CN111934643B - 压电层双侧设置质量负载的体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents

压电层双侧设置质量负载的体声波谐振器、滤波器及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种体声波谐振器及其制造方法。该谐振器包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：所述所述压电层上下两侧分别设置有第一质量负载阵列和第二质量负载阵列。本发明还涉及一种滤波器以及一种电子设备。

Description

压电层双侧设置质量负载的体声波谐振器、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，以及一种电子设备。
背景技术
电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。
薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，FBAR利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
现有技术中，已经提出在谐振器的顶电极上设置完整的质量负载来调整谐振器的频率。这种方法对频率的调整量取决于厚度控制精度，如果需要多种频率的谐振器，则需要沉积多种厚度的质量负载层，工艺复杂，且精度不易控制。此外，也已经提出在谐振器顶电极上设置图形化的质量负载，通过调节质量负载层的图形密度来实现频率调整。但是，单一图形结构在引入质量负载的过程中，可能会导致某些频率范围内的寄生模式或者损耗增强，从而损害谐振器电学性能。
此外，薄膜体声波谐振器主要利用压电薄膜的纵向压电系数产生压电效应，所以其主要工作模式为厚度方向上的纵波模式，即体声波谐振器的声波主要在谐振器的薄膜体内，而且主要的振动方向在纵向。但是由于存在边界，在边界处会存在不垂直于压电膜层的兰姆波，这时横向的兰姆波会从压电膜层的横向漏出，导致声学损失，从而使得谐振器的Q值减小。
发明内容
为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述压电层的上侧与所述压电层的下侧分别设置有第一质量负载阵列和第二质量负载阵列。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
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1A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
图1B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1A中的M1-M2线截得的截面示意图；
图1C为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1A中的M1-M2线截得的截面示意图；
图2A和2B分别示例性示出了在顶电极上设置质量负载的图示，其中图2A为以笛卡尔坐标排布，图2B为以极坐标图示；
图3A-3C分别为根据本发明的不同示例性实施例的示出谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列(以笛卡尔坐标排布)复合后的示意性俯视图；
图4为根据本发明的一个示例性实施例的示出谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列(以极坐标排布)复合后的示意性俯视图；
图5A和5B示出了根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图；
图6A和6B示出了根据本发明的另一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图；
图7A和7B示出了根据本发明的再一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图；
图8A和8B示出了根据本发明的还一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图；
图9A和9B示出了根据本发明的又一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图；
图10A和10B示出了根据本发明的又一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图；
图11A和11B示出了根据本发明的又一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图；
图12A和12B示出了根据本发明的又一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图；
图13A示意性示出了作为对比示例的仅在谐振器的单侧设置质量负载阵列的谐振器的串联谐振频率(左侧图)及并联谐振频率(右侧图)附近处的阻抗特性曲线；
13B和13C分别示意性示出了根据本发明实施例的在谐振器的上下两侧均设置质量负载阵列的谐振器的串联谐振频率(左侧图)及并联谐振频率(右侧图)附近处的阻抗特性曲线。
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。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。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。发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图，图1B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1A中的M1-M2线截得的截面示意图，图1C为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的沿图1A中的M1-M2线截得的截面示意图。
本发明中的附图标记说明如下：
100：基底，可选材料为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等。
110：声学阻抗层一或第一声学阻抗层，材料可以为氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅。
120：声学阻抗层二或第二声学阻抗层，同时也作为牺牲层。第二声阻抗层的材料可以为二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅等，但与第一声阻抗层材料不同，且第二声阻抗层的刻蚀剂不易刻蚀或不刻蚀第一声阻抗层材料。
130：声学镜，可为空腔，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。本发明所示的实施例中采用的是空腔。
140：底电极，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等。
145：下侧质量负载阵列。下侧质量负载是由底电极本身材料形成的凸起或在底电极上形成的凹陷。下侧质量负载的材料也可以不同于底电极。下侧质量负载设置在压电层的下侧，其不限于制作于底电极的下方，也可以制作在压电层与底电极之间，或者制作在底电极中。
150：压电层，可以为单晶压电材料，可选的，如：单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(PZT)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，也可以为多晶压电材料(与单晶相对应，非单晶材料)，可选的，如多晶氮化铝、氧化锌、PZT等，还可是包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，例如可以是掺杂氮化铝，掺杂氮化铝至少含一种稀土元素，如钪(Sc)、钇(Y)、镁(Mg)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。
155：释放孔，其用于蚀刻牺牲层形成空腔。
160：顶电极，其材料可与底电极相同，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等。顶电极和底电极材料一般相同，但也可以不同。
165：上侧质量负载阵列。上侧质量负载是由顶电极本身材料形成的凸起或在顶电极上形成的凹陷，或者在顶电极上设置有钝化层或工艺层的情况下，也可以是由工艺层的材料形成的凸起或凹陷。上侧质量负载的材料也可以不同于顶电极或工艺层，例如，在顶电极上表面的工艺层为氮化铝时，上侧质量负载的材料可以选用二氧化硅或金属氧化物等。上侧质量负载设置在压电层的上侧，其不限于制作于顶电极的上方，也可以制作在压电层与顶电极之间，或者制作在顶电极中。
170：顶电极引出部，其可与顶电极同时制得，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等。
180：电极连接部一(Bonding PAD，或底电极电连接层)，材料可为铜，金或以上金属的复合或其合金等。
190：电极连接部二(Bonding PAD，或顶电极电连接层)，材料可为铜，金或以上金属的复合或其合金等。
如图1B所示，顶电极160的上侧设置有质量负载阵列165，底电极140的下侧设置有质量负载阵列145。
在本发明中，在由顶电极、底电极和单晶压电层组成的叠层结构的上下两侧均设置有质量负载，从而为通过质量负载来调节谐振器的频率引用来了灵活性，有利于实现对谐振器频率控制的便利性和精度。
在本发明中，通过在叠层结构的上下两侧均设置质量负载阵列，使得体声波谐振器在厚度方向上具有更好的空间对称性，通过选择上下阵列之间的空间位置配合关系，还可以有利于抑制谐振器工作过程中产生的寄生模式，并提高谐振器的Q值。
在图1B中，压电层150与基底100之间设置有声学阻抗结构，声学镜130在谐振器的横向方向上位于声学阻抗结构之间，所述声学阻抗结构包括在横向方向上彼此相邻设置的第一声学阻抗层110和第二声学阻抗层120，更具体的，声学镜130在谐振器的横向方向上位于第一声学阻抗层110之间。底电极140的电极连接端被第一声学阻抗层110的一部分覆盖，底电极140的非电极连接端与第一声学阻抗层110在横向方向上间隔开。
在本发明中，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，以形成阻抗不匹配，对声波形成连续反射，形成对横向声波的反射结构，从而用于防止横向声波泄露，有利于将能量锁定在谐振器内，从而提高Q值。
在本发明中，利用了单晶压电材料，可以使压电损耗更低，从而得到更高的谐振器Q值，同时可以提高机电耦合系数和功率容量。
在进一步的实施例中，第一声学阻抗层110与第二声学阻抗层120与压电层150接触的部分的宽度A和B分别为mλ1/4以及nλ2/4，其中m和n均为奇数，例如为1,3，5,7等，λ1和λ2分别为第一声学阻抗层和第二声学阻抗层在谐振频率处沿横向传播的声波波长。所述谐振频率是谐振器谐振区间内的某一频率，可以是谐振器的串联谐振频率或并联谐振频率，也可以是串并联谐振频率之间的某一频率，或者略低于串联谐振频率或略高于并联谐振频率的某一频率。在附图中，第一声学阻抗层110的所述宽度以A表示，而第二声学阻抗层120的所述宽度则以B表示。选取上述宽度，有利于形成有效的声学阻抗不匹配，防止横向声波泄露，进一步提高谐振器的Q值。m与n可以相同，也可以不同，均在本发明的保护范围之内。
形成第一声学阻抗层110的材料包括氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅，形成第二声学阻抗层120的材料包括二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅。第一声学阻抗层110的材料与第二声学阻抗层120的材料彼此不同。可选的，形成第一声学阻抗层110的材料包括二氧化硅，形成第二声学阻抗层120的材料包括多晶硅。或者，形成第一声学阻抗层110杂二氧化硅。在本发明中，为了提高第一声学阻抗层110与第二声学阻抗层120的相接处的声学不匹配程度，两者的声学阻抗之差可以选择的尽可能大。
如图1B所示，底电极140的非电极连接端(图1B中的右端)的端面在横向方向上与声学阻抗结构中的第一声学阻抗层110间隔开，使得声波在底电极的非电极连接端和空隙之间的横向界面也形成全反射，从而减少声波泄露。基于非电极连接端处的空隙结构，可以进一步防止横向声波泄露，提高谐振器的Q值。另一方面，底电极140的非电极连接端(图1B中的右端)的端面如果被第一声阻抗层3覆盖，则会与顶电极在空腔外的部分形成寄生电容，从而影响谐振器的机电耦合系数。
在可选的实施例中，在通过底电极140的电极连接端的谐振器的一个纵截面中(例如图1B所示的截面图中)，底电极140的非电极连接端的端面在横向方向上与声学阻抗结构间隔开的距离可以在0.5μm-20μm的范围内。该距离除了端值之外，还可以是例如5μm，7μm等。
在图1B所示的实施例中，底电极140在电极连接端的一侧被第一声学阻抗层110和第二声学阻抗层120形成的连续反射层或者声学阻抗结构包裹住，更具体的，被第一声学阻抗层110覆盖，一方面这种结构有利于提高谐振器的机械稳定性，且更容易将谐振器工作时产生的热量通过电极和第一声学阻抗层110传导到衬底，从而提高谐振器的功率容量，另一方面，虽然能量会从底电极端面泄露到第一声学阻抗层110中，但是由于存在第二声学阻抗层与第一声学阻抗层形成的反射界面，因此，有利于使能量尽可能多的锁定在谐振器内部，使谐振器保持较高Q值。
在本发明的一个实施例中，如图1B所示，可以选择第一声学阻抗层110的外侧面所在面与压电层的底面之间形成的角度θ1在100°-160°的范围内，具体的，可以为100°，120°，160°等。鉴于声学镜130对应的空间开始阶段由第二声学阻抗层120的材料填充(之后通过刻蚀第二声学阻抗层的材料而形成声学镜130)，因此，选取该角度有利于在图形化了第一声学阻抗层110之后填充第二声学阻抗层120。在本发明的一个实施例中，如图1B所示，可以选择底电极140的端面外侧与压电层150的底面之间形成的角度α1在90°-160°的范围内，具体的，可以为90°、100°，120°，160°等。选取该角度有利于填充第一声学阻抗层110和第二声学阻抗层120。
图1C为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1中的M1-M2线截得的截面示意图，其中示出了底电极的电极引出部区域以及顶电极的电极引出部区域，且底电极的电极连接端被第一声学阻抗层110的一部分覆盖，底电极的非电极连接端与第一声学阻抗层110在横向方向上间隔开。在本发明的实施例中，如图1C所示，可以选择第一声学阻抗层110的外侧面所在面与压电层150的底面之间形成的角度θ2在20°-80°的范围内，具体的，可以为20°，60°，80°等。此外，如图1C所示，可以选择底电极140的端面外侧与压电层150的底面之间形成的角度α2在90°-160°的范围内，具体的，可以为90°、100°，120°，160°等。选取该角度有利于填充第一声学阻抗层110和第二声学阻抗层120。
在本发明中，第一声学阻抗层110与第二声学阻抗层120可以一起构成声学阻抗结构。但是，本发明不限于此，换言之，声学阻抗层的布置方式不限于此。其可以是包括在横向方向上依次相邻布置的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层，或第一声学阻抗层、第二声学阻抗层以及第一声学阻抗层，或以上的组合。
图2A和2B分别示例性示出了在顶电极上设置质量负载的图示，其中图2A为以笛卡尔坐标排布，图2B为以极坐标图示。当叠层结构一侧的质量负载排布遵循一定坐标形式时，另一侧的的质量负载排布也遵循同样的坐标形式，并在此基础上在两侧的质量负载阵列之间形成位置配合关系。
图3A-3C分别为根据本发明的不同示例性实施例的示出谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列(以笛卡尔坐标排布)复合后的示意性俯视图。
如图3A所示，以A1作为第一质量负载阵列中的质量负载，B1作为第二质量负载阵列中的质量负载，可以看到，第二质量负载阵列相对于第一质量负载阵列按矢量ε0进行平移，这里的平移包括了在图3A中的横向平移以及纵向平移。如能够理解的，在可选的实施例中，平移也可以仅仅是横向平移或者纵向平移。
在图3A中，A1对应的质量负载的尺寸与B1对应的质量负载的尺寸相同。P1和P2分别是A1对应的质量负载阵列水平方向和垂直方向上相邻质量负载间的距离，P1和P2可以相同，也可以不同，其范围在谐振器总厚度的0.1倍到10倍的范围内。在本发明中，谐振器上下两侧的质量负载阵列的厚度在
Figure BDA0002582293290000081
Figure BDA0002582293290000082
的范围内，且上下两侧厚度可以相同，也可以不同。
在本发明中，在两个质量负载的尺寸进行比较的情况下，在质量负载的横截面为圆形时，质量负载的尺寸指的是质量负载的横截面的半径；对于其他横截面形状，可以用横截面的等效半径来确定。
在可选的实施例中，图3A中，矢量ε0的水平方向分量的长度范围在0-P1内，垂直方向分量的长度范围在0-P2内，其中的端点值(如0、P1或者P2)表示两个阵列完全重合。
如图3B所示，以A1和A2作为第一质量负载阵列中的质量负载，B1和B2作为第二质量负载阵列中的质量负载，可以看到，第二质量负载阵列相对于第一质量负载阵列按矢量ε0进行平移，这里的平移包括了在图3B中的横向平移以及纵向平移。如能够理解的，在可选的实施例中，平移也可以仅仅是横向平移或者纵向平移。P1和P2分别是A1对应的质量负载阵列水平方向和垂直方向上相邻质量负载间的距离，P1和P2可以相同，也可以不同，其范围在谐振器总厚度的0.1倍到10倍的范围内。A2对应的质量负载阵列可以看做是A1对应的质量负载阵列按ε1进行平移，这里的平移包括了图3B中的仅横向平移，在可选的实施例中，平移也可以是仅纵向平移，或者是横向平移及纵向平移的综合。其中，矢量ε1的水平方向分量的长度范围在A1和A2质量负载单元半径之和到P1的范围内，垂直方向分量的长度范围在A1和A2质量负载单元半径之和到P2的范围内；矢量ε0的水平方向分量的长度范围在0-P1内，垂直方向分量的长度范围在0-P2内，其中的0表示两个阵列完全重合(即一个阵列的所有质量负载与另一个阵列的对应质量负载重合)。
如图3B所示，A1对应的质量负载和A2对应的质量负载的尺寸不同；B1对应的质量负载和B2对应的质量负载的尺寸不同。
A1对应的质量负载的尺寸可以与B1对应的质量负载的尺寸相同或者不同，A2对应的质量负载的尺寸可以与B2对应的质量负载的尺寸相同或者不同。
如图3C所示，以A1作为第一质量负载阵列中的质量负载，B1作为第二质量负载阵列中的质量负载，类似的，第二质量负载阵列相对于第一质量负载阵列按矢量进行平移，这里的平移包括了在图3A中的横向平移以及纵向平移。如能够理解的，在可选的实施例中，平移也可以仅仅是横向平移或者纵向平移。
在图3C中，A1对应的质量负载的尺寸与B1对应的质量负载的尺寸不同。
以下结合仿真结果示例性说明双侧质量负载相比于单侧质量负载，除了可以起到频率调整的效果，还可以起到提高谐振器Q值的效果。
图13A是仅在顶电极上设置一定厚度(如
Figure BDA0002582293290000101
)质量负载阵列(如图3A中A1对应的质量负载阵列，且P1＝P2＝谐振器总厚度的2倍，质量负载单元的直径为P1的一半)的谐振器的串联谐振频率及并联谐振频率附近处的阻抗特性曲线。
图13B是在谐振器上下两侧均设置相同厚度(如
Figure BDA0002582293290000102
)质量负载阵列(如图3A中A1和B1对应的质量负载阵列，且ε0＝0时)的谐振器的串联谐振频率及并联谐振频率附近处的阻抗特性曲线。可以看到，在质量负载总厚度相同的条件下，上下两侧分布相比单侧分布可以实现更大的质量负载效果，即产生更大的频率变化幅度；同时，串联阻抗显著降低(从2.44Ω降低到0.84Ω，降低幅度约60％)，相应的Q值会得到显著提升，说明在本实施例中上下两侧分布的质量负载能够在串联谐振频率附近产生针对横波传播的禁带，从而使更多的能量集中在串联谐振的振动模式中，提高谐振器串联谐振点的Q值；此外，并联阻抗会略有降低(从2420Ω降低到2300Ω，降低幅度约5％)，其恶化程度远小于串联阻抗改善程度。
图13C是在谐振器上下两侧均设置相同厚度(如
Figure BDA0002582293290000103
)质量负载阵列但二者具有一定的横向平移关系(如图3A中A1和B1对应的质量负载阵列，且ε0＝0.5×P1时)的谐振器的串联谐振频率及并联谐振频率附近处的阻抗特性曲线。可以看到，相比于图13A所示的单侧质量负载结果，图13C所示的串联阻抗具有显著降低(从2.44Ω降低到1.07Ω，降低幅度约56％)，且并联阻抗具有一定程度提升(从2420Ω提高到2565Ω，提高幅度约6％)，即相比图13B只提高串联谐振频率附近的Q值，图13C所述实施例通过调整上下两侧质量负载的偏移关系，能够全面提高谐振器全频段Q值(包括串联谐振频率和并联谐振频率附近的Q值)。
图4为根据本发明的一个示例性实施例的示出谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列(以极坐标排布)复合后的示意性俯视图。
如图4所示，以A1作为第一质量负载阵列中的质量负载，B1作为第二质量负载阵列中的质量负载。其中，A1对应的质量负载阵列在周向上具有N个质量负载单元，N大于等于3，相邻质量负载具有夹角α3(其值为360°/N)，在径向上相邻质量负载单元之间的间距为P3，其范围在谐振器总厚度的0.1倍到10倍的范围内，且在可选的实施例中，从谐振器中心到外侧，每层相邻质量负载间距离P3可以相同，也可以从小到大变化，或者从大到小变化。第二质量负载阵列相对于第一质量负载阵列旋转了角度α0，其转动方向可以是顺时针，也可以是逆时针，该角度的范围可以在0-α3的范围内，其中的端点值(如0或α3)表示两个阵列完全重合(即一个阵列的所有质量负载与另一个阵列的对应质量负载重合)。
两个阵列的配合也可以是互补的配合关系。例如，可以先按笛卡尔坐标或极坐标方式将质量负载阵列分布于叠层结构的一侧上，然后按一定方式将阵列划分为若干区域，并将一定区域内的阵列转移至另一侧上(即在一侧的特定位置设置的质量负载，在另一侧的对应的特定位置并不设置)，从而形成在叠层结构的两侧阵列的互补关系。
图5A和5B示出了根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图。
如图5A所示，叠层结构的一侧的质量负载阵列具有笛卡尔坐标分布，利用一个五边形边界P1将所述阵列划分为两部分，并将位于所述5边形外侧的阵列转移至叠层结构的另一侧，最终形成图5B中所示在叠层结构两侧的阵列的配合关系。其中对于落在P1边界“上”(一部分落在边界内，一部分落在边界外)的阵列单元，有若干划分原则：例如可将此类陈列单元全部认为是属于边界P1内部或外部区域，还可以根据某个陈列单元的俯视面积被边界P1所划分比例来决定，如落在P1外侧的面积多于内部面积时把该单元划入P1边界外侧，反之则划为内侧，若P1恰好平分陈列单元俯视面积则该单元划分入内外区域中任意一个。
在图5B中，可以看到，一侧的阵列为多边形，而另一侧的阵列为环状多变形，且该多边形与环形多边形的内缘配合。在进一步的实施例中，图5B左侧的阵列或多边形的形状与图5B右侧的环状多边形的形状相似或者与谐振器的有效区域的形状相似。
虽然没有示出，类似于后续的图7B所示的，可以在图5A和5B所示的实施例中也设置多边环形。
图6A和6B示出了根据本发明的另一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图。
如图6A所示，叠层结构的一侧的阵列具有极坐标分布，利用一个圆形边界C1将所述阵列划分为两部分，并将位于所述圆形外侧的阵列转移至叠层结构的另一侧，最终形成图6B中所示的叠层结构的两侧的阵列的配合关系。
图7A和7B示出了根据本发明的再一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图。
如图7A和7B所示，可以在图6A-6B的实施例中，设置多个圆形边界，从而如图7A所示，按极坐标分布于叠层结构的一侧的阵列被2个圆形边界C1 C2划分为3部分，并将其中相互间隔的两个圆形部分内的环状阵列转移至叠层结构的另一侧从而形成图7B中的配合关系。
划分边界的形状也不仅限于如圆形、多边形、环形等封闭几何形状，也可以是其他几何形状，如直线或由多条直线组合形成的几何形状。图8A和8B示出了根据本发明的还一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图。
在图8A中，按笛卡尔坐标分布的阵列被若干直线交替划分为若干竖直带状区域(显然，也可以划分为水平带状区域)，将这些区域交替标为P1、Q1…,于是便可将其中所有Q1(或P1)区域中的阵列转移至另外一侧，从而形成图8B中的配合关系。
图9A和9B示出了根据本发明的又一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图。在图9A中，按笛卡尔坐标分布的阵列被若干直线交替划分为若干倾斜带状区域，将这些区域交替标为P2、Q2…,于是便可将其中所有Q2(或P2)区域中的阵列转移至另外一侧，从而形成图9B中的阵列位置配合关系。
图10A和10B示出了根据本发明的又一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图。用于划分区域的直线不必相互平行，例如在图10A中，按极坐标排布于叠层结构的一侧的阵列被由一组由某个中心发出的射线交替划分为P3，Q3……区域,若将其中所有划入P3或Q3区域中的点阵单元转移至叠层结构的另一侧，则可以得到图10B所示的阵列位置配合关系。
图11A和11B示出了根据本发明的又一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图。图11A所示的实施例中，矩形边界P4将按照笛卡尔坐标分布的阵列划分为多个元胞，其中某一个元胞和与其相邻的元胞共享3个质量负载。在每个元胞中，矩形边界Q4的中心阵列单元隔离。若将所有P4或Q4区域中的阵列单元转移至叠层结构的另一侧，则可以得到图11B中的阵列位置配合关系。
图12A和12B示出了根据本发明的又一个示例性实施例的谐振器的叠层结构的上下两侧设置的质量负载阵列以及复合后的示意性俯视图。在图12A中，相互正交的若干直线将点阵作棋盘式划分，每个网格中包含4个质量负载，且其中网格区域P5和Q5按照图示形式交错分布(例如P5的“上下左右”存在Q5，左上，左下，右上和右下存在P5)，若将所有P5或Q5区域中的阵列单元转移至叠层结构的另一侧，则可以得到图12B中的阵列位置配合关系。
需要指出的是，在本发明中，各个数值范围，除了明确指出不包含端点值之外，除了可以为端点值，还可以为各个数值范围的中值，这些均在本发明的保护范围之内。
在本发明中，上和下是相对于谐振器的基底的底面而言的，对于一个部件，其靠近该底面的一侧为下侧，远离该底面的一侧为上侧。
在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域(压电层、顶电极、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成有效区域)的中心(即有效区域中心)在横向方向或者径向方向上而言的，一个部件的靠近有效区域中心的一侧或一端为内侧或内端，而该部件的远离有效区域中心的一侧或一端为外侧或外端。对于一个参照位置而言，位于该位置的内侧表示在横向方向或径向方向上处于该位置与有效区域中心之间，位于该位置的外侧表示在横向方向或径向方向上比该位置更远离有效区域中心。
如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器或电子设备。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述压电层的上侧与所述压电层的下侧分别设置有第一质量负载阵列和第二质量负载阵列。
2、根据1所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以笛卡尔坐标排布。
3、根据2所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列的布置关系为一个阵列的至少一部分为另一个阵列的对应部分经至少一次平移后的阵列。
4、根据1所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以极坐标排布。
5、根据4所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列的布置关系为一个阵列的至少一部分为另一个阵列的对应部分经角度旋转后的阵列。
6、根据1所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列的布置关系为互补阵列，在谐振器的俯视图中，第一质量负载阵列与第二负载阵列共同形成新阵列，第一质量负载阵列与第二质量负载阵列各自组成所述新阵列的不同组成部分。
7、根据6所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列中的一个阵列具有至少一个待填充单元，另一个阵列具有至少一个填充单元。
8、根据7所述的谐振器，其中：
所述待填充单元的形状为多边形、圆形、圆环形、多边环形、直线条形或折线条形中的一种或多种，所述至少一个填充单元的形状与所述至少一个待填充单元的形状对应。
9、根据8所述的谐振器，其中：
所述待填充单元的形状为多边形或多边环形；
所述待填充单元的所述多边形或多边环形的外部轮廓与谐振器的有效区域的形状相似。
10、根据8所述的谐振器，其中：
所述待填充单元包括形状为直线条形的多个待填充单元。
11、根据10所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以笛卡尔坐标排布，所述多个待填充单元彼此平行间隔开；或者
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以极坐标排布，所述多个待填充单元在周向方向上的端部彼此间隔开。
12、根据6所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列和第二质量负载阵列中的一个阵列包括多个质量负载待填充点，所述第一质量负载阵列和第二质量负载阵列中的另一个阵列包括与所述多个质量负载待填充点位置对应的多个质量负载。
13、根据12所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以笛卡尔坐标排布；
第一质量负载阵列与第二负载阵列中的所述一个阵列具有多个待填充单元，每个待填充单元包含至少一个质量负载待填充点，且所述多个待填充单元构成第一多边形单元阵列。
14、根据13所述的谐振器，其中：
每个待填充单元包含一个质量负载待填充点。
15、根据13所述的谐振器，其中：
每个待填充单元包含多个质量负载待填充点；
所述第一质量负载阵列和第二质量负载阵列中的另一个阵列包括多个填充单元，每个填充单元包括多个质量负载，且所述多个填充单元构成第二单元阵列；
所述新阵列为由第一多边形单元阵列和第二多边形单元阵列互补而形成的单元阵列。
16、根据1所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列中的质量负载的几何尺寸不同于第二质量负载阵列中的质量负载的几何尺寸。
17、根据1-16中任一项所述的谐振器，其中：
压电层与基底之间设置有声学阻抗结构；
所述声学阻抗结构包括在横向方向上彼此相邻设置的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，所述声学镜在谐振器的横向方向上位于所述第一声学阻抗层之间。
18、根据17所述的谐振器，其中：
第一声学阻抗层与第二声学阻抗层与压电层接触的部分的宽度分别为mλ1/4和nλ2/4，其中m和n均为奇数，λ1和λ2分别为第一声学阻抗层和第二声学阻抗层在谐振频率处沿横向传播的声波波长。
19、根据17所述的谐振器，其中：
形成第一声学阻抗层和第二声学阻抗层中的一层的材料选自氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅，形成第一声学阻抗层和第二声学阻抗层中的另一层的材料自二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅，形成第一声学阻抗层的材料不同于形成第二声学阻抗层的材料。
20、根据17所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔；
所述声学镜空腔在谐振器的横向方向上的边界由所述第一声学阻抗层限定。
21、根据1所述的谐振器，其中：
所述压电层为单晶压电层。
22、一种滤波器，包括根据1-21中任一项所述的体声波谐振器。
23、一种电子设备，包括根据22所述的滤波器，或者根据1-21中任一项所述的体声波谐振器。
这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
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 (23)

1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述压电层的上侧与所述压电层的下侧分别设置有第一质量负载阵列和第二质量负载阵列；
第一质量负载阵列包括位于压电层上侧的多个质量负载，第二质量负载阵列包括位于压电层下侧的多个质量负载。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以笛卡尔坐标排布。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列的布置关系为一个阵列的至少一部分为另一个阵列的对应部分经至少一次平移后的阵列。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以极坐标排布。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列的布置关系为一个阵列的至少一部分为另一个阵列的对应部分经角度旋转后的阵列。
6.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列的布置关系为互补阵列，在谐振器的俯视图中，第一质量负载阵列与第二负载阵列共同形成新阵列，第一质量负载阵列与第二质量负载阵列各自组成所述新阵列的不同组成部分。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列中的一个阵列具有至少一个待填充单元，另一个阵列具有至少一个填充单元。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述待填充单元的形状为多边形、圆形、圆环形、多边环形、直线条形或折线条形中的一种或多种，所述至少一个填充单元的形状与所述至少一个待填充单元的形状对应。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
所述待填充单元的形状为多边形或多边环形；
所述待填充单元的所述多边形或多边环形的外部轮廓与谐振器的有效区域的形状相似。
10.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
所述待填充单元包括形状为直线条形的多个待填充单元。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以笛卡尔坐标排布，所述多个待填充单元彼此平行间隔开；或者
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以极坐标排布，所述多个待填充单元在周向方向上的端部彼此间隔开。
12.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列和第二质量负载阵列中的一个阵列包括多个质量负载待填充点，所述第一质量负载阵列和第二质量负载阵列中的另一个阵列包括与所述多个质量负载待填充点位置对应的多个质量负载。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列与第二负载阵列均以笛卡尔坐标排布；
第一质量负载阵列与第二负载阵列中的所述一个阵列具有多个待填充单元，每个待填充单元包含至少一个质量负载待填充点，且所述多个待填充单元构成第一多边形单元阵列。
14.根据权利要求13所述的谐振器，其中：
每个待填充单元包含一个质量负载待填充点。
15.根据权利要求13所述的谐振器，其中：
每个待填充单元包含多个质量负载待填充点；
所述第一质量负载阵列和第二质量负载阵列中的另一个阵列包括多个填充单元，每个填充单元包括多个质量负载，且所述多个填充单元构成第二单元阵列；
所述新阵列为由第一多边形单元阵列和第二多边形单元阵列互补而形成的单元阵列。
16.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
第一质量负载阵列中的质量负载的几何尺寸不同于第二质量负载阵列中的质量负载的几何尺寸。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的谐振器，其中：
压电层与基底之间设置有声学阻抗结构；
所述声学阻抗结构包括在横向方向上彼此相邻设置的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，所述声学镜在谐振器的横向方向上位于所述第一声学阻抗层之间。
18.根据权利要求17所述的谐振器，其中：
第一声学阻抗层与第二声学阻抗层与压电层接触的部分的宽度分别为mλ1/4和nλ2/4，其中m和n均为奇数，λ1和λ2分别为第一声学阻抗层和第二声学阻抗层在谐振频率处沿横向传播的声波波长。
19.根据权利要求17所述的谐振器，其中：
形成第一声学阻抗层和第二声学阻抗层中的一层的材料选自氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅，形成第一声学阻抗层和第二声学阻抗层中的另一层的材料自二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅，形成第一声学阻抗层的材料不同于形成第二声学阻抗层的材料。
20.根据权利要求17所述的谐振器，其中：
所述声学镜为声学镜空腔；
所述声学镜空腔在谐振器的横向方向上的边界由所述第一声学阻抗层限定。
21.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述压电层为单晶压电层。
22.一种滤波器，包括根据权利要求1-21中任一项所述的体声波谐振器。
23.一种电子设备，包括根据权利要求22所述的滤波器，或者根据权利要求1-21中任一项所述的体声波谐振器。
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Denomination of invention: Bulk acoustic wave resonator, filter and electronic equipment with mass load on both sides of piezoelectric layer

Effective date of registration: 20210908

Granted publication date: 20210601

Pledgee: Tianjin TEDA Haihe intelligent manufacturing industry development fund partnership (L.P.)

Pledgor: ROFS MICROSYSTEM(TIANJIN) Co.,Ltd.

Registration number: Y2021980009022

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Effective date of registration: 20240130

Granted publication date: 20210601

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