CN104811157A - 压电薄膜谐振器、滤波器和双工器 - Google Patents

压电薄膜谐振器、滤波器和双工器 Download PDF

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Abstract

压电薄膜谐振器、滤波器和双工器。压电薄膜谐振器(100、200、400、500)包括：基板(10)；压电膜(14)，其设置在所述基板上；下电极(12)和上电极(16)，其彼此相对，以在所述下电极(12)和所述上电极(16)之间设置所述压电膜的至少部分；以及插入膜(28)，其被插入到谐振区(50)中的所述压电膜内，在所述谐振区(50)中，所述压电膜的至少所述部分被设置在所述下电极和所述上电极之间，所述插入膜的与所述谐振区中的外围区(52)对应的至少部分(28b)比所述插入膜的与所述谐振区中的中心区(54)对应的部分(28a)厚。

Description

压电薄膜谐振器、滤波器和双工器
技术领域
本发明的特定方面涉及压电薄膜谐振器、滤波器和双工器，例如，涉及在压电膜中包括插入膜的压电薄膜谐振器、滤波器和双工器。
背景技术
例如，使用压电薄膜谐振器的声波装置用于诸如蜂窝电话的无线装置的滤波器和双工器。压电膜谐振器具有下电极和上电极相对以将压电膜放入其间的结构。
例如，存在作为使用压电薄膜谐振器的声波装置的滤波器和双工器。在这些声波装置中，谐振频率、抗谐振频率或通带的频率根据温度而变化。已知的是在压电膜中设置温度补偿膜的技术作为用于补偿温度变化的技术(例如，日本专利申请公开No.1-48694，和IEEE超声座谈会会议记录(Proc.IEEE Ultrasonics Symposium)2009，第859-862页)。
然而，当在压电膜中设置温度补偿膜时，诸如Q值和/或机电耦合系数的谐振特性劣化。当Q值减小时，例如，滤波器和双工器的陡裙特性(steep skirt characteristic)劣化。
发明内容
本发明的目的是提供压电薄膜谐振器、滤波器和双工器，其可控制谐振特性的温度变化并且控制谐振特性的劣化。
根据本发明的第一方面，提供了一种压电薄膜谐振器，该压电薄膜谐振器包括：基板；压电膜，其设置在所述基板上；下电极和上电极，其彼此相对，以在所述下电极和所述上电极之间设置所述压电膜的至少部分；以及插入膜，其被插入到谐振区中的所述压电膜内，在所述谐振区中，所述压电膜的至少所述部分被设置在所述下电极和所述上电极之间，所述插入膜的与所述谐振区中的外围区对应的至少部分比所述插入膜的与所述谐振区中的中心区对应的部分厚。
在上述构造中，所述中心区内的所述插入膜的弹性常数的温度系数可具有与所述压电膜的弹性常数的温度系数的符号相反的符号。
在上述构造中，所述外围区中的所述插入膜可包括杨氏模量(Young’s modulus)比所述压电膜的杨氏模量小的膜。
在上述构造中，所述插入膜可主要由氧化硅构成。
在上述构造中，所述压电膜可主要由氮化硅构成。
在上述构造中，在所述谐振区中，在所述下电极和与所述下电极接触的绝缘膜中的一个与所述基板之间，可形成间隔。
在上述构造中，所述压电薄膜谐振器还可在所述谐振区中具有声反射器，该声反射器反射在所述压电膜中传播的声波，并且被设置在所述下电极的与所述压电膜相反的一侧。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括上述压电薄膜谐振器的滤波器。
根据本发明的第三方面，提供了一种双工器，该双工器包括：发送滤波器；接收滤波器；其中，所述发送滤波器和所述接收滤波器中的至少一个是上述滤波器。
附图说明
图1A是根据第一实施方式的压电薄膜谐振器的平面图；
图1B是插入膜的平面图；
图1C和图1D是沿着图1A的A-A线截取的横截面图；
图2A至图2C是示出根据第一实施方式的串联谐振器的制造方法的横截面图；
图3A至图3G是示出根据第一实施方式的插入膜的形成方法的横截面图；
图4A至图4D是分别示出根据第一实施方式和比较例1的谐振频率的Q值Qr与宽度W、抗谐振频率的Q值Qa与宽度W、有效机电耦合系数Keff2与宽度W、FOM(品质因数)与宽度W的仿真结果的示图；
图5A是根据第二实施方式的压电薄膜谐振器的平面图；
图5B是插入膜的平面图；
图5C和图5D是沿着图5A的A-A线截取的横截面图；
图6A至图6E是示出根据第二实施方式的插入膜的形成方法的横截面图；
图7A至图7E是示出另一种插入膜的形成方法的横截面图；
图8A至图8D是分别示出根据第二实施方式和比较例2的谐振频率的Q值Qr与宽度W、抗谐振频率的Q值Qa与宽度W、有效机电耦合系数Keff2与宽度W、FOM(品质因数)与宽度W的仿真结果的示图；
图9A是根据比较例3的压电薄膜谐振器的平面图；
图9B是插入膜的平面图；
图9C和图9D是沿着图9A的A-A线截取的横截面图；
图10A是示出抗谐振频率的Q值与杨氏模量的示图；
图10B是示出有效机电耦合系数Keff2与杨氏模量的示图；
图11A是根据第三实施方式的压电薄膜谐振器的横截面图；
图11B是根据第三实施方式的变形示例的压电薄膜谐振器的横截面图；
图12是根据第四实施方式的双工器的电路图；
图13A是发送滤波器的平面图；
图13B是沿着图13A的A-A线截取的横截面图；以及
图14是发送滤波器中的插入膜的平面图。
具体实施方式
下文中，将描述本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1A是根据第一实施方式的压电薄膜谐振器100的平面图。图1B是插入膜的平面图。图1C和图1D是沿着图1A的A-A线截取的横截面图。例如，图1C示出梯型滤波器的串联谐振器的横截面。例如，图1D示出梯型滤波器的并联谐振器的横截面。
将参照图1A和图1C给出串联谐振器S的描述。下电极12设置在作为硅(Si)基板的基板10上。在基板10的平坦主表面和下电极12之间形成带有穹顶形凸出的间隔30。穹顶形凸出是在其中间隔30的高度在间隔30的外围部分低并且间隔30的高度在距离间隔30的中心更近时增大的凸出。下电极12包括下层12a和上层12b。例如，下层12a是Cr(铬)膜。例如，上层12b是Ru(钌)膜。
压电膜14设置在下电极12上，压电膜14主要由主轴在(002)方向上的氮化硅(AlN)构成。插入膜28设置在谐振区50内的压电膜14上。插入膜28设置在压电膜14的膜厚度方向的中心。插入膜28不是必须设置在膜厚度方向的中心。然而，当插入膜28设置在压电膜14的膜厚度方向的中心时，很好地展现出作为插入膜的功能。
插入膜28包括薄膜部分28a和厚膜部分28b。厚膜部分28b比薄膜部分28a厚。薄膜部分28a设置在谐振区50的中心区54中。厚膜部分28b设置在谐振区50内的外围区52的至少部分中。薄膜部分28a和厚膜部分28b是连续形成的。外围区52是谐振区50内部的区域，包括谐振区50的外围并且是沿着谐振区50的外围。例如，外围区52具有环形或带形(例如，其中环形的部分被剪切的形状)。中心区54是在谐振区50内部并且包括谐振区50的中心的区域。该中心不一定是几何中心。插入膜28设置在外围区52和围绕谐振区50的区域56中。插入膜28是从外围区52向着谐振区50的外部连续设置的。
上电极16设置在压电膜14中，以包括经由压电膜14与下电极12相对的区域(即，谐振区50)。谐振区50具有椭圆形形状并且是厚度纵向振动模式的声波在其内谐振的区域。上电极16包括下层16a和上层16b。例如，下层16a是Ru膜。例如，上层16b是Cr膜。
在上电极16上，氧化硅膜被形成为频率调节膜24。谐振区50中的多层膜18包括下电极12、压电膜14、插入膜28、上电极16和频率调节膜24。频率调节膜24可用作钝化膜。
如图1A中所示，用于蚀刻牺牲层的引入路径33形成在下电极12上。牺牲层是用于形成间隔30的层。引入路径33的顶端附近没有被压电膜14覆盖，下电极12具有在引入路径33顶端的孔部分35。
将参照图1A和图1D对并联谐振器P的结构给出描述。相比于串联谐振器S，在上电极16的下层16a和上层16b之间设置质量负荷膜20。例如，质量负荷膜20是Ti(钛)膜。因此，除了串联谐振器S的多层膜之外，多层膜18还包括形成在谐振区50中的整个表面上的质量负荷膜20。由于其它构造与图1C的串联谐振器S的对应构造相同，因此省略对其的描述。
使用质量负荷膜20的膜厚度，调节串联谐振器S和并联谐振器P的谐振频率之差。通过调节频率调节膜24的膜厚度，执行对串联谐振器S和并联谐振器P二者的谐振频率的调节。
当压电薄膜谐振器具有1.7GHz的谐振频率并且谐振频率的温度特性是-10ppm/℃时，下电极12的下层12a是Cr膜并且下层12a的膜厚度是100nm。下电极12的上层12b是Ru膜并且上层12b的膜厚度是200nm。压电膜14是AlN膜并且压电膜14的膜厚度是1260nm。插入膜28是氧化硅(SiO2)膜，薄膜部分28a的膜厚度是90nm，厚膜部分28b的膜厚度是240nm。上电极16的下层16a是Ru膜并且下层16a的膜厚度是230nm。上电极16的上层16b是Cr膜并且上层16b的膜厚度是50nm。频率调节膜24是氧化硅膜并且频率调节膜24的膜厚度是50nm。质量负荷膜20是Ti膜并且质量负荷膜20的膜厚度是120nm。为了获得所需的谐振特性，可适当地设置各层的膜厚度。
除了Si基板之外，还可使用石英基板、玻璃基板、陶瓷基板、GaAs基板等作为基板10。可使用诸如Al(铝)、Ti、Cu(铜)、Mo(钼)、W(钨)、Ta(钽)和Pt(铂)、Rh(铑)、Ir(铱)等单层膜或包括多个单层膜的多层膜作为下电极12和上电极16中的每个。例如，上电极16的下层16a可以是Ru膜，上层16b可以是Mo膜。除了氮化硅之外，还可使用ZnO(氧化锌)、PZT(锆钛酸铅)、PbTiO3(钛酸铅)等作为压电膜14。例如，压电膜14包含氮化硅作为主要成分，并且可包含用于改善谐振特性或改善压电性的其它成分。由于压电膜14的压电性通过使用Sc(钪)作为额外成分而得到改善，因此例如可改善压电薄膜谐振器的有效机电耦合系数。
插入膜28的薄膜部分28a的弹性常数的温度系数的符号与压电膜14的弹性常数的温度系数的符号相反。由此，可以使谐振频率的温度系数等接近0。例如，可使用诸如氧化硅膜或氮化硅膜的绝缘膜作为薄膜部分28a。插入膜28的厚膜部分28b包括由相比于压电膜14具有小杨氏模量的材料构成的膜。随后，说明对其的详细描述。
除了氧化硅膜之外，还可使用氮化硅膜或氮化硅膜作为频率调节膜24。除了Ti之外，还可使用诸如Ru、Cr、Al、Cu、Mo、W、Ta、Pt、Rh或Ir的单层膜作为质量负荷膜20。此外，可使用由诸如氮化硅或氧化硅的金属氮化物或金属氧化物构成的绝缘膜作为质量负荷膜20。质量负荷膜20除了形成在上电极16的层之间之外，质量负荷膜20还可形成在下电极12下方、下电极12的层之间、上电极16上、下电极12和压电膜14之间、或压电膜14和上电极16之间。只要质量负荷膜20被形成为包括谐振区50，质量负荷膜20可比谐振区50大。
图2A至图2C是示出根据第一实施方式的串联谐振器的制造方法的横截面图。如图2A中所示，形成用于在具有平坦主表面的基板10上形成间隔的牺牲层38。例如，牺牲层38的膜厚度是10nm至100nm。牺牲层38选自可容易溶解在蚀刻液体或蚀刻气体中的材料(诸如，MgO、ZnO、Ge或SiO2)。然后，使用光刻技术和蚀刻技术将牺牲层38构图成所需形状。牺牲层38具有与间隔30的平面形状对应的形状，并且包括例如变成谐振区50的区域。接下来，作为下电极12的下层12a和上层12b形成在牺牲层38和基板10上。例如，使用溅射法、真空沉积法或CVD(化学汽相沉积)法形成牺牲层38和下电极12。然后，使用光刻技术和蚀刻技术将下电极12构图成所需形状。可使用剥离法形成下电极12。
如图2B中所示，例如，使用溅射法、真空沉积法或CVD法，在下电极12和基板10上形成下压电膜14a和插入膜28。使用光刻技术和蚀刻技术将插入膜构图成所需形状。可使用剥离法形成插入膜28。插入膜28被形成为使得厚膜部分28b变得比薄膜部分28a厚。
如图2C中所示，例如，使用溅射法、真空沉积法或CVD法，形成上压电膜14b、上电极16的下层16a和上层16b。压电膜14由下压电膜14a和上压电膜14b形成。使用光刻技术和蚀刻技术将上电极16构图成所需形状。可使用剥离法形成上电极16。
这里，在图1D中示出的并联谐振器中，形成上电极16的下层16a，然后，例如，使用溅射法、真空沉积法或CVD法形成质量负荷膜20。使用光刻技术和蚀刻技术将质量负荷膜206构图成所需形状。然后，形成上电极16的上层16b。
例如，使用溅射法或CVD法形成频率调节膜24。使用光刻技术和蚀刻技术将频率调节膜24构图成所需形状。
然后，通过孔部分35和引入路径(参见图1A)将牺牲层38中的蚀刻液体引入下电极12下方的牺牲层38。由此，去除牺牲层38。期望的是，蚀刻牺牲层38的介质不蚀刻除了牺牲层38之外的构成谐振器的材料。尤其期望的是，蚀刻介质是不蚀刻与蚀刻介质接触的下电极12的介质。多层膜18的应力被设置成变为压应力(参见图1C和图1D)。由此，当去除牺牲层38时，多层膜18向着基板10的相对侧凸出，以与基板10分开。在下电极12和基板10之间形成带有穹顶形凸出的间隔30。如上所述，制造图1A和图1C中示出的串联谐振器S以及图1A和图1D中示出的并联谐振器。
图3A至图3G是示出根据第一实施方式的插入膜的形成方法的横截面图。如图3A中所示，在下压电膜14a上形成变成插入膜的膜44。例如，使用溅射法、真空沉积法或CVD法形成膜44。如图3B中所示，使用光刻技术和蚀刻技术，将位于变成谐振区50的膜44的区域内的变成薄膜部分28a的膜44的区域变薄。由此，在膜44上形成凹形部分45。如图3C中所示，使用光刻技术和蚀刻技术将膜44构图，以使其变得大于谐振区50。由此，用膜44形成插入膜28。凹形部分45的区域变成薄膜部分28a并且除了凹形部分45之外的区域变成厚膜部分28b。
接下来，将对插入膜28的另一种形成方法给出描述。如图3D中所示，在下压电膜14a上形成插入膜的下膜44a。例如，使用溅射法、真空沉积法或CVD法形成下膜44a。如图3E中所示，使用光刻技术和蚀刻技术去除下膜44a中变成薄膜部分的区域45a。由此，在下膜44a上形成开口。可使用剥离法形成具有开口的下膜44a。如图3F中所示，在下膜44a和开口上形成上膜44b。例如，使用溅射法、真空沉积法或CVD法形成上膜44b。变成插入膜的膜44由下膜44a和上膜44b形成。如图3G中所示，使用光刻技术和蚀刻技术将膜44构图成所需形状。由此，用膜44形成插入膜28。区域45a变成薄膜部分28a并且除了区域45a之外的区域变成厚膜部分28b。
相比于图3D至图3G的插入膜的形成方法，图3A至图3C的插入膜的形成方法可减少制造工时。相反地，相比于图3A至图3C的插入膜的形成方法，图3D至图3G的插入膜的形成方法可提高薄膜部分28a的膜厚度的准确性。此外，在图3D至图3G的插入膜的形成方法中，下膜44a和上膜44b的材料可互不相同。例如，可使用相比于压电膜14具有高杨氏模量的材料作为下膜44a，可使用弹性常数的温度系数的符号与压电膜14的弹性常数的温度系数的符号相反的材料用作上膜44b。
为了确认在插入膜28上形成厚膜部分28b的效果，使用有限元方法执行仿真。通过二维分析象图1C一样的横截面来执行有限元方法。插入膜28的各膜厚度和各材料与图1A至图1D中用作谐振频率是1.7GHz的压电薄膜谐振器的膜厚度和材料相同。也就是说，可使用AlN作为压电膜14。插入膜28被设置成氧化硅膜。薄膜部分28a的膜厚度被设置成90nm，厚膜部分28b的膜厚度被设置成240nm。谐振区50和厚膜部分28b的交叠宽度W被设置成0μm、3μm、4μm或5μm。比较例1指示宽度W是0μm。在比较例1中，插入膜28不包括厚膜部分28b，仅通过薄膜部分28a构造插入膜28。插入膜28设置在压电膜14的膜厚度方向上的中间位置。
图4A至图4D是示出分别根据第一实施方式和比较例1的谐振频率的Q值Qr与宽度W、抗谐振频率的Q值Qa与宽度W、有效机电耦合系数Keff2与宽度W、FOM(品质因数)与宽度W的仿真结果的示图。FOM得自有效机电耦合系数
如图4A和图4B中所示，通过形成厚膜部分28b，谐振频率和抗谐振频率的Q值提高。这是因为以下原因。也就是说，具有小杨氏模量的厚膜部分28b设置在外围区52上，使得在谐振区50的外围区52中，声波的振动变小。由此，谐振区50的外围用作固定端，声波执行固定端反射。因此，外围区52防止声波的能量泄漏到谐振区50的外部。由此，Q值变大。
如图4C中所示，通过形成厚膜部分28b，有效机电耦合系数减小。然而，如图4D中所示，通过形成厚膜部分28b，FOM提高。因此，在外围区52上形成厚膜部分28b，使得Q值和FOM可提高。
(第二实施方式)
图5A是根据第二实施方式的压电薄膜谐振器200的平面图。图5B是插入膜的平面图。图5C和图5D是沿着图5A的A-A线截取的横截面图。例如，图5C示出梯型滤波器的串联谐振器的横截面。例如，图5D示出梯型滤波器的并联谐振器的横截面。
如图5A至图5D中所示，薄膜部分28a形成在插入膜28的厚膜部分28b的外部。因此，插入膜28连续地形成在谐振区50的外部。与孔部分35连通的孔34形成在插入膜28上。由于其它构造与根据第一实施方式的图1A至图1D的对应构造相同，因此省略对其的描述。
图6A至图6E是示出根据第二实施方式的插入膜的形成方法的横截面图。如图6A中所示，变成插入膜的膜44形成在下压电膜14a上。如图6B中所示，在膜44中，位于变成谐振区50的区域的内部和外部的变成薄膜部分28a的区域变薄。由此，在膜44上形成凹形部分45。凹形部分45变成薄膜部分28a，并且除了凹形部分45之外的部分变成厚膜部分28b。
接下来，将对插入膜28的另一种形成方法给出描述。如图6C中所示，插入膜的下膜44a形成在下压电膜14a上。如图6D中所示，从下膜44a去除变成薄膜部分28a的区域45a。如图6E中所示，上膜44b形成在下膜44a和下压电膜14a上。用下膜44a和上膜44b形成变成插入膜28的膜44。区域45a变成薄膜部分28a，并且除了区域45a之外的区域变成厚膜部分28b。由于插入膜28的其它形成方法与第一实施方式的形成方法相同，因此省略对其的描述。
图7A至图7E是示出另一种插入膜的形成方法的横截面图。如图7A中所示，变成插入膜28的膜44形成在下压电膜14a上。如图7B中所示，在膜44中，位于变成谐振区50的区域的内部的变成薄膜部分28a的区域变薄。在膜44中，谐振区50的外部没有变薄。由此，在膜44上形成凹形部分45。凹形部分45变成薄膜部分28a并且除了凹形部分45之外的区域变成厚膜部分28b。
接下来，将对插入膜28的其它形成方法给出描述。如图7C中所示，插入膜28的下膜44a形成在下压电膜14a上。如图7D中所示，从下膜44a去除变成薄膜部分28a的区域45a。如图7E中所示，上膜44b形成在下膜44a和下压电膜14a上。用下膜44a和上膜44b形成变成插入膜28的膜44。区域45a变成薄膜部分28a，并且除了区域45a之外的区域变成厚膜部分28b。由于插入膜28的其它形成方法与第一实施方式的形成方法相同，因此省略对其的描述。
如图7A至图7E中所示，薄膜部分28a不一定设置在谐振区50的外部。
如同第一实施方式的图4A至图4D，执行关于第二实施方式的仿真。图8A至图8D是分别示出根据第二实施方式和比较例2的谐振频率的Q值Qr与宽度W、抗谐振频率的Q值Qa与宽度W、有效机电耦合系数Keff2与宽度W、FOM(品质因数)与宽度W的仿真结果的示图。在比较例2中，插入膜28不包括厚膜部分28b，插入膜28只由薄膜部分28a构成。
如图8A至图8D中所示，通过形成厚膜部分28b，有效机电耦合系数略微减小。通过形成厚膜部分28b，谐振频率和抗谐振频率的Q值以及FOM提高。因此，膜厚部分28b形成在外围区52上，使得Q值和FOM可提高。
为了检验厚膜部分28b的所需材料，执行关于比较例3的仿真，在比较例3中，在中心区54上没有形成插入膜28。图9A是根据比较例3的压电薄膜谐振器300的平面图。图9B是插入膜的平面图。图9C和图9D是沿着图9A的A-A线截取的横截面图。
如图9A至图9D中所示，在中心区54上没有形成插入膜28。在插入膜28上没有形成厚膜部分28b，插入膜28具有均匀膜厚度。由于其它构造与根据第二实施方式的图5A至图5D的对应构造相同，因此将省略对其的描述。
相对于比较例3，插入膜28的材料改变，使用有限元方法执行关于抗谐振频率的Q值的仿真。通过像图9C一样的横截面的二维分析来执行有限元方法。多层膜18的各膜厚度和各材料如下。
下电极12的下层12a是Cr膜，下层12a的膜厚度是100nm。下电极12的上层12b是Ru膜，上层12b的膜厚度是250nm。压电膜14是AlN膜，压电膜14的膜厚度是1100nm。下压电膜14a和上压电膜14b的膜厚度中的每个是550nm。上电极16的下层16a是Ru膜，下层16a的膜厚度是250nm。上电极16的上层16b是Cr膜，上层16b的膜厚度是50nm。频率调节膜24是氧化硅膜，频率调节膜24的膜厚度是50nm。插入膜28的膜厚度被设置成150nm，谐振区50和插入膜28的交叠宽度W被设置成2μm。插入膜28设置在压电膜14的膜厚度方向上的中间位置。
图10A是示出抗谐振频率的Q值与杨氏模量的示图。图10B是示出有效机电耦合系数Keff2与杨氏模量的示图。比较例3对应于不包括插入膜28的谐振器。计算关于作为插入膜28的材料的Al、SiO2、Ti、Cr、AlN、Ru和W的抗谐振频率的Q值和有效机电耦合系数Keff2。
参照图10A，当插入膜28由具有小杨氏模量的材料制成时，抗谐振频率的Q值变大。当杨氏模量变得小于AlN的杨氏模量时，谐振频率的Q值变得大于比较例3的Q值。这是因为，外围区52的插入膜28防止声波的能量泄漏到谐振区50的外部。
参照图10B，当插入膜28由金属制成时，有效机电耦合系数Keff2变大。假定，当插入膜28由金属制成时，使谐振区50中的声波的电场分布均匀。
根据第一实施方式和第二实施方式，插入膜28被插入谐振区50中的压电膜14内，谐振区50中的外围区52比谐振区50中的中心区54厚。当插入膜28被插入谐振区50中的压电膜14内时，可控制谐振特性的温度变化。然而，由于不是压电膜的膜插入压电膜14内，因此Q值等谐振特性劣化。因此，使对应于外围区52的插入膜28为厚。由此，外围区52可防止谐振区50中的声波泄漏到谐振区50的外部。因此，Q值、FOM等谐振特性可提高。
期望的是，中心区54内的插入膜28的弹性常数的温度系数具有与压电膜14的弹性常数的温度系数的符号相反的符号。由此，可使谐振特性的温度系数接近0。中心区54内的插入膜28(即，薄膜部分28a)可被设置，使得可控制谐振特性的温度变化。
此外，期望的是，外围区52中的插入膜28(即，厚膜部分28b)包括杨氏模量比压电膜14的杨氏模量小的膜。由此，如图4A至图4D和图8A至图8D中所示，外围区52防止声波泄漏到谐振区50的外部，并且可以控制谐振特性的劣化。
期望的是，杨氏模量比压电膜14的杨氏模量小的膜由Al、SiO2、Ti、Cr、AlN、Ru或W制成，如图10A中所示。期望的是，该膜的杨氏模量等于或小于压电膜14的杨氏模量的90％，更期望的是，该膜的杨氏模量等于或小于压电膜14的杨氏模量的80％。
期望的是，具有小杨氏模量的膜是金属膜，以提高有效机电耦合系数，如图10B中所示。期望的是，插入膜28主要由氧化硅构成，以使薄膜部分28a和厚膜部分28b的材料普通化。在插入膜28中可包括除了作为主要组成的氧化硅之外的其它成分。例如，为了改善温度特性，可包括氟。
为了不劣化谐振特性，期望的是，在压电薄膜谐振器的厚度纵向振动的情况下，谐振区50中的厚膜部分28b的宽度W是声波的波长λ的2.5倍或更小，更期望的是，宽度W是波长λ的2.0倍或更小，进一步更期望的是，宽度W是波长λ的1.4倍或更小。另外，期望的是，宽度W是波长λ的0.3倍或更大。
为了不劣化谐振特性，期望的是，谐振区50中的厚膜部分28b的膜厚度是谐振区50的中心区54中多层膜的膜厚度的0.2倍或更小，更期望的是，厚膜部分28b的膜厚度是多层膜的膜厚度的0.15倍或更小，进一步更期望的是，厚膜部分28b的膜厚度是多层膜的膜厚度的0.1倍或更小。期望的是，厚膜部分28b的膜厚度是多层膜的膜厚度的0.03倍或更大。
插入膜28可以仅形成在谐振区50的内部和围绕谐振区50的区域56上，如同第一实施方式。插入膜28可形成在谐振区50的内部和除了谐振区50之外的整个区域上，如同第二实施方式。在谐振区50的外部的插入膜28的膜厚度可以与薄膜部分28a或厚膜部分28b的膜厚度相同，或者可与薄膜部分28a和厚膜部分28b的膜厚度不同。插入膜28不需要设置在谐振区50的外部。厚膜部分28b可设置在外围区52的部分上。期望的是，厚膜部分28b设置在外围区52的几乎整个上，以防止声波泄漏到谐振区50的外部。从简化制造工艺的角度看，期望的是，薄膜部分28a的膜厚度是恒定的并且厚膜部分28b的膜厚度是恒定的。薄膜部分28a的膜厚度可以是不规则的并且厚膜部分28b的膜厚度可以是不规则的。
(第三实施方式)
第三实施方式是其中间隔的构造变化的示例。图11A是根据第三实施方式的压电薄膜谐振器400的横截面图。图11B是根据第三实施方式的变形示例的压电薄膜谐振器500的横截面图。如图11A中所示，谐振区50中的多层膜不是穹顶形而是平坦的。在基板10的上表面上形成腔体。下电极12平坦地形成在基板10上。由此，在基板10的腔体中形成间隔30。间隔30被形成为包括谐振区50。由于其它构造与第一实施方式的对应构造相同，因此省略对其的描述。间隔30可被形成为穿透基板10。这里，绝缘膜可被形成为与下电极12的下表面接触。也就是说，间隔30可形成在基板10和与下电极12接触的绝缘膜之间。例如，可使用AlN膜作为绝缘膜。
如图11B中所示，谐振区50中的多层膜18不是穹顶形而是平坦的。在谐振区50中在下电极12的与压电膜14的相对的侧形成声反射器(acoustic mirror)31。具有低声阻抗的膜30a和具有低声阻抗的膜30b交替设置在声反射器31中。膜30a和膜30b的膜厚度中的每个是λ/4(λ是声波的波长)。可任意地设置膜30a和膜30b的层叠数量。由于其它构造与第一实施方式的对应构造相同，因此省略对其的描述。
这里，在第三实施方式及其变形示例中，插入膜28可设置在谐振区50的外部，如同第二实施方式。此外，插入膜28不一定设置在谐振区50的外部。
如第一实施方式至第三实施方式中指示的，压电薄膜谐振器可以是FBAR(薄膜体声波谐振器)，FBAR在谐振区50中包括形成在基板10和下电极12之间的间隔30。此外，如第三实施方式的变形示例中指示的，压电薄膜谐振器可以是SMR(固态微型谐振器)，SMR在谐振区50中包括声反射器31，声反射器31反射通过压电膜14传播的声波并且布置在下电极12下方。
尽管第一实施方式至第三实施方式和第三实施方式的变形示例中的每个说明了其中谐振区50具有椭圆形形状的示例，但谐振区50可具有其它形状。例如，谐振区50可以是多边形(诸如，四边形或五边形)。
(第四实施方式)
第四实施方式指示双工器70的示例。图12是根据第四实施方式的双工器70的电路图。如图12中所示，双工器70包括发送滤波器40和接收滤波器42。发送滤波器40连接在公共端Ant和发送端Tx之间。接收滤波器42连接在公共端Ant和接收端Tx之间。作为匹配电路的电感器L1设置在公共端Ant和地之间。发送滤波器40使从发送端Tx输入的信号之中发送带的信号作为发送信号传递到公共端Ant，并且抑制具有其它频率的信号。接收滤波器42使从公共端Ant输入的信号之中接收带的信号作为接收信号传递到接收端Rx，并且抑制具有其它频率的信号。电感器L1匹配阻抗，使得通过发送滤波器40的发送信号没有泄露到接收滤波器42并且从公共端Ant输出。
发送滤波器40是梯型滤波器。一个或更多个串联谐振器S1至S4串联连接在发送端Tx(输入端)和公共端Ant(输出端)之间。一个或更多个并联谐振器P1至P3并联连接在发送端Tx和公共端Ant之间。串联谐振器的数量、并联谐振器的数量和电感器的数量及其连接可适当地变化，以获得发送滤波器所需的特性。第一实施方式至第三实施方式和变形示例的压电薄膜谐振器可被用作串联谐振器S1至S4和并联谐振器P1至P3中的至少一个。
图13A是发送滤波器的平面图。图13B是沿着图13A的A-A线截取的横截面图。图14是插入膜的平面图。如图13A、图13B和图14中所示，根据第二实施方式的多个压电薄膜谐振器形成在相同的基板10上，从而形成梯型滤波器。开口36形成在压电膜14(即，上压电膜和下压电膜)上，开口37形成在插入膜28上。下电极12经由开口36和37电连接到外部。在谐振区50的中心区54中，薄膜部分28a被形成为插入膜28。在外围区52中，厚膜部分28b被形成为插入膜28。由于其它构造与第二实施方式的对应构造相同，因此省略对其的描述。关于谐振器S1至S4和P1至P3中的每个的谐振区50的大小和形状可被适当地改变。
接收滤波器42可以是梯型滤波器或多路复用模式滤波器。发送滤波器40和接收滤波器42中的至少一个可以是梯型滤波器或格子型滤波器。发送滤波器40和接收滤波器42中的至少一个中的至少一个谐振器可以是根据第一实施方式至第三实施方式和第三实施方式的变形示例的压电薄膜谐振器。
滤波器包括根据第一实施方式至第三实施方式和第三实施方式的变形示例的压电薄膜谐振器。由此，谐振器的谐振特性的温度变化可被控制，并且关于滤波器的通带等的频率特性的温度变化可被控制。此外，谐振器的Q值可提高，滤波器的裙特性可改善。
此外，发送滤波器40和接收滤波器42中的至少一个可以是包括根据第一实施方式至第三实施方式和第三实施方式的变形示例的压电薄膜谐振器的滤波器。
尽管详细描述了本发明的实施方式，但要理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变、替代和更改。

Claims (9)

1.一种压电薄膜谐振器(100、200、400、500)，其特征在于所述压电薄膜谐振器(100、200、400、500)包括：
基板(10)；
压电膜(14)，其设置在所述基板上；
下电极(12)和上电极(16)，其彼此相对，以在所述下电极(12)和所述上电极(16)之间设置所述压电膜的至少部分；以及
插入膜(28)，其被插入到谐振区(50)中的所述压电膜内，在所述谐振区(50)中，所述压电膜的至少所述部分被设置在所述下电极和所述上电极之间，所述插入膜的与所述谐振区中的外围区(52)对应的至少部分(28b)比所述插入膜的与所述谐振区中的中心区(54)对应的部分(28a)厚。
2.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其特征在于，所述中心区内的所述插入膜的弹性常数的温度系数具有与所述压电膜的弹性常数的温度系数相反的符号。
3.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其特征在于，所述外围区中的所述插入膜包括杨氏模量比所述压电膜的杨氏模量小的膜。
4.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其特征在于，所述插入膜主要由氧化硅构成。
5.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其特征在于，所述压电膜主要由氮化铝构成。
6.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其特征在于，在所述谐振区中，在所述下电极和与所述下电极接触的绝缘膜中的一个与所述基板之间，形成有间隔(30)。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的压电薄膜谐振器，其特征在于，所述压电薄膜谐振器还在所述谐振区中具有声反射器(31)，该声反射器(31)反射在所述压电膜中传播的声波，并且被设置在所述下电极的与所述压电膜相反的一侧。
8.一种滤波器(40、42)，其特征在于，所述滤波器(40、42)包括：
根据权利要求1至7中的任一项所述的压电薄膜谐振器(100、200、400、500)。
9.一种双工器(70)，其特征在于，所述双工器(70)包括：
发送滤波器(40)；以及
接收滤波器(42)；
其中，所述发送滤波器和所述接收滤波器中的至少一个是根据权利要求8所述的滤波器。
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