CN110880922A - 一种二维超高频谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维超高频谐振器，具体指一种可以提高谐振器机电耦合系数的超高频谐振器机构，该种谐振器仅在压电材料上部布置有二维方向分布的正负电极，电极上部有桥状结构，电极间距大于四个波长。此种谐振器结构能够有效的提高谐振器的谐振频率和机电耦合系数。

Description

一种二维超高频谐振器
技术领域
本发明涉及谐振器领域，尤其涉及一种二维超高频谐振器。
背景技术
随着5G时代的到来，对多频段高频滤波器的需求急剧增加。这对压电谐振器的性能提出了更高的要求。众所周知，声表面波(SAW)谐振器早期广泛应用于射频前端，但由于其相速度低、光刻存在限制等原因，在高频段很难保持优良的性能。体波谐振器(BAW)由于其插入损耗低、功率处理能力好而被广泛应用于高频市场。特别是其中的薄膜体声波谐振器(FBAR)，具有高品质因数(Q)和高机电耦合系数(K2)。然而，FBAR的谐振频率是由压电薄膜的厚度决定的，因此很难在单片晶圆上实现多频段集成。兰姆波谐振器(LWR)的提出，可以突破SAW所面对的频率限制。通过调节叉指的间距可以获得不同频率的兰姆波谐振器，从而实现同一晶圆的调频。
传统的一维兰姆波谐振器是三明治结构，上下电极采用叉指结构，中间为压电材料层，叉指间距一般为一个波长，横向激发出零阶对称模态。二维兰姆波谐振器的振动是横向激发与厚度方向激发的耦合，这种特性能在一定程度上提升兰姆波谐振器的机电耦合系数以及品质因数。但兰姆波谐振器复杂的结构和较低的品质因数和机电耦合系数是限制其商业化的主要原因。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种可以提高谐振器机电耦合系数、实现超高频率的二维谐振器结构。
本发明提供的一种可以提高谐振器机电耦合系数、实现超高频率的二维谐振器结构。包括：压电层，上电极，电桥；上电极间距需大于四个波长。
所述上电极的形状为圆形、矩形、菱形、六边形、八边形多边形形状。
所述电桥的桥状结构与所述压电层可采用直接接触模式或者非直接接触模式，所述电桥的形状为矩形，四边形等多边形形状；所述的电桥的桥状结构，其电桥材料为铂、钼、铜、铝等金属。
所述压电层的材料为铌酸锂，钽酸锂等压电材料。
所述上电极的材料为铂、钼、铜、铝等金属。
本发明结构的二维电极布置使得在压电层厚度方向与横向方向得到电场产生耦合效应，多方向电场的耦合使得谐振器的机电耦合系数增加。
本发明的优点在于相对于传统的已有的谐振器结构，本发明可以达到很高的谐振频率，且在很高的谐振频率下拥有实现高机电耦合系数，超高频且高机电耦合系数对后续搭建滤波器的性能起了决定的性能，本发明结构的可行，意味着可以突破5GHz，实现更高频更高性能的芯片。
附图说明
图1：是传统的一维氮化铝兰姆波谐振器结构；
图2：是传统的二维兰姆波谐振器结构；
图3:是根据本发明实施例的圆形电极二维谐振器结构；
图4:是根据本发明实施例的圆形电极二维谐振器结构的俯视图和侧视图；
图5:是根据本发明实施例的圆形电极二维线性排布的谐振器结构；
图6:是根据本发明实施例的圆形电极二维谐振器阻抗曲线与传统兰姆波谐振器阻抗曲线；
图7:是根据本发明实施例的圆形电极二维谐振器振幅图与传统兰姆波谐振器振幅图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为传统的一维兰姆波谐振器的结构示意图。如图所示，压电层3的上下表面由呈叉指状的上电极，上电极分为两组，一组施加正电压，称作正电极1，一组施加负电压，称为负电极2。当叉指电极的间距4与压电层的厚度在同一数量级时，在压电层3的内部激发沿x轴方向传播的兰姆波。
图2为传统的二维兰姆波谐振器的结构示意图。如图所示，在压电层4的上下表面布置排布均匀的电极，电极分为两组，一组施加正电压，称作正电极，一组施加负电压，称为负电极，如图所示正电极1和负电极2都呈圆形状，从而在压电层4的上下表面施加交流电压。上电极之间通过电桥3连接。电桥3可以与压电层4的表面接触，也可以不接触压电层4的表面。若上表面的电桥方向沿着y轴并行排布，下表面的电桥方向则沿着x轴排布。此外，上表面的上电极若被施加了正电压1，则与之正对着的下表面的下电极是带负电的，为负电极。此结构会激发沿着x、y轴传输的横波和沿着z轴传输的纵波，从而产生二维的兰姆波。此结构利用了两个方向传输的兰姆波，既消除了寄生模式的不利影响，也利用的寄生模式的波增强了主模的电学反映，从而提高了机电耦合系数。
图3是根据本发明实施例的二维谐振器结构示意图。如图所示，与传统二维兰姆波谐振器结构类似，在压电层4的上表面布置有上电极，上电极被分为两组，一组上电极施加有正电压，一组上电极施加有负电压，如图所示，带有正电的上电极2与带有负电的上电极3之间间通过电桥3相连接，带有不用电压的上电极之间，会产生横向的电场，激励出声波，实现电能与机械能的转化。与图2传统二维兰姆波谐振器相比，此结构无下电极，但本结构相对于传统二维兰姆波谐振器，更高达到更高的频率，且拥有更高的机电耦合系数。
图4是根据本发明实施例的二维谐振器结构的俯视图和侧视图。侧视图分别表示为电桥与压电层直接接触和电桥未与压电层直接接触。如图所示，电极间距1和电极间距2是本发明结构的重要尺寸参数，该尺寸需保证在4个波长及以上。
图5是是根据本发明实施例的圆形电极二维线性排布的谐振器结构，上电极呈圆形状，上电极沿x轴与y轴两个方向线性排布。2为压电层，3、4为上电极分别施加上正负电压，，1为连接电极的电桥。
图6是根据本发明实施例图2所示的二维谐振器的阻抗曲线示意图，其串联谐振频率fs和并联谐振频率fp之间的频率间隔Δf决定了谐振器的机电耦合系数
Figure BDA0002277223730000031
的大小，可用下列公式计算：
Figure BDA0002277223730000032
压电层上表面的上电极被交替施加上正负电压后，其压电层内部会产生多方向的电场耦合，本发明实例所述的上电极的排布方式使得压电层内部的e15与e24产生耦合，由经典压电方程：
Figure BDA0002277223730000033
其中：
Figure BDA0002277223730000041
e15与e24的耦合使得该结构的电场激增，提升谐振器的机电耦合系数
如图所示，虚线是基于AlN压电材料的传统兰姆波谐振器的阻抗曲线图，黑色曲线为本发明谐振器结构的阻抗曲线图，在相同的归一化谐振频率下，本发明结构能极大的提高谐振器的有效机电耦合系数，增强谐振器的性能。
图7是传统兰姆波谐振器结构的振幅图与本发明结构的振幅图，传统兰姆波谐振器结构的叉指间距1大约为半个波长左右，而本发明谐振器结构的叉指间距2为4个波长及以上。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种二维超高频谐振器，其特征在于，包括：压电层，上电极，电桥；上电极间距需大于四个波长；
所述上电极的形状为圆形、矩形、菱形、六边形、八边形多边形形状；
所述电桥的桥状结构与所述压电层可采用直接接触模式或者非直接接触模式，所述电桥的形状为矩形，四边形等多边形形状；所述的电桥的桥状结构，其电桥材料为铂、钼、铜、铝等金属；
所述压电层的材料为铌酸锂，钽酸锂等压电材料；
所述上电极的材料为铂、钼、铜、铝等金属；
所述二维超高频谐振器的二维电极布置使得在压电层厚度方向与横向方向得到电场产生耦合效应，多方向电场的耦合使得谐振器的机电耦合系数增加。
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