CN103229321A - 压电谐振器 - Google Patents

Abstract

一种装置（200），包含：第一电极（204），其中第一电极包含至少一个石墨烯层；第二电极（208）；以及布置在第一电极（204）和第二电极（208）之间的压电材料（206）层，其中压电材料（206）能够响应于向第一或第二电极（204，208）的振荡电信号的施加在谐振频率处谐振。

Description

压电谐振器

技术领域

本发明涉及压电谐振器。

背景技术

很多现代设备包含用于产生和隔离高频信号的振荡器和滤波器。发现这些部件在接收和发送射频信号的设备中广泛应用。还已知使用石英晶体振荡器来产生精确的时钟信号。

发明内容

本发明的第一方面提供一种装置，包含：

第一电极，其中第一电极包含至少一个石墨烯层；

第二电极；以及

压电材料层，其被设置在第一电极和第二电极之间，其中压电材料能够响应于向第一或第二电极的振荡电信号的施加在谐振频率处谐振。

该装置还可被配置成改变施加到第一电极的电压偏置。

第一电极可以包含单个石墨烯层或多个石墨烯层。另外，第二电极可以包含至少一个石墨烯层。谐振频率可以是射频。

装置还可以包含射频信号输入和电压偏置输入。

装置可以合并在集成电路中。集成电路可以合并在电路板中。集成电路或电路板可以合并在便携式设备中。

本发明的第二方面提供一种方法，包含：

提供第一电极，其中该第一电极包含至少一个石墨烯层；

提供第二电极；以及

提供布置在第一电极和第二电极之间的压电材料层，其中压电材料能够响应于向第一或第二电极的振荡电信号的施加在谐振频率处谐振。

该方法还可包含提供用于改变施加到第一电极的电压偏置的部件。

本发明的第三方面提供操作设备的方法，该方法包含：

向包含第一电极、第二电极以及布置在第一电极和第二电极之间的压电材料层的装置施加振荡电信号，从而使压电材料在谐振频率处谐振，该第一电极包含至少一个石墨烯层；以及

改变施加到装置的偏置电压。

附图说明

现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的实施例，附图中：

图1是示出石墨烯电容器的电容与电压的依赖关系的图；

图2示出根据本发明的示例性实施例的压电谐振器；

图3是图2的压电谐振器的电路模型；

图4是示出示例性实施方式中图2的压电谐振器的电路模型；以及

图5是包含图2的谐振器的示例性便携式设备的示意性说明。

具体实施方式

石墨烯是由单层紧密排列的碳原子形成的材料。因为石墨烯是原子厚度的平面薄片，所以它可以被认为是二维或准二维材料。石墨和其他石墨材料由石墨烯的多个堆叠层形成。尽管石墨的结构已经被广泛地研究，但是仅在近些年才实现各种石墨烯薄片的隔离。石墨烯薄片可以通过石墨的脱落机械地或通过使用液相溶剂产生。石墨烯还可以通过在各种基板上的外延生长产生。早期在隔离石墨烯的尝试导致单层石墨烯的低产出率，大多数产生的石墨烯是多层的。更先进的技术正被发展且现在可以产生主要是单层的石墨烯薄膜且产生双层和三层石墨烯薄片。最近，极大（～0.5m×0.5m）的主要是单层的石墨烯薄膜已经在铜基板上生长出来，且被转移到柔性目标基板。

已发现石墨烯具有显著的电子和机械属性，包括在室温的极高电子迁移率水平和极低电阻率。如果石墨烯合并到电容器的电极中，由于石墨烯的电子可压缩性，可以观察到对于总电容的贡献。这种贡献通常被称为“量子电容”且是在费米能级的态密度的直接测量。通常用于定义量子电容的表达是C_q=e²D，其中e是电子电荷且D是态密度。量子电容反比于材料中电子和空穴的有效质量且所以具有相对高电子（和空穴）迁移率的材料将具有相对大的量子电容。石墨烯具有狄拉克状电子谱线，意味着电子和空穴具有接近于零的有效质量。因此，石墨烯的量子电容极高。

在大多数二维系统中，量子电容通常是小的恒定值。然而在石墨烯中，态密度是费米能级的强函数。如果将电压施加到石墨烯，则导致费米能级中的变化，这进而产生态密度中的变化。参考图1，图100示出说明石墨烯电容器的电容与电容器两端施加的电压差之间的依赖关系。仅用于说明性目的示出轴标度。观察的总电容中的变化源于石墨烯的量子电容中的变化值。在零施加电压时，电容器具有作为几何静电电容和量子电容的乘积的电容。当施加的电压变化时，量子电容贡献中的变化产生总电容中的明显变化。

如上所述，石墨烯被正式地定义为碳原子的二维单层。然而，实际上，制造的石墨烯薄片或薄膜可以包含多层石墨烯区域。不完美的石墨烯薄片仍可以呈现诸如量子电容之类需要使所声称的本发明有效的相同电子属性。这尤其是使用外延生长的石墨烯的情况，其中多层石墨烯区域不具有对准的晶格且因此继续表现为各个层。这样，术语“石墨烯”的使用旨在不仅涵盖完美的单层石墨烯，而且涵盖具有足够电子可压缩性水平的不完美石墨烯薄片。

谐振器是很多现代设备和应用中常用的电学部件。谐振器被广泛地用在射频应用中。电学谐振器可以具有LC或RLC电路的形式。备选地，谐振器可以包含夹置在平行板电极之间的压电材料。压电材料在承受电场时谐振且相反地将在向其施加力时产生电场。包括压电材料的谐振器在振荡频率处谐振，该振荡频率取决于谐振器配置的多个方面。诸如石英这样的晶体通常用作谐振器中的压电材料。

使用可变电容器（通常命名为变容器或变容二极管）可以实现谐振器的输出频率的电学调谐。变容器通常采用反相偏置二极管（可能与其他电路部件耦合）的形式且与晶体电极并联或串联。变容器响应于偏置电压中的变化以导致负载电容中的变化。变容器的负载电容中的变化导致压电谐振器的谐振频率的变化。由于CMOS制造工艺中集成单晶压电材料的难度，很多电压可调谐压电谐振器是“片外”部件。这些谐振器因此是笨重且昂贵的。已经开发了用于将多晶压电材料集成到CMOS工艺的一些技术，允许“片上”谐振器的制造。然而，这些谐振器制造起来是昂贵的，仅可以使用多晶材料，且所得的谐振器占用芯片相当大的面积。

现在参考图2，示出呈现本发明的方面的谐振器200的结构表示。谐振器200包含基板202。在基板的顶部上形成下电极204、压电层206和上电极208。谐振器200可以具有多个其他标准部件部分（为简单和清晰起见未示出）。

在一些实施例中，下电极204由石墨烯形成且上电极208由金属材料形成。宽范围的金属材料可以用于形成上电极208。在一些实施例中，上电极208由铝制成。

在一些实施例中，通过在基板上的外延生长产生石墨烯。其上生长石墨烯的基板可以是基板202，或石墨烯可以从不同生长基板（未示出）转移到基板202。

压电层206布置在下电极204和上电极208之间，所述电极形成平行板结构。当将交流电施加到电极204、208中的一个时，在平行板结构两端产生交流电压差且压电层204经历谐振。压电层206谐振的频率取决于使用的压电材料的类型。石英是最常用的压电晶体，然而，可以使用任意其他合适的物质，例如基于锂和镓的晶体。

压电谐振器具有专门的电路符号（参见图4中的项目200）。然而，它们通常通过等价电路表达，使得其功能可以被更好地理解。现在参考图3，示出呈现本发明的一些方面的压电谐振器的电路等价模型300。模型300具有串联电感器302、串联电容器304、串联电阻器306、并联电容器308和量子电容器310。该模型还示出输入312和输出314。串联电感器302、串联电容器304和串联电阻器306在输入312和输出314之间串联连接。并联电容器308和量子电容器310示为在输入312和输出314之间彼此串联连接且与其他三个部件并联连接。包含串联电感器302、串联电容304和串联电阻器306的支路被称为串联支路且包含并联电容器308和量子电容器310的支路被称为并联支路。

因为很多压电材料具有两个谐振模式，因此压电谐振器可以以这种方式建模：分别涉及串联和并联支路的串联谐振和并联谐振。为了使得该模型有效，串联电容器304必须具有远小于并联电容器308和量子电容器310的组合的电容。并联电容器308代表压电层206的几何静电电容。量子电容器310代表由于石墨烯的电子可伸缩性导致的量子电容成分。由于在外部电压偏置下石墨烯的量子电容的可变属性，量子电容器310示为可变电容器元件。

通过图2和3示例的压电谐振器200的并联谐振频率可以通过改变系统的电容值调谐。这通过在以并联谐振操作谐振器200时改变被施加到谐振器200的电极的电压偏置实现。压电谐振器200具有如上面参考图2所述的平行板结构。这导致谐振器200具有本征负载电容。然而，因为谐振器200的电极中的一个由石墨烯制成，来自石墨烯的量子电容对于总电容具有明显贡献，使得改变该贡献对于总电容具有明显影响。

图2和3示例的谐振器200的优点在于可调谐的功能内置于谐振器本身。由于石墨烯呈现的量子电容属性，谐振器200本征可调谐。因而可以制造这种可调谐谐振器：其占用芯片的极小面积，且可以说是可高度集成的。实验指示，既使在正常操作温度，谐振器200具有类似于电流耦合变容器的可调谐谐振器的拉动范围和调谐电压范围。这些实验还指示：谐振器200具有与谐振器（其中压电层的物理常数通过电压施加来控制）可比的集成水平，不过谐振器200的拉动范围和调谐电压范围更优越。

图4示出呈现本发明的一些方面的示例性电路400。图4的电路400具有第一输入402、第二输入404和输出412。第一和第二输入402、404两者都耦合到压电谐振器200的第一电极。输出412耦合到压电谐振器200的第二电极。电容器406位于第一输入420上。电感器408位于第二输入404上。接地连接410耦合到输出412。接地电感器414位于输出412和接地连接410之间。

压电谐振器200需要振荡输入信号以使压电层206谐振。振荡信号经由第一输入402施加。该信号可以以任意合适的方式产生，例如通过信号发生器产生。振荡信号优选地是与压电层206的谐振频率大致具有相同频率的射频信号。电容器406用作低频阻断。这导致到达谐振器200的更清晰的振荡信号。而电容器406可以通过更复杂的高通滤波器装置替换或增加。

直流（DC）信号或低频交流（AC）信号经由第二输入404施加。电感器408用作高频扼流。这确保施加到第一输入402的振荡信号不被传递到附加到第二输入404的部件。而电感器408可以由更复杂的低通滤波器装置替换或增加。在第二输入404信号处接收用于控制石墨烯电极的量子电容的电压偏置。

当振荡信号和DC或低频AC信号分别经由第一和第二输入402和404施加到谐振器200时，压电层206导致谐振。谐振频率（压电层206振荡的频率）取决于谐振器200的负载电容。如果负载电容增加，则谐振频率被下拉。如果负载电容降低，则谐振频率被上拉。谐振器200因此产生通过输出412输出的振荡信号。接地电感器414和接地连接410提供低频或DC信号的接地。接地电感器414用作射频扼流，确保射频信号通过输出412被输出。

电路400还可以包括用于接收指令以变更输出信号频率且控制施加到谐振器200的电压偏置的控制电路（未示出）。

压电谐振器200可以被认为像高质量滤波器那样操作。具有相对高带宽（低Q因子）的振荡信号经由第一输入402输入。压电层206以高Q因子谐振，产生具有带宽低得多的输出信号。另外，如上所述，该高质量输出信号可调谐。在一些实施例（未示出）中，可以组合地使用两个或更多个谐振器。

在一些实施例中，压电谐振器200的下电极和上电极204和208均由石墨烯制成。这可以增加响应于施加的电压偏置变化导致的量子电容变化的量，且因此增加在谐振频率上可拉动的范围。在一些实施例中，石墨烯电极可以由例如具有两个或三个石墨烯层的多层石墨烯制成。这种多层石墨烯具有诸如增加的导电率的一些不同的电子属性，然而，它保留很多其原始属性。由于当前的外延石墨烯生长技术，上和下层的六边形晶格随机取向，允许层独立活动。

图5示出利用谐振器200的示例性便携式设备500的示意图。便携式设备500包含控制器502、信号发生器504和功率发生器506。控制器502连接到信号发生器504和功率发生器506以控制其输出。便携式设备500还包含电路板508。电路板508具有在其上布置的射频集成电路510以及基带处理器512。位于射频集成电路510上的是压电谐振器200和射频电路514。便携式设备514可以包含很多其他部件（由于清晰原因未示出）。

如上所述，压电谐振器200被配置成产生射频输出信号。该信号被传递到射频集成电路510上的其他部件（通过射频电路514表示）。射频电路514使用由谐振器200生成的信号以产生基带信号，该基带信号被传递到基带处理器512。射频电路514可以是被配置成执行各种任务的合适部件的任意组合。

振荡电信号输入通过信号发生器504施加到谐振器200。DC或低频AC电压偏置通过功率发生器506施加到谐振器200。控制器502被配置成控制功率发生器506以改变施加的偏置电压。控制器502还可以被配置成控制信号发生器504以改变施加的振荡信号的频率。便携式设备500可以具有一些反馈部件（未示出），使得控制器502可以监控电压偏置和施加到谐振器200的振荡信号且监控来自谐振器200的输出。

如上所述的谐振器200在一些实施例中以电压控制共振器实现，且在其他实施例中以可调谐滤波器实现。

应当理解，上述实施例仅是说明性的且不限制本发明的范围。当阅读本申请时，本领域技术人员将显见其他变型和修改。此外，本申请的公开应当被理解为包括此处明确或隐含公开的任意新颖特征或特征的任意新颖的特征组合或其任意概括，且在本申请或从其衍生的任意申请的执行期间，可以规定新的权利要求以覆盖任意这种特征和/或这种特征的组合。

Claims (16)

1.一种装置，包含：

第一电极，其中所述第一电极包含至少一个石墨烯层；

第二电极；以及

压电材料层，其布置在所述第一电极和所述第二电极之间，其中所述压电材料能够响应于向所述第一或第二电极的振荡电信号的施加在谐振频率处谐振。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置成改变施加到所述第一电极的电压偏置。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一电极包含单个石墨烯层。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一电极包含多个石墨烯层。

5.根据任意前述权利要求所述的装置，其中所述第二电极包含至少一个石墨烯层。

6.根据任意前述权利要求所述的装置，其中所述谐振频率是射频。

7.根据任意前述权利要求所述的装置，其中所述装置还包含射频信号输入和电压偏置输入。

8.一种集成电路，合并了根据任意前述权利要求所述的装置。

9.一种电路板，包括根据权利要求8所述的集成电路。

10.一种便携式设备，包含根据权利要求1至7中任一项所述的装置、根据权利要求8所述的集成电路或根据权利要求9所述的电路板。

11.一种方法，包含：

提供第一电极，其中所述第一电极包含至少一个石墨烯层；

提供第二电极；以及

提供布置在所述第一电极和所述第二电极之间的压电材料层，其中所述压电材料能够响应于到所述第一或第二电极的振荡电信号的施加在谐振频率处谐振。

12.根据权利要求11所述的方法，还包含提供用于改变施加到所述第一电极的电压偏置的部件。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一电极包含单个石墨烯层。

14.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一电极包含多个石墨烯层。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述第二电极包含至少一个石墨烯层。

16.一种操作设备的方法，该方法包含：

向包含第一电极、第二电极以及布置在所述第一电极和所述第二电极之间的压电材料层的装置施加振荡电信号，从而使所述压电材料在谐振频率处谐振，所述第一电极包含至少一个石墨烯层；以及

改变施加到所述装置的偏置电压。

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