一种声表面波射频芯片的电路结构的制作方法

1.本实用新型涉及微波通信器件领域，特别是涉及一种声表面波射频芯片的电路结构。


背景技术：

2.声表面波射频芯片在各种无线通信、物连网等应用中都起着至关重要的作用，其技术指标和特性是设备性能的关键。较高的声表面波与微波耦合能力即机电耦合系数，对于器件品质因数、带宽都有极大提升。在不改变现有声表面波器件制备工艺的情况下，通过电路结构设计实现低损耗、大带宽微波响应，对于下一代移动通信等设备至关重要。
3.传统声表面波器件主要由压电基体(或压电层/支撑基体)、输入输出电极、接地电极、特定宽度/间距及长度的指条状叉指电路所组成，如图1和图2所示。电极及指条状叉指电路通过普通集成电路工艺在压电基体上通过薄膜沉积、光刻、刻蚀而成。微波信号输入到一侧叉指电极中，经压电材料将微波信号转化为声表面波信号。只有沿指条垂直方向传播的特定频率的声表面波才能在指条间产生耦合谐振，并在压电薄膜中传输，而后在另一侧叉指电极通过逆压电效应将声波信号转化为微波信号输出。从而实现微波信号延迟、谐振、滤波等信号处理。虽然传统声表面波器件也可实现功能，但是有如下缺点：
4.1、指条状叉指电路设计，不同指条间产生的声表面波只在垂直指条单一方向进行耦合，耦合效应较弱，造成机电耦合系数较低。
5.2、与垂直指条方向呈任意角度传播的声表面波振动，无法相互耦合，能量完全衰减耗散。
6.3、指条设计需要考虑声表面波的衍射效应，指条长度较长以实现声表面波垂直指条方向传播的优异方向性，造成器件尺寸较大。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是提供一种声表面波射频芯片的电路结构，能够实现多方向声表面波能量耦合，大幅提高机电耦合系数，从而显著提高器件品质因数、带宽等微波特性。
8.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
9.一种声表面波射频芯片的电路结构，包括：芯片基体、螺旋形多旋臂耦合电路和电极；
10.所述电极包括一对输入电极和接地电极；所述输入电极用于输入微波信号；
11.所述芯片基体用于将所述微波信号转换为声波信号；
12.所述螺旋形多旋臂耦合电路设置于所述芯片基体上，所述螺旋形多旋臂耦合电路包括依次耦合的多个旋臂，多个所述旋臂均为由同一个固定轴为旋转轴，以所述旋转轴为中心绕制排列而成的二维螺旋形导体；所述旋臂与所述电极相连，相邻的所述旋臂的极性相反；所述螺旋形多旋臂耦合电路用于将所述声波信号进行二维多方向的耦合。
13.优选地，多个所述旋臂等间距耦合，多个所述旋臂的宽度均相同。
14.优选地，还包括反射栅；所述反射栅包括由内到外依次排布且同心设置的多个栅条；所述螺旋形多旋臂耦合电路设置在所述反射栅的最内侧栅条围成的区域内；所述栅条与所述旋臂的形状相同。
15.优选地，所述芯片基体为单晶压电基体或压电陶瓷；
16.所述单晶压电基体的材料为石英、铌酸锂或钽酸锂；
17.所述压电陶瓷的材料为钛酸钡或钛锆酸铅；
18.所述螺旋形多旋臂耦合电路通过半导体工艺形成在所述压电基体上。
19.优选地，所述芯片基体包括非压电基体和压电薄膜；所述压电薄膜设置在所述非压电基体上；
20.所述非压电基体的材料为金刚石、氧化铝、硅或碳化硅；
21.所述压电薄膜的材料为氮化铝或氧化锌；
22.所述螺旋形多旋臂耦合电路通过半导体工艺形成在所述压电薄膜的上表面或下表面。
23.优选地，还包括传输导线；
24.所述旋臂通过所述传输导线与所述电极连接。
25.优选地，所述旋臂的数量为2，其中一个所述旋臂接所述输入电极，另一个所述旋臂接所述接地电极。
26.优选地，所述电极还包括一对输出电极和接地电极；所述旋臂的数量为4；其中2个所述旋臂分别与所述输入电极和接地电极连接，另外2个所述旋臂分别与所述输出电极和接地电极连接。
27.优选地，所述旋臂的形状为环状、椭圆状或多边形。
28.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
29.本实用新型提供一种声表面波射频芯片的电路结构，包括：芯片基体、螺旋形多旋臂耦合电路和电极；所述电极包括输入电极和接地电极；所述输入电极用于输入微波信号；所述芯片基体用于将所述微波信号转换为声波信号；所述螺旋形多旋臂耦合电路设置于所述芯片基体上，所述螺旋形多旋臂耦合电路包括依次耦合的多个旋臂，多个所述旋臂均为由同一个固定轴为旋转轴，以所述旋转轴为中心绕制排列而成的二维螺旋形导体；所述旋臂与所述电极相连，相邻的所述旋臂的极性相反；所述螺旋形多旋臂耦合电路用于将所述声波信号进行二维多方向的耦合。本实用新型能够大幅提高机电耦合系数，从而显著提高器件品质因数、带宽等微波特性。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为现有技术中传统声表面波器件的电路结构图；
32.图2为现有技术中传统声表面波器件的整体示意图；
33.图3为本实用新型提供的实施例中第一种声表面波器件的电路结构图；其中，图3
(a)为第一种声表面波器件的输入信号旋臂电路；图3(b)为第一种声表面波器件的接地旋臂电路；图3(c)为第一种声表面波器件的电路示意图；图3(d)为第一种声表面波器件的芯片基体结构图；
34.图4为本实用新型提供的实施例中第二种声表面波器件的电路结构图；其中，图4(a)为第二种声表面波器件的输入输出信号旋臂电路；图4(b)为第二种声表面波器件的接地旋臂电路；图4(c)为第二种声表面波器件的电路示意图；图4(d)为第二种声表面波器件的芯片基体结构图；
35.图5为本实用新型提供的实施例中第三种声表面波器件的电路结构图；其中，图5(a)为第三种声表面波器件的输入信号旋臂电路；图5(b)为第三种声表面波器件的接地旋臂电路；图5(c)为第三种声表面波器件的电路示意图；图5(d)为第三种声表面波器件的芯片基体结构图。
36.符号说明：
37.1-螺旋形多旋臂耦合电路，2-传输导线，3-输入电极，4-接地电极，5-反射栅，6-旋臂间距，7-旋臂宽度，8-压电薄膜，9-非压电基体，10-输出电极，11-压电基体。
具体实施方式
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.本实用新型的目的是提供一种声表面波射频芯片的电路结构，能够实现多方向声表面波能量耦合，大幅提高机电耦合系数，从而显著提高器件品质因数、带宽等微波特性。
40.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
41.图3为本实用新型提供的实施例中第一种声表面波器件的电路结构图。参见图3，本实施例的声表面波射频芯片的电路结构，包括：芯片基体、螺旋形多旋臂耦合电路1和电极；所述电极包括输入电极3和接地电极4；所述输入电极3用于输入所述微波信号；所述芯片基体用于将所述微波信号转换为声波信号；所述螺旋形多旋臂耦合电路1设置于所述芯片基体上，所述螺旋形多旋臂耦合电路1包括依次耦合的多个旋臂，多个所述旋臂均为由同一个固定轴为旋转轴，以所述旋转轴为中心绕制排列而成的二维螺旋形导体；所述旋臂与所述电极相连，相邻的所述旋臂的极性相反；所述螺旋形多旋臂耦合电路1用于将所述声波信号进行二维多方向的耦合。
42.优选地，每个相邻所述旋臂的间距相同，每个所述旋臂的宽度相同。
43.优选地，还包括反射栅5；所述反射栅5包括由内到外依次排布且同心设置的多个栅条；各所述栅条均为封闭性结构；所述螺旋形多旋臂耦合电路1设置在所述反射栅5的最内侧栅条围成的区域内；所述栅条与所述旋臂的形状相同。
44.优选地，所述芯片基体为单晶压电基体或压电陶瓷；所述单晶压电基体的材料为石英或铌酸锂或钽酸锂；所述压电陶瓷的材料为钛酸钡或钛锆酸铅；所述螺旋形多旋臂耦合电路1通过光刻-离子刻蚀-去胶-保护的半导体工艺刻蚀在所述压电基体上。
45.优选地，还包括传输导线2；所述旋臂通过所述传输导线2与所述电极连接。
46.如图3(a)和图3(b)所示，该金属电路包括微波输入电极(所述输入电极3)、接地电极4、传输导线2、圆螺旋形2旋臂耦合谐振器电路(螺旋形多旋臂耦合电路1)；相邻所述旋臂的电极极性相反。螺旋形多旋臂耦合电路1厚度为500nm，采用圆螺旋形2旋臂耦合。一条旋臂接输入端电极，一条旋臂接地电极4。每条旋臂绕制3圈，相邻旋臂间电极极性相反。相邻旋臂间由微波交变激励产生的交变电势，激励压电材料产生声表面波。如图3(c)所示，旋臂宽度7及旋臂间距6相同，为5微米。特定宽度及间距决定只有一定波长的声表面波可产生谐振形成耦合，对外输出实现微波谐振或微波滤波。圆螺旋可实现在二维任意方向，特定频率声表面波产生耦合。螺旋形多旋臂耦合电路1外侧设置50圈圆环形反射栅5以反射任意方向声表面返回耦合电路。
47.如图3(d)所示，基于圆螺旋形2旋臂耦合电路的声表面波谐振器的多层结构包括碳化硅支撑基体、氮化铝压电薄膜、铝金属电路。所述碳化硅支撑基体用于支撑其上压电薄膜8及电路图形，材料为半导体本征碳化硅晶圆，大小4英寸，表面粗糙度ra《2nm。切割后芯片典型尺寸为3*3*0.3mm。采用物理气相沉积法在碳化硅基片上制备5微米氮化铝压电薄膜，要求薄膜具备择优取向以得到最大的机电耦合。采用物理气相沉积法在氮化铝薄膜上制备500纳米铝薄膜，要求薄膜具备择优取向以得到最佳的抗电迁移能力。所述铝金属电路采用常规半导体工艺，通过光刻-湿法刻蚀-去胶-保护层工艺实现。
48.优选地，所述芯片基体包括非压电基体和压电薄膜；所述压电薄膜设置在所述非压电基体上。所述非压电基体的材料为金刚石或氧化铝或硅或碳化硅。所述压电薄膜的材料为氮化铝或氧化锌。所述螺旋形多旋臂耦合电路1通过光刻-离子刻蚀-去胶-保护的半导体工艺形成在所述压电薄膜的上表面或下表面。
49.可选地，所述螺旋形多旋臂耦合电路1，旋臂绕制圈数大于等于1/4圈。
50.具体的，所述螺旋形多旋臂耦合电路1，旋臂绕制圈数小于等于1圈，可通过多个旋臂叠加来实现二维耦合效果。
51.优选地，所述螺旋形多旋臂耦合电路可为单端口器件2旋臂结构和双端口器件4旋臂结构。
52.优选地，所述旋臂的数量为2，其中一个所述旋臂接所述输入电极，另一个所述旋臂接所述接地电极。
53.优选地，所述电极还包括一对输入电极和接地电极、一对输出电极和接地电极；所述旋臂的数量为4；其中2个所述旋臂分别与所述输入电极和接地电极连接，另外2个所述旋臂分别与所述输出电极和接地电极连接。
54.图4为本实用新型提供的实施例中第二种声表面波器件的电路结构图，如图4(a)和图4(b)所示，该电路包括微波输入电极3、输出电极10、接地电极4、传输导线2、方螺旋形4旋臂耦合滤波器电路。采用方螺旋形4旋臂耦合，输入端两旋臂分别接输入电极3及接地电极4，输出端2旋臂分别接输出电极10及接地电极4。每条旋臂绕制3圈，相邻旋臂间电极极性相反。相邻旋臂间由微波交变激励产生的交变电势，激励压电材料产生声表面波。如图4(c)所示，旋臂宽度7及旋臂间距6相同，为1微米。特定宽度及间距决定只有一定波长的声表面波可产生谐振形成耦合，对外输出实现微波滤波。方螺旋可实现在水平及垂直二个方向上，特定频率声表面波产生耦合。螺旋形多旋臂耦合电路1外侧设置50圈方形反射栅5以反射二
个方向声表面返回耦合电路。
55.如图4(d)所示，器件多层结构为石英压电基体、金金属电路。石英压电基体的直径为2英寸，厚度为0.5mm。电路材料为溅射法制备金薄膜，厚度400nm。切割后芯片尺寸为3*3*0.5mm。采用常规半导体工艺，通过电子束曝光-离子束刻蚀-去胶-保护层工艺实现电路图形。
56.图5为本实用新型提供的实施例中第三种声表面波器件的电路结构图，如图5(a)和图5(b)所示，该电路包括微波输入电极3、接地电极4、传输导线2、圆螺旋6旋臂耦合谐振器电路；相邻所述旋臂的电极极性相反。如图5(c)所示，采用圆螺旋形6旋臂耦合，三条依次增大旋臂接微波输入电极3，三条依次增大旋臂接地电极4。每条旋臂绕制小于1圈，相邻旋臂间电极极性相反。相邻旋臂间由微波交变电激励产生的交变电势，激励压电材料产生声表面波。旋臂宽度7及旋臂间距6相同，为3微米。特定宽度及间距决定只有一定波长的声表面波可产生谐振形成耦合，对外输出实现微波谐振。圆螺旋可实现在二维任意方向上，特定频率声表面波产生耦合。螺旋形多旋臂耦合电路1外侧设置50圈环形反射栅5以反射任意方向声表面返回耦合电路。
57.如图5(d)所示，器件多层结构为硅/金刚石支撑基体、氧化锌薄膜、银金属电路。2英寸直径，0.5mm厚度硅支撑基体，15微米厚度金刚石膜。压电层为氧化锌薄膜，厚度3微米。电路材料为溅射法制备银薄膜，厚度1微米。切割后芯片尺寸为3*3*0.5mm。采用常规半导体工艺，通过光刻-离子束刻蚀-去胶-保护层工艺实现电路图形。
58.以上结构，还可通过调整压电材料组成及图形的形状尺寸，实现器件对不同频率、带宽等微波频谱的响应，可由设计人员自行设计。
59.作为一种可选的实施方式，所述旋臂的形状为环状、椭圆状或多边形。
60.可选的，所述螺旋形多旋臂耦合电路1的旋臂间距6与旋臂宽度7可相同可不同。
61.可选的，所述螺旋形多旋臂耦合电路1的外侧可设置相同形状但不同尺寸的多个反射栅5，将多方向传播的声表面波反射回螺旋形多旋臂耦合电路1。
62.本实用新型的有益效果如下：本实用新型保持了常规声表面波器件原有的制备工艺；利用螺旋形多旋臂耦合电路代替传统的指条形叉指电路；二维多方向传播的声表面波在旋臂间耦合，进而实现非常高的机电耦合系数；基体材料、输入输出电路设计等与传统声表面波器件相同，与大规模集成电路工艺兼容。本实用新型在器件可扩展优化，易于与常规器件兼容，工艺简单等特点基础上，实现了声表面波二维多方向耦合，提高器件机电耦合系数，可应用在各种微波射频部件，作为谐振器、滤波器、延迟线等。可通过旋臂形状、个数、圈数、旋臂间距、旋臂宽度的设计，实现不同工作模式、工作频率，而且工作模式及工作频率可根据用户需求，进行扩展和更改，增强了器件工作模式及频率的多样性和灵活性。
63.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
64.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。