一种基于声子晶体连续域中束缚态的窄带带阻滤波器

本发明涉及了滤波器领域，尤其涉及一种基于声子晶体连续域中束缚态的窄带带阻滤波器。

背景技术：

1、滤波器作为射频(rf)前端中的两端口频率选择设备，用于抑制干扰信号，随着5g时代的到来，各种无线通信设备所需要的工作频率不断提高，射频频率也随之增加，这就使得传统的声表面波(saw,surface acoustic wave)滤波器不再能满足目前射频市场的需求，目前针对滤波器，已在带通、带阻和可重构类型等方面进行了广泛研究。薄膜体声波谐振器(fbar,film bulk acoustic resonator)是近年来出现的一种采用压电薄膜加工而成的高频体声波谐振器，因其具有体积小、品质因素高且工作频率高的优势，已经成为当前市场的高频段主流滤波器之一。

2、但是，随着通信系统的迅猛发展，越来越多的微波频段被通信系统所利用，空间电磁频谱日益密集，无线通信环境越来越复杂，无线通信系统之间的信号干扰也越来越严重，干扰信号会给无线通信基站覆盖区域内的通信质量带来诸多问题，如电话掉线、连接困难、信息丢失以及接收语音质量较差等，导致无线通信环境越来越恶劣。

3、因此，在通信网络的建设中，有效解决干扰信号是一项重要的工作，常用的带通滤波器难以解决干扰信号的问题，目前主要通过增加带阻滤波器来实现对干扰信号的滤除，带阻滤波器在电子抗干扰和传感等领域具有重要应用潜力，但是现有的带阻滤波器结构较复杂，且带外抑制效果较差。

4、声子晶体是由不同密度的材料周期性排列构成的，其基本特征为：带隙频率范围的弹性波在声子晶体中传播时会被抑制，而处于其他频率范围的弹性波在声子晶体中可以无损耗传播。在带隙频率范围内，声子晶体对弹性波具有低透射率、高反射率的特性。研究表明，具有带隙特性的声子晶体在微电子机械系统声学谐振器方面具有广泛的应用价值。

技术实现思路

1、为改善现有技术的不足，本发明的目的是提出一种基于声子晶体中束缚态的窄带带阻滤波器，利用两种不同晶格常数的声子晶体形成一个微腔结构，由两种a0模式对称性而产生s0模式的束缚态，通过选择合适的晶格常数可以使滤波器具有更高的频率，从而实现高性能的窄带带阻滤波。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于声子晶体中束缚态的窄带带阻滤波器，包括基底，基底上设置有压电薄膜，压电薄膜上设置有输入叉指电极、声子晶体微腔结构和输出叉指电极，所述声子晶体微腔结构包括第一type ii声子晶体、type i声子晶体、第二type ii声子晶体，第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体对称设置在type i声子晶体的两侧，所述第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体具有相同的晶格常数，且与type i声子晶体的晶格常数不相同。

4、根据本发明的实施方案，所述第一type ii声子晶体、type i声子晶体、第二typeii声子晶体为一维声子晶体。

5、根据本发明的实施方案，所述第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体形成对称性a0模式，在微腔结构中产生s0模式的束缚态。

6、根据本发明的实施方案，所述第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体的晶格常数为500nm～3μm，优选所述第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体的晶格常数为1μm～2μm，例如为500nm、800nm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm中的点值或任意两点值构成的范围值中的任意值。

7、根据本发明的实施方案，所述第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体的数量为1～60，优选所述第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体的数量为10～50，进一步地所述第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体的数量为20～30，例如为5、10、15、20、30、40、50、55中的点值或任意两点值构成的范围值中的任意值。

8、根据本发明的实施方案，所述第一type ii声子晶体、第二type ii声子晶体的高度为100nm-1000nm，刻蚀深度为100nm～900nm，刻蚀宽度为50nm～2.5μm，刻蚀的角度为60～90度。

9、根据本发明的实施方案，所述type i声子晶体的单胞数量为1～9，优选所述的type i声子晶体的单胞数量为2～8，例如为5。

10、根据本发明的实施方案，所述type i声子晶体的晶格常数为300nm～5μm，优选所述type i声子晶体的晶格常数为1μm～4μm，例如为500nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm中的点值或任意两点值构成的范围值中的任意值。

11、根据本发明的实施方案，所述type i声子晶体的高度为100nm-1000nm，刻蚀深度为100nm～900nm，刻蚀宽度为50nm～2.5μm，刻蚀的角度为60～90度。

12、根据本发明的实施方案，所述压电薄膜的材质可以为铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英、氮化铝、砷化镓等中至少一种，优选为铌酸锂单晶。

13、根据本发明的实施方案，所述压电薄膜的厚度为100nm～1000nm，优选所述压电薄膜的厚度为200nm～800nm，进一步优选地，所述压电薄膜的厚度为400nm～600nm。

14、根据本发明的实施方案，所述第一叉指电极、第二叉指电极的材质为al、au、pt、cr、w、mo、ni、fe、ti等金属中的至少一种，优选为au。

15、根据本发明的实施方案，所述第一叉指电极、第二叉指电极为双向电极或单向电极，优选为单向电极。

16、根据本发明的实施方案，所述输入叉指电极、输出叉指电极包括n个周期性排布的电极组，每个电极组包含2-3根相互平行的条状电极，相邻条状电极交替接信号端和接地。

17、优选地，所述n的范围为4-50，例如n的范围为10-20。例如，所述第一叉指电极、第二叉指电极包括相互平行三根条状电极。

18、根据本发明的实施方案，所述条状电极为矩形电极。

19、根据本发明的实施方案，所述矩形电极的宽度为100nm-10μm，优选所述矩形电极的宽度为1μm-8μm，进一步优选地，所述矩形电极的宽度为3μm-5μm，例如为300nm、150nm、150nm。

20、根据本发明的实施方案，所述矩形电极的长度为5μm-2000μm，优选所述矩形电极的长度为10μm-1200μm，进一步优选所述矩形电极的长度为50μm-800μm，例如为20μm、30μm、60μm、80μm、100μm、300μm、600μm、800μm、1000μm、1500μm、1700μm中的点值或任意两点值构成的范围值中的任意值。

21、根据本发明的实施方案，所述矩形电极的厚度为15nm-100nm，优选所述矩形电极的厚度为25nm-80nm，进一步优选所述矩形电极的厚度为40nm-50nm，例如为30nm。

22、根据本发明的实施方案，所述输入叉指电极与第一type ii声子晶体之间设置有第一tapper结构。

23、根据本发明的实施方案，所述输出叉指电极与第二type ii声子晶体之间设置有第二tapper结构。

24、根据本发明的实施方案，所述第一tapper结构、第二tapper结构由占空比渐变的声子晶体结构构成。

25、根据本发明的实施方案，所述第一tapper结构、第二tapper结构的数量为0～20，优选所述第一tapper结构、第二tapper结构的数量为2～10，例如为4。

26、根据本发明的实施方案，所述第一tapper结构、第二tapper结构的刻蚀宽度从叉指电极至type ii声子晶体逐渐变化。

27、根据本发明的实施方案，所述第一tapper结构、第二tapper结构中声子晶体的单胞晶格常数为300nm～5μm，优选所述第一tapper结构、第二tapper结构中声子晶体的单胞晶格常数为1μm～4μm，例如为1μm。

28、根据本发明的实施方案，所述第一tapper结构、第二tapper结构的刻蚀角度为60～90度，优选所述第一tapper结构、第二tapper结构的刻蚀角度为70～80度。

29、本发明还提供一种上述带阻滤波器的制备方法，包括以下步骤：

30、s1、获取支撑基底；

31、s2、在基底上制作压电薄膜；

32、s3、在压电薄膜上设置输入叉指电极和输出叉指电极；

33、s4、在输入叉指电极和输出叉指电极之间设置第一taper、第一type ii声子晶体、type i声子晶体、第二type ii声子晶体、第二taper。

34、根据本发明的实施方案，所述基底的材料具有如上所述的定义。

35、根据本发明的实施方案，步骤s2中在基底上制作压电薄膜包括通过抛光或者smart-cut在基底表面形成压电薄膜。

36、根据本发明的实施方案，步骤s3中在压电薄膜上设置输入叉指电极和输出叉指电极包括如下步骤：在压电薄膜上形成金属导电层；对金属导电层进行图形化的干法刻蚀和/或湿法刻蚀，以形成输入叉指电极和输出叉指电极。

37、根据本发明的实施方案，通过采用气相淀积工艺，或采用电镀工艺，或采用蒸镀工艺在压电薄膜上形成金属导电层，制备形成可靠的输入叉指电极和输出叉指电极。

38、根据本发明的实施方案，步骤s4包括如下步骤：在压电薄膜上进行刻蚀得到第一taper、第一type ii声子晶体、type i声子晶体、第二type ii声子晶体、第二taper。

39、本发明还提供一种上述带阻滤波器在滤波中的应用，例如在通讯系统中的应用。

40、连续域中的束缚态(bound states in the continuum，bic)被认为是一种异于传统波动理论的物理现象，虽然其频率处于辐射连续域中，却没有与辐射波发生耦合，而是像导波模式一样严格地束缚在波导内，理想的连续域中束缚态具有共振线宽无限窄，q值无限大的特点，本技术基于bic的特性，在弹性波体系中利用声子晶体，实现了高性能的窄带带阻滤波器。

41、有益效果

42、本发明探究了板波声子晶体连续域中束缚态的窄带带阻滤波器，研究发现，不需要传统的构建带隙和缺陷的方法，由中间和两侧不同晶格常数的声子晶体构成的谐振腔在非带隙区域实现了束缚态的效果，具体地，本发明在压电薄膜晶体中实现了基于bic的窄带带阻滤波器，与传统的只能在带隙区通过缺陷模式实现的带通滤波器相比，本发明的带阻滤波器在具有带阻特性的同时，还可以在连续域实现，且具有窄带、模式体积小、高q值等显著优势。本发明的带阻滤波器可应用于通讯系统抗干扰、基于声的传感、加强声与物质相互作用、量子声的实现及信号处理，有利于器件的小型化。