CN110417371A - 基于声子晶体的薄膜体声波谐振器 - Google Patents
基于声子晶体的薄膜体声波谐振器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，包括衬底；声子晶体层，声子晶体交叠沉积在衬底表面上，散射体周期排列在基体材料中，散射体的材料与基体不同；压电振荡堆层，由下至上包括底电极，压电材料薄膜和顶电极。本发明利用材料结构设计来加强薄膜体声波谐振器中纵波的反射，以及减少横向剪切波的耗损。散射体能够在特定的工作频率范围内对声波屏蔽，对应工作频率的声波将被完全反射，减小横向剪切波，提高谐振器的Q值。另外所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器不需要在衬底上设置空腔结构，增强了谐振器的稳定性，同时谐振器产生的热量可以有效的通过声子晶体传输和散热，增强了谐振器的散热能力，提高其功率容量。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器。
背景技术
随着无线通信的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频频段的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。传统的声表面波谐振器因为频率及承受功率等的限制，无法达到这样的技术指标。薄膜体声波谐振器(FBAR)由于具有CMOS工艺兼容、高品质因数(Q值)、低损耗、低温度系数、高的功率承载能力的特性逐渐成为射频滤波器研究的热点。
薄膜体声波谐振器是利用压电薄膜的压电效应，在上、下电极之间施加一个电信号，由于压电薄膜的压电效应会产生声信号，声信号在电极之间振荡，声波分为沿厚度震动模式和横向震动模式，其中只有满足声波全反射条件的厚度震动模式声波才会被保留下来，横向振动模式的声波将被消耗，保留下来的声信号再转化为电信号输出，从而实现电信号的选频。其中由于横向震动模式的声波造成了声波能量的损失，降低了能量转换效率，增大了FBAR的插入损耗，降低了品质因子Q值。
薄膜体声波谐振器可分为空气隙型、硅背面刻蚀型以及固态封装型。其中固态封装型薄膜体声波谐振器相对于空腔隙型和硅背面刻蚀型体声波谐振器，其加工工艺简单，机械稳定性和机械强度好。但是由于声波的反射依靠的是薄膜间的布拉格反射，不能将纵波完全反射，更加不能反射横向剪切波，故其器件的品质因子(Q值)不高，声波损耗较大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器。通过在衬底上沉积声子晶体层，然后在声子晶体上依次沉积底电极，压电材料薄膜层和顶电极，使之形成压电薄膜堆叠结构，最后形成一种全新的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器。
为实现上述目的，本发明提供的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括衬底、依次沉积在衬底正面上的声子晶体层和压电振荡堆结构；所述压电振荡堆结构包括底电极、压电材料薄膜层及顶电极的三明治结构；
所述声子晶体层包括多层交替沉积且周期排列的的声子晶体；所述每层声子晶体包括交替周期排列的散射体和基体；所述散射体和基体的材料不同，且材料的物理属性相差较大。
作为优选方案，所述衬底适用于薄膜体声波谐振器，为高阻硅、蓝宝石衬底或SOI衬底中任一种。
进一步地，所述声子晶体层中包含的散射体形状为柱体。
更进一步地，所述柱体为圆柱形、三棱柱、长方体或正六边形柱体中的一种或多种组合。
更进一步地，所述底电极和顶电极均为金属薄膜；所述压电材料薄膜层为具有压电效应的薄膜材料。
更进一步地，所述金属薄膜为钼、铂、金、银或铬中的任意一种；所述具有压电效应的薄膜材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT或铌酸钡钠中的任意一种。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，主要是利用材料结构设计来加强薄膜体声波谐振器中纵波的反射，以及减少横向剪切波的耗损。所述散射体在基体材料中周期排列的声子晶体层结构利用材料特性差异产生声子带隙结构，因此能够在特定的工作频率范围内对声波屏蔽，对应工作频率的声波将被完全反射，减小横向剪切波，提高谐振器的Q值。另外所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器不需要在衬底上设置空腔结构，增强了谐振器的稳定性，同时谐振器产生的热量可以有效的通过声子晶体传输和散热，增强了谐振器的散热能力，提高其功率容量。
附图说明
图1为本发明实施例一中涉及的第一种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器的剖面图。
图2为本发明实施例二中涉及的第二种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器的剖面图。
图3为本发明实施例三中涉及的第三种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器的剖面图。
图4为本发明实施例三中涉及的第三种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器的声子晶体层结构示意图。
图中：基于声子晶体的薄膜体声波谐振器10、衬底110、基体120、散射体130、声子晶体层140、底电极150、压电材料薄膜层160、顶电极170、压电振荡堆结构180。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细地说明。
实施例一
如图1所示，本发明的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器10包括衬底110，该衬底材料为高阻硅；包括形成在衬底正面的声子晶体层140，形成在该声子晶体层140上的压电振荡堆结构180；其中该声子晶体层包括多层周期排列的声子晶体，每层声子晶体以不同材料的散射体和基体交替周期排列而成，例如散射体130材料可选二氧化硅，空气等低声速材料，基体120材料可选钨，高阻硅，氮化铝等高声速材料；在本实施例中所述声子晶体中散射体结构为长方体，基体结构也为长方体；在本发明中声子晶体并不限于上诉结构和材料，所有适用于声子晶体的结构和材料都能应用于本发明的薄膜体声波谐振器。
实施例二
如图2所示，本发明的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器10包括衬底110，该衬底材料为高阻硅；包括形成在衬底正面的声子晶体层140，形成在该声子晶体层140上的压电振荡堆结构180；其中该声子晶体层包括多层周期排列的声子晶体，每层声子晶体以不同材料的散射体和基体交替周期排列而成，例如散射体130材料可选二氧化硅，空气等低声速材料，基体120材料可选钨，高阻硅，氮化铝等高声速材料；在本实施例中所述声子晶体中散射体结构为正六边形柱体，基体结构为长方体；在本发明中声子晶体并不限于上诉结构和材料，所有适用于声子晶体的结构和材料都能应用于本发明的薄膜体声波谐振器。
实施例三
如图3-4所示，本发明的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器10包括衬底110，该衬底材料为高阻硅；包括形成在衬底正面的声子晶体层140，形成在该声子晶体层140上的压电振荡堆180；其中该声子晶体层包括多层周期排列的声子晶体，每层声子晶体以不同材料的散射体和基体交替周期排列而成，例如散射体130材料可选二氧化硅，空气等低声速材料，基体120材料可选钨，高阻硅，氮化铝等高声速材料；在本实施例中所述声子晶体中散射体结构为正六边形柱体，基体结构为正六边形柱体；在本发明中声子晶体并不限于上诉结构和材料，所有适用于声子晶体的结构和材料都能应用于本发明的薄膜体声波谐振器。
Claims (6)
1.一种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括衬底(110)、依次沉积在衬底(110)正面上的声子晶体层(140)和压电振荡堆结构(180)；所述压电振荡堆结构(180)包括底电极(150)、压电材料薄膜层(160)及顶电极(170)的三明治结构；
所述声子晶体层(140)包括多层交替沉积且周期排列的的声子晶体；所述每层声子晶体包括交替周期排列的散射体(130)和基体(120)；所述散射体(130)和基体(120)的材料不同，且材料的物理属性相差较大。
2.根据权利要求1所述的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述衬底(110)适用于薄膜体声波谐振器，为高阻硅、蓝宝石衬底或SOI衬底中任一种。
3.根据权利要求1或2所述的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述声子晶体层(140)中包含的散射体形状为柱体。
4.根据权利要求3所述的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述柱体为圆柱形、三棱柱、长方体或正六边形柱体中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1或2所述的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述底电极(150)和顶电极(170)均为金属薄膜；所述压电材料薄膜层(160)为具有压电效应的薄膜材料。
6.根据权利要求5所述的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述金属薄膜为钼、铂、金、银或铬中的任意一种；所述具有压电效应的薄膜材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT或铌酸钡钠中的任意一种。
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