CN112491379A - 一种具有声子晶体反射器的声表面波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频微机电系统技术领域，具体提供一种具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，用以著提高谐振器的品质因数。本发明包括：基底1，设置于基底上的压电层2，设置于压电层2上的输入电极3、输出电极4、地电极6，以及声子晶体反射器5；输入电极3与输出电极4共同构成叉指换能器，声子晶体反射器5由对称设置于叉指换能器两侧的两个声子晶体阵列构成，地电极6围绕叉指换能器及声子晶体反射器的设置。本发明采用声子晶体反射器以取代传统的电极反射器，能够有效提升谐振器品质因数；同时，与传统的电极反射器设计相比，声子晶体反射器具有较宽的声学带隙，能够抑制整个带隙频率范围内的声波传播，从而对声能损耗的抑制更有效。
Description
技术领域
本发明属于射频微机电系统技术领域，具体提供一种具有声子晶体反射器的声表面波谐振器及其制备方法。
背景技术
滤波器是现代无线通信系统中的一个基本元件，为系统提供频率选择的功能。目前，大多数便携式无线通信系统(如智能手机)中使用的都是基于声学谐振器的滤波器，因为与传统的电学谐振器(如LC谐振电路、微波谐振器)相比，由于声波的传播速度远小于电磁波的波速，例如声波在空气中的速度是340m/s，而电磁波在空气中的波速近似3×108m/s，而电路的尺寸是与信号的波长成正比的，因此对于相同频率的射频信号，声学器件的体积就可以远小于传统的电学器件。
声表面波(SAW,Surface Acoustic Wave)谐振器是目前在3GHz频段下应用最广泛的，其主要优点有：加工工艺相对简单且成熟、成本较低、机电耦合系数较强，可以在单片上实现多种频率(multi-frequency)等；但是与其它类型的声学谐振器相比，其存在品质因数(Q)较低的问题，通常只有1000左右。对于滤波器而言，高品质因数可以使其通带边沿更为陡峭，有利于提升其频率选择性；因此，随着无线通信频段的划分日益密集，提高声表面波谐振器的品质因数对于其应用有着重要意义。
品质因数定义为谐振器中存储的能量与每个周期损耗的能量之比，减小谐振器的能量损耗是提升品质因数的重要途径。谐振器的能量损耗主要是因为谐振器在进行机械振动时，会有很多的声波向外传播，这些传播出去的声波无法通过叉指换能电极(IDT,InterDigital Transducer)实现机电转换，从而造成能量损耗。目前，声表面谐振器通常是将由金属电极构成的反射器放置在叉指换能电极的两侧来反射传播出的声波，从而减小能量损耗；但是，这种方法只能反射特定频率的声波，抑制能量损耗的能力有限，无法显著提高谐振器的品质因数。
声子晶体是一种新颖的，人工制造的周期性结构材料，可以通过几何设计产生特定的带隙，带隙频率范围内的振动会被抑制，从而可以用来阻止机械波的传播；基于此，设计一种具有较宽带隙，并包含声表面被谐振器工作频率的声子晶体，可以有效抑制声波的耗散，从而显著提升谐振器的品质因数。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，能够有效降低声表面波谐振器的能量损耗，提高器件的品质因数，进而解决现有技术存在的品质因数较低的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，包括：基底1，设置于基底上的压电层2，设置于压电层2上的输入电极3、输出电极4、地电极6，以及声子晶体反射器5；其特征在于，所述输入电极3与输出电极4共同构成叉指换能器，且设置于压电层2上表面的中心处；所述声子晶体反射器5由两个声子晶体阵列构成，且两个声子晶体阵列对称设置于叉指换能器两侧；所述地电极6围绕叉指换能器及声子晶体反射器的设置。
进一步的，所述声子晶体阵列由若干个呈矩阵排布的声子晶体单元构成，所述声子晶体单元由开设于压电层2上的十字型凹槽构成。
更进一步的，所述声子晶体阵列的大小为3×5，单元间隔为0.8～1.2μm；声子晶体单元的长为0.72～1.08μm、宽为0.2～0.3μm、深度为0.32～0.48μm。
进一步地，所述基底的材质为高阻硅，其厚度为320～480μm。所述压电层的材质为压电薄膜，具体材料为铌酸锂或氮化铝，其厚度为0.32～0.48μm。所述输入电极、输出电极及地电极的材质均为金属钼，其厚度为0.08±0.12μm。
本发明的有益效果为：
本发明提供的具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，通过在压电层中刻蚀呈阵列排布的十字形凹槽形状的声子晶体单元，形成声子晶体阵列，进而形成声子晶体反射器以取代传统的电极反射器，能够反射叉指电极处泄露的声波，减小声能损耗，提升谐振器品质因数；同时，与传统的电极反射器设计相比，声子晶体反射器具有较宽的声学带隙，能够抑制整个带隙频率范围内的声波传播，从而对声能损耗的抑制更有效。
附图说明
图1为本发明具有声子晶体反射器的声表面波谐振器的三维结构图；
图2为本发明具有声子晶体反射器的声表面波谐振器的俯视图；
图3为本发明具有声子晶体反射器的声表面波谐振器的截面图；
图4为本发明声子晶体单元的三维结构图；
图5为本发明声子晶体单元的俯视图和布里渊区；
图6为本发明声子晶体单元产生的带隙；
图7为本发明具有声子晶体反射器的声表面波谐振器制备方法流程图；
其中，1为基底，2为压电层，3为输入电极，4为输出电极，5为声子晶体反射器，6为地电极。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本实施例提供一种具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，其工作频率为1169MHz到2351MHz，具体结构如图1所示，包括：基底1，设置于基底上的压电层2，设置于压电层2上表面的输入电极3、输出电极4、地电极6，以及声子晶体反射器5；
如图2所示，所述输入电极3与输出电极4设置于压电层2上表面的中心处，通过交叉排列构成叉指换能器，用于实现压电层2机电转换过程中的电信号输入和输出；输入电极3能够基于逆压电效应将电能量转换成声波形成谐振，输出电极4能够基于正压电效应将产生的声波信号转换成电信号进行输出；
如图3所示，所述声子晶体反射器5由两个声子晶体阵列构成，每个阵列由3×5个十字型凹槽形状的声子晶体单元构成，通过设置在输入电极3和输出电极4构成的叉指换能器的两侧，用以反射从叉指电极处耗散出来的声能；
所述地电极6围绕压电层2的边缘放置，包围所述输入电极3、输出电极4及声子晶体反射器5。
本实施例中，硅基底1的材质为具有良好稳定性的高阻硅，其厚度为400μm；压电层2的材质为铌酸锂，其厚度为0.4μm；输入电极3、输出电极4及地电极6的材质均为金属钼，其厚度为0.1μm；声子晶体反射器由两个声子晶体阵列构成，每个阵列包含3×5个十字型凹槽形状的声子晶体单元，每个声子晶体单元的长为0.9μm、宽为0.25μm、深度为0.4μm，单元间隔为1μm。
上述具有声子晶体反射器的声表面波谐振器的制备方法，如图7所示，包括如下步骤：
S1：硅衬底表面处理；
S2：在衬底上沉积生长铌酸锂压电薄膜；
S3：在铌酸锂压电薄膜表层沉积生长金属电极；具体通过刻蚀形成输入电极，输出电极和地电极的图案；
S4：沉积二氧化硅硬掩模，用于保护位于顶端的输入电极、输出电极和地电极；
S5：在铌酸锂表面刻蚀声子晶体结构；
S6：去除二氧化硅硬掩模，得到具有声子晶体反射器的声表面波谐振器。
本发明工作原理在于：
声表面波谐振器主要利用的是沿着固体表面传播的声波，通过压电材料来实现电能到机械能再到电能的转换，而通过把电极交叉排列形成的叉指换能器来实现能量的输入与输出；通过输入电极，从外部施加电场，根据逆压电效应，压电材料会发生形变，产生沿固体表面传播的声表面波；声波的频率可以通过调整叉指电极之间的间距来改变，谐振频率可被定义为：
其中：f为谐振频率，v为声表面波传播的速度，λ为叉指电极之间的间距；
根据本领域公知常识，谐振器的品质因数(Q)可由下式定义：
其中：Q为品质因数，Estored表示谐振器储存的能量，Edissipated表示每个机电转换周期中损失的能量；
因此可以看出：减小能量损耗能够有效提高器件的品质因素。
同时，声子晶体是通过将两种声阻抗相差较大的材料周期性排列在一起，产生特定频率范围的声学带隙，带隙频率范围内的声波传播会被抑制，而带隙的频率范围和所处的位置都能够通过改变声子晶体单元的几何尺寸进行控制；声波在声子晶体内部的色散关系由以下关系式给出：
ω＝v·k
其中，ω是角频率，c是介质中的波速，k代表波矢量；
由于空气与铌酸锂两种材料的声阻抗相差较大，因此，本发明通过在铌酸锂表面刻蚀如图4所示的十字型凹槽，就可形成声子晶体结构；其尺寸为1×1μm、深度为0.4μm；波矢k通过扫掠如图5所示的不可约布里渊区，能够得到声子晶体的带隙范围，如图6所示，带隙范围从1169MHz到1844.06MHz和从1844.08MHz到2351MHz，包含于该声表面谐振器从1169MHz到2351MHz的工作频率范围。
需要说明的是，如果改变声表面谐振器的工作频率，则需要调节声子晶体反射器5的声子晶体阵列的大小、声子晶体单元的尺寸(长、宽、单元间距)等参数，使声子晶体禁带覆盖谐振频率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (6)
1.一种具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，包括：基底(1)，设置于基底上的压电层(2)，设置于压电层上的输入电极(3)、输出电极(4)、地电极(6)，以及声子晶体反射器(5)；其特征在于，所述输入电极(3)与输出电极(4)共同构成叉指换能器，且设置于压电层(2)上表面的中心处；所述声子晶体反射器(5)由两个声子晶体阵列构成，且两个声子晶体阵列对称设置于叉指换能器两侧；所述地电极(6)围绕叉指换能器及声子晶体反射器的设置。
2.按权利要求1所述具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，其特征在于，所述声子晶体阵列由若干个呈矩阵排布的声子晶体单元构成，所述声子晶体单元由开设于压电层(2)中的十字型凹槽构成。
3.按权利要求2所述具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，其特征在于，所述声子晶体阵列的单元间隔为0.8～1.2μm；声子晶体单元的长为0.72～1.08μm、宽为0.2～0.3μm、深度为0.32～0.48μm。
4.按权利要求1所述具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，其特征在于，所述基底的材质为高阻硅，其厚度为320～480μm。
5.按权利要求1所述具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，其特征在于，所述压电层的材质为压电薄膜，具体材料为铌酸锂或氮化铝，其厚度为0.32～0.48μm。
6.按权利要求1所述具有声子晶体反射器的声表面波谐振器，其特征在于，所述输入电极、输出电极及地电极的材质均为金属钼，其厚度为0.08～0.12μm。
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