CN103828233A - 具有组合式厚度和宽度振动模式的压电谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于具有组合式厚度（220T）和宽度（220W）振动模式的压电谐振器（200）的方法和装置。一种压电谐振器可包括压电基板（210）以及耦合至该压电基板的第一表面的第一电极（205）。该压电谐振器可进一步包括耦合至该压电基板的第二表面的第二电极（215），其中第一表面和第二表面基本平行并且定义该压电基板的厚度尺寸。此外，该压电基板的厚度尺寸（T）和宽度（W）尺寸被配置成当激励信号被施加于这些电极时，产生来自厚度振动模式与宽度振动模式的相干组合的谐振。

Description

具有组合式厚度和宽度振动模式的压电谐振器

技术领域

所公开的各实施例涉及压电谐振器，尤其涉及将厚度和宽度振动模式相组合以改善机电耦合的压电谐振器。

背景

压电谐振器可用于频率应用范围很广的各种组件中，诸如用在振荡器和滤波器中。这些谐振器还可用于在集成电路中生成时钟信号，其中振动频率与时钟频率直接相关。

压电谐振器可被认为是固态换能器，其可取决于谐振器被如何配置来将机械能转换成电能，以及将电能转换回机械能。机械能将其自身显现为谐振器的压电材料内的振动。

图1A和1B示出常规压电谐振器中不同的谐振模式。各种谐振模式可相对于产生振动的压电材料的几何关系来定义。在图1A中，压电谐振器100可包括压电基板115，该压电基板115具有耦合至其上表面的第一电极105以及耦合至其下表面的第二电极110。当向电极105和110施加电激励信号时，可在压电基板115内感生电场120。电场120可引起宽度振动模式125，其中振动的频率可取决于压电基板的宽度（W）。宽度振动模式也可被称为“d31”振动，其中d31是与压电基板115的宽度尺寸（即，图1A中示出的横向尺寸）有关的压电系数。

如图1B所示，相同的电场120也可引起压电基板115中的厚度振动模式130。此处，振动的频率可取决于压电基板的厚度（T）。厚度振动模式也可被称为“d33”振动，其中d33是与压电基板115的厚度尺寸（即，图1B中示出的纵向尺寸）有关的压电系数。

机电耦合系数（记为k_t ²）表示能量转换的效率，从而较高的机电耦合系数指示机械能被更高效地转换为电能。

在实践中，在压电谐振器中通常利用厚度振动模式，因为这一模式往往展现出高机电耦合系数k_t ²。然而，利用仅厚度振动模式的谐振器遭受这样的缺点的影响：T无法提供根据布局设计来定义谐振频率的自由，而这是具有仅宽度振动模式的谐振器的优点所在。应当注意，布局设计是制造前过程，其在制造之后无法更改。换言之，通过仅进行一个批次的制造，宽度振动模式可以在单个晶片上提供多个工作频率，但厚度振动模式谐振器仅提供一个频率。

另一方面，具有由氮化铝制成的基板的宽度振动模式压电谐振器展现出为与厚度振动模式谐振器相关联的值的大约三分之一的机电耦合系数。这意味着宽度振动模式谐振器的效率可能是低下的。然而，可以在制造前设计过程期间通过耦合多个振动谐振器以形成多指谐振器来容易地改变宽度。该多个指可被毗邻放置，并且通过它们的边缘机械耦合，以使得包括多个指的整体结构作为单个主体来振动。该多个指可以在电学上并联连接，以使得整个结构在电学上等效于单个谐振器。

目前没有能够利用宽度振动模式和厚度振动模式两者的积极属性的压电谐振器。相应地，存在对于能够将宽度和厚度振动模式的优点相组合以改善效率而同时仍然保留单片（即，单次制造）多频能力的压电谐振器的需求。

概述

所公开的各实施例涉及具有组合式厚度和宽度振动模式的压电谐振器。

一个实施例可包括一种压电谐振器，其可包括压电基板以及耦合至该压电基板的第一表面的第一电极。该压电谐振器可进一步包括耦合至该压电基板的第二表面的第二电极，其中第一表面和第二表面基本平行并且定义该压电基板的厚度尺寸，并且其中该压电基板的厚度尺寸和宽度尺寸被配置成当激励信号被施加于这些电极时产生来自厚度振动模式与宽度振动模式的相干组合的谐振。

另一实施例可包括一种用于在压电谐振器中生成振荡信号的方法。该方法可包括跨压电元件接收电信号，以及在该压电元件的厚度尺寸中建立第一振动模式。该方法可进一步包括在该压电元件的宽度尺寸中建立第二振动模式，并且相干地组合第一振动模式和第二振动模式以产生谐振振动，该谐振振动将机电耦合系数（k_t ²）增大到超过仅宽度振动模式下的机电耦合系数而同时提供单片多频能力。

另一实施例可包括一种在纵向方向上具有谐振并且在横向方向具有谐振的压电谐振器。纵向方向上的谐振与横向方向上的谐振可被组合以生成电信号。

附图简述

给出附图以帮助描述各实施例，并且提供附图仅仅是为了解说各实施例而非对其构成限定。

图1A和1B示出常规压电谐振器的图示，该图示示出不同的振动模式。

图2解说具有组合式宽度和厚度振动模式的示例性单个压电谐振器的图示。

图3是示出具有组合式宽度和厚度振动模式的示例性多指压电谐振器的图示。

图4是示出具有中空盘状形状的示例性压电谐振器的图示。

图5是示出具有圆柱形形状的示例性压电谐振器的图示。

图6示出机电耦合k_t ²与厚度宽度比（T/W）之间的关系的标绘。

图7是描绘将压电谐振器纳入到远程单元中的一实施例的图示。

详细描述

实施例的诸方面在以下针对此类实施例的描述和相关示图中得到公开。可以设计替换实施例而不会脱离本发明的范围。另外，这些实施例中所使用和应用的众所周知的要素将不被详细描述或将被省去以免湮没相关细节。

措辞“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为优于或胜过其他实施例。同样，术语“实施例”并不要求所有实施例都包括所讨论的特征、优点、或工作模式。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并不旨在限定本发明。如本文所使用的，单数形式的“一”、“某”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，术语“包括”、“具有”、“包含”和/或“含有”在本文中使用时指明所陈述的特征、整数、步骤、操作、元素、和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其群组的存在或添加。

此外，许多实施例是以将由例如计算设备的元件执行的动作序列的形式来描述的。将可认识到，本文中所描述的各种动作能由专用电路（例如，专用集成电路（ASIC））、由正被一个或多个处理器执行的程序指令、或由这两者的组合来执行。另外，本文中所描述的这些动作序列可被认为是完全体现在任何形式的计算机可读存储介质内，其内存储有一经执行就将使相关联的处理器执行本文所描述的功能性的相应计算机指令集。因此，本发明的各种方面可以用数种不同形式来体现，所有这些形式都已被构想落在所要求保护的主题内容的范围内。另外，对于本文中所描述的每个实施例，任何此类实施例的对应形式可在本文被描述为例如“配置成执行所描述的动作的逻辑”。

本文提供的各实施例讨论具有使用共同激励信号的组合式宽度和厚度振动模式的压电谐振器。如本文所使用的，宽度振动模式（其也可被称为横向振动模式）可被定义为垂直于所施加的电场的振动维度。厚度振动模式（其也可被称为纵向振动模式）可被定义为平行于所施加的电场的振动维度。从宽度和厚度两者中的振动产生的电能可被利用以提高效率并且使机电耦合最大化。通过实验观察到，约为1的厚度宽度比（T/W）（即，宽度约等于厚度）提供了改善的效率，如下文更详细地讨论的。可以使用已知技术来制造压电谐振器并且可将其实施在至少一个半导体管芯中。

图2解说具有组合式宽度和厚度振动模式的示例性单个压电谐振器200的图示。压电谐振器200可具有第一电极205和第二电极215，这两个电极可耦合到压电基板210的相对侧上。然而在一些实施例中，电信号可被直接施加于该压电基板而不使用所制造的电极205、215。

压电基板210通常可以使用氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）或具有压电性质的任何其他合适材料来形成。宽度厚度比（T/W）可位于0.75到1.25之间的范围中，并且可以例如为1。当T/W等于1时，厚度和宽度范围是相同的，并且压电基板210具有正方形横截面。当T/W=1时，组合振动频率反比地取决于各维度。即，T=W=λ/2，其中λ对应于谐振振动的波长。频率可由f=ν/λ来决定，其中ν是振动波穿过压电基板210的传播速度。传播速度ν是在压电基板210中行进的波的声速。

当向电极205和215施加电激励信号时，可在压电基板210内形成电场225。电场225激励压电基板210并且诱发宽度（W）范围中的振动（即，激励起宽度振动模式220W）以及诱发厚度（T）范围中的振动（即，激励起厚度振动模式220T）。这两种振动模式同时发生，并且能够以相干的方式在压电基板210内组合，由此产生比仅宽度振动模式组件更高效的组合振动模式。这两种振动模式显现可被转换回电信号的机械能。

这两种振动模式的相干组合可导致比仅宽度振动模式更高的有效机电耦合k_t ²（其中k_t ²是机械能与电能之比）。相应地，这一技术提供了通过对压电薄膜厚度进行工程设计来优化横向振动（宽度振动模式）谐振器的k_t ²的方式，以使得能够在单器件技术中同时达成高k_t ²以及单片多频能力两者。应当领会，为达成这一目标，T/W比不必严格等于1，但应当接近于1以实现改善的k_t ²结果。

如图2中示出的压电谐振器200是指型谐振器，其中第一电极205可充当输入，而第二电极215可充当输出电极或接地。例如，如果第二电极215接地，则该谐振器是单端口谐振器，其为双端子器件。如果第二电极是输出，则该谐振器是双端口谐振器，其为四端子器件。

根据一个实施例，压电谐振器200可包括用于跨压电元件接收电信号的装置（205、215），用于在宽度方向上建立第一振动模式的装置（210），用于在厚度方向上建立第二振动模式的装置（210），以及用于将第一振动模式与第二振动模式相组合以产生谐振振动的装置（210），该谐振振动将机电耦合系数（k_t ²）增大到超过仅宽度振动模式。

相应地，另一实施例可包括一种在纵向方向上具有谐振并且在横向方向上具有谐振的压电谐振器200。纵向方向上的谐振与横向方向上的谐振可在压电基板210中被组合以产生电信号。

图3是示出具有组合式宽度和厚度振动模式的示例性多指压电谐振器300的图示。压电谐振器300包括延长的压电基板310。第一组电极305A-305D耦合至延长的压电基板310的第一表面，而第二组电极315A-315D耦合至延长的压电基板310的第二侧。该第二侧可以与第一侧相对和/或平行。

多指压电谐振器300包括整数个（N）子谐振器。每一个子谐振器可具有为宽度尺寸W和厚度尺寸T。T/W比可处于0.75到1.25之间的范围中，并且例如可以等于1。相应地，压电基板310的宽度尺寸上的整体范围约为N x W。相对的电极对（例如，305A、315A）跨每一个子谐振器布置。两组电极305、315可以沿着延长的压电基板310在宽度尺寸上等距间隔，其分隔与W成比例的节距值。

多指压电谐振器300可以是多端口谐振器。每个端口可包括两个端子。一般而言，这两个端子之一通常接地；然而，这不是必须的。在一个示例中，在谐振器300可以利用双端口电极配置的情况下，电极305A和305C能够形成输入端子，而315B和315D可形成输出端子。其余的电极可形成接地端子，并且由输入和输出端口两者共享。输入端子和接地端子（两个端子）形成输入端口。输出端子和接地端子形成输出端口。

在另一示例中，多指压电谐振器300可以利用四端口电极配置，该配置可用于支持差分输入和差分输出。接地端子可由这四个端子共享以形成四个端口：端口1：输入+和接地；端口2：输入-和接地；端口3：输出+和接地；端口4：输出-和接地。

因为毗邻的子谐振器一般相对彼此异相振动，所以电场线针对不同子谐振器具有交替的图案。这一定相安排准许设计出整个多指压电谐振器的等效阻抗。k_t ²通过对W/T比进行工程设计得到改善，但与将一些电极专用于输入信号、将另外一些电极专用于输出信号、并将再有一些电极专用于接地的多指安排没什么关系。例如，电极305A和315B可被指定为接收输入信号，电极305C和315D被指定为提供输出信号，而315A、305B、315C和305D绑定至接地。因为与毗邻子谐振器相关联的信号具有相反的极性，所以电场线的方向在毗邻子谐振器中是相反的，如图3所示。不同的电极配置可创建各个子谐振器之间不同的耦合。子谐振器耦合还可增强整个谐振器的总体等效k_t ²。

图4是示出具有中空盘状形状的示例性压电谐振器400的图示。在这一实施例中，压电谐振器400可包括中空盘形式的压电基板410。每一个圆形子谐振器（由压电基板上的圆形电极形成）的宽度可以是W，因此实心部分的整体厚度将约为Nx W，其中N是子谐振器的数目（例如，在图4中，子谐振器的数目N为2）。盘的厚度为T，如图4中所见。第一组电极405可耦合至压电基板的第一侧。第二组电极415可耦合至第二侧，该第二侧与第一侧平行。压电谐振器400的操作与图2中示出的压电谐振器200相类似，因为压电谐振器200的长度尺寸实质上在图4所示的实施例中被“卷成圆”。宽度和厚度尺寸基本相同，因为T/W比可处于0.75至1.25之间的范围中，并且可以例如等于一（1）。

图5是示出具有圆柱形形状的示例性压电谐振器500的图示。在这一实施例中，压电谐振器500可包括实心圆柱体形式的压电基板510。圆柱体的厚度为T，而圆柱体的宽度为W并且还是如图5所示的圆形表面的半径。第一电极505（其形状可为盘形）可耦合至压电基板510的第一圆形侧。第二电极515的形状也可以是盘形，并且可以耦合至压电基板510的第二圆形侧，该第二圆形侧与第一圆形侧平行。在这一情形中，顶部（底部）圆形表面的半径（W）决定了横向振动的频率。厚度（T）决定了纵向振动的频率。宽度和厚度尺寸可被如此配置，以使得T/W比处于0.75至1.25之间的范围中，并且可以例如等于1。当T/W比约等于1时，可以改善有效的机电耦合k_t ²，如上文在对图2中示出的实施例的描述中所描述的。

图6示出机电耦合k_t ²与厚度宽度比（T/W）之间的示例性关系的标绘。图6解说了一模拟的结果，该模拟预测最大机电耦合k_t ²可能发生在T/W=1时。在这一情形中，宽度振动模式和厚度振动模式可以相干地组合以产生图6中示出的峰。然而，当T/W比处于0.75至1.25的范围内时，可以在机电耦合k_t ²上得到增益。

图7是示出可以在其中采用本公开的各实施例的示例性无线通信系统700的图示。出于解说目的，图7示出了三个远程单元720、730和750以及两个基站740。注意到，常规无线通信系统可具有多得多的远程单元和基站。远程单元720、730和750可包括压电谐振器725A、725B和725C，其可以是上文讨论的本公开的一实施例。图7进一步示出从基站740到远程单元720、730和750的前向链路信号780，以及从远程单元720、730和750到基站740的反向链路信号790。

在图7中，远程单元720被示为移动电话，远程单元730被示为便携式计算机，而远程单元750被示为无线本地环路系统中的位置固定的远程单元。例如，这些远程单元可以是移动电话、手持式个人通信系统（PCS）单元、便携式数据单元（诸如个人数据助理）、启用GPS的设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、位置固定的数据单元（诸如仪表读数装置）、或者存储或检索数据或计算机指令的任何其他设备，或者其任何组合。尽管图7解说根据本公开的教义的远程单元，但本公开并不限于这些所解说的示例性单元。本公开的各实施例可适于用在包括有源集成电路系统（包括存储器和用于测试和表征的片上电路系统）的任何设备中。本公开的各实施例可适于用在包括有源集成电路系统（包括存储器和用于测试和表征的片上电路系统）的任何设备中。本文所述的压电谐振器可在各种各样的应用中使用，诸如举例而言时钟的频率源、本地振荡器、谐振器滤波器、谐振传感器、双工器等等。

上文所公开的设备和方法可被设计并可被配置在GDSII和GERBER计算机文件中，其可存储在计算机可读介质上。这些文件进而被提供给制造处理者，制造处理者基于这些文件来制造设备。结果产生的产品是半导体晶片，其随后被切割为半导体管芯并被封装成半导体芯片。这些芯片随后用在上文描述的设备中。

本领域技术人员应领会，信息和信号可使用各种不同技术和技艺中的任何一种来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位（比特）、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

尽管前面的公开示出了解说性实施例，但是应当注意在其中可作出各种变更和修改而不会脱离如所附权利要求定义的本发明的范围。根据本文中所描述的实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或作不必按任何特定次序来执行。此外，尽管本发明的要素可能是以单数来描述或主张权利的，但是复数也是已料想了的，除非显式地声明了限定于单数。

Claims (23)

1.一种压电谐振器，包括：

压电基板；

耦合至所述压电基板的第一表面的第一电极；以及

耦合至所述压电基板的第二表面的第二电极，其中所述第一表面和所述第二表面基本平行并且定义所述压电基板的厚度尺寸，以及

其中所述压电基板的所述厚度尺寸和宽度尺寸被配置成当激励信号被施加于所述电极时，产生来自厚度振动模式与宽度振动模式的相干组合的谐振。

2.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述厚度尺寸与所述宽度尺寸之比处于0.75至1.25之间的范围内。

3.如权利要求2所述的压电谐振器，其特征在于，所述厚度尺寸与所述宽度尺寸之比约等于1。

4.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述第一电极是输入端子，而所述第二电极是输出端子或接地端子。

5.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述压电基板在宽度上延长到所述宽度尺寸的多倍以形成多个子谐振器，所述压电谐振器进一步包括：

耦合至延长的压电基板的第一表面并且沿着延长的宽度尺寸等距间隔的多个第一电极，其中所述多个第一电极中的每一个第一电极基本以每一子谐振器为中心；以及

耦合至所述延长的压电基板的第二延长表面且沿着所述延长的宽度尺寸等距间隔的多个第二电极，其中所述多个第二电极中的每一个第二电极基本以每一子谐振器为中心，并且所述第一延长表面与所述第二延长表面基本平行；并且

其中所述子谐振器中的每一个子谐振器的所述厚度尺寸和宽度尺寸被配置成当激励信号被施加于所述电极中的每一个电极时，产生来自厚度振动模式与宽度振动模式的相干组合的谐振。

6.如权利要求5所述的压电谐振器，其特征在于，进一步包括：

输入端口，进一步包括：

一组输入电极，所述一组输入电极选自所述多个第一电极中的非毗邻电极，以及

第一组接地电极，所述第一组接地电极选自所述多个第二电极中的非毗邻电极，其中所述一组输入电极与所述第一组接地电极径向相对；以及

输出端口，进一步包括：

一组输出电极，所述一组输出电极选自所述多个第二电极中的非毗邻电极，以及

第二组接地电极，所述第二组接地电极选自所述多个第一电极中的非毗邻电极，其中所述一组输出电极与所述第二组接地电极径向相对。

7.如权利要求5所述的压电谐振器，其特征在于，进一步包括：

第一端口，进一步包括选自所述多个第一电极的正输入端子以及选自所述多个第二电极的第一接地端子，其中所述正输入端子和所述第一接地端子径向相对；

第二端口，进一步包括选自所述多个第一电极的负输入端子以及选自所述多个第二电极的第二接地端子，其中所述负输入端子和所述第二接地端子径向相对；

第三端口，进一步包括选自所述多个第一电极的正输出端子以及选自所述多个第二电极的第三接地端子，其中所述正输出端子和所述第三接地端子径向相对；以及

第四端口，进一步包括选自所述多个第一电极的负输出端子以及选自所述多个第二电极的第四接地端子，其中所述负输出端子和所述第四接地端子径向相对。

8.如权利要求5所述的压电谐振器，其特征在于，施加于毗邻子谐振器的所述激励信号具有相反极性。

9.如权利要求1所述的压电谐振器，其为矩形棱柱体、中空圆柱体、或盘形之一。

10.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述基板用氮化铝、PZT、铌酸锂、钽酸锂或氧化锌之一形成。

11.如权利要求1所述的压电谐振器，其被集成在至少一个半导体管芯中。

12.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，进一步包括其中集成有所述压电谐振器的电子设备，所述电子设备选自包括以下各项的组：机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理（PDA）、位置固定的数据单元、以及计算机。

13.一种用于在压电谐振器中产生振荡信号的方法，包括：

跨压电元件接收电信号；

在所述压电元件的厚度尺寸中建立第一振动模式；

在所述压电元件的宽度尺寸中建立第二振动模式；以及

相干地组合所述第一振动模式和所述第二振动模式以产生谐振振动，所述谐振振动将机电耦合系数（k_t ²）增大到超过仅宽度振动模式而同时提供单片多频能力。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述压电谐振器应用于其中集成有所述压电设备的电子设备中，所述电子设备选自包括以下各项的组：机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理（PDA）、位置固定的数据单元、以及计算机。

15.一种用于在压电谐振器中产生振荡信号的方法，包括：

用于跨压电元件接收电信号的步骤；

用于在所述压电元件的厚度尺寸中建立第一振动模式的步骤；

用于在所述压电元件的宽度尺寸中建立第二振动模式的步骤；以及

用于相干地组合所述第一振动模式和所述第二振动模式以产生谐振振动的步骤，所述谐振振动将机电耦合系数（k_t ²）增大到超过仅宽度振动模式而同时提供单片多频能力。

16.一种压电谐振器，包括：

用于跨压电元件接收电信号的装置；

用于在宽度方向上建立第一振动模式的装置；

用于在厚度方向上建立第二振动模式的装置；以及

用于组合所述第一振动模式和所述第二振动模式以产生谐振振动的装置，所述谐振振动将机电耦合系数（k_t ²）增大到超过仅宽度振动模式。

17.一种压电谐振器，包括：

纵向方向上的谐振；以及

横向方向上的谐振，其中所述纵向方向上的谐振与所述横向方向上的谐振被组合以生成电信号。

18.如权利要求17所述的压电谐振器，其特征在于，所述纵向方向上的谐振频率基于厚度尺寸，而所述横向方向上的谐振频率基于宽度尺寸。

19.如权利要求18所述的压电谐振器，其特征在于，所述厚度尺寸与所述宽度尺寸之比约等于1。

20.如权利要求17所述的压电谐振器，其特征在于，有效机电耦合系数基于所述纵向方向和所述横向方向上的谐振的机电耦合之和。

21.如权利要求17所述的压电谐振器，其特征在于，进一步包括顶部电极和底部电极，以使得电流在所述纵向方向上。

22.如权利要求17所述的压电谐振器，其特征在于，进一步包括多个顶部电极和底部电极，以使得电流在所述纵向方向上。

23.如权利要求17所述的压电谐振器，其特征在于，所述电信号的频率能够通过更改所述宽度尺寸来更改。

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