一种窄带温补型声表面波滤波器

冷俊林，董加和，陆 川，陈运祥，李桦林，陈尚权，彭 霄，寇 俊，唐永红，米 佳

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

在星载、通讯电台等系统中，需要用到窄带滤波器。在众多滤波器中，声表面波(SAW)滤波器以其体积小、一致性好等优势备受青睐。在L波段，大部分窄带滤波器采用(36°～42°)Y切X向传播的钽酸锂(36°～42°Y-XLiTaO3)晶片,但是此类型的普通SAW滤波器的频率温度系数为(-40～-32)×10-6/℃，这限制了该类型滤波器在L波段的应用。因此，星载、通讯电台等系统对高稳定性的温补型SAW(TCSAW)滤波器需求较迫切。国外TCSAW滤波器的研究起步较早，目前日本村田、美国Qorvo等公司已实现了TCSAW滤波器的批量生产，而国内尚处于样品开发阶段。2011年，日本Hashimoto教授对近年来TCSAW器件研究进行了归纳总结[1]。我们借鉴国外的研究经验，采用42°Y-XLiTaO3(简称42LT)作为衬底，再用二氧化硅(SiO2)膜作为温度补偿层研制了窄带TCSAW滤波器。

1 频率温度系数曲线理论计算

随着SiO2厚度变化的频率温度系数(TCF)曲线对研究TCSAW器件具有重要指导意义。我们采用Hashimoto教授的方法[2]及其FEM/SDA开源代码，在此基础上进行了相应的修改,实现了TCF曲线的计算。TCF有一个经典的公式，即

(1)

式中：v为速度；f为频率；T为温度；TCV为速度温度系数；CTE为衬底的热膨胀系数。由式(1)可见，若要得到TCF,则需得到TCV和CTE,其中TCV通过改进的FEM/SDA模型计算得到，而CTE为固定值，本文采用的42LT的CTE为16×10-6/℃。该理论计算采用的TCSAW剖面结构如图1所示。首先计算出42LT衬底的开路栅和短路栅下的TCV，如图2所示。在图2的基础上，最终得到短路栅TCF曲线，如图3所示。图1～3中,hSiO2为SiO2的厚度，λ为叉指换能器(IDT)的波长。由图3可知，当hSiO2/λ=0时，即表示无SiO2时42LT短路栅TCF为-32.34×10-6/℃，与文献[3]中-33×10-6/℃的报道接近。从图3可见，要实现零TCF的TCSAW器件，hSiO2/λ=0.32为最佳。

图1 理论计算采用的TCSAW剖面结构

图2 TCV计算结果

图3 短路栅的TCF计算结果

2 TCSAW振子研究

在进行TCSAW滤波器研制前，首先研究了TCSAW振子，并以此提取了适合TCSAW设计的COM参数。设计了振子并进行工艺制作，hSiO2=600～800 nm，叉指金属采用厚为150 nm的Cu膜。图4为振子版图。

图4 振子版图

通过多个不同SiO2厚度方案的振子流片，研制了TCF为-2.52×10-6/℃的振子样品，对应的hSiO2=750 nm。

图5为振子三温实测曲线图。在图5的基础上，我们提取了适合TCSAW的COM参数，图6为实测及模拟曲线对比。图中,S4,3为实测频率响应,S2,1为模拟频率响应。

图5 振子三温实测曲线

图6 振子实测及模拟曲线对比

3 温度补偿膜制备及平坦化处理

SiO2的成膜质量对研制TCSAW非常关键，同时研制的SiO2薄膜不能出现空洞和缺陷。通过研究，我们研制出了高密度、无孔隙的SiO2薄膜(见图7)，满足TCSAW器件制作的要求。

图7 制备的SiO2薄膜

由图7可知，制作的SiO2膜上表面不平整，这会导致振子的品质因数(Q)下降，为此我们进行了平坦化研究。利用化学机械抛光SiO2薄膜法获得平坦表面形貌，同时也将SiO2表面的均匀性提高到1%，如图8、9所示。

图8 制备的平坦化SiO2薄膜

图9 平坦化SiO2薄膜的均匀性测试

4 TCSAW滤波器研制

在振子研究及工艺制作研究的基础上，设计了阻抗元结构的TCSAW滤波器(见图10)。图中，IEF31表示版标，用于识别设计方案。该滤波器的金属膜厚及平坦化后SiO2厚度与振子设计一致。图11为研制出的TCSAW芯片表面形貌。

图10 TCSAW滤波器设计结构

图11 TCSAW滤波器芯片形貌

制作了温补型SAW滤波器样品并进行了测试，测试曲线如图12所示。由图可知，测试的中心频率约为1 362.5 MHz，在-55～85 ℃内频率漂移仅约388.2 kHz，频率温度系数为-2.035×10-6/℃，插入损耗约为1.3 dB。TCF计算式为

(2)

式中：f25为常温中心频率;df为-55～85 ℃内频率漂移;dT=140 ℃为温度变化。

图12 TCSAW滤波器样品测试结果

5 结束语

本文从理论上计算了频率温度系数曲线，对TCSAW振子进行研究，并制作了振子样品。同时，通过工艺研究获得了满足TCSAW要求的高密度、无孔隙的平坦SiO2薄膜。在此基础上研制了TCSAW滤波器样品，其常温中心频率为1 362.5 MHz，在-55～85 ℃内频率漂移仅388.2 kHz，频率温度系数仅-2.035×10-6/℃。