阶梯型结构压电滤波器的制作方法

1.本实用新型属于滤波器技术领域，更具体地说，是涉及一种阶梯型结构压电滤波器。


背景技术：

2.近年来，随着5g无线通信技术的不断发展，通过利用更高频段以及频段重组来实现移动通信，这对相关射频元器件的微型化、高频带宽化、集成化及柔性化提出了越来越高的要求。
3.薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator，fbar)滤波器凭借其尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，正逐步取代传统的声表面波滤波器和陶瓷滤波器，在射频滤波器领域占有越来越大的市场份额，在5g无线通信射频领域发挥着巨大作用。
4.然而目前对薄膜体声波谐振器滤波器的研究大多集中在制备方法上，对薄膜体声波谐振器滤波器的具体结构的研究较少。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供一种阶梯型结构压电滤波器，旨在提供一种阶梯型结构压电滤波器的新型结构。
6.第一方面，本实用新型实施例提供一种中心频率为2441mhz的阶梯型结构压电滤波器，包括输入端子、输出端子、接地端子、多个串联的薄膜体声波谐振器和多个并联的薄膜体声波谐振器；
7.所述多个串联的薄膜体声波谐振器包括依次连接的第一薄膜体声波谐振器、第二薄膜体声波谐振器、第三薄膜体声波谐振器、第四薄膜体声波谐振器、第五薄膜体声波谐振器和第六薄膜体声波谐振器，所述多个串联的薄膜体声波谐振器串联连接在所述输入端子和输出端子之间；
8.所述多个并联的薄膜体声波谐振器包括第七薄膜体声波谐振器、第八薄膜体声波谐振器、第九薄膜体声波谐振器和第十薄膜体声波谐振器；所述第七薄膜体声波谐振器和第八薄膜体声波谐振器的一端依次连接在所述第一薄膜体声波谐振器至第三薄膜体声波谐振器之间的节点上；所述第九薄膜体声波谐振器和第十薄膜体声波谐振器的一端依次连接在所述第四薄膜体声波谐振器至第六薄膜体声波谐振器之间的节点上；且所述第八薄膜体声波谐振器的另一端与所述第九薄膜体声波谐振器的另一端连接后与所述接地端子连接；所述第七薄膜体声波谐振器和所述第九薄膜体声波谐振器的另一端分别与所述接地端子连接。
9.本实用新型实施例中的滤波器包括多个串联连接在输入端子和输出端子之间的薄膜体声波谐振器，及多个并联连接在串联连接的多个薄膜体声波谐振器的节点之间的薄膜体声波谐振器。信号通过输入端子，经过上述多个串联的薄膜体声波谐振器和多个并联
的薄膜体声波谐振器之后，即可允许特定频率的信号通过，到达输出端子。
10.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述多个串联的薄膜体声波谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同；所述多个并联的薄膜体声波谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同。
11.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述多个串联的薄膜体声波谐振器的串联谐振频率和所述多个并联的薄膜体声波谐振器的并联谐振频率相同。
12.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一薄膜体声波谐振器的面积为18050μm
2-18150μm2，所述第二薄膜体声波谐振器和所述第四薄膜体声波谐振器的面积为13250μm
2-13350μm2，所述第三薄膜体声波谐振器和所述第四薄膜体声波谐振器的面积为8450μm
2-8550μm2，所述第五薄膜体声波谐振器的面积为12450μm
2-12550μm2，所述第六薄膜体声波谐振器的面积为15750μm
2-15850μm2，所述第七薄膜体声波谐振器的面积为25850μm
2-25950μm2，所述第八薄膜体声波谐振器和所述第九薄膜体声波谐振器的面积为23450μm
2-23550μm2，所述第十薄膜体声波谐振器的面积为25650μm
2-25750μm2。
13.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述阶梯型结构压电滤波器的版图主要包括牺牲层、下电极层、上电极层、差频层和孔层，所述差频层仅与所述多个并联的薄膜体声波谐振器对应，所述孔层中开设有多个释放孔。
14.所述上电极层的厚度为所述下电极层的厚度为所述差频层的厚度为所述释放孔的直径为15μm-25μm。
15.一些实施例中，压电层的厚度为
16.一些实施例中，所述第一薄膜体声波谐振器至所述第三薄膜体声波谐振器的中心连线构成第一v型结构，且所述第一v型结构的开口角度大于90
°
，所述第一v型结构的开口朝向所述输入端子和所述输出端子所在的第一直线的第一侧；
17.所述第二薄膜体声波谐振器至所述第四薄膜体声波谐振器的中心连线构成第二v型结构，且所述第二v型结构的开口角度小于90
°
，所述第二v型结构的开口朝向所述第一直线的第二侧，第一侧与第二侧相对；
18.所述第三薄膜体声波谐振器至所述第六薄膜体声波谐振器的中心连线在一条直线上，所述第一薄膜体声波谐振器和所述第六薄膜体声波谐振器的中心位于所述第一直线上；
19.所述第七薄膜体声波谐振器和所述第十薄膜体声波谐振器位于所述第一直线的第一侧，所述第八薄膜体声波谐振器和所述第九薄膜体声波谐振器位于所述第一直线的第二侧。
20.一些实施例中，每个所述薄膜体声波谐振器上均设有多个释放通道，且每个所述释放通道至少对应一个所述释放孔。
21.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述阶梯型结构压电滤波器的版图包括第一版图区至第十五版图区；
22.第一版图区、第三版图区和第五版图区为接地端子版图区，第二版图区为输入端子的版图区，第四版图区为输出端子的版图区；所述第三版图区位于滤波器的版图的下部，所述第一版图区和第五版图区、所述第二版图区和第四版图区分别设置在所述滤波器的版
图的两边；
23.第六版图区至第十一版图区分别为所述第一薄膜体声波谐振器至第六薄膜体声波谐振器；第十二版图区至第十五版图区分别为所述第七薄膜体声波谐振器至第十薄膜体声波谐振器；
24.所述第十二版图区位于第六版图区的上部，且一端分别与所述第六版图区和第七版图区连接，另一端与所述第一版图区连接；第十三版图区位于第七版图区的下部，且一端分别与所述第七版图区和第八版图区连接，另一端与所述第十四版图区连接；所述第十四版图区位于第十版图区的下部，且一端分别与第九版图区和第十版图区连接，另一端与所述第三版图区连接；所述第十五版图区位于所述第十一版图区的上部，且一端与所述第十版图区和第十一版图区连接，另一端与所述第五版图区连接；
25.所述第六版图区、第七版图区和第八版图区的中心连线构成v字型，且所述v字型的角度大于90
°
；所述第九版图区、第十版图区和第十一版图区的中心连线在一条直线上。
附图说明
26.图1为本实用新型实施例提供的阶梯型结构压电滤波器的电路示意图；
27.图2为本实用新型实施例提供的阶梯型结构压电滤波器的版图结构示意图；
28.图3为图2所示的阶梯型结构压电滤波器的牺牲层的版图示意图；
29.图4为图2所示的阶梯型结构压电滤波器的下电极层的版图示意图；
30.图5为图2所示的阶梯型结构压电滤波器的上电极层的版图示意图；
31.图6为图2所示的阶梯型结构压电滤波器的差频层示的版图意图；
32.图7为图2所示的阶梯型结构压电滤波器的孔层的版图示意图；
33.图8为本实用新型实施例提供的阶梯型结构压电滤波器的幅频特性曲线。
34.图中：11-输入端子，12-输出端子，21-第一薄膜体声波谐振器，22-第二薄膜体声波谐振器，23-第三薄膜体声波谐振器，24-第四薄膜体声波谐振器，25-第五薄膜体声波谐振器，26-第六薄膜体声波谐振器，31-第七薄膜体声波谐振器，32-第八薄膜体声波谐振器，33-第九薄膜体声波谐振器，34-第十薄膜体声波谐振器，41-释放孔。
具体实施方式
35.5g技术推动着手机终端射频系统的全面升级，基于基站天线通道数量的成倍增长，为添加新频段的通信功能，滤波器的需求量也大幅增加。薄膜体声波谐振器滤波器可以工作在6ghz～60ghz的高频段，支持高挑战性频段分配的陡峭滤波曲线以及具有非常好的带外抑制能力。另外，薄膜体声波谐振器滤波器的低损耗特性可以补偿于无线射频前端集成多个频段的较高损耗，改善信号接收能力和电池寿命，已成为5g移动通信的新势力。
36.但是目前对薄膜体声波谐振器滤波器的研究大多集中在制备方法上，具体结构的研究较少。目前亟需使用中心频率为2441mhz的滤波器，其1db带宽大于50mhz，需对2381mhz以及2511mhz处抑制大于30dbc。
37.基于上述问题，本实用新型实施例提供了一种阶梯型结构压电滤波器，该滤波器包括输入端子、输出端子、接地端子、多个串联的薄膜体声波谐振器和多个并联的薄膜体声波谐振器。其中多个串联的薄膜体声波谐振器包括依次连接的第一薄膜体声波谐振器、第
二薄膜体声波谐振器、第三薄膜体声波谐振器、第四薄膜体声波谐振器、第五薄膜体声波谐振器和第六薄膜体声波谐振器，多个串联的薄膜体声波谐振器串联连接在输入端子和输出端子之间。上述多个并联的薄膜体声波谐振器包括第七薄膜体声波谐振器、第八薄膜体声波谐振器、第九薄膜体声波谐振器和第十薄膜体声波谐振器；第七薄膜体声波谐振器和第八薄膜体声波谐振器的一端依次连接在第一薄膜体声波谐振器至第三薄膜体声波谐振器之间的节点上。第九薄膜体声波谐振器和第十薄膜体声波谐振器的一端依次连接在第四薄膜体声波谐振器至第六薄膜体声波谐振器之间的节点上。且第八薄膜体声波谐振器的另一端与第九薄膜体声波谐振器的另一端连接后与接地端子连接，第七薄膜体声波谐振器和第九薄膜体声波谐振器的另一端分别与接地端子连接。
38.上述阶梯型结构压电滤波器，包括多个串联连接在输入端子和输出端子之间的薄膜体声波谐振器、及多个并联连接在串联连接的多个薄膜体声波谐振器节点之间的薄膜体声波谐振器。当信号通过输入端子，经过上述多个串联的薄膜体声波谐振器和多个并联的薄膜体声波谐振器之后，可实现对信号特定频段的滤波，从而输出特定中心频率的信号。
39.图1示出了本实用新型实施例提供的一种阶梯型结构压电滤波器的电路示意图。参见图1，该阶梯型结构压电滤波器包括输入端子11、输出端子12、接地端子、多个串联的薄膜体声波谐振器和多个并联的薄膜体声波谐振器。其中多个串联的薄膜体声波谐振器包括依次连接的第一薄膜体声波谐振器21、第二薄膜体声波谐振器22、第三薄膜体声波谐振器23、第四薄膜体声波谐振器24、第五薄膜体声波谐振器25和第六薄膜体声波谐振器26。多个并联的薄膜体声波谐振器包括第七薄膜体声波谐振器31、第八薄膜体声波谐振器32、第九薄膜体声波谐振器33和第十薄膜体声波谐振器34。
40.其中，第一薄膜体声波谐振器21至第六薄膜体声波谐振器26串联在输入端子11和输出端子12之间。且第一薄膜体声波谐振器21至第六薄膜体声波谐振器26具有相同的第一串联谐振频率和第一并联谐振频率。具体的，本技术中采用了第三薄膜体声波谐振器23和第四薄膜体声波谐振器24串联，增大了谐振器的面积，从而提高了滤波器的可靠性。
41.第七薄膜体声波谐振器31的一端连接在第一薄膜体声波谐振器21和第二薄膜体声波谐振器22之间的节点上，另一端连接在接地端子上。第八薄膜体声波谐振器32一端连接在第二薄膜体声波谐振器22和第三薄膜体声波谐振器23的节点上，另一端与第九薄膜体声波谐振器33的另一端连接后，连接在接地端子上。第九薄膜体声波谐振器33一端连接在第四薄膜体声波谐振器24和第五薄膜体声波谐振器25之间的节点上。第十薄膜体声波谐振器34的一端连接在第五薄膜体声波谐振器25和第六薄膜体声波谐振器26之间的节点上，另一端连接在接地端子上。且第七薄膜体声波谐振器31至第十薄膜体声波谐振器34具有相同的第二串联谐振频率和第二并联谐振频率。
42.其中，如图2所示，第六版图区106至第十一版图区111分别为第一薄膜体声波谐振器21至第六薄膜体声波谐振器26，第十二版图区112至第十五版图区115分别为第七薄膜体声波谐振器31至第十薄膜体声波谐振器34。
43.图中，第一薄膜体声波谐振器21至第三薄膜体声波谐振器23的中心连线构成第一v型结构，且第一v型结构的开口角度大于90
°
，第一v型结构的开口朝向输入端子11和输出端子12所在的第一直线的第一侧。第二薄膜体声波谐振器22至第四薄膜体声波谐振器24的中心连线构成第二v型结构，且第二v型结构的开口角度小于90
°
，第二v型结构的开口朝向
第一直线的第二侧，第一侧与第二侧相对。第三薄膜体声波谐振器23至第六薄膜体声波谐振器26的中心连线在一条直线上，第一薄膜体声波谐振器21和第六薄膜体声波谐振器26的中心位于第一直线上。第七薄膜体声波谐振器31和第十薄膜体声波谐振器34位于第一直线的第一侧，第八薄膜体声波谐振器32和第九薄膜体声波谐振器33位于第一直线的第二侧。
44.示例性的，本实用新型实施例中，多个串联的薄膜体声波谐振器的第一串联谐振频率和多个并联的薄膜体声波谐振器的第二并联谐振频率相同，从而形成特定的中心频率。
45.如图2所示，本实用新型实施例提供了频率中心为2441mhz的阶梯型结构压电滤波器的总版图。图2中滤波器的总版图包括第一版图区至第十五版图区。其中第一版图区101、第三版图区103和第五版图区105为接地端子版图区，第二版图区102为输入端子11的版图区，第四版图区104为输出端子12的版图区。第三版图区103位于滤波器的版图的下部，第一版图区101和第五版图区105、第二版图区102和第四版图区104分别设置在滤波器的版图的两边。
46.上述第六版图区106至第十一版图区111分别为第一薄膜体声波谐振器21至第六薄膜体声波谐振器26，且第六版图区106至第十一版图区111分别串联连接在第二版图区102和第四版图区104之间。上述第十二版图区112至第十五版图区115分别为第七薄膜体声波谐振器31至第十薄膜体声波谐振器34。其中第十二版图区112位于第六版图区106的上部，且一端分别与第六版图区106和第七版图区107连接，另一端与第一版图区101连接。第十三版图区113位于第七版图区107的下部，且一端分别与第七版图区107和第八版图区108连接，另一端与第十四版图区114连接后与第三版图区连接。第十四版图区114位于第十版图区110的下部，且一端分别与第九版图区109和第十版图区110连接，另一端与第三版图区103连接。第十五版图区115位于第十一版图区111的上部，且一端分别与第十版图区110和第十一版图区111连接，另一端与第五版图区105连接。
47.从上述版图可以看到，第六版图区106的第一薄膜体声波谐振器31、第七版图区107的第二薄膜体声波谐振器32、和第八版图区108的第三薄膜体声波谐振器33的中心连线构成v字型，且v字型的开口角度大于90
°
。第九版图区109的第四薄膜体声波谐振器24、第十版图区110的第五薄膜体声波谐振器25和第十一版图区111的第六薄膜体声波谐振器26的中心连线在一条直线上。
48.一些实施例中，考虑到工艺实现的难易程度，薄膜体声波谐振器的面积应控制在4000μm
2-80000μm2之间。在同一个电路中，每个薄膜体声波谐振器的面积在设计时，应尽量使电路中的每个薄膜体声波谐振器的面积相差较小，一般相差在4倍以下。
49.一些实施例中，为了得到特定中心频率的阶梯型结构压电滤波器，可以通过调整第一薄膜体声波谐振器21至第十薄膜体声波谐振器34的面积和位置实现。示例性的，第一薄膜体声波谐振器的面积为18050μm
2-18150μm2，第二薄膜体声波谐振器和第四薄膜体声波谐振器的面积为13250μm
2-13350μm2，第三薄膜体声波谐振器和第四薄膜体声波谐振器的面积为8450μm
2-8550μm2，第五薄膜体声波谐振器的面积为12450μm
2-12550μm2，第六薄膜体声波谐振器的面积为15750μm
2-15850μm2，第七薄膜体声波谐振器的面积为25850μm
2-25950μm2，第八薄膜体声波谐振器和第九薄膜体声波谐振器的面积为23450μm
2-23550μm2，第十薄膜体声波谐振器的面积为25650μm
2-25750μm2。
50.一些实施例中，阶梯型结构压电滤波器的版图主要包括牺牲层、下电极层、上电极层、差频层和孔层。其中差频层与多个并联的薄膜体声波谐振器对应，多个串联的薄膜体声波谐振器不具有差频层。差频层用于实现并联的薄膜体声波谐振器和串联的薄膜体声波谐振器的频率差，从而形成滤波器，实现对相特定频率的滤波。通常，并联的薄膜体声波谐振器的第二串联谐振频率和第二并联谐振频率低于串联的薄膜体声波谐振器的第一串联谐振频率和第一并联谐振频率，且第一串联谐振频率等于第二并联谐振频率。
51.具体的，薄膜体声波谐振器可以为五边形，每个谐振器分别设有5条边，各个谐振器之间通过各自的一条边相互连接。
52.为了形成薄膜体声波谐振器的空气腔，实现声波的反射，特设置孔层，孔层中开设有多个释放孔，每个薄膜体声波谐振器的每个释放通道至少对应一个释放孔。具体的，释放孔的直径为15μm-25μm。
53.示例性的，每个谐振器可以具有多个释放通道(例如五个)，每个释放通道对应一个释放孔，释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层区域把牺牲层材料腐蚀掉变成气体，再通过释放通道与释放孔排出。另外，若滤波器的空间紧张时，两个释放通道可以共用一个释放孔。另外，在探针测试区域，需要采用探针(例如gsg探针)对芯片进行测试，因此需要把压电层刻蚀掉，露出下电极用于测试。
54.一些实施例中，为了在谐振器面积的基础上做进一步调整，从而得到特定中心频率，可以调整上电极、下电极和压电层的厚度来实现。
55.示例性的，为了得到中心频率为2441mhz的滤波器，上电极层的厚度为下电极层的厚度为压电层的厚度为
56.在一些实施例中，差频层的厚度为
57.在一些实施例中，释放孔的直径可以为15μm-25μm。
58.具体的，在制作中心频率为2441mhz的阶梯型结构压电滤波器的过程中需要使用到的版图主要包括牺牲层的版图、下电极的版图、上电极的版图、差频层的版图和孔层的版图，如图3-7所示。
59.图3为牺牲层的版图，牺牲层中分别为第一薄膜体声波谐振器21至第十薄膜体声波谐振器34。
60.其中，第一牺牲区版图201至第六牺牲区版图206分别对应串联的第一薄膜体声波谐振器21至第六薄膜体声波谐振器26。第七牺牲区版图207至第十牺牲区版图210分别对应并联的第七薄膜体声波谐振器31至第十薄膜体声波谐振器34。
61.具体的，每个谐振器分别设有5条边，且每个谐振器伸出的触角状的部分为释放通道，每个谐振器可以具有多个释放通道，本技术中每个谐振器设有5个释放通道。释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层区域把牺牲层材料腐蚀变成气体，再通过释放通道与释放孔排出。
62.图4为下电极层的版图，包括输入端子11、输出端子12和接地端子的版图。
63.下电极层的版图包括七个版图区，其中第一下电极版图区301、第三下电极版图区301和第五下电极版图区305与接地端子连接，第二下电极版图区302与输入端子11连接，第四下电极版图区304与输出端子12连接。
64.具体的，第一下电极版图区301与第七薄膜体声波谐振器31对应，第二下电极版图区302与第一薄膜体声波谐振器21对应，第四下电极版图区304与第六薄膜体声波谐振器26对应，第五下电极版图区305与第十薄膜体声波谐振器34对应，第六下电极版图区306与第二薄膜体声波谐振器22、第三薄膜体声波谐振器23和第八薄膜体声波谐振器32对应，第七下电极版图区307与第四薄膜体声波谐振器24、第五薄膜体声波谐振器25和第九薄膜体声波谐振器33对应。
65.图5为上电极层的版图，包括第一上电极版图区401、第二上电极版图区402、第三上电极版图区403和第四上电极版图区404。其中第一上电极版图区401与第一薄膜体声波谐振器21、第二薄膜体声波谐振器22和第七薄膜体声波谐振器31对应，第二上电极版图区402与第三薄膜体声波谐振器23和第四薄膜体声波谐振器24对应，第三上电极版图区403与第八薄膜体声波谐振器32、和第九薄膜体声波谐振器33对应，第四上电极版图区404与第五薄膜体声波谐振器25、第六薄膜体声波谐振器26和第十薄膜体声波谐振器34对应
66.图6为差频层的版图，包括与第七薄膜体声波谐振器31对应的第一差频版图区501，与第八薄膜体声波谐振器32对应的第二差频版图区502，与第九薄膜体声波谐振器33对应的第三差频版图区503，与第十薄膜体声波谐振器34对应的第三差频版图区504。
67.图7为孔层的版图，孔层包括多个释放孔41，包围在每个谐振器的周围。每个释放孔41对应一个释放通道。释放气体通过释放孔41进入释放通道，然后进入牺牲层区域把牺牲层材料腐蚀变成气体，再通过释放通道与释放孔41排出。另外，孔层版图上的探针测试区域，如需要采用探针(例如gsg探针)对芯片进行测试，需要把压电层刻蚀掉，露出下电极gsg用于测试。
68.本实施例中，对上述制备的2441mhz的阶梯型结构压电滤波器进行测试，测试结果如图8所示。曲线1为阶梯型结构压电滤波器的s(2,1)随频率的变化曲线(左纵轴)。曲线2为阶梯型结构压电滤波器的s(1,1)的回波损耗(右纵轴)，曲线3为阶梯型结构压电滤波器的s(2,2)的回波损耗(右纵轴)。从图8中可以看出，其1db带宽约为72mhz，在2381mhz以及2511mhz处抑制度分别为40dbc和35dbc。
69.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。