CN101953072A - 兰姆波谐振器 - Google Patents

Abstract

兰姆波谐振器(100)，包括至少一个压电层(102)和靠着压电层(102)的第一面放置的第一电极(106)，第一电极的图案在与压电层(102)的第一面所在平面平行的平面上并包括至少两个手指(108)和接触臂(110)，其中每个手指都包括一个与所述臂接触的第一边和相互平行且相隔距离W的另外两边，W由以下公式计算：

其中n∈N，va_lateral：兰姆波的声传播速度，n：兰姆波谐振模式的阶数，f：谐振器的谐振频率，以及与第一面所在平面处于同一水平且位于第一电极的手指之间的压电层的一些部分(114)，这些部分是经过至少部分蚀刻的。

Description

兰姆波谐振器

技术领域

本发明涉及谐振器领域，以及由兰姆波谐振器得来的滤波器的领域。这些滤波器用于例如RF(射频)传输和/或接收结构(如移动通讯设备)，以便执行例如信道滤波或中频滤波。

背景技术

为了进行射频过滤，已知的是使用SAW(声表面波)滤波器，其由耦合的SAW谐振器制作。通常，对于此类尺寸约等于3mm×3mm×1mm的滤波器，插入耗损可以在2.5到3dB之间，衰减约等于30dB。但是，这些滤波器也有其局限性：最大谐振频率一般约等于3GHz，最大功率消耗约等于1W。运行该范围之外时，SAW器件具有明显的传播损失。

现有的技术也已知的是，由电耦合(例如，梯形或格形结构)或声耦合(称作“层叠晶体滤波器”的SCF型，或称作“耦合谐振滤波器”的CRF型)的BAW压电谐振器来实现滤波器，称作BAW(声体波)滤波器。在这样滤波器中，要过滤的信号在层叠的谐振层里，直接地或以声传播介质的方式，垂直地一层一层地传播。由这些BAW滤波器能够得来的尺寸和插入耗损与SAW滤波器相当。然而，这些BAW滤波器的功率消耗可以达到约3W，且最大谐振频率可以高于大约16GHz。最后，这些滤波器的制造与CMOS和BiCMOS技术兼容。

图1示出了BAW谐振器1的例子，它包括基于压电材料的层2，下电极4和上电极6。在与平面(x，z)(沿图1所示的x和z轴)平行的平面上，下电极4和压电层2二者的尺寸基本相同，且由此下电极4完全被压电层2覆盖。相反地，上电极6的形状和尺寸与下电极4不同。在图1的例子中，上电极6沿x轴的尺寸比下电极4小。下电极4和上电极6之间的尺寸差异在压电层2上形成两个区域：第一活跃区域8，在这里压电层2被包含在两个电极4和6之间；第二不活跃区域10，在这里压电层2被放置在下电极4之上，而没有被上电极6覆盖。波在活跃区域8中的传播速度与在不活跃区域10中不同。这种传播速度的差异造成了由于横波(称作兰姆波Lamb Waves)垂直于纵波传播而产生的寄生谐振。兰姆波的能量与活跃区域8和不活跃区域10之间的声体波传播系数(沿y轴的传播)的差值成正比。

US 2006/0076852A1文件公开了采用声体波的电声组件。在这份文件中，电极被周期性地放置在压电层上，以把声体波引导到该组件中。该层的压电系数的值在电极处和电极没有覆盖的部分处是不同的。关于压电层中传播系数的这一差异很难得到，需要有特殊的对压电层的处理步骤。

IEEE Ultrasonics Symposium，2005，A.Volatier et al.的文件“UHF/VHFresonator using Lamb waves co-integrated with Bulk Acoustic Wave resonators”的第902到905页，公开了包括正方形或长方形电极的兰姆波谐振器。在文件中，根据所需的谐振频率选择谐振模式的阶数。特别地，这些谐振器具有品质因数相对低和串联电阻高的缺点。

发明内容

本发明的目的之一是提出兰姆波谐振器，它的形状使它可以最好地利用兰姆波的谐振能量，同时和现有技术的谐振器相比，其品质因数高且串联电阻低，并且其制造不要求特殊的对压电层的处理步骤。

为此，本发明提出了兰姆波谐振器，其包括至少一个基于至少一种压电材料的层和放置在压电层的第一面的第一电极，而其在与压电层的第一面的平面平行的平面上的图案包括至少两个手指和一个接触臂，其中每一个手指都包括了与所述臂接触的第一边和另外两个相互平行且彼此间隔距离W的边，W根据下述公式计算：

$W=n.\frac{{\mathrm{va}}_{\mathrm{lateral}}}{f},$ 其中n∈N

va_lateral：兰姆波的声传播速度，

n：兰姆波谐振模式的阶数，

f：谐振器的谐振频率，

在压电层第一面的平面上，压电层的一些部分的表面位于第一电极的手指之间，被至少部分地蚀刻。

因此，形成谐振器的上电极的一部分的各手指的宽度是根据所需的谐振频率、所需谐振模式的阶数和谐振器中测量以及计算所得的声传播速度来确定大小的。

于是，利用包括宽度W按此计算的手指的此类谐振器，在所述谐振器中产生的兰姆波的谐振能量得到了最好的使用。此外，由此相对于现有技术的设备，增大了品质因数，降低了谐振器串联电阻。

特别地，这样一个高品质因数的谐振器可以制造：

-具有非常低的相位噪声和低消耗的电压控制振荡器，

-具有低插入耗损和高选择性的中频滤波器(大约在10MHz至200MHz之间)，

-具有非常高的抑制和非常低的消耗的带通sigma-delta调制器。

一般来说，在中频带中，这些优势在任何类型的使用了至少一个这种谐振器的设备中都可以得到体现。

此外，通过对位于第一电极的手指之间的压电层的部分的至少部分蚀刻，降低了位于第一电极的手指之间的谐振器的不活跃区域处的压电材料的密度。在位于第一电极的手指处的压电层活跃区域和位于第一电极的手指间的压电层不活跃区域之间，这些被蚀刻的部分建立了声传播条件的间断。该间断改变了压电层中的声传输参数，由此人们可以把声谐振能量限制在谐振器的活跃区域中。

因此，没有必要实现对压电层的特殊的处理步骤，而只需要一个或多个可通用于蚀刻谐振器的其它元件的蚀刻步骤。

可以根据包括多个孔的图案在压电层的第一面的平面上对压电层的所述部分进行蚀刻。

或者，可以完全蚀刻压电层的所述部分。

可以在压电层的第一面和与之相对的第二面之间对所述部分进行穿透蚀刻。

谐振器还可以包括放置在与压电层的第一面相对的第二面上的第二电极。

在平行于压电层的第一面平面的平面上，第一电极的手指的表面可以包括在由所述同一平面上的第二电极形成的表面中。

在平行于压电层的第一面平面的平面上的第二电极可以包括至少包括两个手指和一个接触臂的图案，其中，在平行于压电层的第一面平面的平面上的第二电极的手指的表面和由所述同一平面上的第一电极的手指形成的表面可以相似和叠加。

在平行于压电层的第一面平面的平面上的第二电极的图案可以与第一电极的图案相似。在平行于压电层的第一面的平面上的第二电极的接触臂的表面可以不和在所述同一平面上的第一电极的接触臂的表面相叠加。

第一电极的每个手指可以基本上是长方形。

第一电极可以包括大约2到100个手指，并且最好至少4个手指。

第一电极的接触臂可以基本上是长方形。

与第一电极的每个手指的相隔距离为W的两边平行的直线可以基本上垂直于穿过第一电极的接触臂的一个边的直线，该接触臂和所述手指连接。第一电极的手指可以连接到第一电极的接触臂一个边，或相对的两边，或三个边。

或者，第一电极的接触臂可以包括至少一个基本上为圆形的部分，各个手指连接在该部分上。

本发明还涉及一种制造兰姆波谐振器的方法，包括至少一个制作在基于至少一种压电材料的层的第一面上的第一电极的步骤，在和压电层的第一面平行的平面上，其图案包括至少两个手指和一个接触臂，其中每一个手指都包括一个与所述臂接触的第一边，和互相平行且相隔距离为W的两个边，W由以下公式计算：

$W=n.\frac{{\mathrm{va}}_{\mathrm{lateral}}}{f},$ 其中n∈N

va_lateral：：兰姆波的声传播速度，

n：兰姆波谐振模式的阶数，

f：谐振器的谐振频率，

以及至少一个对压电层的一个部分进行至少部分蚀刻的步骤，在压电层的第一面的平面上，该部分的表面位于第一电极的手指之间。

该方法还可以包括，例如，在制作第一电极的步骤之后的制作在压电层的和第一面相对的第二面上的第二电极的步骤。

附图说明

通过参照附图阅读下面对仅作为指示性而非限定性目的而提供的示例性实施例的描述，可以更好地理解本发明，其中：

-图1示出了根据现有技术的BAW谐振器；

-图2A和2B根据第一实施例分别示出了本发明的兰姆波谐振器的顶视图和截面图；

-图3至图6根据第二、第三、第四和第五实施例分别示出了本发明的兰姆波谐振器的顶视图；

-图7A和7B根据第六实施例分别示出了本发明的兰姆波谐振器的顶视图和截面图；

-图8A和8B根据第一实施例的变型分别示出了本发明的兰姆波谐振器的顶视图和截面图。

为了不同的图之间的一致性目的，下面描述的相同、类似或相对应的部分具有相同的数字编号。

各图中示出的不同的部分不一定以相同比例展示，以方便阅图。

各种可能性(变型和实施例)必须被理解为不互相排斥的且可以互相结合的。

具体实施方式

首先参看图2A和2B，根据第一实施例，它们分别示出了兰姆波谐振器100的顶视图和沿图2A所示AA轴的横断面图。

该兰姆波谐振器100包括基于压电材料的层102。优选地，压电材料是氮化铝和/或氧化锌和/或PZT。该压电层102的厚度的取值取决于实施例，以及谐振器100的其它元件的形状和尺寸(它们本身取决于需要的谐振器的耦合系数k)。具体来说，压电层102的厚度可以在1微米至2微米之间。该压电层102被放置在图2B示出的下电极104上。在此情况下，在与(x，z)面平行的平面上的压电层102的形状和尺寸基本上和同一平面上的下电极104相似。

该兰姆波谐振器100还包括另一个电极，称为上电极106，其制作在压电层102上。上电极106包括多个连接到接触臂110的手指108。在第一实施例中，上电极106包括5个手指108。接触臂110和下电极104被用作谐振器100的电接触。上电极106，即接触臂110和手指108的厚度大约在例如0.1和1微米之间。在此情况下，接触臂110的长度(沿图2A中x轴的尺寸)和宽度(沿图2A中z轴的尺寸)大约在1到300微米之间。宽度大于长度的接触臂110使增大谐振器100的品质因数并同时降低接触臂110的电阻从而降低谐振器100的串联电阻成为可能。在此第一实施例中，适配压电层102以及下电极104的长度和宽度，以使得在(x，z)面中，上电极106的表面被包括在同一平面上的下电极104或者压电层102的表面中。

电极104和106可以由比如铂和/或铝和/或钼和/或钨进行传统的PVD(物理气相沉积)制作，然后进行等离子蚀刻。

手指108形成压电层102上的电极106的间断区112，手指108将这些间断区112隔开。在第一实施例中，每个手指108是一个宽度为W(即沿x轴的尺寸)的长方形，W是由下面公式计算的：

$W=n.\frac{{\mathrm{va}}_{\mathrm{lateral}}}{f},$ 其中n∈N

因此，尺寸W代表压电层102上的上电极106的两个间断区112之间的距离。

“va_lateral”代表兰姆波的声传播速度。该速度与层102的材料的几何参数和谐振参数以及电极104、106和更概括的谐振器100的声特性成正比。

“n”代表上电极106上的被手指隔开的两个间断区112之间的声距离，即谐振器100中兰姆波的谐振模式的阶数。

最后，f是谐振器100的谐振频率。谐振频率f的最大值取决于手指108的可能的最小宽度，其对应于制作谐振器100的技术节点的值。如果谐振器100由35纳米技术制造，则该最小宽度等于35纳米，而对于谐振器来说则对应于最大谐振频率f等于几百兆赫兹，即大约低于1GHz。

因此，通过基于层102的谐振特性、层102和电极104、106的形状而计算兰姆波的声传播速度va_lateral来确定指状件108的尺寸。根据期望的传播模式和谐振频率，可以计算出W并由此得出上电极106的手指108的尺寸。例如，手指108的宽度等于1微米，或大约介于1至100微米之间；手指108的长度大约介于10至50微米之间。并且，手指108之间的间隔大约介于1至10微米之间。最后，在第一实施例中，手指108与接触臂110组成篦纹。手指108形成垂直于接触臂110排列的长方形，而接触臂110也基本是长方形，即，与手指108的相隔距离为W的两边平行的直线垂直于穿过连接手指108的接触臂110的边的直线。

压电层102上的位于上电极的一个手指108和下电极104之间的部分组成了谐振器100的活跃区域。在这些活跃区域之间，即间断区112处，对压电层102的部分进行蚀刻而穿透层102。如图2A所示，该蚀刻在压电层102上在手指108之间形成凹形114。这些凹形114形成了谐振器100的不活跃区域。

在所述谐振器100中，S₀模式的对称兰姆波对获得期望的谐振起主要作用。兰姆波的能量与这些波在压电层102的活跃区(即压电层102的位于上电极106的一个手指108和下电极104之间的区域)的传播速度和在压电层102的非活跃区(即在压电层102的手指108之间形成的凹形114)的传播速度之间的差成正比。选择的n越低(例如，对于基模n＝1)在手指108上得到的谐振能量越高。

在压电层102上形成的凹形114使得在谐振器的活跃区域和不活跃区域获得非常不同的传播条件(特别是声阻抗和声传播速度)成为可能。因此，在不活跃区域的声传播系数低于在活跃区域的声传播系数，这样可以把传播能量限制在谐振器的活跃区域处。

如上所述，通过将两个谐振器100声耦合就可以获得谐振滤波器，使得在寄生谐振频率f_k＝k.f处获得高谐振成为可能，其中k是非零整自然数，f是滤波器100的谐振频率。

图3根据第二实施例示出了兰姆波谐振器200。相对于根据第一实施例中谐振器100的上电极106，谐振器200的上电极206包含8个手指108，能够例如在形状上与图2A和2B中的手指108基本相似。其中四个手指108连接到接触臂110的第一边，该接触臂110也和第一实施例中的接触臂110相似，另外四个手指108连接到接触臂110的与第一边相对的第二边。手指108形成垂直于接触臂110排列的长方形，即，与手指108的相隔距离为W的两边平行的直线垂直于穿过连接手指108的接触臂110的边的直线。

图4根据第三实施例示出了兰姆波谐振器300。相比前面的谐振器，谐振器300的上电极306包括9个手指108，每个手指的形状都可以和第一和第二实施例中的手指108基本形似。其中三个手指108连接到接触臂310的第一边。相比最初的两个实施例的接触臂110，在平面(x，z)上该接触臂310的尺寸在大约1到400微米之间。另外三个手指108连接到接触臂310的与第一边相对的第二边。最后，还有另外三个手指108连接到接触臂310的第三边，第三边与接触臂310的第一边和第二边垂直。

图5根据第四实施例示出了兰姆波谐振器400。相比前面的谐振器，谐振器400的上电极406包括接触臂110，例如其与最初的两个实施例的接触臂110相似。上电极406还包括与臂110接触的10个手指。相比前面的实施例中的手指108，手指408的形状不是长方形。但是，和手指108一样，手指408包括两个相隔距离为W的平行边，W的计算方式与前面的实施例相似。这两个边与臂110的一个边接触。在第四实施例中，与所述两个边平行的直线不垂直于穿过与手指408连接的臂110的边的直线。在此情况下，每个手指408包括一个圆形自由端。最后，在图5中可见，手指408相对于接触臂110以“鱼骨形”图案排列。

相对于第一实施例，谐振器200、300和400针对同一个活跃平面(即上电极206、306和406的手指108所覆盖的表面)可以具有比谐振器100的上电极106的手指108更短的手指长度，由此减小了它们的接入电阻，因而减小了谐振器的串联电阻。此外，手指108长度的减少使得减少谐振器工作的电感效应成为可能。

图6根据第五实施例示出了兰姆波谐振器500。相比上述谐振器，谐振器500包括上电极506，其接触臂510包括基本上呈长方形的部分512，其连接到一个基本上呈圆形的部分514。上电极506还包括13个手指108，例如与第一、第二和第三实施例中的手指108相似。这13个手指108连接到臂510的圆形部分514，并在所述圆形部分周围均匀分布。

在所述图6中可以看出，手指108互相之间不是平行排列，即，第一手指108的相隔距离为W的两个边不平行于与第一手指108相邻的第二手指108的相隔距离为W的两个边。在图6的例子中，手指108的对称轴平行于相隔距离为W的两个边，且在此情况下，与上电极506的圆形部分514形成的圆的直径对齐。

相对于根据第一实施例的谐振器100，该谐振器500还可以减小第一电极506的手指108的接入电阻，因为它们的长度比第一实施例中的谐振器100的手指108短。此外，在此情况下，所有的手指108的接入电阻都相同。该第五实施例还可以使在压电层102上所占据的同样面积上的手指108的数量最大化。最后，该结构的优势是不产生电感效应，特别是当谐振器500在高频工作时，即在几百兆赫兹时。

作为对上述各个实施例的变型，在压电层的不活跃区域(即位于上电极的手指之间的、没有被上电极的手指覆盖的压电层的区域)中实现不穿透的蚀刻。

图7A及7B分别示出了谐振器600的顶视图和沿图7A所示的AA轴的截面图，该谐振器600包括不活跃蚀刻区域602。该蚀刻可以去除压电材料，从而减少在不活跃区602处的材料的平均相对密度。材料的平均相对密度的减少改变了传播条件，尤其是声阻抗和传播速度，造成这些不活跃区域的传播系数显著降低。这样，通过增加活跃区域和不活跃区域之间的传播系数差异而增加了集中在兰姆波中的声能量。

在平面(x，z)中，可以对如图7A和7B所示例子中的手指108之间的不活跃区域的整个表面进行蚀刻，或者只对这些不活跃区域的一部分(例如通过制造沟道或通孔)进行蚀刻。

作为对上述各实施例的变型，下电极也可以在形状和尺寸上与在图2A所示的压电层102(平面(x，z)中)中不同。在此情况下，尤其是下电极的图案可以与上电极的相似，根据实施例这些下电极分别是106、206、306、406或506，并排列为使得压电层的活跃区域仅位于上电极的手指和下电极的手指之间，且压电层的其他部分只和两个电极之一连接。

图8A及8B分别示出了此种变型的谐振器700的顶视图和沿图8A所示AA轴的截面图。在图8A中，下电极104的接触臂105由虚线示出。下电极104的手指103如图8B所示。在这些图中，上电极106的手指108叠放在下电极104的手指上。

这种变型尤其可以减小上、下电极的接触臂的长度(沿图8B的x轴的尺寸)并增加这些接触臂的宽度(沿图8A的z轴的尺寸)，从而，在如图2A、2B描述的包括下电极104的谐振器的相同谐振频率上，降低了谐振器的各个手指的接入电阻，进而降低了谐振器的串联电阻。

此外，在该变型实施例中，按照包括多个孔116的图案对压电层102的不活跃区域进行蚀刻。这些孔116使得可以减小层112的压电材料的平均密度，因而改变了压电层102的活跃区和不活跃区之间的传播条件。在平面(x，y)上，孔的直径d在例如大约在10到50微米之间，这样d＜＜λa，或者如d＜(λa10)，其中λa：兰姆波的横向声波长。

Claims (16)

1.兰姆波谐振器(100、200、300、400、500、600、700)包括：基于至少一种压电材料的至少一个层(102)和靠着该压电层(102)的第一面放置的第一电极(106、206、306、406、506)；所述第一电极在与所述压电层(102)的第一面所在平面平行的平面上的图案包括：至少两个手指(108、408)和接触臂(110、310、510)，其中每个手指(108、408)包括与所述臂(110、310、510)接触的第一边和相互平行且相隔距离W的另外两边，W按下面公式计算：

$W=n\·\frac{{\mathrm{va}}_{\mathrm{lateral}}}{f},$ 其中n∈N

va_lateral：兰姆波的声传播速度，

n：兰姆波谐振模式的阶数，

f：谐振器的谐振频率；

以及所述压电层(102)的一些部分(114、116、602)是经过至少部分蚀刻的，其表面与所述压电层(102)的第一面所在平面处于同一水平并位于所述第一电极(106、206、306、406、506)的手指(108、408)之间。

2.根据权利要求1所述的谐振器(700)，其中，根据包括多个孔的图案，在所述压电层(102)的第一面所在平面上，对所述压电层(102)的所述部分(116)进行蚀刻。

3.根据权利要求1所述的谐振器(100、200、300、400、500)，其中，对所述压电层(102)的所述部分(114)进行完全蚀刻。

4.根据前述权利要求之一所述的谐振器(100、200、300、400、500、700)，其中，在所述压电层(102)的第一面和所述压电层(102)的第一面反面的第二面之间，对所述部分(114、116)进行穿透蚀刻。

5.根据前述权利要求之一所述的谐振器(100、200、300、400、500、600、700)，还包括：靠着所述压电层(102)的第一面反面的第二面放置的第二电极(104)。

6.根据权利要求5所述的谐振器(100、200、300、400、500、600、700)，其中，与所述压电层(102)的第一面所在平面平行的平面上的所述第一电极(106、206、306、406、506)的手指(108，408)的表面被包含在同一所述平面上的所述第二电极(104)形成的表面之内。

7.根据权利要求5所述的谐振器(700)，其中，所述第二电极(104)在与所述压电层(102)的第一面所在平面平行的平面上包括图案，该图案包括：至少两个手指(103)和接触臂(105)，其中与所述压电层(102)的第一面所在平面平行的平面上的所述第二电极(104)的手指(103)的表面与同一所述平面上的所述第一电极(106)的手指(108)形成的表面相似且叠置。

8.根据权利要求7所述的谐振器(700)，其中，与所述压电层(104)的第一面所在平面平行的平面上的所述第二电极(104)的图案与同一所述平面上的所述第一电极(106)的图案相似；与所述压电层(102)的第一面所在平面平行的平面上的所述第二电极(104)的接触臂(105)的表面与同一所述平面上的所述第一电极(106)的接触臂(110)的表面不叠置。

9.根据前述权利要求之一所述的谐振器(100、200、300、500、600、700)，其中，所述第一电极(106、206、306、506)的每个手指(108)基本上都是长方形。

10.根据前述权利要求之一所述的谐振器(100、200、300、400、500、600、700)，其中，所述第一电极(106、206、306、406、506)的手指(108，408)的数目大约在2到100之间。

11.根据前述权利要求之一所述的谐振器(100、200、300、400、600、700)，其中，所述第一电极(106、206、306、406)的接触臂(110、310)基本上都是长方形。

12.根据权利要求11所述的谐振器(100、200、300、600、700)，其中，与所述第一电极(106、206、306)的相隔距离W的每个手指(108)的两条边平行的直线基本上垂直于穿过所述第一电极(106、206、306)的与手指(108)连接的接触臂(110、310)的边的直线。

13.根据权利要求11或12所述的谐振器(100、600、700)，其中，所述第一电极(106)的手指(108)连接到所述第一电极(106)的接触臂(110)的一条边、或两条相对的边、或三条边。

14.根据权利要求1到10中之一所述的谐振器(500)，其中，所述第一电极(506)的接触臂(510)包括：至少一个基本上是圆形的部分(514)，所述手指(108)与之连接。

15.制作兰姆波谐振器(100、200、300、400、500、600、700)的方法，包括：至少一个制作靠在基于至少一种压电材料的层(102)的第一面上的第一电极(106，206，306，406，506)的步骤，所述第一电极在与所述压电层(102)的第一面所在平面平行的平面上的图案包括：至少两个手指(108、408)和接触臂(110、310、510)，其中每个手指(108、408)包括与所述臂(110、310、510)接触的第一边和相互平行且相隔距离W的两边，W根据以下公式计算：

$W=n\·\frac{{\mathrm{va}}_{\mathrm{lateral}}}{f},$ 其中n∈N

v_alateral：兰姆波的声传播速度，

n：兰姆波谐振模式的阶数，

f：谐振器的谐振频率；

以及至少一个对所述压电层(102)的一些部分(114、116、602)进行至少部分蚀刻的步骤，所述部分的表面与所述压电层(102)的第一面所在平面处于同一水平并位于所述第一电极(106、206、306、406、506)的手指(108、408)之间。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：制作靠在所述压电层(102)的第一面反面的第二面上的第二电极(104)的步骤。

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