a、822b)之间的角度。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述反射结构(816、1006、1016、1206、1216、1306、1316、1406、1416、1506、1516、1716)的所述槽(822、1022、1322、1422、1522、1722)的深度D大约为λ或更大，具体地，大约为10λ或更大，λ是所述表面声波的波长。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述至少一个附加槽(932、934)被构造成具有传播波沿着传播方向的全反射。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，在所述多个反射结构(1006、1016、1206、1216、1306、1316、1416、1616)的至少两个槽(1022、1322、1422、1522、1722)之间形成的所述声腔(1010、1210、1310a、1310b、1410、1510、1710)位于所述基板(102)的表面处，所述表面也是所述基板(102)的设置有所述换能器结构(812、814、1210、1212、1214)的表面。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，在所述多个反射结构(1006、1016、1206、1216、1306、1316、1416、1616)的至少两个槽(1022、1322、1422、1522、1722)之间形成的所述声腔(1010、1210、1310a、1310b、1410、1510、1710)位于被包括在所述基板(102)的所述表面与所述至少两个槽(1022、1322、1422、1522、1722)的位于深度D处的底表面(1022c)之间的深度处。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述输入换能器结构与所述输出换能器结构(112、114、506、812、814、1210、1214)不同，具体地，各个换能器结构(112、114、506、812、814、1210、1214)的电极指(128、130、828、830)的数量不同。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述声腔能够被分割成彼此分开的子腔(1310a、1310b)。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构在所述声波传播方向上包括至少三个或更多个换能器结构(112、114、314、506、814、812、1210、1212、1214)。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述压电层(104)的特性和所述换能器结构(112、114、314、506、814、812、1210、1212、1214)的所述电极(124、126、508、510、824、826)的特性被选择成使得所述压电层(104)中的所述剪切波的机电耦合系数ks 2优于5％，具体地优于7％，具体是使得所述压电层(104)中的所述引导剪切波或所述引导纵波的机电耦合系数ks 2优于5％，具体地优于7％。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述压电层(104)的厚度被选择成使得所述压电层(104)中的所述剪切波的机电耦合系数ks 2优于5％，具体地优于7％，具体是使得所述压电层(104)中的所述引导剪切波或所述引导纵波的机电耦合系数ks 2优于5％，具体地优于7％。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构还包括被夹设在所述基底基板(106)与所述压电层(104)之间的介电层(108)，具体是SiO2层。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述压电层(104)是氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT、氮化镓(GaN)、钽酸锂LiTaO3或铌酸锂LiNbO3，所述钽酸锂LiTaO3或铌酸锂LiNbO3具有根据标准IEEE 1949Std-176被限定为(YX/)/θ的钽酸锂LiTaO3或铌酸锂LiNbO3晶体取向，晶体取向角θ被包括在0°至60°之间或被包括在90°至150°之间。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述复合基板(102)的所述基底基板(106)是硅、碳金刚石、蓝宝石、石英以及碳化硅中的一种，硅具体是包括富陷阱层的高电阻率硅基板。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，所述基底基板(106)在所述压电层(104)下包括布拉格镜。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，滤波器带通被包括在0.5％至10％之间。
36.根据权利要求1至35中任一项所述的耦合腔滤波器结构，所述耦合腔滤波器结构还包括形成在所述换能器结构(112、114、314、506、814、812、1210、1212、1214)和所述至少一个反射结构上的钝化层，所述钝化层具有预定厚度，在所述换能器结构(112、114、314、506、814、812、1210、1212、1214)和/或所述至少一个反射结构上，所述预定厚度是相同的或不同的。
37.一种SAW梯式滤波器装置，所述SAW梯式滤波器装置包括至少两个根据权利要求1至35中任一项所述的耦合腔滤波器结构，其中，至少两个耦合腔滤波器结构定位在单条线上。
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