一种高温度稳定性的声表面波滤波器结构的制作方法

1.本发明涉及声表面波器件技术领域，具体涉及一种高温度稳定性的声表面波滤波器结构。


背景技术：

2.射频前端是雷达、卫星通信电子和移动终端产品的核心组件。射频前端滤波器用于滤除各类寄生杂波，噪音等多种干扰信号，主要包括滤波器/双工器、功率放大器和标签等器件单元。由于声表面波(saw)滤波器具有体积小、一致性好、可靠性高、损耗低、滤波性能佳等特点，声表面波滤波器已经成为雷达、卫星通信电子和移动终端等最主流的射频前端滤波器。
3.如附图1所所述，现有技术中的声表面波滤波器一般包括电极层2和压电衬底1，如附图2所示为现有技术中声表面波滤波器的导纳曲线，可以看出，现有技术中声表面波滤波器的导纳曲线上存在较多的非工作频率下的杂波信号，随着5g时代的到来，高速移动通讯对射频前端滤波器的要求也越来越高，对其相邻频段防干扰的要求也越来越高，这些信号的存在无疑使得现有技术中的声表面波滤波器还无法很好的满足5g时代下高速移动通讯的使用要求。另外，现有技术中的声表面波滤波器在使用时，电极层热胀冷缩而产生的较大形变对整个器件的温度敏感性影响也较大，从而使得声表面波滤波器的温度稳定性也较差。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能有效抑制杂波，同时具有较高温度稳定性的高温度稳定性的声表面波滤波器结构。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种高温度稳定性的声表面波滤波器结构，包括压电衬底和电极层，还包括具有电流隔离能力的绝缘层，所述绝缘层位于所述压电衬底和所述电极层之间，且所述绝缘层完全覆盖对应位置所述压电衬底的表面。
7.优选的，所述绝缘层下表面x1与所述压电衬底接触位置的电学和力学边界条件中：
8.法向电位移连续边界条件为：
9.dn(x
1+
)-dn(x
1-)＝0
10.切向电位移连续边界条件为：
11.d
t
(x
1+
)＝d
t
(x
1-)≠0
12.法向应力连续边界条件为：
13.tn(x
1+
)＝tn(x
1-)≠0
14.切向应力连续边界条件为：
15.t
t
(x
1+
)＝t
t
(x
1-)≠0
16.式中：x
1+
为x1的上表面，x
1—
为x1的下表面，dn为法向电位移，d
t
为切向电位移，tn为法向应力，t
t
为切向应力；
17.所述绝缘层上表面x2与所述电极层接触位置的电学和力学边界条件中：
18.法向电位移连续边界条件为：
19.dn(x
2+
)-dn(x
2-)＝σn(x2)
20.切向电位移连续边界条件为：
21.d
t
(x
2+
)＝d
t
(x
2-)＝0
22.法向应力连续边界条件为：
23.tn(x
2+
)＝tn(x
2-)＝0
24.切向应力连续边界条件为：
25.t
t
(x
2+
)＝t
t
(x
2-)＝0
26.式中：x
2+
为x2的上表面，x
2—
为x2的下表面，σn为电荷；
27.则利用x1和x2界面应力连续边界条件和电位移连续边界条件，建立基于该异质集成结构的声表面波滤波器结构的本征方程为：
[0028][0029][0030]
其中，所述绝缘层处有：
[0031]
e＝0
[0032]
式中：c为材料弹性常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为密度，u为位移。
[0033]
优选的，还包括温补层，所述温补层采用具有正温度系数的材料制成，且所述温补层位于所述绝缘层的上表面，并完全覆盖所述电极层。
[0034]
优选的，还包括压电薄膜，所述压电薄膜位于所述绝缘层和所述压电衬底之间，且所述绝缘层与所述压电薄膜的对应端面键合为一体。
[0035]
优选的，还包括温补层，所述温补层位于所述压电衬底和所述压电薄膜之间，且所述温补层采用具有正温度系数的材料制成。
[0036]
优选的，所述绝缘层采用以下材料中的至少一种制成：二氧化硅、蓝宝石和氮化硅；所述电极层为叉指电极，且所述电极层采用以下材料中的至少一种制成：铝、铜、金、铂和铜铝合金；所述压电衬底采用以下材料中的至少一种材料制成：铌酸锂、钽酸锂、石英、四硼酸锂、硅酸镓镧和铌酸镓镧；所述温补层采用二氧化硅材料制成。
[0037]
优选的，所述绝缘层的厚度为0.001λ～1λ，所述电极层的厚度为0.01λ～1λ，所述温补层的厚度为0.01λ～2λ，所述压电衬底的厚度为0.01λ～500λ，所述压电薄膜的厚度为0.01λ～500λ，其中，λ为所述电极层对应的波长。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0039]
1、本发明通过在电极层与压电衬底之间设置绝缘层，并使得绝缘层完全覆盖对应位置压电衬底的表面，使得压电衬底的表面被绝缘层完全覆盖而无自由化的界面，由此压电衬底表面的应力和电位移边界条件均发生较大变化，声场-电场局域-热场传播机理声波模式、频率、损耗、温度稳定性等特性的调控机理发生变化由于声表面波滤波器的声表模式、声表模式激发条件及声波模式性能受拓扑结构、力学边界条件和电学边界条件的影响，
从而使得本发明声表面波滤波器的声表模式、声表模式激发条件及声波模式性能均远远区别于传统声表面波滤波器结构。
[0040]
2、本发明通过在电极层底部增加一定厚度的绝缘层，电极层没有直接接触到压电衬底的表面，和传统的电极层与压电衬底直接接触相比，电学边界条件发生很大变化，电场对各声波模式的激励效率也发生变化，保持主模声波激励效率和q值(品质因数)的前提下添加一定厚度的绝缘层可抑制杂波模式寄生。故本发明的声表面波滤波器的导纳曲线与传统的声表面波滤波器的导纳曲线相比，在达到工作频率之前基本为光滑的曲线，从而抑制了达到工作频率之前的杂波信号，大大的提高了声表面波滤波器抑制杂波和抗干扰的性能，从而很好的满足5g时代下高速移动通讯的使用要求。
[0041]
3、本发明通过优化对压电材料及切向、各膜系结构厚度优化，可抑制各阶次杂波模式的寄生，有利于实现声表面波滤波器的低温漂、高矩形度性能，同时采用这种结构还可以有利于研制高性能的窄带滤波器，满足了高速移动通讯等终端对低温漂、高矩形度声表面波滤波器的要求，且该结构使用的制备工艺容易实现，易于大规模推广。
[0042]
4、本发明由于绝缘层的存在，当电极层温度由于热胀冷缩而产生较大形变时，不会直接作用在压电衬底的表面，从而不会对整个器件的温度敏感性产生较大的影响，由此本方案的声表面波滤波器的温度稳定性得到了大大的改善，温补层的设计能够进一步提高声表面滤波器的温度稳定性，由此实现高温度稳定性的声表面波滤波器的设计。
[0043]
5、本发明由于有绝缘层的存在，使得当声波入射到压电衬底层之前，部分声波会通过绝缘层进行反射，由此就减少了入射到压电衬底内部的声波，从而提高了声表面波滤波器的q值(品质因数)。
[0044]
6、声表面波滤波器的系统本征方程在声学各分支中是最复杂的，描述传播特性的本征方程采用更复杂的张量，异质集成结构特有的力电耦合以及复杂的边界条件，方程的解相比传统结构声表面波滤波器更为复杂，涉及瑞利波、漏表面波、纵漏表面波、乐甫波、西沙瓦及各类体波，且存在不同声波模式的相互作用及模式转换，即整个声表面波滤波器的声场分布、电场分布均会不同，结果是各声表模式、各声表模式激发条件及声波模式性能均会发生变化。
附图说明
[0045]
图1为现有技术中声表面波滤波器的结构；
[0046]
图2为现有技术中声表面波滤波器的导纳曲线；
[0047]
图3为本发明实施例一中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的结构示意图；
[0048]
图4为本发明实施例一中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同电极层厚度时的性能曲线；
[0049]
图5为本发明实施例一中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同绝缘层厚度时的性能曲线；
[0050]
图6为本发明实施例一中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同绝缘层厚度时的温度敏感性性能曲线；
[0051]
图7为本发明实施例一中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的导纳曲线；
[0052]
图8为本发明实施例二中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的结构示意图；
[0053]
图9为本发明实施例二中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同温度层厚度时的性能曲线；
[0054]
图10为本发明实施例二中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同温度层厚度时的温度敏感性性能曲线；
[0055]
图11为本发明实施例二中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同电极层厚度时的性能曲线；
[0056]
图12为本发明实施例一中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同电极层厚度时的温度敏感性性能曲线；
[0057]
图13为本发明实施例二中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同绝缘层厚度时的性能曲线；
[0058]
图14为本发明实施例二中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同绝缘层厚度时的温度敏感性性能曲线；
[0059]
图15为本发明实施例二中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的导纳曲线；
[0060]
图16为本发明实施例二中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的s21曲线；
[0061]
图17为本发明实施例三中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的结构示意图；
[0062]
图18为本发明实施例三中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同电极层厚度时的性能曲线；
[0063]
图19为本发明实施例三中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同绝缘层厚度时的性能曲线；
[0064]
图20为本发明实施例三中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同压电薄膜厚度时的性能曲线；
[0065]
图21为本发明实施例三中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的导纳曲线；
[0066]
图22为本发明实施例四中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的结构示意图；
[0067]
图23为本发明实施例四中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同电极层厚度时的性能曲线；
[0068]
图24为本发明实施例四中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同绝缘层厚度时的性能曲线；
[0069]
图25为本发明实施例三中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同压电薄膜厚度时的性能曲线；
[0070]
图26为本发明实施例四中高温度稳定性的声表面波滤波器结构具有不同温度层厚度时的性能曲线；
[0071]
图27为本发明实施例四中高温度稳定性的声表面波滤波器结构的导纳曲线。
[0072]
附图标记说明：压电衬底1、电极层2、绝缘层3、温度层4、压电薄膜5。
具体实施方式
[0073]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除
非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0074]
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0075]
如附图1所述为现有技术中声表面波滤波器的结构，包括电极层2和压电衬底1，电极层2直接铺设于压电衬底1表面，此时声波在传播过程中会部分入射到压电衬底1内，同时，电极层2与压电衬底1接触表面x＝0，此时电极层2与压电衬底1接触界面的电位移与应力边界条件为：
[0076]
法向电位移连续边界条件：
[0077]dn
(x
+
)-dn(x-)＝σn(x)
[0078]
切向电位移连续边界条件：
[0079]dt
(x
+
)＝d
t
(x-)＝0
[0080]
法向应力连续边界条件：
[0081]
tn(x
+
)＝tn(x-)
[0082]
切向应力连续边界条件：
[0083]
t
t
(x
+
)＝t
t
(x-)
[0084]
且传统结构声表面波滤波器的压电衬底存在自由界面，故：
[0085]
tn(x
+
)＝tn(x-)＝0
[0086]
t
t
(x
+
)＝t
t
(x-)＝0
[0087]
因此，对于传统结构的压电衬底，其激发的声波模式通常单一，且声波向压电衬底体内泄露，无法实现高q值，同时电极层热胀冷缩产生的较大形变对器件温度敏感性影响较大，因此也无法实现低温漂等特性。同时通过附图2中的导纳曲线(128 y-x ln；al电极，180nm)可以看出，现有技术中声表面波滤波器的导纳曲线上存在较多的非工作频率下的杂波信号。
[0088]
实施例一：
[0089]
为了解决上述技术问题，本方案提供了一种高温度稳定性的声表面波滤波器结构，如附图3所示，包括压电衬底1、电极层2和绝缘层3，绝缘层3采集具有较大电流隔离能力的材料制成，绝缘层3位于压电衬底1和电极层2之间，且绝缘层3完全覆盖对应位置压电衬底1的表面。
[0090]
在本具体实施例中，由于电极层2未直接铺设于压电衬底1表面，故此时绝缘层3下表面x1与压电衬底1接触位置电学和声学边界条件中：
[0091]
法向电位移连续边界条件为：
[0092]dn
(x
1+
)-dn(x
1-)＝0
[0093]
切向电位移连续边界条件为：
[0094]dt
(x
1+
)＝d
t
(x
1-)≠0
[0095]
由于此时压电衬底1的表面不存在自由界面，故其法向应力连续边界条件为：
[0096]
tn(x
1+
)＝tn(x
1-)≠0
[0097]
切向应力连续边界条件为：
[0098]
t
t
(x
1+
)＝t
t
(x
1-)≠0
[0099]
式中：x
1+
为x1表面的上表面，x
1—
为x1表面的下表面，dn为法向电位移，d
t
为切向电位移，tn为法向应力，t
t
为切向应力；
[0100]
绝缘层3上表面x2与电极层2接触位置的电学和声学边界条件中：
[0101]
法向电位移连续边界条件为：
[0102]dn
(x
2+
)-dn(x
2-)＝σn(x2)
[0103]
切向电位移连续边界条件为：
[0104]dt
(x
2+
)＝d
t
(x
2-)＝0
[0105]
法向应力连续边界条件为：
[0106]
tn(x
2+
)＝tn(x
2-)＝0
[0107]
切向应力连续边界条件为：
[0108]
t
t
(x
2+
)＝t
t
(x
2-)＝0
[0109]
式中：x
2+
为x2表面的上表面，x
2—
为x2表面的下表面σn为；
[0110]
则利用x1和x2界面应力和电位移连续边界条件，可建立基于该异质集成结构的声表面波滤波器结构的本征方程为：
[0111][0112][0113]
其中，所述绝缘层处有：
[0114]
e＝0
[0115]
式中：c为材料弹性常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为密度，u为位移。
[0116]
在本具体实施例中，电极层2的厚度取值范围0.01λ～1λ，如附图4所示为不同电极层厚度(h-cu)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值)，压电衬底1的厚度取值范围0.01λ～500λ。
[0117]
在本具体实施例中，电极层2的厚度为0.125λ，压电衬底1的厚度为0.25mm。
[0118]
在本实施例中，电极层2为位于绝缘层3材料表面的叉指电极，采用以下材料中的至少一种材料制成：铝al、铜cu、金au、铂pt及铜铝合金。压电衬底1采用以下材料中的至少一种材料制成：铌酸锂linbo3、钽酸锂litao3、石英quartz、四硼酸锂、硅酸镓镧、铌酸镓镧。具体的，电极层2采用铜cu制成，压电衬底1采用铌酸锂linbo3制成。
[0119]
在本实施例中，绝缘层3采用以下材料中的至少一种制成：二氧化硅、蓝宝石和氮化硅。具体的，绝缘层3采用二氧化硅制成。
[0120]
在本实施例中，绝缘层3的厚度为0.001λ～1λ，其中λ为电极层2对应的波长。如附图5所示为不同绝缘层3厚度(h-sio2)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；
[0151]rθ
＝r+r
(1)
θ+r
(2)
θ2+r
(3)
θ3[0152]gθ
＝g+g
(1)
θ+g
(2)
θ2+g
(3)
θ3[0153]
θ＝(t-t0)
[0154]
其中，为弹性常数的n阶系数，为压电应力常数的n阶系数，为介电常数的n阶系数，δ
ik
是kronecker算子，为n阶热膨胀温度系数，ρ
(n)
为密度的n阶系数，r
(n)
为电极层第一拉梅常数的n阶系数，g
(n)
为电极层第二拉梅常数的n阶系数，t0为参考温度，t为温度环境，θ为温差。
[0155]
则利用x1和x2界面应力连续边界条件和电位移连续边界条件，建立温场条件下基于异质集成结构的声表面波压电器件系统本征方程：
[0156][0157][0158]
其中，在所述绝缘层和所述压电衬底处有：
[0159]eθ
＝0
[0160]
式中：c
θ
为随温度变化的材料弹性常数，e
θ
为随温度变化的压电应力常数，ε
θ
为随温度变化的介电常数，ρ
θ
为随温度变化的密度，u为位移。
[0161]
在本实施例中，温补层4的厚度取值范围为0.01λ～2λ，如附图9所示为不同温补层厚度(h1)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值)，附图10为不同温补层厚度时的温度敏感性性能曲线，其中(a)为相对移频δf/f，(b)为温度敏感性tcf。在本具体实施例中，温补层采用二氧化硅sio2制成，且温补层的厚度为0.46λ。
[0162]
在本实施例中，压电衬底1的厚度取值范围0.01λ～500λ，电极层2的厚度取值范围0.01λ～1λ，如附图11所示为不同电极层厚度(h2)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值)，附图12为不同电极层2厚度时的温度敏感性性能曲线，其中(a)为相对移频δf/f，(b)为温度敏感性tcf。在本具体实施例中，电极层2的厚度为0.122λ，压电衬底1的厚度为0.25mm。
[0163]
在本实施例中，绝缘层3的厚度为为0.001λ～1λ，其中λ为电极层2对应的波长。如附图13所示为不同绝缘层3厚度(h3)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值，附图14为不同绝缘层3厚度时的温度敏感性性能曲线，其中(a)为相对移频δf/f，(b)为温度敏感性tcf。在本具体实施例中，绝缘层3的厚度为0.014λ。
[0164]
如附图15所示为本实施例中声表面波滤波器结构的导纳曲线，附图16为本实施例中声表面波滤波器结构的s21曲线，根据该导纳曲线可以看出绝缘层3的设计仍然可有效实现主模声波激励。与图2现有技术相比，绝缘层3的设计可抑制主模声波内存在的寄生波。根据s21曲线可以看出本实施例中绝缘层3的设计，相应的声表面波滤波器具有较低损耗、矩形度以及通带平坦度性能。
[0165]
实施例三：
[0166]
与实施例一的不同之处在于，在本实施例中，如附图17所示，还包括压电薄膜5，压
电薄膜5位于绝缘层3和压电衬底1之间，且绝缘层3与压电薄膜5的对应端面键合为一体。
[0167]
优选的，绝缘层3下表面x1与所述压电薄膜5接触位置的电学和力学边界条件中：
[0168]
法向电位移连续边界条件为：
[0169]dn
(x
1+
)-dn(x
1-)＝0
[0170]
切向电位移连续边界条件为：
[0171]dt
(x
1+
)＝d
t
(x
1-)≠0
[0172]
法向应力连续边界条件为：
[0173]
tn(x
1+
)＝tn(x
1-)≠0
[0174]
切向应力连续边界条件为：
[0175]
t
t
(x
1+
)＝t
t
(x
1-)≠0
[0176]
式中：x
1+
为x1的上表面，x
1—
为x1的下表面，dn为法向电位移，d
t
为切向电位移，tn为法向应力，t
t
为切向应力；
[0177]
所述绝缘层3上表面x2与所述电极层2接触位置的电学和力学边界条件中：
[0178]
法向电位移连续边界条件为：
[0179]dn
(x
2+
)-dn(x
2-)＝σn(x2)
[0180]
切向电位移连续边界条件为：
[0181]dt
(x
2+
)＝d
t
(x
2-)＝0
[0182]
法向应力连续边界条件为：
[0183]
tn(x
2+
)＝tn(x
2-)＝0
[0184]
切向应力连续边界条件为：
[0185]
t
t
(x
2+
)＝t
t
(x
2-)＝0
[0186]
式中：x
2+
为x2的上表面，x
2—
为x2的下表面，σn为电荷；
[0187]
所述压电薄膜5下表面x3与所述压电衬底1接触位置的电学和力学边界条件中：
[0188]
法向电位移连续边界条件为：
[0189]dn
(x
3+
)-dn(x
3-)＝0
[0190]
切向电位移连续边界条件为：
[0191]dt
(x
3+
)＝d
t
(x
3-)≠0
[0192]
法向应力连续边界条件为：
[0193]
tn(x
3+
)＝tn(x
3-)≠0
[0194]
切向应力连续边界条件为：
[0195]
t
t
(x
3+
)＝t
t
(x
3-)≠0
[0196]
式中：x
3+
为x3的上表面，x
3—
为x3的下表面；
[0197]
则利用x1、x2、x3界面应力连续边界条件和电位移连续边界条件，建立基于该异质集成结构的声表面波滤波器结构的本征方程为：
[0198][0199][0200]
其中，所述绝缘层3处有：
[0201]
e＝0
[0202]
式中：c为材料弹性常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为密度，u为位移。
[0203]
在本实施例中，压电衬底1的厚度取值范围0.01λ～500λ，电极层2的厚度取值范围0.01λ～1λ，如附图18所示为不同电极层厚度(h-cu)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值)。在本具体实施例中，电极层2的厚度为0.10λ，压电衬底1的厚度为0.35mm，且本方案的压电衬底1采用碳化硅sic制成。
[0204]
在本实施例中，绝缘层3的厚度为0.001λ～1λ，其中λ为电极层2对应的波长。如附图19所示为不同绝缘层3厚度(h-sio2)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值。在本具体实施例中，绝缘层3的厚度为0.014λ。
[0205]
在本实施例中，压电薄膜材料采用以下材料中的至少一种材料制成：铌酸锂linbo3、钽酸锂litao3、石英quartz、四硼酸锂、硅酸镓镧、铌酸镓镧，压电薄膜的厚度取值范围为0.01λ～500λ，如附图20所示为不同压电薄膜厚度(h-ln)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值)。在本具体实施例中，压电薄膜铌酸锂linbo3制成，压电薄膜的厚度为0.2λ。
[0206]
如附图21所示为本实施例中声表面波滤波器结构的导纳曲线，根据该导纳曲线可以看出绝缘层3的设计仍然可有效实现主模声波激励。与图2现有技术相比，绝缘层3的设计可抑制主模声波内存在的寄生波。
[0207]
实施例四：
[0208]
与实施例一的不同之处在于，在本实施例中，如附图22所示，还包括压电薄膜5和温补层4，压电薄膜5位于绝缘层3和压电衬底1之间，且绝缘层3与压电薄膜5的对应端面键合为一体，温补层4位于所述压电衬底1和所述压电薄膜5之间，且所述温补层4采用具有正温度系数的材料制成。
[0209]
优选的，所述绝缘层3下表面x1与所述压电薄膜5接触位置的电学和力学边界条件中：
[0210]
法向电位移连续边界条件为：
[0211]dn
(x
1+
)-dn(x
1-)＝0
[0212]
切向电位移连续边界条件为：
[0213]dt
(x
1+
)＝d
t
(x
1-)≠0
[0214]
法向应力连续边界条件为：
[0215]
tn(x
1+
)＝tn(x
1-)≠0
[0216]
切向应力连续边界条件为：
[0217]
t
t
(x
1+
)＝t
t
(x
1-)≠0
[0218]
式中：x
1+
为x1的上表面，x
1—
为x1的下表面，dn为法向电位移，d
t
为切向电位移，tn为法向应力，t
t
为切向应力；
[0219]
所述绝缘层3上表面x2与所述电极层1接触位置的电学和力学边界条件中：
[0220]
法向电位移连续边界条件为：
[0221]dn
(x
2+
)-dn(x
2-)＝σn(x2)
[0222]
切向电位移连续边界条件为：
[0223]dt
(x
2+
)＝d
t
(x
2-)＝0
[0224]
法向应力连续边界条件为：
[0225]
tn(x
2+
)＝tn(x
2-)＝0
[0226]
切向应力连续边界条件为：
[0227]
t
t
(x
2+
)＝t
t
(x
2-)＝0
[0228]
式中：x
2+
为x2的上表面，x
2—
为x2的下表面，σn为电荷；
[0229]
所述压电薄膜5下表面x3与所述温补层4接触位置的电学和力学边界条件中：
[0230]
法向电位移连续边界条件为：
[0231]dn
(x
3+
)-dn(x
3-)＝0
[0232]
切向电位移连续边界条件为：
[0233]dt
(x
3+
)＝d
t
(x
3-)≠0
[0234]
法向应力连续边界条件为：
[0235]
tn(x
3+
)＝tn(x
3-)≠0
[0236]
切向应力连续边界条件为：
[0237]
t
t
(x
3+
)＝t
t
(x
3-)≠0
[0238]
式中：x
3+
为x3的上表面，x
3—
为x3的下表面；
[0239]
所述温补层4下表面x4与所述压电衬底1接触位置的电学和力学边界条件中：
[0240]
法向电位移连续边界条件为：
[0241]dn
(x
4+
)-dn(x
4-)＝0
[0242]
切向电位移连续边界条件为：
[0243]dt
(x
4+
)＝d
t
(x
4-)≠0
[0244]
法向应力连续边界条件为：
[0245]
tn(x
4+
)＝tn(x
4-)≠0
[0246]
切向应力连续边界条件为：
[0247]
t
t
(x
4+
)＝t
t
(x
4-)≠0
[0248]
式中：x
4+
为x4的上表面，x
4—
为x4的下表面；
[0249]
所述温补层4的温度补偿原理为：
[0250][0251][0252][0253][0254]
ρ
θ
＝ρ+ρ
(1)
θ+ρ
(2)
θ2+ρ
(3)
θ3[0255]rθ
＝r+r
(1)
θ+r
(2)
θ2+r
(3)
θ3[0256]gθ
＝g+g
(1)
θ+g
(2)
θ2+g
(3)
θ3[0257]
θ＝(t-t0)
[0258]
其中，为弹性常数的n阶系数，为压电应力常数的n阶系数，为介电常
数的n阶系数，δ
ik
是kronecker算子，为n阶热膨胀温度系数，ρ
(n)
为密度的n阶系数，r
(n)
为电极层第一拉梅常数的n阶系数，g
(n)
为电极层第二拉梅常数的n阶系数，t0为参考温度，t为温度环境，θ为温差；
[0259]
则利用x1、x2、x3、x4界面应力连续边界条件和电位移连续边界条件，建立温场条件下基于异质集成结构的声表面波压电器件系统本征方程：
[0260][0261][0262]
其中，在所述绝缘层和所述压电衬底处有：
[0263]eθ
＝0
[0264]
式中：c
θ
为随温度变化的材料弹性常数，e
θ
为随温度变化的压电应力常数，ε
θ
为随温度变化的介电常数，ρ
θ
为随温度变化的密度，u为位移。
[0265]
在本实施例中，压电衬底1的厚度取值范围0.01λ～500λ，电极层2的厚度取值范围0.01λ～1λ，如附图23所示为不同电极层厚度(h-cu)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值。在本具体实施例中，电极层2的厚度为0.10λ，压电衬底1的厚度为0.35mm，且压电衬底采用碳化硅sic制成。
[0266]
在本实施例中，绝缘层3的厚度为为0.001λ～1λ，其中λ为电极层2对应的波长。如附图24所示为不同绝缘层3厚度(h-sio2)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值。在本具体实施例中，绝缘层3的厚度为0.014λ。
[0267]
在本实施例中，压电薄膜材料采用以下材料中的至少一种材料制成：铌酸锂linbo3、钽酸锂litao3、石英quartz、四硼酸锂、硅酸镓镧、铌酸镓镧，压电薄膜的厚度取值范围为0.01λ～500λ，如附图25所示为不同压电薄膜厚度(h-ln)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值。在本具体实施例中，压电薄膜铌酸锂linbo3制成，压电薄膜的厚度为0.014λ。
[0268]
在本实施例中，温补层的厚度取值范围为0.01λ～2λ，如附图26所示为不同温补层厚度(h-sio2)下的性能曲线，其中(a)为相速度vp及幅值差|yr-ya|，(b)为谐振频率fr、反谐振频率fa及带宽delta_f；(c)为机电耦合系数k2及相对带宽bw；(d)为bold_q值)。在本具体实施例中，温补层采用二氧化硅sio2制成，且温补层的厚度为0.3λ。
[0269]
如附图27所示为本实施例中声表面波滤波器结构的导纳曲线，根据该导纳曲线可以看出绝缘层3的设计仍然可有效实现主模声波激励。与图2现有技术相比，绝缘层3的设计可抑制主模声波声波内存在的寄生波。
[0270]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种高温度稳定性的声表面波滤波器结构，包括压电衬底和电极层，其特征在于，还包括具有电流隔离能力的绝缘层，所述绝缘层位于所述压电衬底和所述电极层之间，且所述绝缘层完全覆盖对应位置所述压电衬底的表面。2.根据权利要求1所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述绝缘层下表面x1与所述压电衬底接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
1+
)-d
n
(x
1-)＝0切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
1+
)＝d
t
(x
1-)≠0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
1+
)＝t
n
(x
1-)≠0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
1+
)＝t
t
(x
1-)≠0式中：x
1+
为x1的上表面，x
1—
为x1的下表面，d
n
为法向电位移，d
t
为切向电位移，t
n
为法向应力，t
t
为切向应力；所述绝缘层上表面x2与所述电极层接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
2+
)-d
n
(x
2-)＝σ
n
(x2)切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
2+
)＝d
t
(x
2-)＝0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
2+
)＝t
n
(x
2-)＝0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
2+
)＝t
t
(x
2-)＝0式中：x
2+
为x2的上表面，x
2—
为x2的下表面，σ
n
为电荷；则利用x1和x2界面应力连续边界条件和电位移连续边界条件，建立基于该异质集成结构的声表面波滤波器结构的本征方程为：构的声表面波滤波器结构的本征方程为：其中，所述绝缘层处有：e＝0式中：c为材料弹性常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为密度，u为位移。3.根据权利要求1所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，还包括温补层，所述温补层采用具有正温度系数的材料制成，且所述温补层位于所述绝缘层的上表面，并完全覆盖所述电极层。4.根据权利要求3所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述绝缘层下表面x1与所述压电衬底接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：
d
n
(x
1+
)-d
n
(x
1-)＝0切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
1+
)＝d
t
(x
1-)≠0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
1+
)＝t
n
(x
1-)≠0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
1+
)＝t
t
(x
1-)≠0式中：x
1+
为x1的上表面，x
1—
为x1的下表面，d
n
为法向电位移，d
t
为切向电位移，t
n
为法向应力，t
t
为切向应力；所述绝缘层上表面x2与所述电极层接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
2+
)-d
n
(x
2-)＝σ
n
(x2)切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
2+
)＝d
t
(x
2-)＝0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
2+
)＝t
n
(x
2-)＝0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
2+
)＝t
t
(x
2-)＝0式中：x
2+
为x2的上表面，x
2—
为x2的下表面，σ
n
为电荷；所述温补层的温度补偿原理为：所述温补层的温度补偿原理为：所述温补层的温度补偿原理为：所述温补层的温度补偿原理为：ρ
θ
＝ρ+ρ
(1)
θ+ρ
(2)
θ2+ρ
(3)
θ3r
θ
＝r+r
(1)
θ+r
(2)
θ2+r
(3)
θ3g
θ
＝g+g
(1)
θ+g
(2)
θ2+g
(3)
θ3θ＝(t-t0)其中，为弹性常数的n阶系数，为压电应力常数的n阶系数，为介电常数的n阶系数，δ
ik
是kronecker算子，为n阶热膨胀温度系数，ρ
(n)
为密度的n阶系数，r
(n)
为电极层第一拉梅常数的n阶系数，g
(n)
为电极层第二拉梅常数的n阶系数，t0为参考温度，t为温度环境，θ为温差。则利用x1和x2界面应力连续边界条件和电位移连续边界条件，建立温场条件下基于异质集成结构的声表面波压电器件系统本征方程：
其中，在所述绝缘层和所述压电衬底处有：e
θ
＝0式中：c
θ
为随温度变化的材料弹性常数，e
θ
为随温度变化的压电应力常数，ε
θ
为随温度变化的介电常数，ρ
θ
为随温度变化的密度，u为位移。5.根据权利要求1所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，还包括压电薄膜，所述压电薄膜位于所述绝缘层和所述压电衬底之间，且所述绝缘层与所述压电薄膜的对应端面键合为一体。6.根据权利要求5所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述绝缘层下表面x1与所述压电薄膜接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
1+
)-d
n
(x
1-)＝0切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
1+
)＝d
t
(x
1-)≠0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
1+
)＝t
n
(x
1-)≠0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
1+
)＝t
t
(x
1-)≠0式中：x
1+
为x1的上表面，x
1—
为x1的下表面，d
n
为法向电位移，d
t
为切向电位移，t
n
为法向应力，t
t
为切向应力；所述绝缘层上表面x2与所述电极层接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
2+
)-d
n
(x
2-)＝σ
n
(x2)切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
2+
)＝d
t
(x
2-)＝0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
2+
)＝t
n
(x
2-)＝0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
2+
)＝t
t
(x
2-)＝0式中：x
2+
为x2的上表面，x
2—
为x2的下表面，σ
n
为电荷；所述压电薄膜下表面x3与所述压电衬底接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
3+
)-d
n
(x
3-)＝0切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
3+
)＝d
t
(x
3-)≠0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
3+
)＝t
n
(x
3-)≠0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
3+
)＝t
t
(x
3-)≠0
式中：x
3+
为x3的上表面，x
3—
为x3的下表面；则利用x1、x2、x3界面应力连续边界条件和电位移连续边界条件，建立基于该异质集成结构的声表面波滤波器结构的本征方程为：结构的声表面波滤波器结构的本征方程为：其中，所述绝缘层处有：e＝0式中：c为材料弹性常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为密度，u为位移。7.根据权利要求5所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，还包括温补层，所述温补层位于所述压电衬底和所述压电薄膜之间，且所述温补层采用具有正温度系数的材料制成。8.根据权利要求7所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述绝缘层下表面x1与所述压电薄膜接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
1+
)-d
n
(x
1-)＝0切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
1+
)＝d
t
(x
1-)≠0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
1+
)＝t
n
(x
1-)≠0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
1+
)＝t
t
(x
1-)≠0式中：x
1+
为x1的上表面，x
1—
为x1的下表面，d
n
为法向电位移，d
t
为切向电位移，t
n
为法向应力，t
t
为切向应力；所述绝缘层上表面x2与所述电极层接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
2+
)-d
n
(x
2-)＝σ
n
(x2)切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
2+
)＝d
t
(x
2-)＝0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
2+
)＝t
n
(x
2-)＝0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
2+
)＝t
t
(x
2-)＝0式中：x
2+
为x2的上表面，x
2—
为x2的下表面，σ
n
为电荷；所述压电薄膜下表面x3与所述温补层接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
3+
)-d
n
(x
3-)＝0切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
3+
)＝d
t
(x
3-)≠0法向应力连续边界条件为：
t
n
(x
3+
)＝t
n
(x
3-)≠0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
3+
)＝t
t
(x
3-)≠0式中：x
3+
为x3的上表面，x
3—
为x3的下表面；所述温补层下表面x4与所述压电衬底接触位置的电学和力学边界条件中：法向电位移连续边界条件为：d
n
(x
4+
)-d
n
(x
4-)＝0切向电位移连续边界条件为：d
t
(x
4+
)＝d
t
(x
4-)≠0法向应力连续边界条件为：t
n
(x
4+
)＝t
n
(x
4-)≠0切向应力连续边界条件为：t
t
(x
4+
)＝t
t
(x
4-)≠0式中：x
4+
为x4的上表面，x
4—
为x4的下表面；所述温补层的温度补偿原理为：所述温补层的温度补偿原理为：所述温补层的温度补偿原理为：所述温补层的温度补偿原理为：ρ
θ
＝ρ+ρ
(1)
θ+ρ
(2)
θ2+ρ
(3)
θ3r
θ
＝r+r
(1)
θ+r
(2)
θ2+r
(3)
θ3g
θ
＝g+g
(1)
θ+g
(2)
θ2+g
(3)
θ3θ＝(t-t0)其中，为弹性常数的n阶系数，为压电应力常数的n阶系数，为介电常数的n阶系数，δ
ik
是kronecker算子，为n阶热膨胀温度系数，ρ
(n)
为密度的n阶系数，r
(n)
为电极层第一拉梅常数的n阶系数，g
(n)
为电极层第二拉梅常数的n阶系数，t0为参考温度，t为温度环境，θ为温差；则利用x1、x2、x3、x4界面应力连续边界条件和电位移连续边界条件，建立温场条件下基于异质集成结构的声表面波压电器件系统本征方程：于异质集成结构的声表面波压电器件系统本征方程：其中，在所述绝缘层和所述压电衬底处有：e
θ
＝0式中：c
θ
为随温度变化的材料弹性常数，e
θ
为随温度变化的压电应力常数，ε
θ
为随温度变化的介电常数，ρ
θ
为随温度变化的密度，u为位移。
9.根据权利要求2所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述绝缘层采用以下材料中的至少一种制成：二氧化硅、蓝宝石和氮化硅；所述电极层为叉指电极，且所述电极层采用以下材料中的至少一种制成：铝、铜、金、铂和铜铝合金；所述压电衬底采用以下材料中的至少一种材料制成：铌酸锂、钽酸锂、石英、四硼酸锂、硅酸镓镧和铌酸镓镧；所述温补层采用二氧化硅材料制成。10.根据权利要求7所述的高温度稳定性的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述绝缘层的厚度为0.001λ～1λ，所述电极层的厚度为0.01λ～1λ，所述温补层的厚度为0.01λ～2λ，所述压电衬底的厚度为0.01λ～500λ，所述压电薄膜的厚度为0.01λ～500λ，其中，λ为所述电极层对应的波长。

技术总结
本发明公开了一种高温度稳定性的声表面波滤波器结构，该结构包括压电衬底和电极层，还包括绝缘层，且所述绝缘层位于所述压电衬底和所述电极层之间，本发明通过在电极层底部增加一定厚度的绝缘层，电极层没有直接接触到压电衬底的表面，和传统的电极层与压电衬底直接接触相比，电学边界条件发生很大变化，电场对各声波模式的激励效率也发生变化，保持主模声波激励效率和Q值(品质因数)的前提下添加一定厚度的绝缘层可抑制杂波模式寄生，同时由于绝缘层的存在，也使得器件的温度稳定性得到了大大的改善。大的改善。大的改善。


技术研发人员：陈正林 罗山焱 杜雪松 马晋毅 潘虹芝 贺艺 肖强 董加和 徐瑞豪 郑泽渔 陈彦光
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十六研究所
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/21