CN111030636A - 带声学阻抗失配结构的体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极，设置在基底上方；顶电极；压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间；和电极支撑部，至少在压电层与顶电极之间形成间隙，其中：所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；沿所述顶电极的自由边缘的至少一部分，所述谐振器设置有声学阻抗失配结构。本发明还涉及一种滤波器，以及一种具有该滤波器的电子设备。

Description

带声学阻抗失配结构的体声波谐振器、滤波器及电子设备

技术领域

本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器，一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该滤波器的电子设备。

背景技术

体声波滤波器具有低插入损耗、高矩形系数、高功率容量等优点，因此，被广泛应用在当代无线通讯系统中，是决定射频信号进出通讯系统质量的重要元器件。体声波滤波器的性能由构成它的体声波谐振器决定，如：体声波谐振器的谐振频率决定了滤波器的工作频率，有效机电耦合系数决定了滤波器的带宽，品质因数决定滤波器插入损耗。当滤波器结构一定时，其品质因数，特别是在串联谐振频率和并联谐振频率处的品质因数(或串并联阻抗)，会显著影响通带插入损耗。因此，如何提高谐振器的品质因数是高性能滤波器设计的一个重要问题。

体声波谐振器串联谐振频率处的品质因数(Qs)或阻抗(Rs)通常由电极损耗及材料损耗决定，而体声波谐振器并联谐振频率处的品质因数(Qp)或阻抗(Rp)通常受边界声波泄露影响。因此，当谐振器材料、及层叠结构确定时， Qs(或Rs)的提升空间有限，但可以通过改变谐振器的边界结构来有效改善声波的边界泄露情况，从而显著提高谐振器的Qp(或Rp)。

图10A所示为一种传统谐振器的俯视图，若沿图10A中直线A1A2剖开，可以得到如图10B中的剖视图，若沿线段A3OA4剖开则可得到图10C中的另一中剖视图。

图10A-10C中谐振器的基本结构包含：

基底10：材料可选单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等等。

声学镜20：具体常用结构可以是空气腔、布拉格反射层或者其它等效声波反射结构。

底电极30：具体材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。

压电层50：可选氮化铝，氧化锌，PZT等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。

顶电极70：材料同底电极30。

顶电极引脚部80：通常材料和电极80相同。

电极支撑部85：通常材料和电极80相同。

通常在顶电极表面存在防止电极氧化的钝化层和用以调节谐振器工作频率的质量负载层等结构，图中并未示出。

此外，如图所示，在压电层50和底电极30及顶电极70之间还具有空气间隙层40和60。

上述空气间隙存在的意义在于：

(1)可以使电极在基本不接触(电极支撑部85和顶电极引脚部80为接触部分)压电层的情况下，仅通过电场来驱动压电层50，从而将大部分声学能量限制在压电层50之内，避免了声学能量通过电极发生损耗。

(2)对于电极和压电层紧密贴合(不存在空气间隙层40和60)的谐振器来说，其机电耦合系数kt²和电极-压电层厚度比值直接相关，若要保持该比值不变，则要求电极厚度和压电层厚度必须关联变化。而加入空气间隙则可基本上解除电极厚度和压电层厚度之间的关联，从而在设计上使电极厚度具有很好的独立性，例如，在有空气间隙的前提下，可通过增加电极厚度以减小电极的电阻，从而降低谐振器的电损耗而不影响机电耦合系数。

(3)如果将谐振器近似看作是工作在交流电信号驱动下的静态电容器，则其阻抗Z由下式决定：

其中j是虚数单位，ω是交流信号的角频率，A是谐振器的有效区域的面积， d是压电层厚度。在给定激励角频率ω和阻抗Z＝50Ω前提条件下，具有空气间隙的谐振器的压电层的厚度要大于没有空气间隙的谐振器的压电层厚度，这样当d增大时，谐振器有效声学区域的面积A也要增大，才可保证Z不变。对于形状发生相似变化的谐振器来说，当其面积变大时，其周长-面积的比值则变小，从而使声波能量损失率变小，这对工作在高频下的谐振器具有显著的减少声损耗的意义。

而传统的具有空气间隙的谐振器的结构特点及其作用是：

通常只在顶电极非连接侧的边缘较小的区域内设置支撑点(如图10A-10B 中的部分85)，在顶电极连接端则依靠电极引脚形成支撑，而在非连接边其余的部分形成自由端(如图10A和10C的FR1区域)。所述结构特点有助于在加工中充分释放位于电极和压电层之间的牺牲层材料，使电极和压电层分离充分。

上述结构特点导致传统带空气间隙的谐振器具有下述缺点：

由于电极支撑区域有限，使得谐振器中横向传播的声波只能遇到有限的阻抗不匹配的区域(如电极支撑部85和顶电极引脚部80处)，而被反射回谐振器有效声学区域(如图10B中的E1所示)，并且通常由该类支撑部形成的阻抗失配区域也只能提供非常有限的声波反射效果；而在自由端FR1区域声学失配区域完全缺失，这会导致横向声波直接传播到有效声学区域之外(如图10C中的 E2所示)，而又由于自由端FR1区域所包围的长度要显著大于电极支撑部85及顶电极引脚部80所包围的长度，因此上述声学失配区域的缺失造成的谐振器能量损耗非常可观。

发明内容

针对传统空气间隙型谐振器的上述缺点，本发明提出在压电层上构建声波反射结构，以此克服传统结构中声学失配区域的缺失带来的声波能量损耗过高的问题，从而提高所述谐振器的品质因数Q。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了体声波谐振器，包括：

基底；

声学镜；

底电极，设置在基底上方；

顶电极；

压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间；和

电极支撑部，至少在压电层与顶电极之间形成间隙，

其中：

所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；

沿所述顶电极的自由边缘的至少一部分，所述谐振器设置有声学阻抗失配结构。

可选的，所述间隙的厚度在1-500nm的范围内。

可选的，所述声学阻抗失配结构围绕所述顶电极的整个自由边缘设置。

进一步可选的，所述声学阻抗失配结构围绕所述顶电极的整个边缘设置。

可选的，所述声学阻抗失配结构包括设置于压电层中的凹陷部。进一步可选的，所述凹陷部设置于压电层的上表面；或者所述凹陷部设置于压电层的下表面。

可选的，所述凹陷部的宽度为D1，深度为H1，凹陷部内边缘距离顶电极边缘的距离为D2，其中：D1的范围为0.5-10μm；H1范围为0.1-1μm；D2范围-10-10 μm。进一步可选的，在谐振器的厚度方向上，在顶电极与压电层之间的电极支撑部至少部分与所述凹陷部重叠。可选的，所述凹陷部内填充有介电材料。

可选的，所述压电层具有与所述电极支撑部对应的多个压电层径向突出部，相邻压电层径向突出部之间具有空隙，在所述谐振器的俯视图中，所述底电极与所述空隙对应的部位直接露出；所述声学阻抗失配结构包括所述空隙。

可选的，所述声学阻抗失配结构包括沿所述自由边缘设置于压电层上表面的凸起部。进一步可选的，所述凸起部的宽度D4的范围为0.5-10μm，厚度H2 的范围为0.1-0.5μm，凸起部的内边缘和顶电极侧边缘的距离D5的范围为 0.5-10μm。

可选的，所述压电层的上表面在与所述有效区域对应的区域内设置有底部平坦的压电层凹部，所述压电层凹部的边缘为由第一水平面、第二水平面以及第一水平面和第二水平面之间的第一斜面构成的压电层上台阶结构，第一水平面位于第二水平面下方；所述顶电极具有与所述压电层凹部对应的顶电极凹部以及与所述压电层上台阶结构对应的顶电极台阶结构，或者所述顶电极具有与所述压电层凹部对应的顶电极凹部；所述声学阻抗失配结构包括所述压电层上台阶结构。进一步可选的，第一水平面与第二水平面之间的高度差H3的范围为 0.1-1μm，第一斜面与第一水平面的夹角α1的范围为15度-75度，顶电极侧边缘与第一水平面边沿的横向距离D6的范围为-10-10μm。

可选的，所述底电极的上表面在与所述压电层凹部对应的区域内设置有底部平坦的底电极凹部，所述底电极凹部的边缘为由第三水平面、第四水平面以及第三水平面与第四水平面之间的第二斜面构成的底电极台阶结构，第三水平面位于第四水平面下方；所述压电层的下表面具有与所述底电极凹部对应的压电层凸部以及与所述底电极台阶结构对应的压电层下台阶结构。可选的，第三水平面与第四水平面的高度差H4的范围为0.1-0.5μm，第二斜面与第三水平面的夹角β1的范围为15度-75度。

可选的，所述压电层的上表面在与所述有效区域对应的区域内设置有顶部平坦的压电层凸部，所述压电层凸部的边缘为由第五水平面、第六水平面以及第五水平面和第六水平面之间的第三斜面构成的压电层上台阶结构，第五水平面位于第六水平面下方；所述声学阻抗失配结构包括所述压电层上台阶结构。

可选的，第五水平面与第六水平面之间的高度差H5的范围为0.1-1μm，第三斜面与第五水平面的夹角α2的范围为15度-75度，顶电极侧边缘与第五水平面边沿的横向距离D7的范围为-10-10μm。

可选的，所述底电极的上表面在与所述压电层凸部对应的区域内设置有顶部平坦的底电极凸部，所述底电极凸部的边缘为由第七水平面、第八水平面以及第七水平面与第八水平面之间的第四斜面构成的底电极台阶结构，第七水平面位于第八水平面下方；所述压电层的下表面具有与所述底电极台阶结构对应的压电层凹部以及与所述底电极台阶结构对应的压电层下台阶结构。

可选的，第七水平面与第八水平面的高度差H6的范围为0.1-1μm，第四斜面与第七水平面的夹角β2的范围为15度-75度。

可选的，所述声学阻抗失配结构包括沿所述自由边缘设置于压电层上表面的旋翼部。进一步可选的，所述旋翼部包围的空气腔宽度D8的范围为0.5-10μm，高度H7的范围为0.1-1μm，空气腔距离顶电极边缘的距离D9的范围为0.1-10 μm，旋翼与水平面的夹角α3的范围为15度-75度。

可选的，所述压电层围绕有效区域的部分具有第一掺杂浓度；所述压电层在有效区域内的部分具有不同于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度；所述声学阻抗失配结构包括压电层的第一掺杂浓度区域与第二掺杂浓度区域相接部。

可选的，第一掺杂浓度η1的范围为1-40％原子比，第二掺杂浓度η2的范围为1-40％原子比，且第一掺杂浓度η1与第二掺杂浓度η2的掺杂浓度差异δη的范围为10-30％原子比。

可选的，第一掺杂浓度区域与第二掺杂浓度区域的边界距离顶电极边缘距离D10的范围为-10-10μm。

可选的，顶电极的自由边缘侧设置有辅助电极，所述辅助电极与顶电极在径向方向上间隔开，且辅助电极的交变电位与顶电极的交变电位反相。

可选的，辅助电极与顶电极之间的间隔D11的范围为0.1-5um。

可选的，所述辅助电极的宽度D12的范围为1-10um。

可选的，压电层与顶电极之间，以及压电层与底电极之间均设置有间隙。

根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。

根据本发明的实施例的还一方面，提出了一种电子设备，包括上述的滤波器或者体声波谐振器。

附图说明

以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：

图1为根据本发明的体声波谐振器的俯视示意图；

图2A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的 A3-O-A4截得的示意性局部剖视图，其中示出了凹陷反射结构；

图2B为图2A中ROI部分的示例性局部放大示意图；

图2C为图2A中ROI部分的示例性局部放大示意图；

图2D为图2A中ROI部分的示例性局部放大示意图；

图3A为根据本发明的示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；

图3B为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图3A中的 A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；

图3C为图3B中ROI部分的示例性局部放大示意图；

图3D为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图3A中的A1-A2截得的示意性局部剖视图；

图4A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的 A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；

图4B为图4A中ROI部分的示例性局部放大示意图；

图5A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的 A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；

图5B为图5A中ROI1部分的示例性的局部放大示意图；

图5C为图5A中ROI1部分的示例性的局部放大示意图；

图5D为图5A中ROI2部分的示例性的局部放大示意图；

图6A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的 A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；

图6B为图6A中ROI1部分的示例性的局部放大示意图；

图6C为图6A中ROI1部分的示例性的局部放大示意图；

图6D为图6A中ROI2部分的示例性的局部放大示意图；

图7A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的 A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；

图7B为图7A中ROI部分的示例性局部放大示意图；

图8A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的 A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；

图8B为图8A中ROI部分的示例性局部放大示意图；

图9A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的 A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；

图9B为图9A中ROI部分的示例性局部放大示意图；

图10A为现有技术中的体声波谐振器的俯视示意图；

图10B为沿图10A中的A1-A2截得的示意性剖视图；

图10C为沿图10A中的A3-O-A4截得的示意性剖视图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

下面参照图描述根据本发明的体声波谐振器。需要指出的是，在本发明的实施例中，虽然以薄膜体声波谐振器为例进行说明，这些说明均可以适用于其他类型的体声波谐振器。

下面参照图1总体描述本发明。图1为根据本发明的体声波谐振器的俯视示意图。如图1所示，在顶电极自由边附近的压电层上构建声学反射结构W1，可选的，该结构也可如图1中线W2所示延伸至非自由边区域(包含支撑部85 和电极引脚80的区域)，其中图1所示结构W1和W2仅为抽象表示，其可包含多种具体结构，如几何形态变化或材料变化，其尺寸和顶电极的位置关系也可在一定范围内变化。

下面参照附图2A-2D描述实施例A100。图2A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的A3-O-A4截得的示意性局部剖视图，其中示出了凹陷反射结构；图2B为图2A中ROI部分的示例性局部放大示意图；图2C 为图2A中ROI部分的示例性局部放大示意图；图2D为图2A中ROI部分的示例性局部放大示意图。

如图2A-2D所示，在实施例100A中，采用了凹槽式的声波反射结构，通过在顶电极自由边附近的压电层表面形成凹陷结构。所述凹陷结构在压电层中形成声学阻抗失配区域，从而可将由有效区域横向向外传播的声波反射回有效区。

图2B显示了图2A中ROI区域的关键尺寸细节，其中凹陷结构的宽度为D1，深度为H1，凹陷结构内边缘距离顶电极边缘的距离为D2。D1的范围为0.5-10μm； H1范围为0.1-1μm；D2范围-10-10μm,其中负值表示凹陷内边缘位于顶电极边缘内侧，0值表示基本对齐，正值表示位于外侧。D1，D2和H1的范围除了上述的端点值之外，还可以是范围的中值等其他值。

此外，由于实施例A100中电极与压电层不再接触，因此谐振器的有效区域主要与反射结构有关，当反射结构远离顶电极向外移动时，谐振器的有效面积也随之扩大。当谐振器面积扩大时，周长面积比会缩小，在一定范围内，可使谐振器的声波能量损耗减小。此外由于谐振器的机电耦合系数与谐振器的有效面积直接相关，因此改变有效面积也是调节谐振器机电耦合系数的有效手段，这在多个谐振器构成电子器件(如滤波器等)时有重要意义。

在图2C中，凹陷反射结构55完全位于顶电极支撑部85下方。

在图2D中，凹陷反射结构部分位于顶电极支撑部85下方，此时为增强顶电极支撑部85稳定性，可选用介电材料如二氧化硅等对凹陷反射结构55进行填充。

以下对实施例A100各部分结构及材料说明如下(后续实施例仅对与A100 不同的特征进行说明)：

基底10：材料可选单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等等。

声学镜20：具体常用结构可以是空气腔、布拉格反射层或者其它等效声波反射结构。

底电极30：具体材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。

压电层50：可选氮化铝，氧化锌，PZT等材料。

顶电极70：材料同底电极30。

40和60为位于压电层和电极之间的空气间隙，其厚度范围1-500nm。

55：位于压电层上的凹陷结构。

下面参照附图3A-3D描述实施例A200。图3A为根据本发明的示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；图3B为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图3A中的A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；图3C为图3B中ROI 部分的示例性局部放大示意图；图3D为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图3A中的A1-A2截得的示意性局部剖视图。

若去除掉实施例A100中凹陷结构55内边缘以外绝大部分的压电材料，则可得到图3B所示的实施例A200的结构。由于压电层-空气界面形成很强的声学阻抗失配，因此该结构可进一步提升对声波的反射效果。但为了确保结构的稳定性，仍需保留部分上述边界之外压电层用来支撑顶电极和压电层自身(如图 3B所示)，相较图1，图3A中的位于顶电极70和电极引脚80边界之外的压电层已被去除，暴露出了原本位于压电层下方的底电极30和基底10。而在顶电极支撑部85以及顶电极引脚80的下部仍然保留了部分压电层50，以支撑顶电极和压电层自身。

此外，图3C描述了位于图3A-3B中ROI区域的关键尺寸细节，压电层侧边缘与顶电极边缘的横向距离D3的范围为-10-10μm，其中负值表示图3C中压电层侧边缘位于电极边缘左侧(内侧)，正值表示位于右侧(外侧)，0值表示基本对齐。D3的值除了上述端值之外，还可以是范围的中值等值。

图3D为实施例A200沿图3A中直线A1-A2剖开的剖视图(示出了压电层 50和顶电极支撑部85)。

下面参照附图4A-4B描述实施例A300。图4A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；图4B为图4A中ROI部分的示例性局部放大示意图。

图4A的实施例A300采用了突起式的声波反射结构。通过在顶电极自由边缘附近(本结构不适于在顶电极支撑部附近构建)的压电层表面形成突起56，来形成声学阻抗失配区域，达到反射声波的目的。同时相较于传统的位于顶电极边缘表面的突起式声波反射结构，实施例A300中的凸起结构位于压电层的声电耦合区之外，因此可避免或减少杂波生成。

凸起结构56的材料可选和压电层50相同的材料，还可选二氧化硅，氮化硅，碳化硅，或其他金属氧化物，如氧化铝等。

图4B中描述了实施例A300的ROI区域中的关键尺寸细节，其中突起56的宽度为D4范围0.5-10μm，厚度为H2范围0.1-0.5μm，突起内边缘和顶电极侧边缘的距离为D5范围0.5-10μm。D4，D5和H2的范围除了上述的端点值之外，还可以是范围的中值等其他值。

下面参照附图5A-5D描述实施例A400。图5A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；图5B为图5A中ROI1部分的示例性的局部放大示意图；图5C为图5A中ROI1部分的示例性的局部放大示意图；图5D为图5A中ROI2部分的示例性的局部放大示意图。

图5A的实施例A400通过在底电极30上形成凹陷结构，使位于其上方的压电层及顶电极形成相似的起伏结构，从而构造出声学阻抗失配区域。该起伏结构由位于中心的第一水平部和位于周边的第二水平部以及连接所述两部分水平面的倾斜面组成，且第一水平部低于第二水平部。

在本发明中，水平部体现为水平面，该水平面与谐振器的厚度方向垂直。

图5B-5C描述了A400的ROI1区域内的关键尺寸细节。其中两水平部落差为H3，范围0.1-1μm，倾斜连接部与水平方向夹角为α1，范围15度-75度，顶电极侧边缘与第一水平部边沿的横向距离为D6，范围-10-10μm，其中正值表示电极边沿位于水平部边缘的外部，负值表示位于内部；此外，当取负值时，顶电极形状如图5C所示，不再具有起伏结构。

图5D描述了A400的ROI2区域内的关键尺寸细节。其中两水平部落差为H4，范围0.1-0.5μm，倾斜连接部与水平方向夹角为β1，范围15度-75度。

如前所述，上述数值均可以为端值以及范围中值或其他值。

下面参照附图6A-6D描述实施例A500。图6A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；图6B为图6A中ROI1部分的示例性的局部放大示意图；图6C为图6A中ROI1部分的示例性的局部放大示意图；图6D为图6A中ROI2部分的示例性的局部放大示意图。

图6A的实施例A500通过在底电极30上形成突起结构，使位于其上方的压电层及顶电极形成相似的起伏结构，从而构造出声学阻抗失配区域。该起伏结构由位于中心的第一水平部和位于周边的第二水平部以及连接所述两部分水平面的倾斜面组成，且第一水平部高于第二水平部。

图6B-6C描述了A500的ROI1区域内的关键尺寸细节。其中两水平部落差为H5，范围0.1-1μm，倾斜连接部与水平方向夹角为α2，范围15度-75度，顶电极侧边缘与第一水平部边沿的横向距离为D7，范围-10-10μm，其中正值表示电极边沿位于水平部边缘的外部，负值表示位于内部；此外，当取正值时，顶电极形状如图6C所示，不再具有起伏结构。

图6D描述了A500的ROI2区域内的关键尺寸细节。其中两水平部落差为H6，范围0.1-1μm，倾斜连接部与水平方向夹角为β2，范围15度-75度。

如前所述，上述数值均可以为端值以及范围中值或其他值。

下面参照附图7A-7B描述实施例A600。图7A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；图7B为图7A中ROI部分的示例性局部放大示意图。

图7A的实施例A600在顶电极自由边缘附近(此结构不适合放置在顶电极支撑部附近)的压电层上表面形成悬翼结构，并以此反射声波。

图7B描述了A600的ROI1区域内的关键尺寸细节。其中悬翼材料厚度为

悬翼包围的空气腔宽度D8范围0.5-10μm，高度H7范围0.1-1μm，空气腔距离顶电极边缘距离D9范围0.1-10μm。旋翼与水平面的夹角α3的范围为15度-75度。

所述悬翼的材料可选和压电层相同材料，也可选其他介电材料如二氧化硅，氮化硅，碳化硅，金属氧化物，如氧化铝等，也可从顶电极的可选金属材料中选取。

如前所述，上述数值均可以为端值以及范围中值或其他值。

下面参照附图8A-8B描述实施例A700。图8A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；图8B为图8A中ROI部分的示例性局部放大示意图。

图8A的实施例A700的压电层50包含不同浓度的稀土元素掺杂区域51和 52，并且区域51和52的界面位于顶电极边缘附近。通过掺杂浓度差异形成声学阻抗失配，从而对声波进行反射。

其中区域51具有第一掺杂浓度η1，范围1-40％原子比，区域52具有第二掺杂浓度η2，范围1-40％原子比，且51和52的掺杂浓度差异δη范围10-30％原子比。

掺杂元素可以为稀土元素，如钪、钇、镧、铒、镱等。

图8B描述了A700的ROI1区域内的关键尺寸细节。其中所述2个掺杂区域的界面距离顶电极边缘距离为D10，范围-10-10μm，正值表示界面位于顶电极边缘外侧，负值表示位于内侧，0值表示基本对齐。

如前所述，上述数值均可以为端值以及范围中值或其他值。

下面参照附图9A-9B描述实施例A800。图9A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1中的A3-O-A4截得的示意性局部剖视图；图9B为图9A中ROI部分的示例性局部放大示意图。

除了上述通过使几何尺寸或材料性质发生跃变来构建声学失配区域的实施例以外，还可以使电场在有效区域边缘附近发生跃变，来形成声学失配区域来反射声波。

在图9A-9B所示的A800实施例中，顶电极70的两侧附近加入了辅助电极75，当上述谐振器工作时，75上的交变电位时刻保持与70上的交变电位反相，从而使75和70施加在压电层50上的电场时刻反相，使压电层中形成振动方向相反的区域，即形成声学失配区域(如图9B所示)。

图9B对实施例A800的ROI区域中的关键尺寸进行了说明，其中为确保电极70和75具有各自独立的电位，必须使70和75之间具有一定的间隙，其中间隙宽度D11的范围为0.1-5um。此外电极75的宽度D12范围为1-10um。

如前所述，上述数值均可以为端值以及范围中值或其他值。

需要指出的是，在本发明图示的实施例中，以顶电极在顶电极支撑部85之间或者支撑部85与电极引脚80之间的边缘区域为顶电极的自由边缘。但是，本发明不限于此，也可以不设置专门的支撑部，而是由顶电极引脚同时作为支撑部。在由顶电极引脚同时作为电极支撑部而没有其他电极支撑部的情况下，顶电极的自由边缘为顶电极的边缘在电极引脚的两侧之间的部分。

在本发明所示的实施例中，压电层的两侧均设置有间隙，不过，间隙也可以仅仅设置在压电层的上侧，这也在本发明的保护范围之内。

基于以上，本发明提出了一种体声波谐振器，包括：

基底；

声学镜；

底电极，设置在基底上方；

顶电极；

压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间；和

电极支撑部，至少在压电层与顶电极之间之间形成间隙，

其中：

所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；

沿所述顶电极的自由边缘的至少一部分，所述谐振器设置有声学阻抗失配结构。基于以上，本发明还提出了一种滤波器，包括多个上述的体声波谐振器。本发明还提出了一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的体声波谐振器。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (31)

1.一种体声波谐振器，包括：

基底；

声学镜；

底电极，设置在基底上方；

顶电极；

压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间；和

电极支撑部，至少在压电层与顶电极之间形成间隙，

其中：

所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；

沿所述顶电极的自由边缘的至少一部分，所述谐振器设置有声学阻抗失配结构。

2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：

所述声学阻抗失配结构围绕所述顶电极的整个自由边缘设置。

3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：

所述声学阻抗失配结构围绕所述顶电极的整个边缘设置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：

所述声学阻抗失配结构包括设置于压电层中的凹陷部。

5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：

所述凹陷部设置于压电层的上表面；或者

所述凹陷部设置于压电层的下表面。

6.根据权利要求4所述的谐振器，其中：

所述凹陷部设置于压电层的上表面；且

所述凹陷部的宽度为D1，深度为H1，凹陷部内边缘距离顶电极边缘的距离为D2，其中：D1的范围为0.5-10μm；H1范围为0.1-1μm；D2范围-10-10μm。

7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：

在谐振器的厚度方向上，在顶电极与压电层之间的电极支撑部至少部分与所述凹陷部重叠。

8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：

所述凹陷部内填充有介电材料。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：

所述压电层具有与所述电极支撑部对应的多个压电层径向突出部，相邻压电层径向突出部之间具有空隙，在所述谐振器的俯视图中，所述底电极与所述空隙对应的部位直接露出；

所述声学阻抗失配结构包括所述空隙。

10.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：

所述声学阻抗失配结构包括沿所述自由边缘设置于压电层上表面的凸起部。

11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：

所述凸起部的宽度D4的范围为0.5-10μm，厚度H2的范围为0.1-0.5μm，凸起部的内边缘和顶电极侧边缘的距离D5的范围为0.5-10μm。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：

所述压电层的上表面在与所述有效区域对应的区域内设置有底部平坦的压电层凹部，所述压电层凹部的边缘为由第一水平面、第二水平面以及第一水平面和第二水平面之间的第一斜面构成的压电层上台阶结构，第一水平面位于第二水平面下方；

所述顶电极具有与所述压电层凹部对应的顶电极凹部以及与所述压电层上台阶结构对应的顶电极台阶结构，或者所述顶电极具有与所述压电层凹部对应的顶电极凹部；

所述声学阻抗失配结构包括所述压电层上台阶结构。

13.根据权利要求12所述的谐振器，其中：

第一水平面与第二水平面之间的高度差H3的范围为0.1-1μm，第一斜面与第一水平面的夹角α1的范围为15度-75度，顶电极侧边缘与第一水平面边沿的横向距离D6的范围为-10-10μm。

14.根据权利要求12或13所述的谐振器，其中：

所述底电极的上表面在与所述压电层凹部对应的区域内设置有底部平坦的底电极凹部，所述底电极凹部的边缘为由第三水平面、第四水平面以及第三水平面与第四水平面之间的第二斜面构成的底电极台阶结构，第三水平面位于第四水平面下方；

所述压电层的下表面具有与所述底电极凹部对应的压电层凸部以及与所述底电极台阶结构对应的压电层下台阶结构。

15.根据权利要求14所述的谐振器，其中：

第三水平面与第四水平面的高度差H4的范围为0.1-0.5μm，第二斜面与第三水平面的夹角β1的范围为15度-75度。

16.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：

所述压电层的上表面在与所述有效区域对应的区域内设置有顶部平坦的压电层凸部，所述压电层凸部的边缘为由第五水平面、第六水平面以及第五水平面和第六水平面之间的第三斜面构成的压电层上台阶结构，第五水平面位于第六水平面下方；

所述声学阻抗失配结构包括所述压电层上台阶结构。

17.根据权利要求16所述的谐振器，其中：

第五水平面与第六水平面之间的高度差H5的范围为0.1-1μm，第三斜面与第五水平面的夹角α2的范围为15度-75度，顶电极侧边缘与第五水平面边沿的横向距离D7的范围为-10-10μm。

18.根据权利要求16或17所述的谐振器，其中：

所述底电极的上表面在与所述压电层凸部对应的区域内设置有顶部平坦的底电极凸部，所述底电极凸部的边缘为由第七水平面、第八水平面以及第七水平面与第八水平面之间的第四斜面构成的底电极台阶结构，第七水平面位于第八水平面下方；

所述压电层的下表面具有与所述底电极台阶结构对应的压电层凹部以及与所述底电极台阶结构对应的压电层下台阶结构。

19.根据权利要求18所述的谐振器，其中：

第七水平面与第八水平面的高度差H6的范围为0.1-1μm，第四斜面与第七水平面的夹角β2的范围为15度-75度。

20.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：

所述声学阻抗失配结构包括沿所述自由边缘设置于压电层上表面的旋翼部。

21.根据权利要求20所述的谐振器，其中：

所述旋翼部包围的空气腔宽度D8的范围为0.5-10μm，高度H7的范围为0.1-1μm，空气腔距离顶电极边缘的距离D9的范围为0.1-10μm，旋翼与水平面的夹角α3的范围为15度-75度。

22.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器，其中：

所述压电层围绕有效区域的部分具有第一掺杂浓度；

所述压电层在有效区域内的部分具有不同于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度；

所述声学阻抗失配结构包括压电层的第一掺杂浓度区域与第二掺杂浓度区域相接部。

23.根据权利要求22所述的谐振器，其中：

第一掺杂浓度η1的范围为1-40％原子比，第二掺杂浓度η2的范围为1-40％原子比，且第一掺杂浓度η1与第二掺杂浓度η2的掺杂浓度差异δη的范围为10-30％原子比。

24.根据权利要求22或23所述的谐振器，其中：

第一掺杂浓度区域与第二掺杂浓度区域的边界距离顶电极边缘距离D10的范围为-10-10μm。

25.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中：

顶电极的自由边缘侧设置有辅助电极，所述辅助电极与顶电极在径向方向上间隔开，且辅助电极的交变电位与顶电极的交变电位反相。

26.根据权利要求25所述的谐振器，其中：

辅助电极与顶电极之间的间隔D11的范围为0.1-5um。

27.根据权利要求26所述的谐振器，其中：

所述辅助电极的宽度D12的范围为1-10um。

28.根据权利要求1所述的谐振器，其中：

所述间隙的厚度在1-500nm的范围内。

29.根据权利要求1所述的谐振器，其中：

压电层与顶电极之间，以及压电层与底电极之间均设置有间隙。

30.一种滤波器，包括根据权利要求1-29中任一项所述的体声波谐振器。

31.一种电子设备，包括根据权利要求30所述的滤波器或者根据权利要求1-29中任一项所述的体声波谐振器。

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