CN103117724A

CN103117724A - 一种压电谐振器

Info

Publication number: CN103117724A
Application number: CN2013100082191A
Authority: CN
Inventors: 黄德进; 罗昕逸; 张文亮; 王骥; 杜建科
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: CN103117724B

Abstract

本发明公开了一种压电谐振器，包括工作区，工作区由压电薄膜层及形成于压电薄膜层的上表面上的上金属电极和形成于压电薄膜层的下表面上的下金属电极组成，压电薄膜层由等高度的一个中心圆柱压电体和多个直径各不相同的筒状压电体组成，小直径的筒状压电体同轴位于大直径的筒状压电体内，中心圆柱压电体同轴位于具有最小直径的筒状压电体内，优点是这种结构不仅减小了寄生振动模式的幅度，而且能够有效地提高机电耦合系数。

Description

一种压电谐振器

技术领域

本发明涉及一种谐振器，尤其是涉及一种压电谐振器。

背景技术

在现代通讯、导航设备、计算机、家用电器和医疗检测等电子设备中，包含了大量的电子谐振器等频率器件。然而，随着科技的快速发展，对电子设备提出了越来越多的功能需求，这就对频率器件的要求也越来越高、越来越多，比如微型化、高频率、高性能、低功耗和低成本等。频率器件通常采用的技术有微波介质陶瓷技术、声表面波技术和体声波技术。微波介质陶瓷谐振器虽然具有很好的性能，但是体积较大；声表面波谐振器（SAW）虽然体积较小，但是存在工作频率不高、插入损耗较大、功率容量较低、性能随温度变化漂移明显等缺点；体声波谐振器（BAW）综合了微波介质陶瓷谐振器和声表面波谐振器的优点，同时又克服两者的缺点，其工作频率高（600MHz～20GHz）、温度系数小、容量大、体积小、成本低。

压电薄膜体声波谐振器（Film bulk acoustic resonator，简称FBAR）是近十几年来出现的一种体声波谐振器。其基本结构是由一层压电薄膜材料加上上下金属电极而构成的层合板三明治结构。当一交变电压信号作用于这一金属-薄膜-金属三明治结构上时，处于中间层的压电薄膜材料由于逆压电效应，会产生机械形变，会使压电薄膜层随着电场的变化而产生膨胀、收缩，从而形成振动。从技术原理上来讲，FBAR采用体声波技术，更重要的是，FBAR可以制作在陶瓷、硅片等基体上，其制作工艺能与半导体工艺兼容，是可以和射频集成电路（RFIC）或单片微波集成电路（MMIC）集成的谐振器，符合现代电子器件发展的方向。

常见的压电薄膜体声波谐振器有薄膜型、空气隙型和固态装配型三种类型。薄膜型和空气隙型的压电薄膜体声波谐振器主要包括上层电极、压电薄膜体、下层电极、支持层和衬底层，这种类型的压电薄膜体声波谐振器主要利用空气的近似零阻抗来限制声波或者能量从压电薄膜体中漏出，使弹性波限制在谐振器中振动；固态装配型的压电薄膜体声波谐振器主要包括上层电极、压电薄膜体、下层电极、声反射层和衬底层，声反射层由四分之一声波波长厚度的低阻抗材料与高阻抗材料相互交替组成，声反射层用于阻止声波或者能量传入衬底层。

上述各种类型的压电薄膜体声波谐振器在工作过程中会产生主振动模式（包括厚度拉伸振动模式和厚度剪切振动模式），还会产生寄生振动模式。寄生振动模式是由压电薄膜体侧面边界引起的，其对压电薄膜体声波谐振器的频率的稳定性会产生不利影响，因此有必要通过改进谐振器的结构来消除和减弱寄生模式的振动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效地减弱或消除寄生振动模式，且能够有效地提高机电耦合系数和品质因数的压电谐振器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压电谐振器，包括工作区，所述的工作区由压电薄膜层及形成于所述的压电薄膜层的上表面上的上金属电极和形成于所述的压电薄膜层的下表面上的下金属电极组成，其特征在于所述的压电薄膜层由等高度的一个中心圆柱压电体和多个直径各不相同的筒状压电体组成，小直径的所述的筒状压电体同轴位于大直径的所述的筒状压电体内，所述的中心圆柱压电体同轴位于具有最小直径的所述的筒状压电体内。

所述的中心圆柱压电体为实心的圆柱状压电体或为空心的圆柱状压电体。

所述的筒状压电体的壁厚与所述的筒状压电体的高度之比为（0.5～1.5）：1。

所述的中心圆柱压电体和所述的筒状压电体的高度均为0.5～4μm。

相邻两个所述的筒状压电体之间的环形间隙的宽度为0.2～0.5μm，具有最小直径的所述的筒状压电体与所述的中心圆柱压电体之间的环形间隙的宽度为0.2～0.5μm。

所述的环形间隙由空气或非压电材料填充。

具有最大直径的所述的筒状压电体的外径为50μm～200μm。

该压电谐振器还包括衬底层和设置于所述的衬底层与所述的工作区之间的支持层，所述的衬底层沿高度方向延伸至所述的支持层的下表面开设有空气间隙，所述的空气间隙使所述的支持层的下表面与空气直接接触，并将声波能量限制在所述的工作区内。

该压电谐振器还包括衬底层和设置于所述的衬底层与所述的工作区之间的支持层，所述的衬底层的顶端开设有空气隙，所述的空气隙使所述的支持层的下表面与空气直接接触，并将声波能量限制在所述的工作区内。

该压电谐振器还包括衬底层和设置于所述的衬底层与所述的工作区之间且用于将声波能量限制在所述的工作区内的布拉格声波反射层，所述的布拉格声波反射层由多个厚度为四分之一声波波长的高阻抗层和多个厚度为四分之一声波波长的低阻抗层交替叠合而成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：利用等高度的一个中心圆柱压电体和多个直径各不相同的筒状压电体组成压电薄膜层，且将小直径的筒状压电体同轴设置于大直径的筒状压电体内，将中心圆柱压电体同轴设置于具有最小直径的筒状压电体内，使得中心圆柱压电体与最小直径的筒状压电体及不同直径的筒状压电体之间存在环形间隙，这种结构不仅减小了寄生振动模式的幅度，而且能够有效地提高机电耦合系数（可达0.115），相比现有的压电薄膜体声波谐振器，可提高约30～40%，同时能够有效地提高品质因数。

附图说明

图1为实施例一的压电谐振器的结构示意图；

图2为实施例二的压电谐振器的结构示意图；

图3为实施例三的压电谐振器的结构示意图；

图4为压电薄膜层的俯视示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种压电谐振器，如图1和图4所示，其为薄膜型压电谐振器，其包括工作区1、由硅材料制成的衬底层2和设置于衬底层2与工作区1之间的支持层3，工作区1由压电薄膜层11及形成于压电薄膜层11的上表面上的上金属电极12和形成于压电薄膜层11的下表面上的下金属电极13组成，压电薄膜层11由等高度的一个中心圆柱压电体111和多个直径各不相同的筒状压电体112组成，小直径的筒状压电体同轴位于大直径的筒状压电体内，中心圆柱压电体111同轴位于具有最小直径的筒状压电体内，衬底层2沿高度方向延伸至支持层3的下表面开设有空气间隙21，即在由硅材料制成的衬底层2上通过硅体反面刻蚀形成空气间隙21，该空气间隙21使得支持层3的下表面与空气直接接触，并将声波能量限制在工作区1内。

在本实施例中，一般要求筒状压电体112的壁厚与筒状压电体112的高度之比为（0.5～1.5）：1，同时通过有限元数值验证，表明筒状压电体112的壁越薄越能提高压电谐振器的综合性能，但由于如果筒状压电体112的壁太薄，则制作难度大，因此可以根据实际情况折衷考虑，如将筒状压电体112的壁厚与筒状压电体112的高度之比设为0.7：1；另一方面，如果在实际制作过程中，为了降低制作成本，则可适当牺牲压电谐振器的性能，即可增加筒状压电体112的壁的厚度，如可将筒状压电体112的壁厚与筒状压电体112的高度之比设为1.2：1。

在本实施例中，中心圆柱压电体111和筒状压电体112的高度与现有的薄膜型压电薄膜体声波谐振器中的压电薄膜体的高度类似，一般可将中心圆柱压电体111和筒状压电体112的高度均设为0.5～4μm，在实际加工过程中可将中心圆柱压电体111和筒状压电体112的高度均设为2μm，如果筒状压电体112的壁厚与筒状压电体112的高度之比为0.7：1，则筒状压电体112的壁厚为1.4μm。

在本实施例中，可将相邻两个筒状压电体112之间的环形间隙、具有最小直径的筒状压电体与中心圆柱压电体111之间的环形间隙的宽度W均设为0.2～0.5μm，在实际加工过程中可将相邻两个筒状压电体112之间的环形间隙、具有最小直径的筒状压电体与中心圆柱压电体111之间的环形间隙的宽度W均设为0.3μm，在此每个环形间隙可由空气或现有的非压电材料填充。

在本实施例中，可将具有最大直径的筒状压电体的外径设为50μm～200μm，在具体操作过程中可根据具体情况确定具有最大直径的筒状压电体的外径的具体值，如可将具有最大直径的筒状压电体的外径设为100μm。

实施例二：

本实施例提出的一种压电谐振器，如图2和图4所示，其为空气隙型压电谐振器，其包括工作区1、由硅材料制成的衬底层2和设置于衬底层2与工作区1之间的支持层3，工作区1由压电薄膜层11及形成于压电薄膜层11的上表面上的上金属电极12和形成于压电薄膜层11的下表面上的下金属电极13组成，压电薄膜层11由等高度的一个中心圆柱压电体111和多个直径各不相同的筒状压电体112组成，小直径的筒状压电体同轴位于大直径的筒状压电体内，中心圆柱压电体111同轴位于具有最小直径的筒状压电体内，衬底层2的顶端开设有空气隙22，即可通过在由硅材料制成的衬底层2的上表面上去除部分硅片形成空气隙22，该空气隙22使支持层3的下表面与空气直接接触，并将声波能量限制在工作区1内。

在本实施例中，筒状压电体112的壁厚与筒状压电体112的高度之比、中心圆柱压电体111和筒状压电体112的高度、相邻两个筒状压电体112之间的环形间隙的宽度、具有最小直径的筒状压电体与中心圆柱压电体111之间的环形间隙的宽度等可结合具体情况根据实施例一给出的范围确定具体值。

实施例三：

本实施例提出的一种压电谐振器，如图3和图4所示，其为固态装配型压电谐振器，其包括工作区1、由硅材料制成的衬底层2和设置于衬底层2与工作区1之间且用于将声波能量限制在工作区内的布拉格声波反射层4，工作区1由压电薄膜层11及形成于压电薄膜层11的上表面上的上金属电极12和形成于压电薄膜层11的下表面上的下金属电极13组成，压电薄膜层11由等高度的一个中心圆柱压电体111和多个直径各不相同的筒状压电体112组成，小直径的筒状压电体同轴位于大直径的筒状压电体内，中心圆柱压电体111同轴位于具有最小直径的筒状压电体内，布拉格声波反射层4由多个厚度为四分之一声波波长的高阻抗层41和多个厚度为四分之一声波波长的低阻抗层42交替叠合而成，高阻抗层41和低阻抗层42按照低阻抗层-高阻抗层-低阻抗层-高阻抗层-低阻抗层-高阻抗层的顺序交替叠合成布拉格声波反射层4。

在本实施例中，高阻抗层41的材料为钨或铂等，低阻抗层42的材料为锰或氧化锌等。

上述实施例一和实施例二中，支持层3为由硅材料制成的薄膜。

上述三个实施例中，衬底层2的材料为硅；压电薄膜层11的材料为氮化铝（AlN）、或为氧化锌（ZnO）、或为锆钛酸铅（PZT）或为其它压电材料。

上述三个实施例中，可将中心圆柱压电体111设计为实心结构的圆柱状压电体，也可以将其设计为空心结构的圆柱状压电体，通过有限元数值分析验证，表明采用实心结构的圆柱状压电体和采用空心结构的圆柱状压电体在压电谐振器的综合性能上相差不大，一般在1%左右（实心结构的圆柱状压电体优于空心结构的圆柱状压电体）。

Claims

1.一种压电谐振器，包括工作区，所述的工作区由压电薄膜层及形成于所述的压电薄膜层的上表面上的上金属电极和形成于所述的压电薄膜层的下表面上的下金属电极组成，其特征在于所述的压电薄膜层由等高度的一个中心圆柱压电体和多个直径各不相同的筒状压电体组成，小直径的所述的筒状压电体同轴位于大直径的所述的筒状压电体内，所述的中心圆柱压电体同轴位于具有最小直径的所述的筒状压电体内。

2.根据权利要求1所述的一种压电谐振器，其特征在于所述的中心圆柱压电体为实心的圆柱状压电体或为空心的圆柱状压电体。

3.根据权利要求1或2所述的一种压电谐振器，其特征在于所述的筒状压电体的壁厚与所述的筒状压电体的高度之比为（0.5～1.5）：1。

4.根据权利要求3所述的一种压电谐振器，其特征在于所述的中心圆柱压电体和所述的筒状压电体的高度均为0.5～4μm。

5.根据权利要求4所述的一种压电谐振器，其特征在于相邻两个所述的筒状压电体之间的环形间隙的宽度为0.2～0.5μm，具有最小直径的所述的筒状压电体与所述的中心圆柱压电体之间的环形间隙的宽度为0.2～0.5μm。

6.根据权利要求5所述的一种压电谐振器，其特征在于所述的环形间隙由空气或非压电材料填充。

7.根据权利要求6所述的一种压电谐振器，其特征在于具有最大直径的所述的筒状压电体的外径为50μm～200μm。

8.根据权利要求7所述的一种压电谐振器，其特征在于该压电谐振器还包括衬底层和设置于所述的衬底层与所述的工作区之间的支持层，所述的衬底层沿高度方向延伸至所述的支持层的下表面开设有空气间隙，所述的空气间隙使所述的支持层的下表面与空气直接接触，并将声波能量限制在所述的工作区内。

9.根据权利要求7所述的一种压电谐振器，其特征在于该压电谐振器还包括衬底层和设置于所述的衬底层与所述的工作区之间的支持层，所述的衬底层的顶端开设有空气隙，所述的空气隙使所述的支持层的下表面与空气直接接触，并将声波能量限制在所述的工作区内。

10.根据权利要求7所述的一种压电谐振器，其特征在于该压电谐振器还包括衬底层和设置于所述的衬底层与所述的工作区之间且用于将声波能量限制在所述的工作区内的布拉格声波反射层，所述的布拉格声波反射层由多个厚度为四分之一声波波长的高阻抗层和多个厚度为四分之一声波波长的低阻抗层交替叠合而成。