CN110880923A - 一种螺旋状的声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及谐振器技术，具体涉及一种螺旋状的声波谐振器，包括衬底，衬底中设有空腔，空腔中设置有支撑柱，支撑柱上支撑着悬浮于空腔上方的声波谐振器；声波谐振器包括均为相同螺旋形状的种子层、下电极层、压电薄膜层和上电极层。该谐振器能够很好的提高谐振器的机电耦合系数。
Description
技术领域
本发明属于谐振器技术领域，尤其涉及一种螺旋状的声波谐振器。
背景技术
随着无线通讯技术的超高速发展和通讯终端的多功能化，对工作在射频频段的频率器件提出了更高性能的要求。目前射频系统中常用的带通滤波器主要有微波介质陶瓷滤波器和声表面波(SAW)滤波器。相对于传统的介质陶瓷滤波器和SAW滤波器，薄膜体声波谐振器(FBAR)可以很好的工作在几百MHz到5-6GHz的范围，尤其是在高频率的应用中，FBAR具有非常大的优势。随着无线通信的朝多频段、多制式、多协议的快速发展，且整机越来越小，集成度和通信频率越来越高，频率资源也越来越拥挤，对滤波器性能的要求也随之增高。由于FBAR滤波器具有高频率，低损耗，低温飘特性，陡峭的滤波器裙边和极高的Q值、工作频率、灵敏度、分辨率、可承受功率容量，小体积以及制备工艺与CMOS兼容的特性，占据了大部分无线通讯场的应用领域。
FBAR的机电耦合系数主要由压电材料、电极材料、以及沉积压电材料的表面状况所决定，对于体声波来说，氮化铝(AlN)材料是性能和可制造性都较好的材料，AlN薄膜的机电耦合系数可以达到6.9％，这已经满足了大多数移动通信设备的需求，然而，大的机电耦合系数更有利于体声波滤波器的设计。到目前为止，相关人员也提出了不少提高机电耦合系数的方法，然而普遍存在工艺复杂，加工困难的问题。因此，迫切需要一种工艺简单并且能够有效提高机电耦合系数的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效的提高体声波谐振器的机电耦合系数的谐振器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种螺旋状的声波谐振器，包括衬底，衬底中设有空腔，空腔中设置有支撑柱，支撑柱上支撑着悬浮于空腔上方的声波谐振器；声波谐振器包括均为相同螺旋形状的种子层、下电极层、压电薄膜层和上电极层。
在上述的螺旋状的声波谐振器中，螺旋形状包括弧形螺旋、五边形螺旋、六边形螺旋或多边形螺旋。
在上述的螺旋状的声波谐振器中，螺旋形状的中间区域为螺旋线的起始部分，采用任意规则或不规则形状；且中间区域的形状与支撑柱的横截面相同。
在上述的螺旋状的声波谐振器中，衬底包括硅衬底、SOI衬底；种子层包括AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4、SiC；电极材料包括Mo、Al、Pt、Au；压电薄膜层包括AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3、LiTaO3。
本发明的有益效果：通过将谐振器的种子层、下电极层、压电薄膜层、上电极层刻蚀成相同的螺旋状，同时在空腔中设置一个支撑柱将所述的整个螺旋状谐振器支撑住，提高了体声波谐振器的机电耦合系数。
附图说明
图1是本发明实施例1一种螺旋状声波谐振器的立体结构示意图；
其中，101-第一中间区域、102-上电极、103-压电薄膜层、104-下电极、105-种子层；
图2是本发明实施例1一种螺旋状声波谐振器的俯视图；
图3是本发明实施例1一种螺旋状声波谐振器的横截面示意图；
其中，101-第一中间区域、102-上电极、103-压电薄膜层、104-下电极、105-种子层、106-空腔、107-支撑柱、108-衬底；
图4是本发明实施例2一种螺旋状声波谐振器的俯视图；
其中，201-第二中间区域；
图5(a)是本发明一个实施例一种螺旋状声波谐振器的制备步骤1示意图；
图5(b)是本发明一个实施例一种螺旋状声波谐振器的制备步骤2示意图；
图5(c)是本发明一个实施例一种螺旋状声波谐振器的制备步骤3示意图；
图5(d)是本发明一个实施例一种螺旋状声波谐振器的制备步骤4示意图；
图5(e)是本发明一个实施例一种螺旋状声波谐振器的制备步骤5示意图；
其中，500-硅衬底、501-空腔、502-支撑柱、503-牺牲层、504-种子层、505-底电极层、506-压电材料层、507-上电极层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
压电材料是一种是受到压力作用时会在两端面间出现电压(压电效应)的晶体材料，同时在外电场作用下压电材料也会产生形变(逆压电效应)。谐振器是利用材料的逆压电效应，将电能转化为声能，声波会在介质与空气的界面上发生反射，在两个界面之间形成驻波振荡，此时的声波损耗最小。谐振器只能使特定频率的波通过，并且谐振器的电学阻抗特性曲线中有两个相隔很近的谐振频率：串联谐振频率和并联谐振频率。利用这一阻抗特性，将若干谐振器级联就可以设计出满足无线通信要求的射频滤波器和双工器。
本实施例通过以下技术方案来实现的，一种螺旋状的声波谐振器，包括：螺旋状声波谐振器的衬底中设有空腔，并且在空腔中设置了一个支撑柱，螺旋状声波谐振器整个悬浮于空腔上方，由空腔中的支撑柱支撑。
螺旋状声波谐振器包括衬底、种子层、下电极层、压电薄膜层、上电极层，其中种子层、下电极层、压电薄膜层、上电极层均为螺旋形状且形状相同。
而且，衬底包括硅衬底、SOI衬底。种子层包括AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4、SiC等。电极材料包括Mo、Al、Pt、Au等。压电薄膜层包括AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3、LiTaO3等。
而且，螺旋状声波谐振器的螺旋形状包括弧形螺旋、五边形螺旋、六边形螺旋等多边形螺旋。
而且，螺旋状声波谐振器的中间区域为螺旋线的起始部分，该中间区域可以为任意规则与不规则形状。空腔中的支撑柱的横截面与螺旋状谐振器中间区域形状相同。
而且，螺旋状声波谐振器的尾部有引出电极连接到电极平板上。
实施例1
图1为本实施例1一种螺旋状声波谐振器的立体结构示意图，图2为本实施例1一种螺旋状声波谐振器的俯视图，图3为本实施例1一种螺旋状声波谐振器的横截面示意图。在图1～图3中，第一中间区域101为不规则形状，与螺旋部分相连接，整个声波谐振器从上到下依次为上电极102、压电薄膜层103、下电极104、种子层105，衬底108，衬底中设有空腔106，在空腔中设有支撑柱107，如图3所示。种子层105、下电极层104、压电薄膜层103、上电极层102均为螺旋状且形状相同。
衬底108包括硅衬底、SOI衬底；种子层105包括AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4、SiC等；所述电极102、104包括Mo、Al、Pt、Au等；所述压电薄膜层103包括AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3、LiTaO3等。
整个谐振器为螺旋弧形状从中间往外面延伸，螺旋状声波谐振器的螺旋形状包括弧形螺旋、五边形螺旋、六边形螺旋等多边形螺旋。
螺旋状声波谐振器的中间区域为螺旋线的起始部分，该中间区域可以为任意规则与不规则形状。
进一步地，所述螺旋状声波谐振器整个悬浮于空腔上方，由空腔中的支撑柱支撑，所述空腔中的支撑柱的横截面与螺旋状谐振器中间区域形状相同。
进一步地，所述螺旋状声波谐振器的尾部有引出电极连接到电极平板上。
通过上述方式设计的结构，能够很好的提高谐振器的机电耦合系数。
实施例2
如图4所示，为实施例2一种螺旋状声波谐振器的俯视图，在实施例2中，声波谐振器的螺旋形状为六边形螺旋状，第二中间区域201为不规则形状，其他结构与实施例1相同。本实施例2中的结构同样能够提高谐振器的机电耦合系数。
上述实施例螺旋状声波谐振器的制备过程如下：
S1，如图5(a)所示，在硅衬底500上刻蚀出空腔501和支撑柱502；
S2，如图5(b)所示，在硅衬底上沉积一层牺牲层薄膜并进行化学机械研磨，从而使得空腔501中充满牺牲层503，可选地，牺牲层材料为二氧化硅(SiO2)，氮化硅(SiN)，磷硅酸玻璃(PSG)，硼磷玻璃(BPSG)等；
S3，如图5(c)所示，在衬底上依次沉积并图案化种子层504、底电极层505、压电材料层506、上电极层507；可选地，种子层为AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4、SiC等，压电材料为AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3、LiTaO3等，电极材料为Mo、Al、Pt、Au等；
S4，如图5(d)所示，从上至下依次刻蚀上电极层507、压电材料层506、下电极层505、种子层504，形成螺旋状；
S5，如图5(e)所示，利用S4中刻蚀出来的空隙，通入释放气体将牺牲层503刻蚀掉，从而形成空腔501，可选地，释放气体通常为VHF(氢氟酸蒸气)。
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。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (4)
1.一种螺旋状的声波谐振器，其特征是，包括衬底，衬底中设有空腔，空腔中设置有支撑柱，支撑柱上支撑着悬浮于空腔上方的声波谐振器；声波谐振器包括均为相同螺旋形状的种子层、下电极层、压电薄膜层和上电极层。
2.如权利要求1所述的螺旋状的声波谐振器，其特征是，螺旋形状包括弧形螺旋、五边形螺旋、六边形螺旋或多边形螺旋。
3.如权利要求1所述的螺旋状的声波谐振器，其特征是，螺旋形状的中间区域为螺旋线的起始部分，采用任意规则或不规则形状；且中间区域的形状与支撑柱的横截面相同。
4.如权利要求1所述的螺旋状的声波谐振器，其特征是，衬底包括硅衬底、SOI衬底；种子层包括AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4、SiC；电极材料包括Mo、Al、Pt、Au；压电薄膜层包括AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3、LiTaO3。
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