具有板模的表面声波滤波器的设计和制造的制作方法

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技术领域

本公开内容涉及使用表面声波(SAW)谐振器的无线电频率滤波器，特别是涉及在通信设备中使用的滤波器。

背景技术：

如图1所示，SAW谐振器100可以通过形成在由压电材料如石英、铌酸锂、钽酸锂或镧镓硅酸盐制成的基板150的表面上的薄膜导体图案来形成。基板150可以是压电材料的单晶板，或者可以是包括与另外的材料如硅、蓝宝石或石英接合的压电材料的薄单晶晶片的复合基板。复合基板可以用于提供与单独的单晶压电材料的热膨胀系数不同的热膨胀系数。第一换能器110可以包括多个并联的导体。经由输入端子IN施加于第一换能器110的无线电频率或微波信号可以在基板150的表面上产生声波。如图1所示，表面声波将在左右方向上传播。第二换能器120可以将声波转换回输出端OUT处的无线电频率或微波信号。第二换能器120的导体可以如所示出地与第一换能器110的导体交织。在其他SAW谐振器配置(未示出)中，形成第二换能器的导体可以与形成第一换能器的导体相邻地或者与形成第一换能器的导体分开地布置在基板150的表面上。

第一换能器110与第二换能器120之间的电耦合是高度频率相关的。第一换能器110与第二换能器120之间的电耦合通常表现为谐振(其中第一换能器与第二换能器之间的导纳非常高)和反谐振(其中第一换能器与第二换能器之间的导纳非常低)二者。谐振和反谐振的频率主要由叉指式导体的间距和取向、基板材料的选择和基板材料的结晶取向来确定。第一换能器110和第二换能器120之间的耦合强度取决于换能器的长度L。可以在基板上布置栅状反射器130、135以将声波的大部分能量限制于基板的由第一换能器110和第二换能器120所占用的区域。

SAW谐振器被应用在包括带阻滤波器、带通滤波器和双工器的各种无线电频率滤波器中。双工器是允许使用共用天线同时在第一频带中发送和在第二频带(不同于第一频带)中接收的无线电频率滤波装置。双工器通常存在于包括蜂窝电话的无线电通信设备中。

SAW谐振器的特性是对工作温度敏感。除非做出努力以减轻SAW谐振器对温度变化的敏感性，否则由这样的谐振器构成的微波滤波器可能会随着工作温度的改变而严重地劣化。温度依赖性的一个来源是压电晶片随着温度变化的膨胀或收缩。材料尺寸相对于温度而变化的量被称为热膨胀系数(CTE)。将薄的压电晶片接合至具有较低CTE的较厚的支撑基板，会限制压电晶片随着温度变化的膨胀和收缩。

图2是先前在图1中示出的示例性SAW谐振器100的截面图。形成第一换能器110、第二换能器120和栅状反射器130、135的电极沉积在压电材料的晶片252的前表面256上，该压电材料的晶片252可选地可接合至背衬基板254。晶片252和背衬基板254(在存在的情况下)共同地形成复合基板150。晶片252可以是石英、铌酸锂、钽酸锂、镧镓硅酸盐或一些其他压电材料。背衬基板254可以是例如硅、蓝宝石、石英或一些其他材料。通常但并不一定，背衬基板254可以由具有比晶片252低的热膨胀系数的材料制成。晶片252和背衬基板254可以使用压力和升高的温度的组合来直接接合。替选地，晶片252和背衬基板254可以使用粘合剂层(未示出)来接合。

在薄的压电晶片(例如压电晶体的厚度小于约50倍的SAW谐振器的谐振频率处的声学波长)上的形成的SAW谐振器中可能出现的问题是晶片252的前表面256和晶片252的后表面258形成由箭头250指示的谐振腔。由换能器110、120生成的声波可能会从背表面258反射并且在特定频率下谐振。背表面258处的反射由在背表面258与相邻材料之间的接口处的声波速率的改变导致，其中该相邻材料可以是空气、背衬基板或粘合剂。尽管这种谐振腔的品质因素可能会很低，但它仍然会影响SAW谐振器的电响应。这些寄生腔模通常被称为板模。

技术实现要素：

本申请公开了一种具有板模的表面声波滤波器的设计和制造方法。该方法包括：建立包括两个或更多个SAW谐振器的滤波器设计；添加与所述两个或更多个SAW谐振器中的每个SAW谐振器关联的相关板模的导纳；对包括相关板模的导纳的滤波器设计进行迭代，以建立满足一组设计要求的最终滤波器设计。

附图说明

图1是SAW谐振器的示意性平面图。

图2是SAW谐振器的截面图。

图3是示例性SAW滤波器的框图。

图4是SAW谐振器的作为频率的函数的导纳的曲线图。

图5是SAW谐振器的作为频率的函数的导纳的实部的曲线图。

图6A是包括板模的SAW谐振器的电路模型的示意图。

图6B是包括板模的SAW谐振器的另一电路模型的示意图。

图7是SAW滤波器的作为频率的函数的S(1,2)参数的曲线图。

图8是SAW滤波器的作为频率的函数的S(1,2)参数的另一曲线图。

图9是示出滤波器性能随压电晶片厚度的变化的曲线图。

图10是用于设计和制造SAW滤波器的方法的流程图。

贯穿本说明书，附图中出现的元素被分配有三位数字的附图标记，其中最高有效位数字是第一次示出该元素的附图的编号而两个最低有效位数字特定于元素。未结合附图描述的元素可以被推定成与具有相同参考标记的前述元素具有相同的特征和功能。

具体实施方式

装置的描述

滤波器电路通常包含多于一个的SAW谐振器。例如，图3示出了包含由X1至X9标记的九个SAW谐振器的示例性带通滤波器电路300的示意图。滤波器电路300包括串联连接在输入(端口1)与输出(端口2)之间的五个串联谐振器(X1、X3、X5、X7和X9)。滤波器电路300包括连接在相邻串联谐振器的节点与地之间的四个并联谐振器(X2、X4、X6和X8)。使用九个SAW谐振器即五个串联谐振器和四个并联谐振器是示例性的。滤波器电路可以包括多于或少于九个的SAW谐振器以及不同布置的串联谐振器和并联谐振器。滤波器电路300可以是例如用于合并至通信装置的发送滤波器或接收滤波器。

九个谐振器X1至X9中的每一个可以包括如图1所示的叉指式换能器和栅状反射器。九个谐振器X1至X9中的每一个可以具有相应的谐振频率f1至f9。谐振频率f1至f9可以全部不同。谐振器X1至X9中的一些谐振频率可以相同。通常，并联谐振器的谐振频率f2、f4、f6、f8可以从串联谐振器的谐振频率f1、f3、f5、f7、f9偏移。当滤波器电路300被制造在薄的压电晶片或复合基板上时，不同的声板模可以与九个SAW谐振器X1至X9中的每一个相关联。

图4是绘出单个SAW谐振器的导纳的幅度的曲线图400，该单个SAW谐振器可以是制造在薄的压电晶片或复合基板上的滤波器电路300中的谐振器X1至X9中的任一个。线410是呈现谐振412和反谐振414的导纳，其中在谐振412中导纳最大，在反谐振414中导纳最小。线410还呈现出由于板模而引起的416A、416B处的波动。

如图5所示，板模对谐振性能的影响在SAW谐振器的导纳的实部的曲线图中更明显。实线510表示所测得的谐振器的导纳的实部。在516A、516B和516C处可以看到板模的贡献。虚线520表示的谐振器的期望性能来自不考虑板模的模型。虚线530表示的谐振器的期望性能来自随后要讨论的考虑板模的模型。

516A、516B和516C处的板模尤其与这种谐振器相关联。在同一基板上与这种SAW谐振器相邻地制造的另一谐振器可能会与不同组的板模相关联。

516A、516B和516C处的板模是同一谐振腔的不同阶模。可以使用简单的法布里-珀罗公式来确定频率：

f_n＝nc/2t, (1)

其中，t是压电晶片厚度，c是板模的有效声速，以及n＝1,2,…是模序数。如图5所示，高阶(n)板模516A、516B、516C以54.2MHz的频率间隔均匀地间隔开。根据式(1)，相邻板模之间的频率间隔Δf由下式给出：

Δf＝c/2t. (2)

要指出的是，c不一定是体波或表面波的声速。替代地，c是根据单个SAW谐振器上的测量而确定的具有长度米/秒的参数。为了确定SAW谐振器的c的值，可以根据谐振器性能的测量来确定相邻板模之间的频率间隔Δf。然后，初值c₀可以被估算为：

c₀＝2tΔf. (3)

每个板模的模式序数n可以由下式确定：

n＝round(2tf_n/c₀), (4)

其中，f_n是板模的谐振频率。预计SAW谐振器的板模的模序数将是连续的整数。然后，c的值可以被确定为:

c＝2tf_n/n. (5)

发明人已经发现给定SAW谐振器的c的值不同于具有不同谐振频率的类似SAW谐振器的c的值。可以根据各种谐振频率在SAW谐振器上执行的测量来确定c与谐振器频率之间的关系。发明人还发现可以使用以下简单线性式来建模c对谐振器频率的依赖性。

c(f_res)＝af_res+b, (6)

其中，f_res是谐振频率以及a和b是根据实验数据而确定的常数。

关于SAW滤波器的规范通常指定在一个或更多个通带以及一个或更多个阻带上的滤波器性能。由起始频带和停止频带覆盖的总频率范围可以被认为是滤波器的频率跨度。具有在该频率跨度内的或与该频率跨度紧邻的谐振频率的板模可能会影响滤波器性能并且因此被认为是相关板模，而具有远离该频率跨度的谐振频率的板模与滤波器性能无关。例如可以通过与相应谐振器的导纳并联地添加每个相关板模的导纳来建模板模对滤波器性能的影响。

使用电路设计工具至少可以部分地执行SAW滤波器设计。当使用电路设计工具时，每个SAW谐振器可以由集总元件等效电路来表示。图6A示出了具有关联板模的SAW谐振器的增强型等效电路模型600的示意图。增强型等效电路模型600包括SAW谐振器电路模型610，该SAW谐振器电路模型610与关联于SAW谐振器的一个或更多个相关板模的导纳Y_n,Y_n+1,…(620，622)并联。图6所示的由电感器Lm和电容器Co和Cm构成的SAW谐振器电路模型610是简化的。在SAW滤波器设计期间可以使用包括另外的集总部件的更复杂的SAW谐振电路模型。图6B所示的替选增强型等效电路模型可以由SAW谐振器电路模型610与关联于SAW谐振器的一个或更多个相关板模的模型630串联形成。

每个板模的导纳620、622由下式给出：

Y_n＝Y_n,re+Y_n,im, (7)

其中，Y_n,re和Y_n,im分别是导纳的实部和虚部。板谐振器的导纳Y_n,re的实部由下式给出：

Y_n,re＝g₀*sin²z/z², (8)

以及导纳的虚部Y_n,im由下式给出：

Y_n，im＝g₀*(sin2z-2z)/z², (9)

其中，z＝g₁*(f-f_n)/f_n，f是频率，f_n是板模的谐振频率，以及g₀和g₁是通过将式(7)和(8)拟合至单个SAW谐振器的测量导纳而确定的参数。发明人已经发现参数g₀和g₁关于SAW谐振器的长度L(参照图1)和压电晶片的厚度t而变化。具体地，

g₀＝k₀L/t, (10)

g₁＝k₁L, (11)

其中，k₀和k₁是通过将式(8)和(9)拟合至具有不同长度的多个SAW谐振器的测量导纳和压电晶片厚度而确定的常数。

通过以不同谐振频率对多个SAW谐振器进行测量而确定的值a、b、k₀和k₁，式(8)至(11)可以用于计算与具有各种谐振频率、长度和压电晶片厚度的SAW谐振器关联的板模的复导纳。可以将板模的导纳与针对SAW谐振器所计算的导纳相加。图5中的虚曲线530是包括使用式(8)所计算的板模的导纳的示例性谐振器的计算实导纳。

现在可以通过合并每个SAW谐振器的板模导纳来更准确地计算多个谐振器带通滤波器的性能。图7是在复合基板上的制造的示例性滤波器300的S(2,1)参数的曲线图。这种合并有九个SAW谐振器的滤波器的示意图先前在图3中被示出过。S参数是用于描述线性电网络的性能的惯例。实线710是S(2,1)的曲线图，其中S(2,1)是从电网络的端口1至端口2的传递函数。S(2,1)基本上是滤波器300的数字符号改变的“插入损耗”(例如，S(2,1)＝3dB相当于3dB的插入损耗)。在这种情况下，实线710绘出了滤波器300(其包括板模)的测量输入至输出传递函数。虚线720绘出了基于不考虑板模的模型的滤波器300的期望输入至输出传递函数。

可能要求带通滤波器针对预定“通带”内的频率以较小损耗将滤波器300的端口1处输入的信号传递至端口2，其中，该预定“通带”通常被定义为S(2,1)大于-3dB的频带。通带以外的频率基本上被衰减。关于带通滤波器的规范可以包括在通带内S(2,1)的最小值(即最大插入损耗)以及在通带以外的一个或更多个阻碍中的每一个内S(2,1)的最大值(即，最小插入损耗)。

在图8中可以看出板模对滤波器300的性能的影响，其中图8示出了相比于图7在扩展刻度上的S(2,1)的幅度。实线810表示测量性能。虚线820示出了使用不考虑板模的模型计算的滤波器300的预期性能。测量性能(实线810)呈现出在预期性能(虚线820)中未发现的若干波动或骤降(由箭头840、842、844表示的)。虚线830示出了通过包括使用式(8)和(9)计算的板模的导纳的模型预测的滤波器性能。虽然不完善，但包括板模的模型提供了对测量滤波器性能的显著更准确的预测。

如在式(1)中所指示的，板模的频率高度依赖于压电晶片的厚度t。如从图8可以明显看出，板模频率的变化可能会引起滤波器性能中的不可接受的变化。令式1对厚度求导给出：

df_n/dt＝-nc/2t². (12)

对于压电晶片的典型厚度，针对压电晶片厚度的1微米的变化，f_n(第n板模的频率)可能变化超过100MHz。在具有苛刻性能要求的滤波器应用中，压电晶片厚度的变化可能必须被控制成100nm或更小，以避免由于使通带恶化的板模频率的变化而引起的显著制造产量损失。

返回参照图5，在薄的压电晶片或具有特定压电晶片厚度的复合基板上制造的SAW谐振器可能在1782MHz(箭头516A)、1836MHz(箭头516B)和1890MHz(箭头516C)处呈现板模谐振。如果压电晶片的厚度缓慢增加，则板模谐振频率在频率上朝低偏移。当压电晶片厚度已经增加了使板模谐振频率偏移54.2MHz的量时，由箭头516B指示的板模谐振可能已经从其1836MHz处的原始频率偏移至1782MHz的新频率(即由箭头516A指示的谐振的原始位置，由箭头516A指示的谐振的原始位置可能已经偏移至曲线图500范围之外的左侧)。在这一点上，实导纳的曲线图可能看起来与实线510非常相似。

滤波器中的每个SAW谐振器的板模谐振类似地被影响，最终结果是板模谐振偏移了约54.2MHz的滤波器的性能将会与原始滤波器的性能等同或非常类似。

组合式(2)和(12)给出：

Δt＝c/(2f_n), (13)

其中，Δt是导致具有等同性能的滤波器的两个压电晶片之间的厚度差。如果两个滤波器满足一组相同的性能要求，则两个滤波器的性能被认为是“等同”。例如，图9是模拟的滤波器的作为压电晶片厚度的函数的带宽的曲线图900。实线910表示滤波器带宽，其以约0.62μm的周期随晶片厚度周期性地变化。假定滤波器的特定带宽是83±1MHz，等同滤波器可以被构造在下述混合基板上，在该混合基板中，压电晶片厚度是28.5±0.1μm或29.12±0.1μm(由图9中的阴影区920表示厚度范围或者比该厚度范围厚或薄了0.62μm的整数倍的其他厚度范围(例如27.88±0.1μm,29.74±0.1μm))。在这些厚度范围之外(由图9中的非阴影区域表示)的压电晶片上制造的滤波器将不提供指定的带宽。使用压电晶片的不同厚度的能力可以显著提高在制造期间压电晶片或复合基板的产量

针对压电晶片，可以限定一组两个或更多个不连续的厚度范围t±ε、t±ε±Δ、t±ε±2Δt、…，其中，±ε是公差范围以及Δt可以由式(13)限定或根据实验数据而确定。厚度落入两个或更多个不连续厚度范围中的任何范围内的单独的或作为复合基板的部件的压电晶片可以用于制造具有等同性能的滤波器，即满足相同的一组性能要求的滤波器。具有在上述两个或更多个不连续厚度范围之外的厚度的、单独的或作为复合基板的部件的压电晶片可能不被用于制造满足上述一组性能要求的滤波器。

过程的描述

图10是用于设计和制造SAW滤波器的过程1000的流程图。过程1000以滤波器的一组规范开始于1005A或1005B。过程1000在已经完成满足规范的滤波器的制造之后结束于1095。

在过程1000开始之前确定的该组规范可以包括例如关于通带的下限频率和上限频率以及可选地一个或更多个阻带的规范。该组规范可以包括在通带内S(2,1)的最小值(即最大插入损耗)和在每个阻带内(如果被定义的话)S(2,1)的最大值(即最小插入损耗)。该组规范可以包括输入阻抗范围。输入阻抗范围可以被定义为例如在由具有预定源阻抗的源驱动时在滤波器的输入处的最大反射系数或最大电压驻波比(VSWR)。可以以一些其他方式来定义输入阻挡范围。用于滤波器的该组规范可以包括其他要求如最大管芯尺寸、工作温度范围、输入功率电平和其他要求。

在首次使用过程1000来设计滤波器时，过程可以开始于1005A。在1010处，可以使用复合基板来制造一个或更多个试探性SAW谐振器，其中复合基板代表要用于制造要设计的滤波器的基板。试探性SAW谐振器用于探索或发现与每个SAW谐振器关联的板模的参数。具体地，用于制造试探性SAW谐振器的基板可以包括由旨在制造中使用的相同材料和结晶取向(即基板的表面与内部结晶轴的角度)制成的基底基板和压电晶片。具有若干不同谐振频率的试探性SAW谐振器可以使用旨在制造中使用的相同工艺(即金属材料和厚度、线和空间之比、介电涂层等)来制作。然后，可以测量试探性SAW谐振器的导纳和其他特性。

在1020处，可以根据试探性SAW谐振器的测量来确定参数a、b、k₀和k₁。可以针对每个样本谐振器来确定板模的频率以及可以使用式(3)至(5)针对每个谐振器来确定有效声速c。可以确定c对谐振频率的依赖性以及通过将式(6)拟合至实验数据来确定参数a和b。可以通过将式(7)和(8)拟合至试探性SAW谐振器的实导纳和虚导纳的测量来确定参数g₀和g₁。然后根据式(11)和(12)来确定参数k₀和k₁。由于可以重复使用在1010和1020处确定的参数a、b、k₀和k₁，后续滤波器设计可以开始于1005B。

在1030处，可以使用考虑板模的影响的设计方法来设计滤波器。来自1035至1055的动作构成可以用于设计滤波器的一组示例性步骤。在1030处可以使用其他设计方法。在1030处使用的设计方法可以包括不同的步骤、更多或更少的步骤以及/或者以不同顺序执行的相同步骤。

首先，在1035处，可以选择包括SAW谐振器的数量、类型和布置的滤波器架构。例如，图3的带通滤波器具有五个串联谐振器和四个并联谐振器。其他滤波器架构可以包括更多或更少的串联和/或并联SAW谐振器，以不同的方式连接(例如使并联谐振器从输入和/或输出端口连接至地)的相同数量的SAW谐振器。

接下来，在1040处，可以建立使用所选择的架构的初始滤波器设计。例如可以由设计工程师使用电路设计软件工具和/或电磁(EM)分析工具来执行初始滤波器设计。当使用电路设计工具时，可以将滤波器作为电子电路进行分析，其中SAW谐振器由集总电容器、电感器和电阻器元件来表示。当使用EM分析工具时，可以由基板上的SAW谐振器换能器的模型来表示滤波器。电路设计工具和EM分析工具之一或者电路设计工具和EM分析工具二者能够自动优化滤波器设计以尽可能满足滤波器规范。

一旦在1040处建立了初始设计，则在1045处可以确定板模的影响。例如，可以与SAW谐振器的导纳并联地添加使用式(8)和(9)计算的板模的导纳，以及可以使用电路设计软件工具和/或电磁(EM)分析工具中的任一个来确定板模对滤波器性能的影响。替选地，可以与SAW谐振器的模型串联地添加相关板模的模型，以及可以使用电路设计软件工具和/或电磁(EM)分析工具中的任何一个来确定板模对滤波器性能的影响。

在1050处可以优化包括板模的影响的设计。可以使用自动设计工具来执行优化，其中自动设计工具可以与在1040处使用的建立初步设计的设计工具相同或不同。例如，可以使用电路设计工具来执行初步设计而可以使用EM分析工具来执行1050处的优化。

要指出的是，在1035处首次选择的架构可能未必能够满足滤波器规范。例如，如果带通滤波器的规范包括窄的通带和高的阻带抑制，则仅具有几个SAW谐振器的架构可能不能满足规范。在1055处，可以确定来自1050的优化设计是否满足过程1000的开始之前建立的规范。如果所选择的滤波器架构证明不能够满足滤波器规范(在1055处的“否”)，则可以使用逐渐复杂的滤波器架构(即具有更多个SAW谐振器的滤波器架构)来一次或更多次地从1035重复设计方法1030直到优化的滤波器满足设计要求。

当已经建立了满足要求的滤波器设计时(在1055处的“是”)，在1060处可以执行进一步的分析以限定可以用于(使用相同的设计和过程)制造具有等同性能的滤波器(也就是说满足规范的滤波器)的压电晶片的一组不连续厚度范围。这种分析可以包括：分析一个或更多个滤波器性能参数随着压电晶片厚度如何变化(例如参见图8)；以及确定允许制造满足规范的滤波器的一组不连续压电晶片厚度范围。

在1070处，可以在所选择的压电晶片(其可以是复合基板的部件)上制造根据来自1030的设计的滤波器，其中所选择的压电晶片的厚度在1060处定义的一组压电晶片厚度范围之一内。具有两个或更多个可用压电晶片厚度范围(相比于单个窄的厚度范围)可以显著地提高制造期间压电晶片和/或复合基板的产量。例如，制备复合基板的一个过程是将相对厚的压电晶片接合至背衬基板上，然后在接合之后将压电晶片抛光至其期望厚度。当前，可以丢弃压电晶片被过度抛光(即被抛光直到其太薄)的复合基板。当一组压电厚度范围可用时，可以通过将压电晶片向下抛光至较薄的厚度范围来挽救这样的复合基板。

尽管将带通滤波器用作本说明书中的示例，但板模可以影响其他类型的滤波器的性能。同样的分析方法可以用于设计其他类型的SAW滤波器，例如低通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器以及双工器。

最后评论

贯穿本说明书，所示的实施方式和示例应当被视为范例，而不是对所公开或所要求保护的设备和程序的限制。尽管本文所呈现的许多示例涉及方法动作或系统元件的特定组合，但应当理解的是，这些动作和这些元件可以以其他方式进行组合以实现相同的目的。对于流程图，可以采用另外的步骤或更少的步骤，并且所示的步骤可以被组合或被进一步细分以实现本文所描述的方法。仅结合一个实施方式讨论的动作、元件和特征并非旨在被排除其他实施方式中的相似作用之外。

如本文所使用的，“多个”是指两个或两个以上。如本文所使用的，项的“集合”可以包括一个或更多个这样的项。如本文所使用的，不论在所撰写的说明书还是权利要求书中，术语“包括(compring)”、“包含(including)”、“携带(carrying)”、“具有(having)”、“含有(containing)”、“涉及(involving)”等要被理解成开放式的，即意指包括但不限于。对于权利要求书，仅过渡性词语“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭式或半封闭式过渡性词语。在权利要求书中使用顺序术语如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰权利要求元素并不通过其自身来暗含任何一个权利要求元素相对于另一权利要求元素的任何优先级、优先次序或顺序或者执行方法的动作的时间顺序，而仅用作标记，该标记用于对具有某一名称的一个权利要求元素与具有同一名称(但用于序号项使用的)的另外元素进行区分以对权利要求元素进行区分。如本文所使用的，“和/或”意指所列出的项是可替选项，而可替选项还包括所列出的项的任何组合。