空气腔型FBAR滤波器的电路版图结构的制作方法

空气腔型fbar滤波器的电路版图结构
技术领域
1.本实用新型属于滤波器技术领域，更具体地说，是涉及一种空气腔型fbar 滤波器的电路版图结构。


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空气腔型fbar滤波器的电路版图结构，旨在提供一种薄膜体声波谐振器滤波器的新型结构。
6.第一方面，本实用新型实施例提供一种中心频率为2275mhz的空气腔型 fbar滤波器的电路版图结构，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和第九薄膜体声波谐振器；所述第七薄膜体声波谐振器、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一端依次连接在所述第一薄膜体声波谐振器至第六薄膜体声波谐振器之间的各个节点上；所述第七薄膜体声波谐振器至所述第九薄膜体声波谐振器的另一端分别连接所述接地端子；
9.其中，所述第一薄膜体声波谐振器、所述第二薄膜体声波谐振器、所述第三薄膜体声波谐振器、所述第四薄膜体声波谐振器和所述第六薄膜体声波谐振器的中心连线位于所述输入端子和输出端子之间的第一直线上；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中心连线位于所述第一直线的一侧的第二直线上；所述第五薄膜体声波谐振器和所述第八薄膜体声波谐振器的中心连线位于所述第一直线的另一侧的第三直线上；所述第一直线、所述第二直线和所述第三直线相互平行。
10.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。
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。
12.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。
13.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10870μm
2-10930μm2，所述第二薄膜体声波谐振器的面积为 11670μm
2-11730μm2，所述第三薄膜体声波谐振器的面积为 11570μm
2-11630μm2，所述第四薄膜体声波谐振器和所述第六薄膜体声波谐振器的面积为11970μm
2-12030μm2，所述第五薄膜体声波谐振器的面积为 12470μm
2-12530μm2，所述第七薄膜体声波谐振器的面积为 13570μm
2-13630μm2，所述第八薄膜体声波谐振器的面积为 17170μm
2-17230μm2，所述第九薄膜体声波谐振器的面积为 13770μm
2-13830μm2。
14.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述空气腔型fbar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。
15.一些实施例中，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
16.一些实施例中，压电层的厚度为
17.示例性的，所述释放孔的直径为15μm-25μm。
18.一些实施例中，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。
19.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述空气腔型fbar滤波器的版图包括第一版图区至第十四版图区；
20.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上部，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；
21.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；第十二版图区至第十四版图区分别为所述第七薄膜体声波谐振器至第九薄膜体声波谐振器；
22.所述第十二版图区位于第六版图区的下部，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上部，且一端分别与第八版图区和第九版图区连接，另一端与所述第三版图区连接；所述第十四版图区位于第十一版图区的下部，且一端分别与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；
23.所述第六版图区、第七版图区、第八版图区、第九版图区和第十一版图区位于所述第二版图区和所述第四版图区中间的直线上；所述第十版图区和所述第十三版图区位于所述直线的一侧；所述第十二版图区和所述第十四版图区位于所述直线的另一侧。
24.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种空气腔型fbar滤波器组件，包括上述任一项所述的空气腔型fbar滤波器。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例提供的空气腔型fbar滤波器的电路示意图；
26.图2为本实用新型实施例提供的空气腔型fbar滤波器的版图结构示意图；
27.图3为图2所示的空气腔型fbar滤波器的牺牲层的版图示意图；
28.图4为图2所示的空气腔型fbar滤波器的下电极层的版图示意图；
29.图5为图2所示的空气腔型fbar滤波器的上电极层的版图示意图；
30.图6为图2所示的空气腔型fbar滤波器的差频层示的版图意图；
31.图7为图2所示的空气腔型fbar滤波器的孔层的版图示意图；
32.图8为本实用新型实施例提供的空气腔型fbar滤波器的幅频特性曲线。
33.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
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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，41-释放孔。
具体实施方式
34.5g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。
35.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2275mhz的滤波器，其1db带宽大于25mhz，需对2210mhz以及2340mhz处抑制大于35dbc。
36.基于上述问题，本实用新型实施例提供了一种空气腔型fbar滤波器的电路版图结构，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和第九薄膜体声波谐振器；第七薄膜体声波谐振器、第八薄膜体声波谐振器和第九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六薄膜体声波谐振器之间的各个节点上；第七薄膜体声波谐振器至第九薄膜体声波谐振器的另一
端分别连接接地端子。其中，上述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和第六薄膜体声波谐振器的中心连线位于输入端子和输出端子之间的第一直线上。第七薄膜体声波谐振器和第九薄膜体声波谐振器的中心连线位于第二直线上，且第二直线位于第一直线的一侧；第五薄膜体声波谐振器和第八薄膜体声波谐振器的中心连线位于第三直线上，第三直线位于第一直线的另一侧。且上述第一直线、第二直线和第三直线相互平行。
37.上述空气腔型fbar滤波器的电路版图结构，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。
38.图1示出了本实用新型实施例提供的一种空气腔型fbar滤波器的电路示意图。参见图1，该空气腔型fbar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和第九薄膜体声波谐振器33。
39.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，本技术中的多个串联的薄膜体声波谐振器在第一薄膜体声波谐振器21和第六薄膜体声波谐振器26之间，采用了第二薄膜体声波谐振器22和第三薄膜体声波谐振器 23串联，第四薄膜体声波谐振器24和第五薄膜体声波谐振器25串联，增大了谐振器的面积，从而提高了滤波器的可靠性。
40.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32一端连接在第三薄膜体声波谐振器23和第四薄膜体声波谐振器24 的节点上，另一端连接在接地端子上。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，另一端连接接地端子。且第七薄膜体声波谐振器31至第九薄膜体声波谐振器33具有相同的第二串联谐振频率和第二并联谐振频率。
41.其中，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和第六薄膜体声波谐振器26的中心连线位于输入端子11和输出端子12之间的第一直线上。第七薄膜体声波谐振器31和第九薄膜体声波谐振器33的中心连线位于第一直线的一侧的第二直线上。第五薄膜体声波谐振器25和第八薄膜体声波谐振器32的中心连线位于第一直线的另一侧的第三直线上，第一直线、第二直线和第三直线相互平行。
42.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。
43.如图2所示，本实用新型实施例提供了频率中心为2275mhz的空气腔型 fbar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十四版图区。其中第一版图区201、第三版图区203和第五版图区205为接地端子版图区，第二版图区202为输入端子11的版图区，第四版图区204为输出端子12 的版图区。第三版图区203位于滤波器的版图的上部，第一版图区201和第五版图区105、第二版图区202和第四版图区204分别设置在滤波器的版图的两边。
44.上述第六版图区206至第十一版图区211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206至第十一版图区211分别串联连接在第二版图区202和第四版图区204之间。上述第十二版图区212至第十四版图区214分别为第七薄膜体声波谐振器31至第九薄膜体声波谐振器33。其中第十二版图区212位于第六版图区206的下部，且一端分别与第六版图区 206和第七版图区207连接，另一端与第一版图区201连接。第十三版图区213 位于第七版图区207的上部，且一端分别与第八版图区208和第九版图区209 连接，另一端与第三版图区203连接。第十四版图区214位于第九版图区209 的下部，且一端分别与第十版图区210和第十一版图区211连接，另一端与第五版图区205连接。
45.从上述版图可以看到，第六版图区206的第一薄膜体声波谐振器21、第七版图区207的第二薄膜体声波谐振器22、第八版图区108的第三薄膜体声波谐振器23、第九版图区209的第四薄膜体声波谐振器24、和第十一版图区211 的第六薄膜体声波谐振器26的中心连线位于第一直线上。第十版图区210的第五薄膜体声波谐振器25和第十三版图区213的第八薄膜体声波谐振器32的中心连线位于第三直线上，且第三直线位于第一直线的一侧。第十二版图区212 的第七薄膜体声波谐振器31和第十四版图区214的第九薄膜体声波谐振器33 的中心连线位于第二直线上，且第二直线位于第一直线的另一侧。
46.一些实施例中，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。
47.一些实施例中，为了得到特定中心频率的空气腔型fbar滤波器，可以通过调整第一薄膜体声波谐振器21至第九薄膜体声波谐振器33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10870μm
2-10930μm2，第二薄膜体声波谐振器的面积为11670μm
2-11730μm2，第三薄膜体声波谐振器的面积为11570μm
2-11630μm2，第四薄膜体声波谐振器和第六薄膜体声波谐振器的面积为11970μm
2-12030μm2，第五薄膜体声波谐振器的面积为 12470μm
2-12530μm2，第七薄膜体声波谐振器的面积为13570μm
2-13630μm2，第八薄膜体声波谐振器的面积为17170μm
2-17230μm2，第九薄膜体声波谐振器的面积为13770μm
2-13830μm2。
48.一些实施例中，空气腔型fbar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。
49.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。
50.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。
51.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。
52.一些实施例中，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。
53.示例性的，为了得到中心频率为2275mhz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
54.在一些实施例中，差频层的厚度为
55.在一些实施例中，释放孔的直径可以为15μm-25μm。
56.具体的，在制作中心频率为2275mhz的空气腔型fbar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。
57.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至第九薄膜体声波谐振器33。
58.其中，第一牺牲区版图301至第六牺牲区版图306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307至第九牺牲区版图309分别对应并联的第七薄膜体声波谐振器31至第九薄膜体声波谐振器33。
59.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。
60.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。
61.下电极层的版图包括七个版图区，其中第一下电极版图区401、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。
62.具体的，第一下电极版图区401与第七薄膜体声波谐振器31对应，第二下电极版图区402与第一薄膜体声波谐振器21对应，第三下电极版图区403与第八薄膜体声波谐振器32对应，第四下电极版图区404与第六薄膜体声波谐振器 26对应，第五下电极版图区405与第九薄膜体声波谐振器33对应，第六下电极版图区406与第二薄膜体声波谐振器22、第三薄膜体声波谐振器23对应，第七下电极版图区407与第四薄膜体声波谐振器24和第五薄膜体声波谐振器 25对应。
63.图5为上电极层的版图，包括第一上电极版图区501、第二上电极版图区 502和第三上电极版图区503。其中第一上电极版图区501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502与第三薄膜体声波谐振器23、第四薄膜体声波谐振器24和第八薄膜体声波谐振器32对应，第三上电极版图区503与第五薄膜体声波谐振器 25、第六薄膜体声波谐振器26和第九薄膜体声波谐振器33对应。
64.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601，与第八薄膜体声波谐振器32对应的第二差频版图区602，与第九薄膜体声波谐振器33对应的第三差频版图区603。
65.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，在孔层版图的探针测试区域，需要采用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。
66.本实施例中，对上述制备的2275mhz的空气腔型fbar滤波器进行测试，测试结果如图8所示。曲线1为空气腔型fbar滤波器的s(2,1)随频率的变化曲线(左纵轴)。曲线2为空气腔型fbar滤波器的s(1,1)的回波损耗(右纵轴)，曲线3为空气腔型fbar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25mhz，在2210mhz以及2340mhz处抑制度分别为53.5dbc和50.2dbc。
67.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。