基于TSV的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器

基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器
技术领域
1.本发明属于滤波器技术领域，涉及基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器。


背景技术：

2.随着无线通信技术的发展，射频芯片中的滤波器已经成为了发展最快、最不可或缺的模块之一，薄膜体声波谐振器(thin film bulk acoustic resonator,fbar)因为其优异的性能与良好的兼容性，其器件可应用于高频段，多制式通讯技术需求的无限通讯射频前端，是目前移动通信领域高频滤波器拓展方向中的最优解。
3.fbar是一种通过声音信号的谐振实现相同电信号选频的一种器件，工作区域由金属上电极——压电薄膜——金属下电极构成，fbar的结构、工作模式和材料选择决定了它具有以下特性：体积小，由于体声波的传播速度(约331.5m/s)仅有电磁波传播速度(约3.0*10^8m/s)的1/100000倍，因此基于体声波模式的工作器件体积也远小于电磁波模式的工作器件、压电薄膜材料自身具有高q值的特点使谐振器也同样具有优良的特性、加工工艺的兼容性好，成品率高。常见的fbar滤波器结构通常为阶梯型结构和桥型结构。本结构采用的是fbar阶梯型结构。
4.tsv(硅通孔)技术作为三维集成电路的重要组成部分，3d-ic中tsv作为各层之间互通的“桥梁”，实现不同层之间的信息交换和传输，在平面集成电路中通过金属线进行芯片之间的连接，而在垂直互连中，可以实现将所有不同芯片、系统之间的堆叠。可显著提高传输效率、降低功耗和节省成本，使集成电路的设计不再拘于二维平面的束缚，具有更多的自由度，同时在机械强度、热应力和散热等几个方面具有良好的可靠性，目前是解决二维集成电路尺寸极限的最佳解决方案之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器，该滤波器结构能够有效减少滤波器的体积，同时提高滤波器的性能。
6.本发明所采用的技术方案是，基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器，包括硅衬底，硅衬底上设有二氧化硅支撑层，二氧化硅支撑层的上方分布有若干个压电薄膜体声波谐振器。
7.本发明的特点还在于：
8.压电薄膜体声波谐振器的数量为12个，12个压电薄膜体声波谐振器分别为：谐振器a、谐振器b、谐振器c、谐振器d、谐振器e、谐振器f、谐振器g、谐振器h、谐振器i、谐振器j、谐振器k、谐振器l；谐振器a、谐振器b、谐振器c、谐振器d、谐振器e、谐振器f依次串联，谐振器g与谐振器a并联，谐振器h与谐振器b并联，谐振器i与谐振器c并联，谐振器j与谐振器d并联，谐振器k与谐振器e并联，谐振器l与谐振器f并联。
9.12个压电薄膜体声波谐振器的结构相同，单个谐振器的结构为：包括谐振器压电薄膜、谐振器压电薄膜的四周均匀分布有四个tsv圆柱，四个tsv圆柱的顶部均通过五棱柱
状的顶电极连接在一起，四个tsv圆柱的底部均通过四边形的底电极连接在一起；底电极与压电薄膜之间设有二氧化硅支撑层；每个tsv铜柱与压电薄膜之间设有二氧化硅隔离层。
10.顶电极、底电极的材质均为铜。
11.压电薄膜的材料选用aln。
12.本发明的有益效果是，本发明结构为阶梯形滤波器设计结构，这样的串并联排列设计的特点能够灵活的调整谐振器之间的位置，在减少滤波器的面积后并且拥有的集成度，提高了滤波器的独立性。相较于普通阶梯型滤波器能够在有限的空间内更加合理的利用空间；大幅度提高滤波器的带宽，同时能够有效的改善带外抑制，插入损耗小于2db，回波损耗小于20db；设计紧凑，结构简单，能够广泛应用在无线通信系统中。
附图说明
13.图1是本发明基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器的原理图；
14.图2是本发明基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器的平面图；
15.图3是本发明基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器的剖视图；
16.图4是本发明基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波谐振器的侧视图；
17.图5是本发明基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器中tsv圆柱平面图；
18.图6是本基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器中谐振器的s参数仿真曲线图。
19.图中，1.输入端口，2.输出端口，3.gnd，4.tsv圆柱，5.顶电极，6.压电薄膜，7.二氧化硅支撑层，8.底电极，9.谐振器a，10.谐振器b，11.谐振器c，12.谐振器d，13.谐振器e，14.谐振器f，15.谐振器g，16.谐振器h，17.谐振器i，18.谐振器j，19.谐振器k，20.谐振器l，21.硅衬底，22.空气腔，23.二氧化硅隔离层。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
21.本发明基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波滤波器的原理图如图1所示，该滤波器共由12个压电薄膜体声波谐振器串并联组成(下文中谐振器均指压电薄膜体声波谐振器)；本发明基于tsv的阶梯型窄带带通压电薄膜体声波滤波器，如图2、3所示，包括硅衬底21，硅衬底21上设有二氧化硅支撑层7，二氧化硅支撑层7的上方分布有12个压电薄膜体声波谐振器；
22.12个压电薄膜体声波谐振器分别为：谐振器a9、谐振器b10、谐振器c11、谐振器d12、谐振器e13、谐振器f14、谐振器g15、谐振器h16、谐振器i17、谐振器j18、谐振器k19、谐振器l20；
23.谐振器a9、谐振器b10、谐振器c11、谐振器d12、谐振器e13、谐振器f14依次串联，谐振器g15与谐振器a9并联，谐振器h16与谐振器b10并联，谐振器i17与谐振器c11并联，谐振器j18与谐振器d12并联，谐振器k19与谐振器e13并联，谐振器l20与谐振器f14并联。
24.谐振器a9、谐振器b10、谐振器c11、谐振器d12、谐振器e13、谐振器f14、谐振器g15、谐振器h16、谐振器i17、谐振器j18、谐振器k19、谐振器l20结构均相同；如图3～5所示，包括谐振器压电薄膜6、谐振器压电薄膜6的四周均匀分布有四个tsv圆柱4，四个tsv圆柱4的顶
部均通过五棱柱状的顶电极5连接在一起，四个tsv圆柱4的底部均通过四边形的底电极8连接在一起；底电极8与压电薄膜6之间设有二氧化硅支撑层7；每个tsv铜柱4与压电薄膜6之间设有二氧化硅隔离层23。
25.谐振器a9上的顶电极5连接输入端口1；谐振器f14上的顶电极连接输出端口2；谐振器g15、谐振器h16、谐振器i17、谐振器j18、谐振器k19、谐振器l20上的顶电极5接gnd3；
26.每个tsv铜柱4贯穿压电薄膜6连接顶电极5和底电极8；顶电极5、底电极8、gnd3及连接12个谐振器中顶电极5用的连接线材质均为铜，铜的厚度为0.375um、线宽为50um；
27.压电薄膜6的材料选用aln、厚度为0.82um；
28.空气腔22的厚度为1.5um；二氧化硅支撑层7的尺寸为600
×
740um2、厚度为0.15um。
29.在每个谐振器中，顶电极5的形状为正五棱柱，谐振器a9、谐振器b10、谐振器d12、谐振器e13、谐振器l20中的顶电极外接圆半径为32um；
30.谐振器c11、谐振器i17中的顶电极5外接圆半径为39um；
31.谐振器f14、谐振器ij18中的顶电极外接圆半径为51um，谐振器f14、谐振器g15、谐振器j18中的顶电极5外接圆半径为51um；
32.谐振器h16、谐振器k19中的顶电极5外接圆半径为71um；
33.谐振器a9、谐振器b10、谐振器c11、谐振器e13、谐振器l20中的压电薄膜6与空气腔22尺寸均为90*90um2；
34.谐振器f14、谐振器i17中的压电薄膜6和空气腔22的均尺寸为120*100um2；谐振器g15、谐振器h16、谐振器j18、谐振器l20中的压电薄膜6和空气腔22的均尺寸为150*150um2。
35.本发明基于tsv的阶梯型窄带压电薄膜体声波中单个谐振器的插入损耗和回波损耗参数如图6所示，其插入损耗s12小于2db，回波损耗s11接近20db。