空气腔型FBAR滤波器的制作方法

空气腔型fbar滤波器
技术领域
1.本实用新型属于滤波技术领域，具体涉及一种空气腔型fbar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.然而现有对fbar滤波器的研究大多集中在制备方法上，对fbar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滤波器及滤波器组件，旨在提供一种空气腔型fbar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1100mhz的滤波器，包括：输入端子、输出端子、接地端子、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；
7.所述多个串臂谐振器包括依次串联连接在所述输入端子和输出端子之间的第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器；
8.所述多个并臂谐振器包括第六谐振器、第七谐振器、第八谐振器和第九谐振器，所述第六谐振器的一端接所述输入端子，所述第一谐振器至所述第四谐振器之间相邻的两个谐振器之间的节点，分别连接所述第七谐振器、第八谐振器和第九谐振器的一端，所述第六谐振器、第七谐振器、第八谐振器和第九谐振器的另一端连接接地端子。
9.本实用新型实施例中的滤波器包括设置在输入端子和输出端子之间串臂谐振器和并臂谐振器，串臂谐振器和并臂谐振器均包括多个谐振器，并臂谐振器中的各个谐振器的一端与串臂谐振器之间的节点连接，另一端接地。信号通过输入端子流入上述串臂谐振器和并臂谐振器，实现对信号特定频段的滤波。
10.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述多个串臂谐振器中的各个谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同，所述多个并臂谐振器中的各个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，所述多个串臂谐振器的串联谐振频率和所述多个并臂谐振器的并联谐振频率相同。其中，上述多个串臂谐振器的串联谐振频率和多个并臂谐振器的并联谐振频率相同，构成空气腔型fbar滤波器的中心频率。
12.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一谐振器的面积为40000
±
30μ
m2，所述第二谐振器的面积为40000
±
30μm2，所述第三谐振器的面积为39000
±
30μm2，所述第四谐振器的面积为33000
±
30μm2，所述第五谐振器的面积为34000
±
30μm2，所述第六谐振器的面积为40000
±
30μm2，所述第七谐振器的面积为62000
±
30μm2，所述第八谐振器的面积为71000
±
30μm2，所述第九谐振器的面积为55000
±
30μm2，谐振器的面积为谐振器的平行板电容器上下电极的重合面积。
13.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述空气腔型fbar滤波器依次包括牺牲层、下电极层、上电极层、差频层和孔层，所述差频层与所述多个并臂谐振器对应，所述多个串臂谐振器不具有所述差频层，所述孔层中开设有多个释放孔，每个谐振器的释放通道对应一个释放孔。
14.一些实施例中，所述上电极的厚度为所述下电极层的厚度为所述差频层的厚度为压电层的厚度为
15.示例性的，所述释放孔的直径可以为15μm-25μm。
16.其中，每个谐振器可以具有多个释放通道(例如六个)，每个释放通道与一个释放孔对应，释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层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。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。
17.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述多个串臂谐振器还可以包括第五谐振器，所述第五谐振器与所述第四谐振器并联。其中，串臂谐振器的第四位置采用第四谐振器和第五谐振器并联的结构，可以减小第四谐振器的面积使其在工艺易于实现的范围内，从而提高滤波器的可靠性。
18.一些实施例中，所述第一谐振器至所述第四谐振器的中心与所述输入端子和所述输出端子所在的直线的距离小于阈值，所述第七谐振器和所述第九谐振器位于所述直线的一侧，所述五谐振器、第六谐振器和第八谐振器位于所述直线的另一侧。
19.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种滤波器组件，包括上述任一项所述的滤波器。
附图说明
20.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；
21.图2为本实用新型实施例提供的空气腔型fbar滤波器的结构示意图；
22.图3为图2所示的空气腔型fbar滤波器的牺牲层示意图；
23.图4为图2所示的空气腔型fbar滤波器的下电极层示意图；
24.图5为图2所示的空气腔型fbar滤波器的上电极层示意图；
25.图6为图2所示的空气腔型fbar滤波器的差频层示意图；
26.图7为图2所示的空气腔型fbar滤波器的孔层示意图；
27.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。
具体实施方式
28.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
29.fbar作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，fbar具有尺寸小、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，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用。然而现有对fbar滤波器的研究大多集中在制备方法上，对fbar滤波器的具体结构的研究较少。而且某工程应用需使用中心频率为1110mhz的滤波器，其1db带宽大于25mhz，需对1070mhz以及1150mhz处抑制大于35dbc。
30.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。该滤波器可以包括输入端子、输出端子、接地端子、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器。上述多个串臂谐振器包括依次串联连接在输入端子和输出端子之间的第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器。上述多个并臂谐振器包括第六谐振器、第七谐振器、第八谐振器和第九谐振器，第六谐振器的一端接输入端子，第一谐振器至第四谐振器之间相邻的两个谐振器之间的节点，分别连接第七谐振器、第八谐振器和第九谐振器的一端，第六谐振器、第七谐振器、第八谐振器和第九谐振器的另一端连接接地端子。
31.上述空气腔型fbar滤波器，包括设置在输入端子和输出端子之间串臂谐振器和并臂谐振器，串臂谐振器和并臂谐振器均包括多个谐振器，并臂谐振器中的各个谐振器的一端与串臂谐振器之间的节点连接，另一端接地。信号通过输入端子流入上述串臂谐振器和并臂谐振器，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。
32.图1示出了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。参见图1，该空气腔型fbar滤波器可以输入端子port_1、输出端子port_2、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器。该多个串臂谐振器可以包括第一谐振器x1、第二谐振器x2、第三谐振器x3、第四谐振器x4和第五谐振器x5。该多个并臂谐振器可以包括第六谐振器x6、第七谐振器x7、第八谐振器x8和第九谐振器x9。
33.具体的，第一谐振器x1、第二谐振器x2、第三谐振器x3和第四谐振器x4依次串联设置在输入端子port_1和输出端子port_2之间，第五谐振器x5与第四谐振器x4并联。其中，第一谐振器x1至第五谐振器x5，这五个谐振器具有相同的第一串联谐振频率和第一并联谐振频率。
34.第六谐振器x6的一端与输入端子port_1连接，另一端接地。第七谐振器x7的一端与第一谐振器x1和第二谐振器x2的节点连接，另一端接地。第八谐振器x8的一端与第二谐振器x2和第三谐振器x3的节点连接，另一端接地。第九谐振器x9的一端与第三谐振器x3和第四谐振器x4的节点连接，另一端接地。其中，第六谐振器x6至第九谐振器x9，这四个谐振器具有相同的第二串联谐振频率和第二并联谐振频率。
35.示例性的，本实用新型实施例中，第一串联谐振频率与第二并联谐振频率相同，形成空气腔型fbar滤波器的中心频率。
36.另外，串臂谐振器的第四位置采用第四谐振器x4和第五谐振器x5并联的结构，能够减小第四谐振器x4的面积使其在工艺易于实现的范围内，提高空气腔型fbar滤波器的可
靠性。
37.一些实施例中，考虑到工艺实现的难易程度，各个谐振器的面积应控制在4000μm
2-80000μm2之间。在同一个电路中，每个谐振器的面积在设计时，应尽量使电路中的每个谐振器的面积相差较小，一般相差在4倍以下。
38.一些实施例中，为了使得空气腔型fbar滤波器的中心频率为某一频率，可以通过对第一谐振器x1至第九谐振器x9的面积实现。其中，谐振器的面积为谐振器的平行板电容器上下电极的重合面积。
39.一些实施例中，为了得到特定中心频率的空气腔型fbar滤波器，可以通过调整第一谐振器x1至第八谐振器x9的面积和位置实现。可以将空气腔型fbar滤波器设置为对称结构，也可以设置为非对称的结构。具体的，可以设置第一谐振器、第二谐振器和第六谐振器的面积相同。
40.示例性的，为了使得空气腔型fbar滤波器的中心频率为1100mhz，第一谐振器的面积可以为40000
±
30μm2，第二谐振器的面积可以为40000
±
30μm2，第三谐振器的面积可以为39000
±
30μm2，第四谐振器的面积可以为33000
±
30μm2，第五谐振器的面积可以为34000
±
30μm2，第六谐振器的面积可以为40000
±
30μm2，第七谐振器的面积可以为62000
±
30μm2，第八谐振器的面积可以为71000
±
30μm2，第九谐振器的面积可以为55000
±
30μm2。
41.一些实施例中，上述空气腔型fbar滤波器可以依次包括牺牲层、下电极层、压电层、上电极层、差频层和孔层。差频层与多个并臂谐振器对应，而多个串臂谐振器并不具有差频层。差频层用于实现并臂谐振器和串臂谐振器的频率差，从而形成滤波器，实现对相特定频率的滤波。通常，并联臂谐振器的第二串联谐振频率和第二并联谐振频率低于串臂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。
42.为了形成fbar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对应至少一个释放孔。
43.其中，每个谐振器可以具有多个释放通道(例如六个)，每个释放通道与一个释放孔对应，释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层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。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。
44.一些实施例中，为了得到特定中心频率的滤波器，可以通过调整上电极、下电极和压电层的厚度来实现。
45.示例性的，为了得到中心频率为1110mhz的空气腔型fbar滤波器，上电极的厚度可以为下电极层的厚度可以为压电层的厚度可以为差频层的厚度可以为
46.一些实施例中，释放孔的之间可以为15μm-25μm。
47.参见图2和图3，第一谐振器x1至第四谐振器x4基本呈直线状排列在输入端子in与输出端子out之间。第七谐振器x7和第九谐振器x9位于第一谐振器x1至第四谐振器x4的第一侧，第五谐振器x5、第六谐振器x6和第八谐振器x8位于第一谐振器x1至第四谐振器x4的
第二侧，第一侧和第二侧相对。
48.例如，第一谐振器x1至第四谐振器x4的中心可以与输入端子和输出端子所在的直线(如图2中所示输入端子in与输出端子out之间的虚线)的距离小于阈值。该阈值可以为二分之一的谐振器的尺寸或四分之一的谐振器的尺寸。谐振器的尺寸为在牺牲层中，谐振器在与上述直线垂直的方向上的最大尺寸。第七谐振器x7和第九谐振器x9位于该直线的一侧(图2所示的上侧)，第五谐振器x5、第六谐振器x6和第八谐振器x8位于该直线的另一侧(图2所示的下侧)。
49.例如，如图2和图3所示，在牺牲层每个谐振器具有六条边，各个谐振器之间通过各自的一条边相互连接。第一谐振器x1至第四谐振器x4之间相连接的各条边之间相互平行或基本相互平行。
50.图3中，每个谐振器伸出的触角状的部分即为释放通道，每个谐振器可以具有多个释放通道。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。
51.参见图5，上电极层具有多个版图，包括第一版图101、第二版图102、第三版图103、第四版图104和第五版图105。参见图4，下电极层具有多个版图，包括第六版图201、第七版图202、第八版图203和第九版图204。第一版图101与输入端子in连接，第三版图103与输出端子out连接，第四版图104和第五版图105与接地端子gnd连接，第六版图201和第八版图203与接地端子gnd连接。
52.第一版图101与第一谐振器x1和第六谐振器x6对应，第二版图102与第二谐振器x2、第三谐振器x3和第八谐振器x8对应，第三版图103与第四谐振器x4和第五谐振器x5对应，第四版图104与第九谐振器x9对应，第五版图105与第七谐振器x7对应。
53.第六版图201与第六谐振器x6对应，第七版图202与第一谐振器x1、第二谐振器x2和第七谐振器x7对应，第三版图203与第八谐振器x8对应，第九版图204与第三谐振器x3、第四谐振器x4、第五谐振器x5和第九谐振器x9对应。
54.第一版图101、第二版图102和第三版图103位于输入端子in和输出端子out之间，第四版图104和第五版图105位于第一版图101、第二版图102和第三版图103的一侧。
55.参见图6，差频层包括与第六谐振器x6对应的第十版图，与第七谐振器x7对应的第十一版图，与第八谐振器x8对应的第十二版图，与第九谐振器x9对应的第十三版图。第十版图和第十二版图位于与输入端子和输出端子所在的直线的一侧，第十一版图和第十二版图位于该直线的另一侧。
56.参见图7，孔层包括多个释放孔，每个释放孔对应一个释放通道。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。另外，在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。
57.本事实例中，对上述空气腔型fbar滤波器进行了测试，得到如图8所示的幅频特性曲线。曲线1为空气腔型fbar滤波器的s(1,2)随频率的变化曲线(左纵轴)。曲线2为s(1,1)，曲线3为s(2,2)，表示空气腔型fbar滤波器的回波损耗(右纵轴)。从图8中可以看出，空气腔型fbar滤波器的1db带宽约为34mhz，在1070mhz以及3140mhz处抑制度分别为42.8dbc和50.6dbc。
58.本实用新型的实施例还提供一种滤波器组件，包括上述任一种空气腔型fbar滤波器，具有上述空气腔型fbar滤波器所具有的所有技术效果，在此不再赘述。
59.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。