CN110995194A - 一种二维高性能谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及谐振器技术,具体涉及一种二维高性能谐振器,包括压电层,压电层上表面分布有电极层,电极层包括设置于水平方向间距大于四个波长的若干电极和设置于垂直方向间距小于等于四个波长的若干电极。该二维高性能谐振器基于特定排布电极的超高频高性能谐振器结构,谐振频率可以达到6GHz,可以很好的满足5G市场的需求,该谐振器结构可以达到大于40%的超高的机电耦合系数,且品质因数也有很大程度提升。

Description

一种二维高性能谐振器
技术领域
本发明属于谐振器技术领域,尤其涉及一种二维高性能谐振器。
背景技术
移动手机依靠小型化的高性能射频(RF)滤波器来实现其日益复杂的架构,新的5G标准要求更高频率和更大的带宽。更高的需求需要大于3GHz的高频和大于10%的宽带。这对现有的基于铌酸锂(LiTaO3)/钽酸锂(LiNbO3)的声表面波(SAW)和基于AlN的体声波(BAW)技术提出了严峻的挑战,这些技术通常受到较低的声耦合、约3%的带宽以及对高频的尺寸要求越来越小的限制。LTCC滤波器可以支持宽频带,但需要更大的形状因子,具有更高的损耗,并且缺乏高品质因数(Q)声学谐振器所所需的陡峭抑制。
为了满足这一需求,最近提出了一种横向激励的剪切模式体声波(BAW)谐振器(XBARs),其损耗低,在4.8GHz下的相对带宽为11%。XBAR的结构相对简单,包括金属化叉指电极(IDE)系统,但金属化率很小。电极主要产生水平电场,在悬浮的LiNbO3薄膜中产生半波长体剪切波A1共振。最大声振幅位于两个电极之间的自由膜面积上。设计的取舍与传统的微声谐振器有很大的不同。在声表面波器件中,金属IDT电极间距与谐振器频率密切相关,在声表面波器件和体声波器件中,金属厚度对谐振器频率和品质因数有很大影响。对于XBAR谐振器,频率主要由压电板厚度决定。
目前已有的XBAR谐振器结构,难以完全消除伪模态的影响,且获得高品质因数时要牺牲很大的机电耦合系数。
发明内容
本发明的目的是提供一种能提高谐振器机电耦合系数和品质因数并减少伪模态的超高频超高性能谐振器。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种二维高性能谐振器,包括压电层,压电层上表面分布有电极层,电极层包括设置于水平方向间距大于四个波长的若干电极和设置于垂直方向间距小于等于四个波长的若干电极。
在上述的二维高性能谐振器中,电极层上部设置有电桥结构。
在上述的二维高性能谐振器中,电桥结构与压电层直接接触,连接垂直方向相邻的电极。
在上述的二维高性能谐振器中,电极形状为椭圆、圆形、矩形、菱形、六边形、多边形或不同形状的组合。
在上述的二维高性能谐振器中,电桥结构的形状为矩形,四边形或多边形。
在上述的二维高性能谐振器中,压电层为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或掺杂氮化铝。
在上述的二维高性能谐振器中,电极的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
在上述的二维高性能谐振器中,电极的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
在上述的二维高性能谐振器中,电极形状为椭圆,沿水平方向分布的相邻电极间距大于四个波长,沿垂直方向相邻电极间距小于四个波长等于2倍椭圆长轴的距离。
在上述的二维高性能谐振器中,电极形状为椭圆,沿水平方向分布的相邻电极间距大于四个波长,沿垂直方向相邻电极间距小于四个波长且大于2倍椭圆长轴的距离。
本发明的有益效果是:基于特定排布电极的超高频高性能谐振器结构,谐振频率可以达到6GHz,可以很好的满足5G市场的需求,且本发明的谐振器结构可以达到大于40%的超高的机电耦合系数,且品质因数也有很大程度提升。
附图说明
图1为本发明实施例1以椭圆形电极为例的二维高性能谐振器结构;
图2为本发明实施例2以椭圆形电极为例有电桥结构的二维高性能谐振器结构;
图3为本发明实施例3以椭圆形电极为例的二维高性能谐振器结构的正视图;
图4为本发明实施例4以椭圆形电极为例的二维高性能谐振器结构电极分布图;
图5为本发明实施例5二维高性能谐振器中电桥结构的两种分布示意图;
图6为本发明实施例的二维高性能谐振器阻抗曲线与传统二维谐振器阻抗曲线;
其中,1-第一电极、2-压电层、3-第二电极、4-电桥结构。
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。
本实施例一种二维高性能谐振器,在压电层上部布置有二维方向分布的电极层,电极层上部可以有电桥结构,电桥结构可与压电层直接接触也可以不与压电层直接接触,电极层包括水平方向间距大于四个波长的若干电极和在垂直方向间距小于等于四个波长的若干电极。
而且,电极形状可以是椭圆、圆形、矩形、菱形、六边形、八边形、多边形或不同形状的组合等形状。
而且,电桥结构可直接与压电层层接触也可以不与压电层层直接接触。桥状结构的形状可以是矩形,四边形等多边形形状。
而且,压电层可以为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、掺杂氮化铝等压电层。
而且,电极材料可以是铂、钼、金、钨、铜、铝等金属。
而且,电桥结构可以是铂、钼、金、钨、铜、铝等金属。
实施例1
如图1所示,为以椭圆形电极为例的本发明二维高性能谐振器结构,压电层2的上表面在xy二维平面上分布有电极层,电极呈椭圆形,延x方向分布的电极间距大于四个波长,且相邻第一电极1和第二电极3分别施加有不同极性的电压。当第一电极1与第二电极3在x方向的间距与压电层的厚度在同一数量级时,在压电层2的内部可以激发沿x轴方向传播的兰姆波,兰姆波在压电层的传播方程为:f=v/λ,f为谐振器频率,v为声波传播的相速度,λ为声波波长,。当调整这一间距时,可以激发出其他波,例如横向剪切波等。沿y方向的电极施加有相同极性的电压,且间距需小于四个波长,当间距逐渐减小时,该谐振器的阻抗曲线越光滑,谐振器的性能越优越。如图1所示,该方向相邻电极直接接触,可以实现该方向电流导通。
实施例2
如图2所示,为另一种以椭圆形电极为例的二维高性能谐振器结构示意图。与图1类似,在压电层2的上表面布置有二维方向分布的电极层,电极层的材料可为钼、铝、铜、金等金属材料。沿x方向,第一电极1和与之相邻分布第二电极3带有不同极性的电压,该方向的电极被施加有正负相交替的电压,如此施加电压的方式,可以在X方向激发出体声波,实现声电转换。压电层2上表面沿Y方向分布的电极带有相同的极性的电压,且如图2所示沿该方向的电极是通过电桥结构4连接起来的。电桥结构4可以直接与压电层2接触,也可以不直接接触;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,从而产生多维度的体声波。此结构利用了多个方向传输的体声波,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。
实施例3
如图3所示,是以椭圆形电极为例的二维高性能谐振器结构的正视图。如图3所示,沿X方向分布的电极间距a和沿Y方向电极间距b都是影响谐振器性能的关键因素,本实施例3设计的沿X方向分布的电极间距a需大于四个波长,沿Y方向电极间距b需小于四个波长,图3所示的电极呈椭圆形,在沿Y方向分布间距b等于2倍椭圆长轴的距离。
实施例4
如图4所示,是另一种以椭圆形电极为例的二维高性能谐振器结构电极分布图。如图4所示,电极仍以椭圆为例,电极形状也可以为圆形、六边形、菱形等形状。本实施例4电极分布与实施例3的图3电极分布结构不同,本实施例4结构在沿Y方向分布时相邻电极的间距d大于两倍椭圆长轴的间距,且小于四个波长的距离。本实施例4结构在沿X方向分布时相邻电极的间距c大于四个波长。
实施例5
如图5所示,是二维高性能谐振器电桥结构的两种分布示意图。其谐振器结构由压电层、电极层和电桥结构组成。电桥结构可以直接与压电层接触,也可以不与压电层接触,而是通过接触电极层间接连接压电层。
实施例6
如图6所示,是实施例1-5所述二维高性能谐振器阻抗曲线与传统二维谐振器阻抗曲线示意图。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 BDA0002346895300000061
的大小,可用下列公式计算:
Figure BDA0002346895300000062
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,以压电层为铌酸锂为例,本实施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 BDA0002346895300000063
其中:
Figure BDA0002346895300000064
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,进而实现了谐振器的大带宽。
如图6所示,虚线是现有的二维超高频谐振器的阻抗曲线图,实线为本实施例谐振器结构的阻抗曲线图。如图6所示,本实施例结构的机电耦合系数
Figure BDA0002346895300000065
为41.7693%,而现有结构只能达到31.2804%,提升了33.5319%。通过3dBD带宽法可以计算出品质因数(Q),本实施例结构为1488,传统现有结构的Q仅为1029,提升了44.6064%。因此本实施例结构能极大的提高谐振器的有效机电耦合系数和品质因数,增强谐振器的性能。且谐振频率高于6GHz,为下一代超5G技术发展奠定了有利的硬件基础。
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 (10)

1.一种二维高性能谐振器,其特征是,包括压电层,压电层上表面分布有电极层,电极层包括设置于水平方向间距大于四个波长的若干电极和设置于垂直方向间距小于等于四个波长的若干电极。
2.如权利要求1所述的二维高性能谐振器,其特征是,电极层上部设置有电桥结构。
3.如权利要求2所述的二维高性能谐振器,其特征是,电桥结构与压电层直接接触,连接垂直方向相邻的电极。
4.如权利要求1所述的二维高性能谐振器,其特征是,电极形状为椭圆、圆形、矩形、菱形、六边形、多边形或不同形状的组合。
5.如权利要求2或3所述的二维高性能谐振器,其特征是,电桥结构的形状为矩形,四边形或多边形。
6.如权利要求1所述的二维高性能谐振器,其特征是,压电层为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或掺杂氮化铝。
7.如权利要求1所述的二维高性能谐振器,其特征是,电极的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
8.如权利要求2或3所述的二维高性能谐振器,其特征是,电桥结构的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
9.如权利要求4所述的二维高性能谐振器,其特征是,电极形状为椭圆,沿水平方向分布的相邻电极间距大于四个波长,沿垂直方向相邻电极间距小于四个波长等于2倍椭圆长轴的距离。
10.如权利要求4所述的二维高性能谐振器,其特征是,电极形状为椭圆,沿水平方向分布的相邻电极间距大于四个波长,沿垂直方向相邻电极间距小于四个波长且大于2倍椭圆长轴的距离。
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