CN108123694A - 一种电极优化设计的压电薄膜谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电极优化设计的压电薄膜谐振器，其圆形上电极边缘产生寄生振动的几率下降，不易产生耦合，谐振器整体性能提高，且对工艺要求降低，设计成本降低，有效提高了产品的质量和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统领域，特别涉及一种电极优化设计的压电薄膜谐振器。
背景技术
压电薄膜谐振器因其频率的准确性和稳定性等特性广泛应用于移动电子设备、手机、移动通信装置等电子行业中。压电薄膜谐振器通常由上下电极，压电薄膜和基体等构成，压电薄膜上下两面需镀电极。交流电压可通过引脚连通压电薄膜的上下电极，使压电薄膜产生逆压电效应，从而产生振荡。厚度伸缩模式的薄膜谐振器相较于传统的石英晶体谐振器或一般的硅基谐振器，谐振频率可以达到动态阻抗较小，且谐振频率由压电薄膜、金属电极的厚度共同决定。电极是谐振器的重要组成部分，电极的材料、形状、厚度以及由上下电极相对区域构成的谐振区面积大小都会直接影响薄膜体声波谐振器的能陷特性和器件的稳定性。现有的压电薄膜谐振器包括电极、压电薄膜和基体通常都采用方形结构，单纯地将上电极，压电层，下电极层制备出完全相同的形状，不仅会使得上下电极重叠部分的电容严重影响高频振荡，而且还会引入杂散模态信号的干扰。
而且因规格和工艺的限制，目前，只能采用矩形薄膜谐振器，然而通过方形电极激励所产生的声波在平面内各个方向传播特性不同，电极边缘容易产生寄生振动和杂波的耦合，矩形电极四角的电场集中所带来的应力集中和温度集中，使谐振器的频率稳定性和可靠性有所下降，器件易损坏。因此，压电薄膜谐振器的优化设计是很有必要的。
如何使器件的结构更优，性能更稳定，成本更低，工艺更简单是需要不断解决的问题。压电薄膜谐振器的能陷特性涉及到谐振器的基本工作原理和性质，可以通过改变压电薄膜和设置在压电薄膜上下的电极的性质、材料、形状和大小尺寸等参数，可以找到最优的设计参数。但由于压电薄膜的加工过程复杂且技术难度大，因此通过金属电极的优化设计来改善谐振器件的能陷特性不失为一条捷径，而且加工工艺简单，可批量生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种电极优化设计的压电薄膜谐振器，其能够低成本批量生产，并能够增强薄膜中心能陷效应、大幅度提升产品性能和稳定性的薄膜谐振器。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种电极优化设计的压电薄膜谐振器，包括压电薄膜和设置在所述的压电薄膜两个主要表面上的上电极和下电极，所述上电极为圆形的。
作为上述技术方案的进一步改进，所述上电极为非等厚的。
更进一步的，所述上电极的中心的厚度大于边缘的厚度。所述上电极的厚度可以是由中心到边缘非连续或者连续减少。
作为上述技术方案的进一步改进，所述上电极的厚度为 1~2 nm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述下电极为矩形的。
更进一步改进，所述下电极的厚度为1~2 nm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述压电薄膜为ZnO或AlN薄膜。
本发明的有益效果是：
1）对比矩形电极，本发明中圆形上电极边缘产生寄生振动的几率下降，不易产生耦合，谐振器整体性能提高，且对工艺要求降低，设计成本降低。
2）进一步的，对比厚度均匀的电极，本发明中的电极中心的厚度大于边缘的厚度，有效的将能量集中在电极的中心区域，增强了中心能陷效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明实施例1的压电薄膜谐振器的侧面示意图；
图2 是本发明实施例1的压电薄膜谐振器的顶面俯视示意图；
图3 是本发明实施例2的压电薄膜谐振器的侧面示意图；
图4 是本发明实施例2的压电薄膜谐振器的顶面俯视示意图；
其中1——基体，2——下电极，3——压电薄膜，4——上电极。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
压电薄膜谐振器通常由上下电极，压电薄膜和基体等构成，压电薄膜上、下两面分别设有上、下电极，交流电压可通过引脚连通压电薄膜的上下电极，使压电薄膜产生逆压电效应，从而产生振荡。其中，电极一般为金属电极，如铝等。基体通常为硅基体。上、下电极和基体通常为方形或矩形的结构。
本发明提供了一种电极优化设计的压电薄膜谐振器，具有圆形的上电极结构。对比矩形电极，本发明的圆形上电极边缘产生寄生振动的几率下降，不易产生耦合，谐振器整体性能提高，且对工艺要求降低，设计成本降低。
本发明的上电极的厚度通常为 1~2 nm。
进一步优选的，本发明的谐振器的上电极还可以是圆形的非等厚的；进一步地，上电极的中心的厚度大于边缘的厚度，由中心到边缘非连续或连续减少的，这样可以有效的将能量集中在电极的中心区域，增强了中心能陷效应。
本发明的下电极的厚度通常为为 1~2 nm。可以是传统的矩形或者方形，但并不限于此。
以下给出本发明的若干优选的实施例，以进一步说明。
实施例1
如图1～图2所示，一种电极优化设计的压电薄膜谐振器，包括压电薄膜3和设置在压电薄膜3两个主要表面上的上电极4和下电极1，上电极4为圆形的，且上电极4的中间的厚度大于边缘的厚度，且上电极4的厚度由中间到边缘呈阶梯变化减少的。
本实施例中的谐振器，可以采用以下方法制备：
1、选取厚度为5 µm的Si 基体；
2、在Si 基体上沉积厚度1nm的金属Al作为下电极，并通过光刻、刻蚀形成长方形的下电极；
3、采用磁控溅射方法，沉积厚度为5 µm的ZnO压电薄膜，并图形化，露出下电极的引线；
4、沉积3层厚度为0.5 nm，半径为180 µm、150 µm、120 µm阶梯状递减的圆形金属Al作为上电极。
5、将上电极引至下电极平面与外电路连接。
实施例2
如图3~图4所示，一种电极优化设计的压电薄膜谐振器，包括压电薄膜3和设置在压电薄膜3两个主要表面上的上电极4和下电极1，上电极4为圆形的，且上电极4的中间的厚度大于边缘的厚度，且上电极4的厚度由中间到边缘呈连续变化逐渐减少的。
本实施例中的谐振器，可以采用以下方法制备：
1、选取厚度为5 µm的Si 基体；
2、在Si 基体上沉积厚度1nm的金属Al作为下电极，并通过光刻、刻蚀形成正方形金属电极；
3、采用磁控溅射方法，沉积厚度为5 µm的AlN压电薄膜，并图形化，露出金属下电极的引线；
4、沉积半径为150 µm，厚度为1.2nm，中心向边缘厚度逐渐减少的金属Al电极作为上电极；
5、将上电极引至下电极平面与外电路连接。
本发明的电极优化的压电薄膜谐振器不仅可以保证能量集中在电极的中心区域，增强中心能陷效应；而且可以避免矩形电极四角的电场集中所带来的应力集中和温度集中，导致器件的性能下降和材料破坏。另外氧化锌和氮化铝等平面内各向同性的压电薄膜材料与圆形电极完美匹配，通过圆形电极激励所产生的声波在平面内各个方向传播特性相同，有效减少了电极边缘产生寄生振动和杂波的耦合几率，使谐振器的频率更加稳定和可靠，器件结实耐用，在不增加制造成本和改变工艺的前提下，有效提高产品的质量和稳定性。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种电极优化设计的压电薄膜谐振器，包括压电薄膜和设置在所述的压电薄膜两个主要表面上的上电极和下电极，其特征在于：所述上电极为圆形的。
2.根据权利要求1所述的电极优化设计的压电薄膜谐振器，其特征在于：所述上电极为非等厚的。
3.根据权利要求2所述的电极优化设计的压电薄膜谐振器，其特征在于：所述上电极的中心的厚度大于边缘的厚度。
4.根据权利要求3所述的电极优化设计的压电薄膜谐振器，其特征在于：所述上电极的厚度是由中心到边缘非连续减少的。
5.根据权利要求3所述的电极优化设计的压电薄膜谐振器，其特征在于：所述上电极的厚度是由中心到边缘连续减少的。
6.根据权利要求1所述的电极优化设计的压电薄膜谐振器 ，其特征在于：所述上电极的厚度为 1~2 nm。
7.根据权利要求1所述的电极优化设计的压电薄膜谐振器 ，其特征在于：所述下电极为矩形的。
8.根据权利要求7所述的电极优化设计的压电薄膜谐振器，其特征在于：所述下电极的厚度为1~2 nm。
9.根据权利要求1所述的电极优化设计的压电薄膜谐振器 ，其特征在于：所述压电薄膜为ZnO或AlN薄膜。
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