CN109921759B

CN109921759B - 声谐振器

Info

Publication number: CN109921759B
Application number: CN201811518446.8A
Authority: CN
Inventors: 徐文庆; 兰地; 王京; 李伟启; 韩旭; 刘超; 埃尔金·伊斯勒; 乔瓦尼·巴尔巴罗萨
Original assignee: University of South Florida; II VI Inc
Current assignee: University of South Florida; Coherent Corp
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2038-12-12
Also published as: US11218132B2; US20190181830A1; US11843364B2; US20220085790A1; CN109921759A

Abstract

一种声谐振器，包括：压电堆叠件，其包括具有顶表面和底表面的压电层、布置在顶表面上的顶电极层、以及布置在底表面下的底电极层。若干个声波反射器布置在底电极层的与压电层相对的一侧。每个声波反射器包括高声阻抗层并且可以包括低声阻抗层。声谐振器可以包括栓连件，其与压电堆叠件的各层的堆叠方向相横向地延伸。支撑结构可以与声谐振器相对地耦接至栓连件，以锚固声谐振器。镜、一个或多个声子晶体、或两者可以与声谐振器相对地邻近栓连件布置，以避免谐振波从使用中的声谐振器出射。

Description

声谐振器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年12月12日提交的美国临时专利申请No.62/597,662的权益，其内容通过引用合并于此。

技术领域

本申请涉及包括电极、压电层和声反射器的声谐振器(acoustic resonator)。

背景技术

在射频(RF)通信中，可以利用表面声波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器对RF信号进行滤波。薄膜体声谐振器(FBAR)和固体装配谐振器(SMR)是两种类型的BAW滤波器，它们是压电驱动的微机电系统(MEMS)器件，能够实现当前RF通信，与SAW滤波器件相比，其能够以相对低的插入损耗在相对高的频率处谐振。这些BAW滤波器包括压电层、顶电极和底电极。这些BAW滤波器的谐振频率是基于厚度的或者取决于谐振体的薄膜的厚度，例如，谐振频率随着谐振体的薄膜厚度减小而增加。谐振体的薄膜厚度是关键，并且对于期望谐振频率必须精确地控制谐振体的薄膜厚度。在工业上，使用离子铣削修整晶圆的不同区域以实现高水平的厚度均匀性从而获得针对目标或指定RF频率的FBAR和SMR的合理产量可能是昂贵且耗时的。

预计未来的RF通信系统将利用从目前用于蜂窝通信的几百MHz至1.8GHz(以及用于Wi-Fi通信的2.5GHz)至3-6GHz(低于6GHz(sub-6GHz))的频率，并且可能一直达到100GHz。为了在这些频率处使用，需要减小基于FBAR和SMR的RF滤波器的薄膜厚度以增加谐振频率。此外，FBAR和SMR器件的频率和品质因子(或Q)的乘积通常是恒定的，这意味着增加谐振频率将导致Q降低。Q的降低是不期望的，特别是考虑到在2.45Ghz以下频率处FBAR和SMR的Q的当前技术水平已经接近理论限值(3500)。因此，频率加倍将导致Q值减半(例如，降低至1750)，这对于制作诸如RF滤波器、RF谐振器、RF开关和RF振荡器之类的RF器件而言是不期望的。

发明内容

一般而言，提供了一种改进的声谐振器。

在一些非限制性实施例或示例中，根据本发明原理的声谐振器可以包括布置在一对电极之间的压电层。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器可以包括一个或多个声波反射器，每个声波反射器可以包括高声阻抗材料层，并且可选地包括低声阻抗材料层。在一些非限制性实施例或示例中，高声阻抗材料层可以为金刚石层，其具有约630×10⁶N.s/m³的声阻抗。在一些非限制性实施例或示例中，声波反射器的层的数量可以为：≥2、≥10、≥20、≥50、以及≥100。

在一些非限制性实施例或示例中，高声阻抗材料层可以包括以下各项中的一项或多项：凝相或固相材料；陶瓷；玻璃；聚合物；晶体、矿物质等。在一些非限制性实施例或示例中，固相材料包括以下各项中的一项或多项：铂、钯、钨、钼、铬、钛和钽。在一些非限制性实施例或示例中，固相材料可以包括来自元素周期表的以下族中的一个或多个的一种或多种元素：IIIA、IVA、IB、IIB、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB和VIIIB。

在一些非限制性实施例或示例中，可选的低声阻抗材料层可以包括真空或气相材料。在一些非限制性实施例或示例中，气相材料可以包括以下各项中的一项或多项：空气、氢、氮、二氧化碳、一氧化碳、氧、VIIIA族惰性气体之一(例如氦、氖、氩、氪、氙等)、有机物质(如烃类物质或其具有不同官能团的取代衍生物)、或包括任何前述物质的混合物。

在一些非限制性实施例或示例中，低声阻抗材料层可以包括液相材料。

在一些非限制性实施例或示例中，低声阻抗材料层可以包括固相材料，该固相材料可以具有在1×10⁶N.s/m³(例如，象牙的1.4×10⁶N.s/m³)与30×10⁶N.s/m³(例如，氧化铝/蓝宝石的25.5×10⁶N.s/m³)之间的低声阻抗。在一些非限制性实施例或示例中，固相材料可以包括金属，该金属具有在1×10⁶N.s/m³(例如，碱金属钾K的1.4×10⁶N.s/m³)与100×10⁶N.s/m³(例如，钨W的99.72×10⁶N.s/m³)之间的低声阻抗。

在一个示例中，每个电极可以为连续层或图案化层。在一个示例中，图案化层可以包括梳状或交叉状电导体线阵列，其在邻近的电导体线对之间可见压电层的一部分。在一个示例中，每个电导体线的宽度和其间可见的压电层的每个部分的宽度可以在：0.00001mm与1mm之间；0.001mm与0.1mm之间；或0.0001mm与0.01m之间。在一个示例中，电导体线的宽度与邻近的电导体线之间可见的压电层的所述部分的宽度之比可在以下范围内变化：0.001至1000；0.01至100；或0.1至10。

在一些非限制性实施例或示例中，一对邻近的电导体线之间的间隙可以在具有最小宽度的电导体线的宽度的1％至99％之间变化。在一些非限制性实施例或示例中，交叉状电导体线可以为直线、弧线、螺旋线、或任何其他几何形状的线。在一些非限制性实施例或示例中，不同几何形状的电导体线可以提供抑制声谐振的不期望的寄生模式的优点。在一些非限制性实施例或示例中，一条或多条电导体线与一条或多条压电线之比可以针对给定声谐振器而变化，这可有助于拓宽谐振带宽。

在一些非限制性实施例或示例中，压电层可包括ZnO、AlN、InN、碱金属和/或碱土金属铌酸盐、碱金属和/或碱土金属钛酸盐、碱金属和/或碱土金属钽铁矿、GaN、AlGaN、锆钛酸铅(PZT)、聚合物或任何前述物质的掺杂形式。压电层可以为多晶或单晶。单晶压电层可以由单晶或外延生长形成。在一些非限制性实施例或示例中，压电层可以为钪掺杂的AlN，其可以具有比未掺杂的AlN更高水平的压电耦合效率。

在一些非限制性实施例或示例中，在声谐振器的谐振的厚度模式中，包括作为高声阻抗层的金刚石层的声谐振器的压电层可具有≥3％的耦合效率、≥5％的耦合效率、≥7％的耦合效率、≥9％的耦合效率、≥11％的耦合效率、或≥13％的耦合效率。在一些非限制性实施例或示例中，在声谐振器的谐振的轮廓(contour)或横向(lateral)模式中，包括作为高声阻抗层的金刚石层的声谐振器的压电层可具有≥0.1％的耦合效率、≥0.3％的耦合效率、≥0.5％的耦合效率、≥1.0％的耦合效率、≥1.5％的耦合效率、≥2.0％的耦合效率、≥2.5％的耦合效率、≥3.0％的耦合效率、≥3.5％的耦合效率、≥4.0％的耦合效率、或≥4.5％的耦合效率。

在一些非限制性实施例或示例中，可以移除压电层的在邻近的电导体线之间可见的部分以在压电层的主体中形成(一个或多个)压电槽。在一个示例中，这(一个或多个)压电槽可以降低声谐振器的馈通电容(C₀)；增加压电耦合效率；或者增加kT²，其中kT²＝C_m/C₀，并且C_m是等效运动电容。(一个或多个)压电槽可以解耦声谐振器的压电响应(运动电流)和电响应(由于电容耦合引起的直接馈通)，这可以改善声谐振器的信噪比。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器的主体可以是矩形、正方形、圆形、环形、环状、多边形、椭圆形或任何其他几何形状。在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器的尺寸可取决于(一个或多个)目标性能，例如插入损耗、功率处理能力、散热等。在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器的最大尺寸可以是：≤50mm、≤30mm、≤20mm、≤10mm、≤5mm、≤3mm、≤2mm、或≤1mm。在一个示例中，声谐振器的插入损耗可以为：≤40dB、≤30dB、≤20dB、≤15dB、或≤10dB。为了实现低插入损耗(其可取决于特定应用的需要)，声谐振器的尺寸可以变化(通常，器件越大，插入损耗越低)或者可以并联多个声谐振器。声谐振器的功率处理可以是：≤70dBm、≤60dBm、≤50dBm、≤40dBm、≤30dBm、或≤20dBm。

在一些非限制性实施例或示例中，当声波到达声谐振器的边界时，每个声波反射器可以将声波反射回声谐振器的主体或者反射到声谐振器的主体中。

在一些非限制性实施例或示例中，包括高声阻抗材料层以及可选地包括低声阻抗材料层的单个声波反射器可能不能实现期望的声波反射比。因此，在一个示例中，特别是当使用凝相材料作为高声阻抗层以及可选的低声阻抗层时，可以使用多个声波反射器。在一个示例中，可以根据声波传播的层(例如，压电层)的声阻抗(Za)以及传播的声波到达的层(例如，高声阻抗层)的声阻抗(Zb)，利用下式计算声波的声反射比(R)：R＝|(Zb-Za)/(Za+Zb)|。

在一个示例中，为了实现期望的声反射比，可以选择具有不同声阻抗的材料，或者可以使用不同声阻抗材料的多个层。如果Zb为0，声波的最大反射可以为100％，这可以在绝对真空条件下发生。在非绝对真空时，Zb将具有大于0的数值。从上式的求值中可以理解，Za的值越高，声波的声反射比(R)越高。由于金刚石具有声阻抗的最高值之一(如果不是最高值的话)，金刚石可以是用作声波反射器的高声阻抗层的良好材料，以用于反射由声谐振器产生的到达高声阻抗层的至少一部分声波。

在一些非限制性实施例或示例中，在底电极具有交叉状电导体线阵列的形式的情况下，声波能量可以经由邻近的交叉状电导体线之间的空间或空隙从压电层直接传输至金刚石层。在一个示例中，邻近的交叉状电导体线之间的空间或空隙可以为发生谐振节点的位置，因此通过这些谐振节点位置发生最小的声波传输而不必穿过压电层和底电极层之间的第一反射界面以及底电极层和高声阻抗层(例如，金刚石)之间的第二反射界面。因此，在一个示例中，在压电层与高声阻抗层之间具有梳状或交叉状电极线可以是有利的，这可导致声谐振器的改进的品质因子(Q)和/或改进的插入损耗。

在一个示例中，已知金刚石为用于声波传输的低损耗材料。在声波的谐振条件下，金刚石可以在(相对于其他材料的)最小能量损耗的情况下存储声波能量，导致所期望的高的Q值。包括具有金刚石层的声波反射器的声谐振器可以具有如下Q值：≥500、≥1000、≥1500、≥2000、≥2500、≥3000、≥3500、≥4500、或≥5500。

与其他材料相比，在避免声谐振器的频率漂移时，作为声波反射器的高声阻抗层的材料的金刚石可以是良好的材料。为了在-40℃至+125℃的范围上实现最优且鲁棒的频率稳定性，声谐振器可以包括一个或多个温度补偿层。

在一些非限制性实施例或示例中，可以使用(一个或多个)小的栓连件将声谐振器锚固到支撑结构。可以通过增加栓连件的数量来增加声谐振器的功率处理能力。栓连件的数量可以在1至1000以上变化。虽然每个栓连件可以位于声谐振器的任何位置处以用于锚固，但是声谐振器的声波节点区域可以是具有可以用于以最小声波阻尼锚固声谐振器的栓连件的期望位置。但是，无法通过在声波节点区域设置栓连件来完全消除声波阻尼，这是因为虽然栓连件很小，但是其对于防止全部声波穿过栓连件而言太大。因此，在一些非限制性实施例或示例中，在栓连件的与声谐振器相对的一侧上，可以设置用于将经由栓连件从声谐振器的主体出射的声波反射回所述主体的装置。

在一些非限制性实施例或示例中，用于反射声波的该装置可以为镜，其可以位于栓连件的与声谐振器相对的一侧。在一个示例中，镜可以将未被限制在声谐振器的主体内的声波的≥20％、≥40％、≥60％、≥80％、或≥90％反射回去。该镜可以为单层结构或多层结构，所述多层结构具有交替的不同声阻抗材料层。在一个示例中，镜可以包括气相材料或混合物、液相材料、或它们的一些组合。

在一些非限制性实施例或示例中，用于反射声波的装置可以为一组或多组声子晶体。在一个示例中，每组声子晶体可以帮助将声波的≥20％、≥40％、≥60％、≥80％、≥90％、≥95％、或≥99％限制在声谐振器主体内。声子晶体在本领域中已知为粘弹性材料或流体内的夹杂物的周期性排列，例如空气中的金属、水中的聚合物、环氧树脂中的空气等(参见“Phononic crystals and their applications(声子晶体及其应用)”Pierre-YvesGuerder，2011年4月4日)。这些声子晶体的数量、形状和大小以及它们的几何阵列可以变化。任一组的声子晶体中声子晶体的数量可以在以下范围内：1至1000000；1至100000；1至10000；1至1000；或1至100。

在一些非限制性实施例或示例中，声子晶体可以布置在栓连件上以帮助将声波限制在声谐振器内。作为栓连件的一部分的(一个或多个)声子晶体可以产生频率的带阻，其可以避免声波穿过栓连件到支撑结构。在一个示例中，声子晶体衍生的频率带阻期望地包括声谐振器的谐振频率，从而避免声能穿过栓连件并在支撑结构中损耗并且抑制声能损耗，这可以导致更高的Q值和更低的插入损耗。

附图说明

从参照附图的以下描述内容中，本发明的这些和其它特征将变得更加明显，在附图中：

图1A是根据本发明原理的一个非限制性实施例或示例声谐振器的放大侧视图；

图1B是图1A所示的示例声谐振器的立体图；

图1C是根据本发明原理的包括栓连件的一个非限制性实施例或示例声谐振器的立体图；

图2A是可以用作图1C所示的声谐振器的顶电极、底电极、或顶电极与底电极两者的一个非限制性实施例或示例薄膜(片状)电导体的平面图；

图2B是可以用作图1C所示的声谐振器的顶电极、底电极、或顶电极与底电极两者的一个非限制性实施例或示例交叉状电导体线的平面图；

图3是与例如图1A至图1C中的任一个的声谐振器类似的一个非限制性实施例或示例声谐振器的平面图，该声谐振器包括两个栓连件，每个端部一个栓连件，其中邻近每个栓连件的是声反射器镜；

图4是与例如图1A至图1C中的任一个的声谐振器类似的一个非限制性实施例或示例声谐振器的平面图，该声谐振器在每个端部包括例如一组五个栓连件，其中邻近每组栓连件的是一组声子晶体或声子晶体的阵列；

图5A是与例如图1A至图1C中的任一个的声谐振器类似的一个非限制性实施例或示例声谐振器的平面图，该声谐振器包括两个栓连件，每个端部一个栓连件，其中每个栓连件包括各自配置为作为带阻滤波器操作的一个或多个声子晶体；

图5B是与例如图1A至图1C中的任一个的声谐振器类似的一个非限制性实施例或示例声谐振器的平面图，该声谐振器在每个端部包括多个栓连件，例如，左端部上的两个栓连件以及右端部上的三个栓连件，其中每个栓连件包括各自配置为作为带阻滤波器操作的一个或多个声子晶体；

图6是根据本发明原理的一个非限制性实施例或示例声谐振器的平面图，该声谐振器包括两个栓连件(每个端部一个)以及在声谐振器的不存在压电层或电极的一侧或两侧可见的高声阻抗层(例如，金刚石层)的部分或弧部；

图7是一个非限制性实施例或示例压电堆叠件的分离透视图，该压电堆叠件包括位于片状形式的顶电极和可以是片状或交叉状电导体的形式的底电极之间的中心压电层，其中顶电极和压电层的部分包括在其中形成的槽，以减少馈通并改善信噪比；

图8A至图8D是经由栓连件与示例声谐振器耦接的示例支撑结构的顶视图、侧视图、底视图以及端视图，其中图8B是沿图8A的线8B-8B截取的示图，图8C是沿图8B的线8C-8C截取的示图，并且图8D是沿图8A的线8D-8D截取的示图；以及

图9A至图9B是经由一对栓连件(在相对侧上)耦接至一对镜像示例支撑结构的示例声谐振器的分离顶视图和侧视图。

具体实施方式

现在将参照附图描述各种非限制性示例，在附图中，相似的附图标记对应相似或功能等同的元件。

下文中，为了描述目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“横向”、“纵向”及其衍生应当与附图中所定向的示例相关。要理解的是，本发明可假设各种替代变化和步骤序列，除非明确指出相反情况。还要理解的是，附图中所示的以及下面的说明书中所描述的具体装置和过程仅是本发明的示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其它物理特性不应被视为限制性的。

参照图1A至图1B，在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100可以包括具有谐振频率的谐振器主体。取决于其配置，声谐振器100可以具有以下谐振频率：≥1MHz；≥10MHz；≥100MHz；300MHz；≥500MHz；≥800MHz；≥1200MHz；≥1500MHz；≥1800MHz；≥2100MHz；≥2400MHz；≥2700MHz；≥3000MHz；≥3500MHz；≥4000MHz；≥4500MHz；≥5000MHz；或者，≥6000MHz。声谐振器100可以在基本模式(fundamental mode)或泛音模式(overtone mode)下谐振。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100可以包括压电层27，其可布置在至少一对电极(例如，顶电极25层和底电极35层)之间且由它们激活。在自上而下(如箭头29所示)示图中，声谐振器100的主体可以为任何适当的和/或期望的形状，例如，矩形、正方形、圆形(circle)、环形(annular)、环状(ring)、多边形、椭圆形、或任何其它几何形状。

参照图1C并且继续参照图1A和图1B，在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100可以经由一个或多个栓连件(tether)60与环境隔离。在一个示例中，每个栓连件60可以与声谐振器100由同一堆叠材料形成并且可用于锚固(anchor)声谐振器100的主体并将该主体与环境隔离。在一个示例中，栓连件60的数量可以在1至1000以上变化。在一个示例中，(一个或多个)栓连件60的使用可以是可选的，这取决于隔离方法以及声波反射器的设计(下文详细描述)。

在一些非限制性实施例或示例中，顶电极35可以与压电层27的顶部接触并且底电极25可以与压电层27的底部接触。然而，这不应视为限制意义。在一个示例中，底电极25和顶电极35之一或两者可以为连续的电导体薄膜层，如图2A所示。在另一个示例中，底电极25和顶电极35之一或两者可以包括梳状(comb-shaped)或交叉状(interdigitated)(一个或多个)薄膜电导体的阵列，如图2B所示。在一个示例中，每个栓连件60可以从声谐振器100的侧部或端部横向地延伸，即，与底电极25、压电层27及顶电极35的堆叠方向相横向地布置。在一个示例中，顶电极35可以包括连续的电导体薄膜层(图2A)并且底电极25可以包括梳状或交叉状(一个或多个)薄膜电导体的阵列(图2B)。在另一个示例中，底电极25可以包括连续的电导体薄膜层(图2A)并且顶电极35可以包括梳状或交叉状(一个或多个)薄膜电导体的阵列(图2B)。但是，底电极25和顶电极35的这些构造不应视为限制意义。

在一些非限制性实施例或示例中，对于包括梳状或交叉状薄膜电导体阵列的每个电极25和/或35，每条电导体线15的宽度17以及邻近的电导体线15之间可见的压电层27的每条线的宽度21可变化。每条电导体线15的宽度17与压电层27的每条线的宽度21之比可以在以下范围内：0.001至1000；0.01至100；或0.1至10，等等。对于一对邻近的梳状或交叉状电导体线，所述邻近的电导体线的相对侧面之间的距离可在所述电导体线15之一的宽度17的1％至99％的范围变化。在一个示例中，对于给定器件而言，电导体线15的宽度17与邻近的电导体线15之间的压电层27的线的宽度21之比可以不是均匀的，这有助于拓宽谐振带宽。

在一些非限制性实施例或示例中，梳状或交叉状薄膜电导体阵列的导线15可以为直线、弧线、螺旋线、或任何其它几何形状的线。不同几何形状的线可以提供抑制声谐振的不期望的寄生模式的优点。

在一些非限制性实施例或示例中，除了顶电极35、压电层27以及底电极25以外，声谐振器100还可以包括以下各项中的一项或多项：高声阻抗层19、低声阻抗层11、衬底50、和/或一个或多个可选的温度补偿层13、23和33，它们例如如图1所示地布置。在另一示例中，也可以与高声阻抗层19和/或可选的低声阻抗层11一起设置一个或多个可选的低声阻抗层7和/或一个或多个可选的高声阻抗层9，如图1A所示。

在一些非限制性实施例或示例中，可以设置对N的低声阻抗层7和高声阻抗层9并且可以提供所述对N的一个或多个实例。例如，可以设置低声阻抗层7和高声阻抗层9的单个对N，如图1A至图1C所示。在另一个示例中，可以设置交替的低声阻抗层7和高声阻抗层9的多个对N。例如，在从衬底50朝向压电层27的向上移动的方向上，N对交替的低声阻抗层7和高声阻抗层9可以包括第一低声阻抗层7、第一高声阻抗层9、第二低声阻抗层7、以及第二高声阻抗层9。此外，对N的交替的低声阻抗层7和/或高声阻抗层9也可以设置在该示例的第二高声阻抗层9的顶部。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100的尺寸可取决于一个或多个目标性能，例如插入损耗、功率处理能力(power handling capability)、散热等。例如，当与手持式装置(例如，智能电话)一起使用时，声谐振器100的最大尺寸可以为：≤20mm、≤15mm、≤10mm、≤5mm、≤3mm、≤2mm、或者≤1mm。在一个示例中，与手持式装置一起使用的声谐振器100的插入损耗可以为：≤40dB、≤40dB、≤30dB、≤20dB、或≤15dB。

在一些非限制性实施例或示例中，当(如以箭头29的方向观看)声谐振器100的主体可以具有四边形形状时，声谐振器100的主体的宽度W与长度L之比可在以下范围内变化：0.01至100；0.05至20；或0.1至10。在一个示例中，声谐振器100的主体的每侧或每个端部不必与相对侧或相对端部平行或垂直。

在一些非限制性实施例或示例中，对于基站应用或物联网应用(住宅、办公室、车辆等附近的装置)，声谐振器100的最大尺寸可以为：≤50mm；≤30mm；≤20mm；≤10mm；≤5mm；≤3mm；≤2mm；或≤1mm。在一个示例中，与基站装置和物联网装置一起使用的声谐振器100的插入损耗可以为：≤40dB；≤30dB；≤20dB；≤15dB；或者，≤10dB。

在一些非限制性实施例或示例中，为了实现低插入损耗(其可取决于特定应用的需要)，声谐振器100的尺寸可以变化，通常，器件越大，插入损耗越低。在一个示例中，也可以通过并联多个声谐振器100来实现低插入损耗。在一个示例中，声谐振器100的功率处理(power handling)可以为：≤70dBm；≤60dBm；≤50dBm；≤40dBm；≤30dBm；或者，≤20dBm。在一个示例中，可通过使用增加数量的栓连件60锚固声谐振器100的主体来改善功率处理。

在一些非限制性实施例或示例中，包括压电层27以及底电极25及顶电极35的声谐振器100还可包括可选的多层声波反射器37，其包括高声阻抗层19(例如，金刚石膜或金刚石层)以及可选的低声阻抗层11。图1A至图1C中的包括可选的温度补偿层13的声波反射器37的图示不应当视为限制意义，因为可以省略温度补偿层13。

在一些非限制性实施例或示例中，高声阻抗层19可以包括金刚石。材料的声阻抗是声速和材料的比密度的乘积。在一个示例中，声波在金刚石中可以非常快速地(大约18500m/s)传播。在一个示例中，金刚石可以具有3500kg/m³的比密度。在一个示例中，金刚石可具有大约630×10⁶N.s/m³的声阻抗。在一些非限制性实施例或示例中，高声阻抗层19可替代地包括固相材料，比如金属(铝、铂、钯、钨、钼、铬、钛、钽、或来自元素周期表中IIIA族和/或IVA族的一个或多个的一种或多种元素、或来自IB、IIB、IIIB、IVB、VB、VIB，VIIB和/或VIIIB族中的一个或多个的过渡金属)、陶瓷、玻璃、聚合物等。在一个示例中，SiC具有大约427×10⁶N.s/m³的声阻抗，Ir具有大约108×10⁶N.s/m³的声阻抗，并且W具有大约99.9×10⁶N.s/m³的声阻抗。

在一些非限制性实施例或示例中，可选的低声阻抗层11可以包括气相材料。在一个示例中，气相材料可包括以下各项中的一项或多项：氢气、氮气、二氧化碳、一氧化碳、氧气、和/或VIII族惰性气体(例如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气)中的一种或多种，等等。在另一个示例中，气相材料可以为有机材料，比如烃类物质或其具有不同官能团的取代衍生物。在另一个示例中，气相材料可以为任意前述物质的混合物。在另一个示例中，(一个或多个)其他气体材料也可以作为低声阻抗层11工作，但毒性和危险可能是一个问题。在一个示例中，空气可以为适当的气相材料或混合物，其具有大约0.0004×10⁶N.s/m³的低声阻抗。

在一个示例中，液相材料也可以作为低声阻抗层11工作，例如，水具有1.48×10⁶N.s/m³的声阻抗。

当气相或液相材料用作声谐振器100的声波反射器37的低声阻抗层11时，可以使用一个或多个栓连件60来锚固声谐振器100。在一些非限制性实施例或示例中，可以通过增加栓连件60的数量来增加声谐振器100的功率处理能力。

陶瓷、玻璃、晶体和矿物质可具有在1×10⁶N.s/m³(比如象牙(ivory)的1.4×10⁶N.s/m³)与30×10⁶N.s/m³(比如氧化铝/蓝宝石的25.5×10⁶N.s/m³)之间的低声阻抗。金属具有在1×10⁶N.s/m³(比如，碱金属K的1.4×10⁶N.s/m³)与100×10⁶N.s/m³(比如，钨W的99.72×10⁶N.s/m³)之间的低声阻抗，并且在示例声波反射器中可以用作高声阻抗层(例如，层19)或低声阻抗层(例如，层11)的材料，这分别取决于另一层11或19的材料选择。当凝相材料(condensed-phase material)用作声谐振器100的低声阻抗层11时，可无需一个或多个栓连件60，这是因为可无需隔离声谐振器100。

在一个非限制性实施例或示例中，在声谐振器100中，取决于用作高声阻抗材料和低声阻抗材料之一的第二材料的选择，可将第一材料用作高声阻抗层和低声阻抗层中的另一者。通常，在声谐振器100中，被认为具有高声阻抗的材料将具有比被认为是低声阻抗材料的材料更大的声阻抗，而不管与高声阻抗层和低声阻抗层相关联的声阻抗的具体值如何。在一些非限制性实施例或示例中，可利用声反射比(R)(下文讨论)的值来选择要用作高声阻抗层和低声阻抗层的适当材料。

在一些非限制性实施例或示例中，在由压电层27产生的(一个或多个)声波到达声波反射器37的一条或多条边界时，声波反射器37可以将所述(一个或多个)声波反射回至少包括压电层27和电极25和35的声谐振器100的主体内。在一个示例中，声波反射器37可以具有以下反射比R：≥50％、≥60％、≥70％、≥80％、≥90％、≥95％、或者≥99％。

在一些非限制性实施例或示例中，包括高声阻抗层19以及可选的低声阻抗层11的声波反射器37可能不具有期望水平的声波反射比。因此，在一个示例中，可以使用多层声波反射器。多层声波反射器的一个示例可以包括声波反射器37以及一个或多个声波反射器39，每个声波反射器39包括高声阻抗层9以及可选的低声阻抗层7。在一个非限制性实施例或示例中，多层声波反射器可以按图1A至图1C所示顺序包括声波反射器37(其包括高声阻抗层19和低声阻抗层11)和声波反射器39(其包括高声阻抗层9和低声阻抗层7)。可以在图1A至图1C所示的声波反射器39下方设置声波反射器39的一个或多个额外实例。在一个示例中，当将凝相材料用作高声阻抗层和低声阻抗层时，可以使用多层声波反射器。然而，这不应视为限制意义。

在一些非限制性实施例或示例中，声波的反射比(R)可以根据声波传播的层(例如但不限于，压电层27和/或底电极25)的声阻抗(Za)以及声波到达的层(例如但不限于，高声阻抗层19)的声阻抗(Zb)利用下式计算：

R＝|(Zb-Za)/(Za+Zb)|。

在一些非限制性实施例或示例中，为了实现期望的声反射比R，可以使用具有不同声阻抗的材料，或者可以使用不同声阻抗的多个层。从上式中可以理解，当Zb为“0”(零)时，声波的最大反射比是“1”，这可在绝对真空的条件下发生。因此，在一个示例中，声谐振器100可以在一定的真空水平下安装在封装件中，这可以帮助实现声波的更好的反射比R，可导致更高的Q。

在一些非限制性实施例或示例中，R的值可以为≥0.4。为了实现该R的值，可以使用与形成声谐振器100的过程相兼容的具有Za和Zb的适当值的任何材料。因此，本文对具有高声阻抗或低声阻抗的材料的描述旨在为示意性的而不应视为限制意义。

在一些非限制性实施例或示例中，如果声谐振器100未处于绝对真空下，则可存在层的声阻抗Zb的(大于0的)数值。在这种情况下，Zb越高，声波的反射比R越高。在一个示例中，金刚石被认为是具有最高声阻抗Zb的材料，这表明金刚石可以是用于声谐振器100的声波反射器37和/或39(当提供时)的高声阻抗层19和/或9(当提供时)的良好的(可能是最好的)材料，当声波到达高声阻抗层19和/或9(当提供时)的边界(例如，其顶表面或底表面)时，其可以通过声反射来反射声波。因此，声谐振器100可以包括一个或多个金刚石层。金刚石可以为单晶或多晶。多晶金刚石可以是超纳米晶金刚石、纳米晶金刚石、或微晶金刚石。

已知金刚石为用于声波传输的低损耗材料。在声波的谐振条件下，金刚石可以在最小能量损耗的情况下存储声波能量，导致所期望的高的品质因子(Q)。包括一个或多个高声阻抗层(19和/或9(当提供时))的声谐振器100可以具有如下Q：≥500、≥1000、≥1500、≥2000、≥2500、≥3000、≥3500、≥4500、或≥5500。除了金刚石，可用作声谐振器100中的(一个或多个)高声阻抗层的其他材料可具有声波传输的更高损耗。

在一些非限制性实施例或示例中，期望的是由声谐振器100的压电堆叠件所形成的声波快速传输至金刚石层(例如，层19)，由此在谐振期间在金刚石层内谐振，这可导致更高的Q。在一个示例中，声谐振器100的压电堆叠件可以包括压电层27、顶电极35、以及底电极25。顶电极35和底电极25中的每一个可以各自具有任意适当的和/或期望的形态或图案，比如但不限于连续电导体薄膜、梳状或交叉状图案等。

在一些非限制性实施例或示例中，可需要至少一层电极(顶电极35和/或底电极25)以激活压电层27。在一个示例中，压电层27下方的底电极25可以(但不期望地)用作由压电层27产生的声波的反射层，从而防止或减少由压电层27产生的声波传播至高声阻抗层19。因此，在一个示例中，期望的是压电层27与高声阻抗层19之间的底电极25包括梳状或交叉状电导体线阵列(如图2B所示)或其它其他几何形状，以使得更少声波反射回可使声波能量损耗更高的压电堆叠件。以这种方式，来自压电堆叠件的声波能量可以传播至或传输至梳状或交叉状电导体线的空隙或空间27之间的高声阻抗层19中。

在一些非限制性实施例或示例中，底电极25的邻近的梳状或交叉状电导体线之间的(一个或多个)空间可以为存在谐振节点的位置。因此，可以通过这些节点区域传输最少量的声波而其无需穿过压电层27与底电极25之间的第一反射界面以及底电极25与高声阻抗层19之间的第二反射界面。因此，可期望的是底电极25在压电层27与金刚石层19之间具有梳状或交叉状电导体线15的阵列。

在一些非限制性实施例或示例中，虽然每个栓连件60可以位于声谐振器100的任何位置处以用于锚固，但是声波节点区域可以是可用于以声波阻尼的最小减少来锚固声谐振器100的栓连件60的期望位置。然而，通过在声波节点区域放置栓连件60可能无法完全消除声波阻尼，这是因为尽管栓连件60很小，但是其尺寸足以使一些声波通过，导致较低的Q，这是不期望的。

在一些非限制性实施例或示例中，可选地，声谐振器100可以包括如图1A和图1B所示地放置的一个或多个温度补偿层13、23和/或33中的任意一个或组合。在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100可以包括多个高声阻抗层9以及可选的低声阻抗层7和高声阻抗层19以及可选的低声阻抗层11。在一个示例中，每个低声阻抗层7可以由与其他各个(一个或多个)低声阻抗层7和/或11彼此相同或不同的材料形成。类似地，每个高声阻抗层9可以由与其他各个(一个或多个)高声阻抗层9和/或19彼此相同或不同的材料形成。

在一些非限制性实施例或示例中，当声谐振器100用作射频或微波电磁波滤波器和/或用作振荡器时，期望的是随着环境温度改变，声谐振器100的谐振频率鲁棒或稳定。然而，在-40℃与125℃之间，当环境温度改变时，谐振频率可改变，这也被称为频率漂移Δf/f，这是不期望的。

在一个示例中，与其他材料相比，金刚石自身可以为避免基于温度的频率漂移的良好材料。然而，在-40℃至+125℃的范围上实现最优且鲁棒的谐振频率可要求声谐振器100包括一个或多个温度补偿层13、23和33。每个温度补偿层可以包括二氧化硅、硅元素和/或氧元素。在一个示例中，一个或多个温度补偿层可以位于金刚石层19下方、金刚石层19上方、底电极25下方、压电层27上方、和/或顶电极层35上方。温度补偿层13、23和33的示例在图1A和图1B中示出。任一温度补偿层的厚度可以为：≤30微米、≤20微米、≤10微米、≤1微米、或者≤0.4微米。在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100的对于每℃的温度改变的频率漂移可以为：≤1000ppm/℃、≤500ppm/℃、≤300ppm/℃、≤100ppm/℃、≤50ppm/℃、≤30ppm/℃、≤20ppm/℃、≤10ppm/℃、或≤5ppm/℃。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100的压电层27可以通过由施加在顶电极35与底电极25之间的无线基准(Rf)信号的应用而激活。

在一些非限制性实施例或示例中，压电层27可包括ZnO、AlN、InN、碱金属和/或碱土金属铌酸盐、碱金属和/或碱土金属钛酸盐、碱金属和/或碱土金属钽铁矿、GaN、AlGaN、锆钛酸铅(PZT)、聚合物或压电层的上述掺杂形式。

在一些非限制性实施例或示例中，由钪掺杂的AlN形成的压电层27可以提供比未掺杂的AlN更高水平的压电耦合效率。然而，在一个示例中，由钪掺杂的AlN形成的压电层27可能遭受其他材料特性，例如但不限于：声速的降低，这可不利地影响获得谐振频率；声波能量损失的增加；和/或介电常数的增加，这可导致更高的馈通水平(导致更低的信噪比)。此外，掺杂形成压电层27的AlN还可以导致声谐振器100在谐振频率处耗散更多能量，这可导致更低的Q。

在一些非限制性实施例或示例中，包括具有至少一个金刚石层的至少一个声波反射器37和/或39的声谐振器100的优点在于其有助于避免使用用于压电层27的Sc掺杂的AlN、或使用任何掺杂压电层、或使用可具有高耦合效率的任何压电层时的上述缺点。在一个示例中，具有高耦合效率的压电层27可在谐振时有损耗(即，耗散更多能量)并且可具有低声速。在一个示例中，已知金刚石为低声损耗材料并且其可具有高声速，例如，已知材料的最高声速。包括具有高水平压电效应(耦合效率)的压电层27(如Sc掺杂的AlN压电层)并且包括具有金刚石层的至少一个声波反射器37和/或39的声谐振器100可以同时实现高Q和高频率谐振。用于包括具有至少一个金刚石层的至少一个声反射器37和/或39的声谐振器100的压电层在以厚度模式操作时可以具有如下耦合效率：≥3％、≥5％、≥7％、≥9％、≥11％、或≥13％。用于包括具有至少一个金刚石层的至少一个声反射器37和/或39的声谐振器100的压电层在以轮廓模式或以横向模式操作时可以具有如下耦合效率：≥0.1％、≥0.3％、≥0.5％、≥1.0％、≥1.5％、≥2.0％、≥2.5％、≥3.0％、≥3.5％、≥4.0％、或≥4.5％。

压电层27的厚度可以在以下范围内：10nm与1000微米之间；或20nm与500微米之间；或30nm与100微米之间；或40nm与50微米之间；或50nm与20微米之间；或60nm与10微米之间。金刚石层19或9的厚度与压电层27的厚度之比可以为：>10000；>1000；>100；>50；>20；>10；>1；或>0.1。压电层27可以完全地或部分地(例如，≥10％、≥30％、≥50％、≥70％、≥80％、或≥90％)覆盖金刚石层19的表面。

压电层27可以为多晶或单晶。单晶压电层可以由单晶或外延生长形成。

下面描述使用栓连件60降低声波损耗以改善Q以及可能地降低插入损耗的一些非限制性实施例或示例。

参照图3并继续参照所有先前附图，在一些非限制性实施例或示例中，在平面图中，声谐振器100可以具有梳状或交叉状电导体线15阵列的形式的顶电极35并且可以具有主体102，该主体102能够通过一个或多个栓连件60至少部分地与周围环境隔离。

在一些非限制性实施例或示例中，用于反射声波的装置可以位于栓连件60的与主体102相对的一侧。在一些非限制性实施例或示例中，用于反射声波的装置可以为镜202，例如，直镜(straightmirror)(如图3虚线所示)或曲面镜(如图3中的实线所示)。图3中邻近每个栓连件60的曲面镜和直镜的图示仅为示意目的并且不应视为限制意义，这是因为设想仅单个镜202(无论是直镜或曲面镜)可邻近每个栓连件60布置。

在一些非限制性实施例或示例中，每个镜202可以由现在已知或将来开发的任何适当的和/或期望的低声阻抗材料制成。在一个示例中，每个镜202可以包括低声阻抗固相材料；低声阻抗气相材料、低声阻抗液相材料、或它们的一些组合，这些材料可以与形成声谐振器100的材料和/或声谐振器100和/或每个镜202可耦接或安装至的支撑结构的材料相兼容。

在一些非限制性实施例或示例中，图3中的曲面镜202的轮廓可以为圆形、抛物线、双曲线等，其目的在于将通过每个栓连件60从主体102出射的声波最大化地反射回到主体102，这可增大声谐振器100的Q和/或可能降低插入损耗。

在一些非限制性实施例或示例中，每个镜202可以为多层结构，其包括不同声阻抗材料(例如，材料204和206)的交替层。在一个示例中，材料204和206可以为气相材料和固相材料，反之亦然。然而，这不应视为限制意义。

在一些非限制性实施例或示例中，镜202至栓连件60的远端部63之间的最短距离64可以为使用声谐振器100时产生的声波的波长的1/8(或更大)。圆形镜202的内径可以为使用声谐振器100时产生的声波的波长的1/8(或更大)。抛物线或双曲线镜主轴长度和/或短轴长度可以为使用声谐振器100时产生的声波的波长的1/8(或更大)。使用镜202(无论是直镜还是曲面镜)作为用于反射声波的装置的目的是在使用声谐振器100时将未被限制在主体102内的声波的≥20％、≥40％、≥60％、≥80％、或≥90％反射回去。

参照图4并且继续操作所有先前附图，在一些非限制性实施例或示例中，在平面图中，声谐振器100可使其主体102被多个栓连件60(例如，10个栓连件60)隔离并锚固到一个或多个支撑结构400(以虚线示出)。图4中的(一个或多个)支撑结构400可以为在分开位置耦接至各栓连件60的单个件或元件，或者每个栓连件60可以耦接至单独的支撑结构400。图3中(一个或多个)支撑结构400的图示和位置仅用于示例目的并且不应视为限制意义。出于描述的目的，图4将被视为具有两个单独的支撑结构400，其与底电极25层、压电层27和顶电极35层的堆叠方向相横向地布置。然而，这不应视为限制意义。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100可以具有多条间隔开的平行电导体线15，例如，从主体102的一端到另一端的五条间隔开的电导体线15。然而，这不应当视为限制意义，因为设想使用其他数量、几何形状和布局的分开的电导体线15，例如，上述交叉状电导体线15。在图4所示示例中，压电层27的部分在每对邻近电导体线15之间和主体102的邻近侧104之间是可见的。然而，这不应视为限制意义。

在一些非限制性实施例或示例中，用于反射声波的装置可以为一组声子晶体304、声子晶体304的集合、或声子晶体304的阵列302，其可以形成在与一个或多个栓连件60的同主体102相对的端部耦接的支撑结构400中。在一个示例中，第一电极306可用于将位于主体102的一侧的两个栓连件60连接至包括声子晶体304的一个阵列的一个支撑结构400，而位于主体102的另一侧的第二电极308可以用于将三个栓连件60连接至包括声子晶体304的另一个阵列的第二支撑结构400。将在下文描述可以用于或适于本文所述的各种非限制性实施例或示例中的示例支撑结构400。

在一些非限制性实施例或示例中，每个阵列302中的声子晶体304的数量、形状、尺寸和/或布置可以变化。在一个示例中，每个阵列302中的声子晶体的数量可以在以下范围内：1至1000000；1至100000；1至10000；1至1000；或1至100。栓连件60的远端部63与一个或多个声子晶体304之间的最短距离66可以为在使用声谐振器100时所产生的波长的1/8(或更大)。声子晶体304的目的在于帮助将在使用声谐振器100时产生的声波限制在主体102，以达到更好的Q并且可能降低插入损耗。在一个示例中，声子晶体304可以将声波的≥20％、≥40％、≥60％、≥80％、≥90％、≥95％、或≥99％限制在主体102内。

图5A和图5B示出了可以通过两个栓连件60(图5A)(每个端部一个栓连件60)和五个栓连件60(图5B)(左端部两个栓连件并且右端部三个栓连件)来锚固的非限制性实施例或示例声谐振器100的两个不同平面图。在一些非限制性实施例或示例中，每个栓连件60可以在栓连件60自身结构的一部分处包括一个或多个声子晶体304，其可以用作一个或多个带阻滤波器。每个栓连件60的与主体102相对的端部可以耦接至或连接至支撑结构400(用虚线示出)。将在下文中描述支撑结构400的示例。

在一些非限制性实施例或示例中，每个栓连件60的(一个或多个)声子晶体304可以帮助将在使用声谐振器100时产生的声波限制在主体102内。每个栓连件60中的(一个或多个)声子晶体的数量可以在以下范围内：1至1000000；1至100000；1至10000；1至1000；1至100；1至20；或1至10。

在一些非限制性实施例或示例中，声子晶体304的形状可以为方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形、环形、环状、或任意其他几何形状。在一些非限制性实施例或示例中，可以使用不同形状的声子晶体304的组合。每个声子晶体304可以包括一个或多个开孔或填充有其它材料的一个或多个孔，所述其它材料比如是具有与形成声子晶体304的(一个或多个)材料不同的声阻抗的材料。

在一些非限制性实施例或示例中，每个栓连件60的(一个或多个)声子晶体304可以产生由所述(一个或多个)声子晶体304停止的频率带阻。在一个示例中，(一个或多个)声子晶体304的带阻频率可以包括声谐振器100的谐振频率。声子晶体304的目的在于帮助将在使用声谐振器100时产生的声波的至少一部分限制在主体102，以达到更好的Q并且可能降低插入损耗。

在一些非限制性实施例或示例中，每个栓连件的(一个或多个)声子晶体304可以帮助降低到支撑结构400的声波能量损耗。声谐振器100的部分或全部栓连件60可以包括一个或多个声子晶体304，以实现期望频率处的带阻。因此，图5A和图5B中每个栓连件60包括六个声子晶体304的图示不应视为限制意义。

参照图6，在一些非限制性实施例或示例中，支撑结构400可以耦接至声谐振器100的每个栓连件60。如图6所示，例如，声谐振器100可以具有交叉状电导体线15。然而，这不应视为限制意义。在一个示例中，声谐振器100可以包括邻近主体102的侧面104的高声阻抗层19(例如，金刚石)的一个或多个可选的面向上的区域或部分41，其可以如图6的平面图中所示地暴露，即，顶电极35、压电层27、或底电极25(即，压电堆叠件)的任何部分都不位于高声阻抗层19的(一个或多个)面向上的部分41的顶部。在一个示例中，高声阻抗层19的该暴露的(一个或多个)面向上的部分41可以为弧形的，其在主体102的端部106之间进一步远离压电堆叠件的(一个或多个)侧面(其可以具有图6中所示的矩形形状)凸出并且朝向主体102的端部106逐渐走/形成弧线。据认为，使高声阻抗层19的弧形的面向上的部分41暴露(未被压电堆叠件的部分覆盖)可增大声谐振器100的Q以及/或者可以改善声谐振器100的插入损耗。

图6中的支撑结构400与声谐振器(其具有暴露的且进一步远离压电堆叠件的侧面凸出形状的区域或部分41)的组合的图示不应视为限制意义，因为支撑结构400和每个部分41可以彼此独立地设置和使用。

在一些非限制性实施例或示例中，部分或全部的(一个或多个)支撑结构400可以包括镜202(无论是曲面镜或直镜)和/或一个或多个声子晶体304。镜202和/或一个或多个声子晶体304可以以本领域技术人员认为适当的和/或期望的任意方式被包括在每个支撑结构400的表面上或嵌入每个支撑结构400的主体中。下文中将参照图8A至图8D描述与单个栓连件60连接的支撑结构400(包括可选的镜202或一个或多个声子晶体304)的示例。

图7示出了包括压电堆叠件的声谐振器100的非限制性实施例或示例隔离部分，所述压电堆叠件包括压电层27、压电层27上方的顶电极层35、以及压电层27下方的底电极层25。

至少包括高声阻抗层19以及可选的低声阻抗层11以及可选的一个或多个高声阻抗层9和/或低声阻抗层7的声波反射器可以位于压电堆叠件的下方。

在一些非限制性实施例或示例中，高声阻抗层19可以包括金刚石层。在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100还可以包括一个或多个温度补偿层13、23和/或33(图1A至图1C)。

在图7所示示例中，可以将压电层27的位于顶电极35的邻近电导体线15之间的部分移除，从而在压电层27的主体中形成一个或多个槽28。据信，这一个或多个槽28可以降低声谐振器100的馈通电容(C₀)，于是反谐振频率根据C₀的值的减小而改变，这可导致压电耦合效率的增加或kT²的增加；其中kT²＝C_m/C₀；并且C_m是等效运动电容。这可以允许解耦压电响应(运动电流)和电响应(由于电容耦合引起的直接馈通)的另一自由度，这可以导致改善的信噪比。

在一些非限制性实施例或示例中，金刚石可以是已知的导热性最好的材料之一，其热导率高达每米每开氏度2000瓦，这能够使得它在苛刻条件下的针对处理通信和其他应用中的高功率的装置的热管理应用(例如，光电子学、电子学、半导体等)中是理想的。金刚石还具有低热膨胀系数(CTE)，这使其可用于温度敏感应用(例如RF通信中与温度相关的频率漂移)。金刚石也可以是用于传输射频电磁波、微波、红外线、可见光和其他紫外电磁波的理想光学材料。金刚石还可在用作高通量核辐射的检测器时具有高稳定性。在(一个或多个)化学环境中(其可以包括强酸、强碱、强氧化剂或强还原剂)甚至在升高的温度或低温条件下，金刚石也可以是高度惰性的，这可以使金刚石与不同的苛刻的工艺化学品相容。金刚石还可以具有高折射率，这可导致其在珠宝工业和电磁波管理中的使用。

在一些非限制性实施例或示例中，金刚石的声速可以是18500m/s，其远高于单晶硅(8500m/s)和/或碳化硅(13300m/s)的声速，如下表1所示。声速是可用于制造声谐振器的固有材料特性。声谐振器广泛用作RF滤波器、RF振荡器、RF MEMS开关和微系统(传感器)。声谐振器(例如，本文所述的任何示例性声谐振器100)的谐振频率可以与形成高声阻抗层19的材料的声速成正比，并且与声谐振器的几何尺寸或声谐振器的特征尺寸成反比。

在一些非限制性实施例或示例中，包括作为高声阻抗层19的材料的金刚石的声谐振器100(具有给定几何形状)可以以由硅作为高声阻抗层19的材料而制成的声谐振器的频率的2.2倍的频率谐振。在一个示例中，对于给定的谐振频率，由金刚石作为高声阻抗层19的材料而制成的声谐振器100可以具有一个或多个关键几何尺寸，例如，交叉指的间距尺寸，该一个或多个关键几何尺寸可以比由硅作为高声阻抗层19的材料而制成的声谐振器的关键几何尺寸小大约2.2倍。与由硅作为高声阻抗层19的材料而制成的声谐振器相比，由金刚石作为高声阻抗层19的材料而制成的声谐振器还可以在振动期间具有更低的能量损耗，这可通过Q来测量。金刚石的理论Q在大约380000，而与之相比，硅的理论Q在大约36000。Q值越高，在振动期间能量损耗越低。

表格1：声速和在1GHz和3Ghz^*的理论预测品质因子的比较

材料	ν_a(m/S)	Q理论值@1GHZ	Q理论值@3GHZ
				金刚石	18500	380000	380000
SiC	13300	320000	116000
				石英	5720	39000	13000
Si	8500	36000	36000
				AlN	10970	8700	3400

在一些非限制性实施例或示例中，作为声谐振器100的高声阻抗层19的材料的金刚石可以通过化学气相沉积(CVD)在反应器中生长在声谐振器100的另一层的顶上，其中合适的生长条件可以通过微波增强等离子体、钨热丝、DC-Jet等离子体、激光诱导等离子体、乙炔炬等实现。CVD在本领域中是公知的，在此不再进一步描述。

在一些非限制性实施例或示例中，具有金刚石作为高声阻抗层19的材料的声谐振器100可以被配置为具有高质量的金刚石主体和高质量的金刚石表面两者，这可以促进声谐振器100具有更高的谐振频率、更高的Q值、或两者兼而有之。

在一些非限制性实施例或示例中，作为高声阻抗层19的材料的金刚石的面向上的表面(例如，面向压电层27的表面)可以光学平滑地精加工以用作声波介质(例如，诸如作为用于传输和反射声波的声波反射器)或者用于将热能传导离开电子装置。

在一些非限制性实施例或示例中，作为声谐振器100的高声阻抗层19的材料的金刚石的热膨胀系数(约1×10^-6m/m-K)和可为声谐振器100的衬底50的材料的硅的热膨胀系数(约3×10^-6m/m-K)之间可能存在不匹配。

仅出于描述目的，衬底50可以描述为由硅形成。然而，这不应视为限制意义，因为可以设想衬底50可以由本领域技术人员认为合适的和/或期望的现在已知或以后发现的任意材料形成。

在一些非限制性实施例或示例中，作为声谐振器100的高声阻抗层19的材料的金刚石可以例如通过CVD而直接生长在形成声谐振器100的衬底50的硅上。在另一个示例中，作为声谐振器100的高声阻抗层19的材料的金刚石可以生长在先于形成高声阻抗层19的金刚石生长之前而形成或沉积在形成衬底50的硅的上方的一个或多个材料层(例如但不限于，低声阻抗层7、高声阻抗层9、低声阻抗层11和/或温度补偿层13中的一个或多个)上。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100可以形成有例如图1A至图1C中所示的可选层7、9、11、13、19、23和33中的任意一个或多个或者不形成有这些层。因此，图1A至图1C中声谐振器100包括可选层7、9、11、13、19、23和33的图示不应视为限制意义。

下文中，有时可可互换地使用“金刚石层”和“高声阻抗层”。然而，这不应视为限制意义，因为高声阻抗层可以由除金刚石以外的一种或多种其他材料形成。

返回参考图1A，在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100可包括由硅制成的衬底50(例如，硅晶圆)以及由CVD生长的金刚石制成的高声阻抗材料19，其中金刚石层19和邻近的下层之间的界面8可以是光学地精加工的或物理致密的，金刚石晶粒之间实质上没有空隙或间隙。对于在其上生长金刚石层19以形成界面8的磨光、研磨或刻蚀的表面，其特征在于金刚石层19的金刚石晶粒之间存在空隙或间隙，界面8的特征在于其金刚石晶粒密度。在一个示例中，金刚石层19在界面8处的金刚石晶粒密度可以为：≥10⁴/cm²、≥10⁵/cm²、≥10⁶/cm²、≥10⁷/cm²、≥10⁸/cm²、或者≥10⁹/cm²。在其上直接生长金刚石层19的材料或层(例如，温度补偿层13、低声阻抗层11、衬底50等)的表面粗糙度(Ra)可以为：≤100nm、≤50nm、≤30nm、≤20nm、≤10nm、≤5nm、≤2nm、或者≤1nm。在一个示例中，可以在生长金刚石层19之前确定该表面粗糙度(Ra)。在一些非限制性实施例或实例中，致密金刚石层19能够以最小的波散射使声波传输通过，而多孔的金刚石层19可以例如通过波散射来抑制声波传输通过。

在一些非限制性实施例或示例中，可以在暴露金刚石层19的底表面10之后光学地精加工金刚石层19在界面8处的底表面10，或者可以在自身具有光学地精加工的表面的层的顶面上生长金刚石层19。金刚石层19的底表面10的表面粗糙度(Ra)可以为：≤100nm、≤50nm、≤30nm、≤20nm、≤10nm、或者≤5nm。在一些非限制性实施例或示例中，金刚石层19在界面8处的底表面10可以是物理致密的，在金刚石晶粒之间实质上不存在空隙或间隙。

在一些非限制性实施例或示例中，光学地精加工的底表面10可以允许精确控制声谐振器100的几何尺寸，进而可以控制声谐振器100的本征声谐振频率(RF通信滤波器或振荡器等的关键参数)。

在一些非限制性实施例或示例中，在界面8处具有致密金刚石层的声谐振器100可以避免声波散射，并且光学地精加工的底表面10可以允许精确控制声波反射。在热管理中，利用金刚石材料中的快速声子传输，界面8处的致密金刚石层可以避免在金刚石晶粒中的空隙或间隙中的气相或真空中的缓慢热传导，从而改善热管理，这可以改善RF通信中的功率处理。

在一些非限制性实施例或示例中，可以光学精加工金刚石层19的顶表面14，例如，先于在顶表面14上形成层，通过抛光工艺光学精加工顶表面14。顶表面14的表面粗糙度(Ra)可以为：≤100nm、≤50nm、≤30nm、≤20nm、≤10nm、或者≤5nm。顶表面14的光洁度可以是声波管理中用于精确控制几何尺寸的因素，并且可以使高度定向的底电极25和/或压电层27成功生长，这可有助于声波谐振的压电耦合。

在一些非限制性实施例或示例中，在其上生长金刚石层19的材料层的顶表面(例如，衬底50的顶表面、或低声阻抗层19的顶表面、或温度补偿层13)在金刚石层19在其上生长之前是光学地精加工的或致密的，于是，在其上生长金刚石层19期间，金刚石层19的底表面10可以至少部分地从材料的所述顶表面层继承(inherit)光洁度。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100的(例如，由金刚石制成的)高声阻抗层19可以为任意厚度。在一些非限制性实施例或示例中，高声阻抗层19的厚度可以为：≤5微米、≤10微米、≤20微米、≤50微米、≤100微米、≤200微米、≤500微米、或者≤2000微米。在一个示例中，高声阻抗层19的厚度可以由声波谐振、光传输控制和/或热管理效率所需的精度决定。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100的(例如，由硅制成的)衬底50可以为任意厚度。在一些非限制性实施例或示例中，衬底50的厚度可以为：≥10微米、≥50微米、≥100微米、≥200微米、≥500微米、≥2000微米、或者≥5000微米。衬底50的厚度可以由应用的需要和制造声谐振器100的过程中的实际需要决定。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100的衬底50可以是硅层，例如硅晶圆，其可以是未掺杂的或掺杂的、p型或n型、单晶或多晶。可以从任何晶向切割所述硅层。针对声波管理，也可以选择不同类型的硅用作衬底50的材料。例如，在一个应用中，可选择高电阻硅用作衬底50的材料。在另一个示例中，如需要，可选择导电硅用作衬底50的材料。在另一个示例中，可以选择单晶或多晶硅用作衬底50的材料。

在一些非限制性实施例或示例中，当硅晶圆用作衬底50时，所述硅晶圆可以具有任何几何(最大)尺寸。在一个示例中，硅晶圆的最大尺寸(例如，直径)可以为：≥25.4mm、≥50.8mm、≥76.2mm、≥101.6mm、≥127mm、或者≥152.5mm。可以选择并控制硅晶圆的直径使得其可以在不同制造工艺中被处理。

在一些非限制性实施例或示例中，声谐振器100的总厚度可以为：≥50微米、≥100微米、≥150微米、≥250微米、≥500微米、≥1mm、≥3mm、或者≥5mm。声谐振器100的厚度可以由制造工艺决定以满足具体应用需要。

在一些非限制性实施例或示例中，由金刚石层(即，金刚石层19)形成的高声阻抗层19可以是未掺杂的或掺杂的、p型或n型，具有如下拉曼半高度峰宽(Raman half-height-peak-width)的质量：≤20cm^-1，≤15cm^-1，≤10cm^-1，或≤7cm^-1。金刚石层19可以是多晶的，纳米晶的或超纳米晶的。掺杂的导电金刚石层19可用于电容驱动的声谐振器100。掺杂的导电金刚石层19可用作声波管理的高频率高Q谐振介质的电极材料。也可以选择金刚石层19的质量以实现声谐振中期望水平的本征声速和低功耗。金刚石层19的质量也可影响由热应用中的需求决定的热导率，特别是对于RF通信中的装置的功率处理。

在一些非限制性实施例或示例中，形成衬底50的硅晶圆可具有如下纵横比：≥5、≥10、≥15、≥20、或者≥30，其中纵横比定义为最长或最大几何尺寸(比如直径)与厚度之比。

参照图8A至图8D并且继续参照所有先前附图，在一些非限制性实施例或示例中，示例支撑结构400可以经由栓连件60连接至示例声谐振器100。在一个示例中，声谐振器100可以包括自上而下包含顶电极35、压电层27、底电极25和金刚石层19的堆叠件。栓连件60可以包括与声谐振器100相同的材料层，但是，如图8A和图8C所示，栓连件60可以形成并具有比声谐振器100的侧部或端部的宽度W更窄的宽度。

在一个示例中，通过在衬底50上顺序地沉积金刚石层19、底电极25、压电层27和顶电极35，声谐振器100(包括栓连件60)和支撑结构400可以形成为统一件。在从声谐振器100下方或栓连件60下方移除(刻蚀)衬底50之前或之后，可以通过选择性移除(刻蚀)栓连件60的相对侧的顶电极35、压电层27、底电极25和金刚石层19的各部分来形成栓连件60。在一个示例中，可以在完成下文所述的用于限定声谐振器100和支撑结构400的特征的沉积步骤和刻蚀步骤之后，形成栓连件60的该宽度。然而，这不应视为限制意义。

在一个非限制性实施例或示例中，示例支撑结构400可以包括与声谐振器100和栓连件60的顶电极35、压电层27、底电极25和金刚石层19相对应且以相同材料同时形成的顶电极35a、压电层27a、底电极25a和金刚石层19a。结合图8A至图8D的示例支撑结构400的讨论而与附图标记一起使用的后缀(例如，“a”)旨在便于描述与声谐振器100和栓连件60的特征相比的支撑结构400的特征，并且不应视为限制意义。

如图8A和图8C中可见，支撑结构400的宽度W可以比栓连件60的宽度以及声谐振器100的宽度更宽。然而，这不应视为限制意义，因为可设想支撑结构400和声谐振器100中的每一个可具有任何适当的和/或期望的宽度，包括相同宽度。

如图8B和图8D所示，在一些非限制性实施例或示例中，支撑结构400的与栓连件60相对的端部可以在金刚石层19a的与底电极25a相对的底部上包括(保持)衬底50的一部分。图8B和图8D所示的衬底50的该部分可以是在从声谐振器100和栓连件60的整个底部刻蚀掉衬底50以及从支撑结构400的底部的邻近栓连件60的部分刻蚀掉衬底50之后保留的。

在一些非限制性实施例或示例中，在图8A中的声谐振器100的右侧所示的连接至栓连件60的支撑结构400的镜像可以在图8A所示的声谐振器100的另一侧(左侧)连接至栓连件60。为了简化图示和讨论，未示出该另一支撑结构400。

在一些非限制性实施例或示例中，如图8C和图8D所示，在形成支撑结构400期间以及在沉积用于形成压电层27和27a的压电材料之前，可以选择性地移除(刻蚀掉)底电极25a的一部分，从而形成空间26(图8D中虚影所示并且如图8C中由虚线30框出所示)，该空间26可以限定位于支撑结构400的相对侧上的电极臂25a1和25a2以及电极臂25a1和25a2的延伸部62，该延伸部62可以连接至栓连件60和声谐振器100的底电极25。

在一个示例中，形成压电层27和27a的压电材料可以随后沉积在例如空间26中(沉积在金刚石层19a的通过从空间26移除底电极25a的部分而暴露的部分的顶部上)以及电极臂25a1和25a2、延伸部62和栓连件60及声谐振器100的底电极25的顶部。

在一些非限制性实施例或示例中，在将压电层27a形成在空间26中以及电极臂25a1和25a2的顶部之后，为了便于到底电极臂25a1和25a2的顶侧电连接，可以形成贯穿压电层27a的一个或多个过孔63a和63b，其分别与底电极臂25a1和25a2的部分垂直对准。在一个示例中，如图8B和图8D所示，所述一个或多个过孔63a和63b可以邻近压电层27a的与栓连件60相对的端部而形成。然而，这不应视为限制意义。

接着，在形成或沉积用于形成顶电极35和35a的金属期间，所述金属可以沉积在压电层27和27a上并且沉积在过孔63a和63b中，从而形成与底电极25a的电极臂25a1和25a2的接触。在形成声谐振器100和支撑结构400时，形成顶电极35和35a的金属是连续层。

在一些非限制性实施例或示例中，形成顶电极35和35a的金属可以随后被选择性地移除(刻蚀)以形成(如图8A所示的)谐振器100的交叉指的图案，在该图案中，电臂35a1连接至一组交叉指，并且一个或多个顶电极垫35a2和35a3通过过孔63a和63b分别与电臂25a1和25a2接触。

在一个示例中，顶电极35a1可用于将电刺激施加到一组交叉指，而一个或多个电极垫35a2和35a3可用于经由支撑结构400的底电极25a的一个或两个臂25a1和25a2以及延伸部将电刺激施加到声谐振器100的(片状形式的)底电极25。如可认识到的是，与声谐振器100的(图8A中左侧的)另一栓连件60连接的支撑结构400的镜像可以以类似方式形成并且可以连接至声谐振器100的另一组交叉指并且可选的连接至底电极25。

在一些非限制性实施例或示例中，如上所述，每个支撑结构400可以包括镜202、一个或多个声子晶体304、或两者均有，其可用作用于将从声谐振器100出射的声波反射回声谐振器中的装置70(图8B中以虚线示出)。在一个示例中，用于反射声波的装置70可以至少嵌入在压电层27a中。然而，这不应视为限制意义，因为可以设想用于反射声波的装置70也可以包括在支撑结构400的一个或多个其它层中，例如，经由压电材料27a包括在空间26中的金刚石层19a中。

接着，将描述制造声谐振器100和与每个栓连件60耦接的支撑结构400的非限制性实施例或示例方法。首先，在衬底50上沉积金刚石层19。随后，可以在金刚石层19的与衬底50相对的一侧沉积一层底电极25的材料。接着，刻蚀每个支撑结构400的底电极25以形成臂25a1和25a2、延伸部62、以及臂25a1和25a2之间的空间26，如图8D所示。接着，在底电极25上、形成臂25a1和25a2的导电材料的顶部上、臂25a1和25a2之间的空间26、以及延伸部62的顶部上沉积压电材料，从而形成压电层27和27a。

接着，在压电层27a中形成过孔63a和63b，以实现与臂25a1和25a2的顶侧电接触。随后，在压电层27和27a上以及在过孔63a和63b中沉积顶电极35的材料。随后图案化并刻蚀该顶电极35的材料，从而形成声谐振器100的交叉指以及触点35a1、35a2和35a3，其中，形成触点35a2和35a3的顶电极35的材料延伸穿过过孔63a和63b以与臂25a1和25a2接触。

随后，(以一个或多个步骤)对顶电极35、压电层27、底电极25和金刚石层19执行刻蚀，从而限定将支撑结构400与声谐振器100耦接的每个栓连件60。

参照图9A至图9B并且继续参照图8A至图8D，可在认为适当的和/或期望的任何时间(例如，在形成每个栓连件60之后)移除声谐振器100、每个栓连件60、以及每个支撑结构400的邻近声谐振器100的部分下方的衬底50。然而，这不应视为限制意义。

从声谐振器100和每个栓连件60下方移除衬底50并且移除每个支撑结构400的邻近声谐振器100的部分使得声谐振器100从衬底50释放，于是，声谐振器100由至少两个支撑结构400(例如，声谐振器100的每侧一个支撑结构400)经由栓连件60和邻近支撑结构400的与声谐振器100相对的端部的未被刻蚀的衬底50而保持悬浮，如图9B所示。换言之，声谐振器100通过至少一对支撑结构400经由相应的栓连件60而悬浮在空间中并且在该空间中保持固定。

在一些非限制性实施例或示例中，可以至少从声谐振器100下方、从每个栓连件60下方、每个支撑结构400的靠近声谐振器100的部分的下方、以及沿声谐振器100的侧部移除(刻蚀)衬底50，如图9A中虚线框72内所示。在虚线框72以外，可以保留形成衬底50的材料。虚线框72的形状和/或位置不应视为限制意义。

经由栓连件60将声谐振器悬浮在空间中的优点在于这允许声谐振器100通过与其他材料接触(而不是经由栓连件60)来不受限地谐振。在一个示例中，围绕声谐振器的该空间可以为空气、气相材料或混合物、或一定程度的真空。金刚石层19和围绕谐振器100的该空间中的空气、气相材料、或混合物、或真空可以构成对应的高声阻抗层19和低声阻抗层11。在一个示例中，这些高声阻抗层和低声阻抗层可以具有0.9999的声反射比。可以通过使用多个声波反射器(例如，37和39)来实现高声反射比，所述多个声波反射器中的每一个可以至少包括高声阻抗材料层和可选的低声阻抗材料层。

在另一示例中，栓连件6和/或支撑结构400区域的(一个或多个)压电层可用作电介质。因此，在一个示例中，这些(一个或多个)压电层可以替换为任何介电材料，这可以用于抑制声波能量的不期望的寄生损耗。

已经参照各种示例描述了本发明，这些示例出于示意目的而非限制目的示出。可设想对所描述示例的修改和变化。例如，在任一示例声谐振器的顶表面上使用交叉指不应视为限制意义，因为设想可以利用任何适当的和/或期望的结构以任何适当的和/或期望的方式将电刺激施加至声谐振器100的顶表面和从声谐振器100提取的信号。因此，本文中任何示例声谐振器的顶表面包括一对或多对间隔开的细长指的示例不应视为限制意义。最后，本文所述及附图中示出的各种特征可以以被认为合适的和/或期望的任意方式组合或混合。

Claims

1.一种声谐振器，包括：

压电堆叠件，其包括：

压电层，其在其相对侧具有顶表面和底表面；

顶电极层，其布置在所述顶表面上；以及

底电极层，其布置在所述底表面下；以及

多个声波反射器，其布置在所述底电极层的与所述压电层相对的一侧，每个声波反射器包括高声阻抗层，

至少一个声波反射器包括低声阻抗层，

所述高声阻抗层的声阻抗Za大于所述低声阻抗层的声阻抗Zb，每个低声阻抗层位于包括该低声阻抗层的声波反射器中的高声阻抗层的与所述底电极层相对的一侧，

其中，所述声谐振器与至少一个支撑结构耦接，所述至少一个支撑结构与所述压电堆叠件的各层的堆叠方向相横向地布置，

所述声谐振器还包括栓连件，其将所述声谐振器的侧部或端部与所述支撑结构耦接，并且

所述声谐振器还包括用于反射声波的装置，其布置在所述栓连件的与所述声谐振器相对的一侧。

2.根据权利要求1所述的声谐振器，其中，声阻抗Za和声阻抗Zb的值满足下式：

|(Zb-Za)/(Za+Zb)|≥0.4。

3.根据权利要求2所述的声谐振器，其中，所述低声阻抗层的声阻抗≤65×10⁶N·s/m³。

4.根据权利要求1所述的声谐振器，其中，所述高声阻抗层包括金属、陶瓷、玻璃、或聚合物。

5.根据权利要求4所述的声谐振器，其中，所述金属包括来自元素周期表的以下族中的一个或多个的一种或多种元素：IIIA、IVA、IB、IIB、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB和VIIIB。

6.根据权利要求1所述的声谐振器，其中，至少一个声波反射器的高声阻抗层是金刚石层。

7.根据权利要求2所述的声谐振器，其中，所述低声阻抗层是真空或气相材料或混合物。

8.根据权利要求7所述的声谐振器，其中，所述气相材料或混合物包括以下各项中的一项或多项：空气、氢气、氮气、二氧化碳、一氧化碳、氧气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气。

9.根据权利要求2所述的声谐振器，其中，所述低声阻抗层是液相材料。

10.根据权利要求2所述的声谐振器，其中，低声阻抗层是固相材料。

11.根据权利要求10所述的声谐振器，其中，所述固相材料包括以下各项中的至少一项：陶瓷、玻璃、晶体、和/或矿物质。

12.根据权利要求1所述的声谐振器，还包括至少一个温度补偿层，所述至少一个温度补偿层至少布置在以下各位置之一：

所述底电极层与至少一个声波反射器之间；

至少一个高声阻抗层的与所述底电极层相对的一侧；和/或

所述顶电极层的与所述压电层相对的一侧。

13.根据权利要求12所述的声谐振器，其中，每个温度补偿层包括包含硅的元素、包含氧的元素、或两者。

14.根据权利要求1所述的声谐振器，其中，所述栓连件的宽度小于所述声谐振器的所述侧部或端部的宽度。

15.根据权利要求1所述的声谐振器，其中，至少一个高声阻抗层的声阻抗Za≥100×10⁶N·s/m³。

16.根据权利要求1所述的声谐振器，其中，所述用于反射声波的装置包括由声阻抗≤65×10⁶N·s/m³的材料形成的镜。

17.根据权利要求1所述的声谐振器，其中，所述用于反射声波的装置包括一个或多个声子晶体。

18.根据权利要求1所述的声谐振器，还包括所述栓连件中所包括的一个或多个声子晶体。