CN112615601A - 一种具有poi结构的高fom值兰姆波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有POI结构的高FOM值兰姆波谐振器。兰姆波谐振器可包括：高声速材料衬底；以及位于所述高声速材料衬底上方的压电层，所述压电层的上表面和下表面上分别设置有第一和第二叉指换能器，其中所述第一和第二叉指换能器的叉指电极隔着所述压电层在层叠方向上彼此相对，且具有相同的电极宽度、电极厚度、电极间距、占空比η以及激发声波波长λ，其中占空比η＝电极宽度÷(电极宽度+电极间距)，所述压电层的材料为切角为θ的YX‑LiNbO3，并且其中所述切角θ和所述占空比η的取值分别为：30°≤θ≤60°，并且η＝0.2－0.6或0.8－0.9，以获得200以上的性能系数FOM值。
Description
技术领域
本发明涉及手机射频领域，更具体地，涉及一种具有POI结构的高FOM值兰姆波谐振器。
背景技术
5G手机滤波器的发展要求更低损耗、更高频率和更大带宽，这对现有的声表面波(SAW)和体声波(BAW)技术提出了严峻的挑战，这些技术通常受到较杂散效应的限制。为了满足这一需求，最近提出的兰姆(Lamb)波结构，该结构主要采用板波模式，具有较高声速，在sub-6GHz及毫米波的移动通信中表现出应用优势。在兰姆波谐振器中，主模式为兰姆波，瑞利波等模式是杂散模式。
机电耦合系数K2是谐振器的一个关键参数，机电耦合系数可以反映机械能与电能间的转换效率，谐振器的机电耦合系数决定了谐振器串、并联谐振频率的差值，当谐振器运用于滤波器设计中时，这一差值直接决定了滤波器的带宽。品质因数Q代表了器件的能量利用率，即在一个振动周期内，器件接收到的总能量与耗散掉的能量的比值。在滤波器的设计中，构成滤波器的谐振器的K2与Q值均为重要的参数，我们将它们的乘积定义为性能系数(Figure of Merit,FOM)，由高FOM谐振器组成的滤波器在通带具有更低的插入损耗，在极点有更深的阻带，同时还拥有陡峭的滚降和带宽大等优势。目前常见谐振器中，一般normalsaw和tc-saw的FOM值小于100，IHP saw和Fbar的FOM值均小于200，FOM值大于200的谐振器是非常少见的。
在sub-6GHz及毫米波的移动通信中，FOM值是衡量滤波器综合性能的关键指标之一，5G技术需要高性能滤波器，高性能意味着高FOM值(≥200)和高功率耐受性(≥35dBm)，FOM＝Q*K2，FOM值为品质因数和机电耦合系数之积，二者正反比关系，Q值增加，K2会减小，高Q值特性使滤波器具有低插损、高的带外抑制、陡峭的通带边缘滚降、以及高的隔离度，高K2使滤波器具有大带宽。在滤波器设计中，既需要高Q值，也需要高K2，故如何提高滤波器的FOM值是实现高性能滤波器的关键难题之一。
发明内容
提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步的描述一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
为了解决上文问题，本发明旨在提供一种改进的具有POI结构的高FOM值兰姆波谐振器结构，其具有高FOM值、高机电耦合系数和杂散小的优势。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有POI结构的高FOM值兰姆波谐振器，所述兰姆波谐振器包括：
高声速材料衬底；以及
位于所述高声速材料衬底上方的压电层，所述压电层的上表面和下表面上分别设置有第一和第二叉指换能器，其中所述第一和第二叉指换能器的叉指电极隔着所述压电层在层叠方向上彼此相对，且具有相同的电极宽度、电极厚度、电极间距、占空比η以及激发声波波长λ，其中
占空比η＝电极宽度÷(电极宽度+电极间距)，
所述压电层的材料为切角为θ的YX-LiNbO3，并且
其中所述切角θ和所述占空比η的取值分别为：30°≤θ≤60°，并且η＝0.2－0.6或0.8－0.9，以获得200以上的性能系数FOM值。
根据本发明的进一步实施例，所述切角θ和所述占空比η的取值分别为以下组合中的一种：
θ＝30°，η＝0.2或0.3；
θ＝35°，η＝0.3、0.4或0.6；
θ＝40°，η＝0.2或0.3；
θ＝45°，η＝0.2、0.3、0.4或0.6；
θ＝50°，η＝0.3、0.4或0.5；
θ＝55°，η＝0.3、0.5或0.8；以及
θ＝60°，η＝0.2、0.4或0.9。
根据本发明的进一步实施例，所述切角θ和所述占空比η的取值分别为：
30°≤θ≤55°，η＝0.3。
根据本发明的进一步实施例，所述高声速材料为4H-SiC或6H-SiC。
根据本发明的进一步实施例，所述兰姆波谐振器进一步包括：设置在所述高声速材料衬底和所述压电层之间的低声速材料介质层。
根据本发明的进一步实施例，所述低声速材料为SiO2，厚度为0.075λ－0.1λ。
根据本发明的进一步实施例，在所述压电层的与所述高声速材料衬底相对的另一侧表面上镀有一层介质层材料。
根据本发明的进一步实施例，所述介质层材料为SiO2或SiN，厚度为0.05λ－0.1λ。
根据本发明的进一步实施例，所述波长λ为2μm。
根据本发明的进一步实施例，所述高声速材料衬底的厚度为5λ，所述电极宽度为0.25λ，所述电极间距为0.25λ，并且所述电极厚度为200nm。。
与现有技术中的方案相比，本发明所提供的兰姆波谐振器至少具有以下优点：
1、通过控制电极占空比和压电层切角，兰姆波谐振器可具有200以上的高FOM值，且同时具有较高的机电耦合系数和高Q值，且主模式无杂散或杂散很小；
2、通过在压电层和高声速衬底之间插入一层低声速材料介质层(例如SiO2)，可以降低频率温度系数(TCF)；同时，该低声速材料介质层与高声速衬底形成反射层，防止声波从衬底方向泄露，因而使兰姆波谐振器具有高Q值。
通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。
附图说明
为了能详细地理解本发明的上述特征所用的方式，可以参照各实施例来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中示出。然而应该注意，附图仅示出了本发明的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为该描述可以允许有其它等同有效的方面。
图1是声表面波叉指换能器的结构示意图。
图2是示出根据本发明的一个实施例的兰姆波谐振器100的结构的横切剖面图。
图3是兰姆波谐振器的局部放大示意图，其中示出了电极占空比。
图4(a)-(i)示出了压电层切角为30°、占空比分别为0.1-0.9情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图5(a)-(i)示出了压电层切角为35°、占空比分别为0.1-0.9情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图6(a)-(i)示出了压电层切角为40°、占空比分别为0.1-0.9情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图7(a)-(i)示出了压电层切角为45°、占空比分别为0.1-0.9情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图8(a)-(i)示出了压电层切角为50°、占空比分别为0.1-0.9情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图9(a)-(i)示出了压电层切角为55°、占空比分别为0.1-0.9情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图10(a)-(i)示出了压电层切角为60°、占空比分别为0.1-0.9情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图11是示出根据本发明的另一实施例的兰姆波谐振器200的结构的横切剖面图。
图12是示出根据本发明的又一实施例的兰姆波谐振器300的结构的横切剖面图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明，本发明的特点将在以下的具体描述中得到进一步的显现。
图1是声表面波叉指换能器(IDT)的结构示意图。如图1中所示，在压电基片的表面上，沉积一层金属薄膜，再利用半导体平面工艺中的光刻方法得到一组梳形的交叉的金属电极。这些形如人指的金属电极相互交叉配置，两端有汇流条连接在一起分别形成器件的两级，从而得到叉指换能器。在图1的示例中，共示出标号1－6的6个金属电极，表明这个叉指换能器的叉指电极数是6，其中奇数标号(1、3、5)的电极(又称指条)相连在一起，构成叉指换能器的正输入(或输出)端点(图中+V)，偶数标号(2、4、6)的电极的指条连在一起，构成叉指换能器的正输入(或输出)端点(图中－V)。
声表面波叉指换能器的几个主要参数是：指对数N(例如，图1中的指对数N＝3)，金属指条的宽度d，半周期长度L，相邻指条的间隙宽度b(b＝L－d)。
图2是示出根据本发明的一个实施例的兰姆波谐振器100的结构的将兰姆波谐振器沿例如图1中所示的中线A-A横切后的剖面示意图。如图2中所示，兰姆波谐振器100可包括衬底101，该衬底101可使用高声速材料，例如4H-SiC或6H-SiC，并构成POI结构。
在衬底101的上方是压电层102，在压电层102的上表面和下表面上分别设置有第一和第二叉指换能器(IDT)，其中第一和第二叉指换能器的叉指电极(也可简称为上电极和下电极)分别隔着压电层102在层叠方向上彼此相对，并且具有相同的电极宽度、电极厚度、电极间距以及激发声波波长λ。作为一个示例，压电层102的材料可以是切角为θ的YX-LiNbO3，切角θ可以在例如30°-60°。第一和第二叉指换能器的叉指电极可由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。本领域技术人员可以理解，虽然在图2中上电极和下电极都只示出了两个电极指，但这仅仅是方便解说，实际上一个兰姆波谐振器的叉指电极通常具有两个以上的电极指(如图1所示)，这些电极指均具有相同的电极宽度、电极厚度、电极间距以及激发声波波长λ。
图3是兰姆波谐振器的局部放大示意图，其中示出了电极占空比。如图3中所示，沿用图1中的标识，假设叉指电极的每一个指电极具有电极宽度d，相邻的指电极之间的距离称为电极间距b，则电极占空比η可计算如下：
占空比η＝电极宽度d÷(电极宽度d+电极间距b)
如图1中所示的，电极宽度d与电极间距b的和就是叉指换能器的半周期长度L。在一个示例中，电极宽度与电极间距的和可以为0.5λ，其中λ为电极的激发声波波长。相应地，电极宽度则可以表示为0.5λ*η，而电极间距则为0.5λ*(1-η)。此外，作为参考，在本示例中，λ可以为2μm，上下电极的电极厚度均为200nm，压电层102的厚度为0.6λ，衬底101的厚度为5λ。
在过往的针对机电耦合系数和杂散效应的改善方面的尝试中，从未考虑和探索过电极占空比对机电耦合系数和杂散效应的影响，更未考虑和探索过电极占空比和压电层切角的组合对机电耦合系数和杂散效应的影响。图4－10分别示出了不同占空比下兰姆波谐振器的导纳图，在这些图中，占空比为η，fs为谐振频率，fp为反谐振频率，中心频率f0可按以下公式(1)计算：
f0＝(fs+fp)/2 (1)
机电耦合系数k2，可按以下公式(2)计算：
k2＝(π2/8)(fp2-fs 2)/fs 2 (2)
图4(a)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.1情况下的导纳图。如图4(a)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.1的情况下，谐振频率fs为约2163MHz，反谐振频率fp为约2435MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约32.95％。
图4(b)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.2情况下的导纳图。如图4(b)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.2的情况下，谐振频率fs为约2150MHz，反谐振频率fp为约2475MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约40.08％。
图4(c)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.3情况下的导纳图。如图4(c)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.3的情况下，谐振频率fs为约2145MHz，反谐振频率fp为约2510MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约45.51％。
图4(d)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.4情况下的导纳图。如图4(d)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.4的情况下，谐振频率fs为约2125MHz，反谐振频率fp为约2513MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约49.11％。
图4(e)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.5情况下的导纳图。如图4(e)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.5的情况下，谐振频率fs为约2153MHz，反谐振频率fp为约2514MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约44.79％。
图4(f)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.6情况下的导纳图。如图4(f)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.6的情况下，谐振频率fs为约2134MHz，反谐振频率fp为约2417MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约34.86％。
图4(g)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.7情况下的导纳图。如图4(g)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.7的情况下，谐振频率fs为约2078MHz，反谐振频率fp为约2211MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约16.28％。
图4(h)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.8情况下的导纳图。如图4(h)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.8的情况下，谐振频率fs为约2071MHz，反谐振频率fp为约2330MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约32.75％。
图4(i)示出了压电层切角为30°、上下电极占空比η为0.9情况下的导纳图。如图4(i)中所示，在压电层切角为30°、占空比η为0.9的情况下，谐振频率fs为约2113MHz，反谐振频率fp为约2383MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约33.51％。
图5(a)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.1情况下的导纳图。如图5(a)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.1的情况下，谐振频率fs为约2158MHz，反谐振频率fp为约2481MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约39.65％。
图5(b)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.2情况下的导纳图。如图5(b)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.2的情况下，谐振频率fs为约2158MHz，反谐振频率fp为约2481MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约39.65％。
图5(c)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.3情况下的导纳图。如图5(c)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.3的情况下，谐振频率fs为约2152MHz，反谐振频率fp为约2516MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约45.21％。
图5(d)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.4情况下的导纳图。如图5(d)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.4的情况下，谐振频率fs为约2132MHz，反谐振频率fp为约2520MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约48.94％。
图5(e)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.5情况下的导纳图。如图5(e)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.5的情况下，谐振频率fs为约2160MHz，反谐振频率fp为约2522MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约44.77％。
图5(f)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.6情况下的导纳图。如图5(f)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.6的情况下，谐振频率fs为约2140MHz，反谐振频率fp为约2424MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约34.88％。
图5(g)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.7情况下的导纳图。如图5(g)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.7的情况下，谐振频率fs为约2040MHz，反谐振频率fp为约2220MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约22.71％。
图5(h)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.8情况下的导纳图。如图5(h)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.8的情况下，谐振频率fs为约2078MHz，反谐振频率fp为约2338MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约32.77％。
图5(i)示出了压电层切角为35°、上下电极占空比η为0.9情况下的导纳图。如图5(i)中所示，在压电层切角为35°、占空比η为0.9的情况下，谐振频率fs为约2120MHz，反谐振频率fp为约2391MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约33.52％。
图6(a)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.1情况下的导纳图。如图6(a)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.1的情况下，谐振频率fs为约2179MHz，反谐振频率fp为约2443MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约31.67％。
图6(b)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.2情况下的导纳图。如图6(b)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.2的情况下，谐振频率fs为约2166MHz，反谐振频率fp为约2484MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约38.84％。
图6(c)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.3情况下的导纳图。如图6(c)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.3的情况下，谐振频率fs为约2160MHz，反谐振频率fp为约2520MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约44.51％。
图6(d)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.4情况下的导纳图。如图6(d)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.4的情况下，谐振频率fs为约2140MHz，反谐振频率fp为约2524MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约48.20％。
图6(e)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.5情况下的导纳图。如图6(e)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.5的情况下，谐振频率fs为约2170MHz，反谐振频率fp为约2526MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约43.76％。
图6(f)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.6情况下的导纳图。如图6(f)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.6的情况下，谐振频率fs为约2148MHz，反谐振频率fp为约2428MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约34.23％。
图6(g)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.7情况下的导纳图。如图6(g)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.7的情况下，谐振频率fs为约2094MHz，反谐振频率fp为约2227MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约16.15％。
图6(h)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.8情况下的导纳图。如图6(h)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.8的情况下，谐振频率fs为约2087MHz，反谐振频率fp为约2344MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约32.22％。
图6(i)示出了压电层切角为40°、上下电极占空比η为0.9情况下的导纳图。如图6(i)中所示，在压电层切角为40°、占空比η为0.9的情况下，谐振频率fs为约2129MHz，反谐振频率fp为约2396MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约32.85％。
图7(a)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.1情况下的导纳图。如图7(a)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.1的情况下，谐振频率fs为约2183MHz，反谐振频率fp为约2441MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约30.85％。
图7(b)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.2情况下的导纳图。如图7(b)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.2的情况下，谐振频率fs为约2175MHz，反谐振频率fp为约2485MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约37.64％。
图7(c)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.3情况下的导纳图。如图7(c)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.3的情况下，谐振频率fs为约2169MHz，反谐振频率fp为约2519MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约42.98％。
图7(d)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.4情况下的导纳图。如图7(d)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.4的情况下，谐振频率fs为约2150MHz，反谐振频率fp为约2523MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约46.47％。
图7(e)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.5情况下的导纳图。如图7(e)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.5的情况下，谐振频率fs为约2180MHz，反谐振频率fp为约2526MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约42.23％。
图7(f)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.6情况下的导纳图。如图7(f)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.6的情况下，谐振频率fs为约2157MHz，反谐振频率fp为约2430MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约33.17％。
图7(g)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.7情况下的导纳图。如图7(g)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.7的情况下，谐振频率fs为约2104MHz，反谐振频率fp为约2234MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约15.70％。
图7(h)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.8情况下的导纳图。如图7(h)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.8的情况下，谐振频率fs为约2098MHz，反谐振频率fp为约2347MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约30.99％。
图7(i)示出了压电层切角为45°、上下电极占空比η为0.9情况下的导纳图。如图7(i)中所示，在压电层切角为45°、占空比η为0.9的情况下，谐振频率fs为约2138MHz，反谐振频率fp为约2399MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约31.93％。
图8(a)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.1情况下的导纳图。如图8(a)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.1的情况下，谐振频率fs为约2191MHz，反谐振频率fp为约2438MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约29.35％。
图8(b)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.2情况下的导纳图。如图8(b)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.2的情况下，谐振频率fs为约2184MHz，反谐振频率fp为约2482MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约35.93％。
图8(c)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.3情况下的导纳图。如图8(c)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.3的情况下，谐振频率fs为约2179MHz，反谐振频率fp为约2515MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约40.94％。
图8(d)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.4情况下的导纳图。如图8(d)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.4的情况下，谐振频率fs为约2161MHz，反谐振频率fp为约2519MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约44.22％。
图8(e)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.5情况下的导纳图。如图8(e)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.5的情况下，谐振频率fs为约2192MHz，反谐振频率fp为约2522MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约39.90％。
图8(f)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.6情况下的导纳图。如图8(f)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.6的情况下，谐振频率fs为约2168MHz，反谐振频率fp为约2429MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约31.46％。
图8(g)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.7情况下的导纳图。如图8(g)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.7的情况下，谐振频率fs为约2115MHz，反谐振频率fp为约2240MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约15.00％。
图8(h)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.8情况下的导纳图。如图8(h)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.8的情况下，谐振频率fs为约2109MHz，反谐振频率fp为约2347MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约29.39％。
图8(i)示出了压电层切角为50°、上下电极占空比η为0.9情况下的导纳图。如图8(i)中所示，在压电层切角为50°、占空比η为0.9的情况下，谐振频率fs为约2149MHz，反谐振频率fp为约2398MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约30.21％。
图9(a)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.1情况下的导纳图。如图9(a)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.1的情况下，谐振频率fs为约2196MHz，反谐振频率fp为约2431MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约27.79％。
图9(b)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.2情况下的导纳图。如图9(b)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.2的情况下，谐振频率fs为约2193MHz，反谐振频率fp为约2476MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约33.86％。
图9(c)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.3情况下的导纳图。如图9(c)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.3的情况下，谐振频率fs为约2189MHz，反谐振频率fp为约2508MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约38.54％。
图9(d)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.4情况下的导纳图。如图9(d)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.4的情况下，谐振频率fs为约2173MHz，反谐振频率fp为约2511MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约41.32％。
图9(e)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.5情况下的导纳图。如图9(e)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.5的情况下，谐振频率fs为约2204MHz，反谐振频率fp为约2515MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约37.24％。
图9(f)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.6情况下的导纳图。如图9(f)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.6的情况下，谐振频率fs为约2179MHz，反谐振频率fp为约2426MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约29.52％。
图9(g)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.7情况下的导纳图。如图9(g)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.7的情况下，谐振频率fs为约2127MHz，反谐振频率fp为约2244MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约13.93％。
图9(h)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.8情况下的导纳图。如图9(h)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.8的情况下，谐振频率fs为约2120MHz，反谐振频率fp为约2343MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约27.29％。
图9(i)示出了压电层切角为55°、上下电极占空比η为0.9情况下的导纳图。如图9(i)中所示，在压电层切角为55°、占空比η为0.9的情况下，谐振频率fs为约2159MHz，反谐振频率fp为约2395MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约28.42％。
图10(a)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.1情况下的导纳图。如图10(a)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.1的情况下，谐振频率fs为约2198MHz，反谐振频率fp为约2419MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约26.03％。
图10(b)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.2情况下的导纳图。如图10(b)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.2的情况下，谐振频率fs为约2201MHz，反谐振频率fp为约2467MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约31.59％。
图10(c)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.3情况下的导纳图。如图10(c)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.3的情况下，谐振频率fs为约2202MHz，反谐振频率fp为约2496MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约35.11％。
图10(d)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.4情况下的导纳图。如图10(d)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.4的情况下，谐振频率fs为约2185MHz，反谐振频率fp为约2499MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约37.97％。
图10(e)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.5情况下的导纳图。如图10(e)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.5的情况下，谐振频率fs为约2216MHz，反谐振频率fp为约2504MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约34.12％。
图10(f)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.6情况下的导纳图。如图10(f)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.6的情况下，谐振频率fs为约2192MHz，反谐振频率fp为约2420MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约26.97％。
图10(g)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.7情况下的导纳图。如图10(g)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.7的情况下，谐振频率fs为约2139MHz，反谐振频率fp为约2247MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约12.76％。
图10(h)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.8情况下的导纳图。如图10(h)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.8的情况下，谐振频率fs为约2131MHz，反谐振频率fp为约2336MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约24.85％。
图10(i)示出了压电层切角为60°、上下电极占空比η为0.9情况下的导纳图。如图10(i)中所示，在压电层切角为60°、占空比η为0.9的情况下，谐振频率fs为约2170MHz，反谐振频率fp为约2388MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约26.00％。
统计了上述各图中所示的不同压电层切角以及不同占空比下机电耦合系数k2以及品质因素Q的表现，以下的表1中给出了其中能够获得大于200的高FOM值的情况。
表1
可以发现，在上述压电层切角θ和电极占空比η的组合下，在获得大于200的高FOM值的同时，也具有26％以上的高机电耦合系数和480以上的高品质因数Q，且主模式无杂散或杂散很小。
此外，如表2所示，当压电层切角θ固定为30°-55°范围内的一特定值时，上下电极占空比η在为0.3时，都可以获得最高的FOM值，且至少在209以上。
| 压电层切角θ | 占空比η | FOM |
| 30° | 0.4 | 246 |
| 35° | 0.4 | 241 |
| 40° | 0.4 | 260 |
| 45° | 0.4 | 209 |
| 50° | 0.4 | 234 |
| 55° | 0.4 | 273 |
表2
在以上的各组合中，根据本发明的一个优选实施例，当压电层切角为35°时，上下电极占空比为0.4时，兰姆波谐振器FOM有最大值334。此时，兰姆波谐振器机电耦合系数k2≥48.9％，品质因数Q≥683，机电耦合系数k2和品质因数Q均很高，主模式无杂散或杂散很小。
图11是示出根据本发明的另一实施例的兰姆波谐振器200的结构的横切剖面图。如图11中所示，兰姆波谐振器200具有与兰姆波谐振器100类似地结构，不同之处在于，在高声速衬底101和压电层102之间插入了一层介质层103。介质层103可由具有低声速的低声阻抗材料构成，例如SiO2。这一介质层103的频率温度系数为正，而压电层102的频率温度系数为负，因此这一介质层103可以降低兰姆波谐振器的频率温度系数(TCF)。此外，介质层103具有低声速，与高声速衬底101形成反射层，从而可以防止声波从衬底101的方向泄露，这一步有助于获得高Q值。作为一个示例，介质层103的厚度可以为0.075-0.1λ。
图12是示出根据本发明的又一实施例的兰姆波谐振器300的结构的横切剖面图。如图12中所示，在图11的基础上，兰姆波谐振器300可进一步在压电层102的上方采用PECVD、CVD等方式再覆盖一层介质层，该介质层的材料可以是SiO2、SiN等。这一介质层可进一步降低兰姆波谐振器的频率温度系数(TCF)，并且还可以同时作为谐振器的保护层。
以上所已经描述的内容包括所要求保护主题的各方面的示例。当然，出于描绘所要求保护主题的目的而描述每一个可以想到的组件或方法的组合是不可能的，但本领域内的普通技术人员应该认识到，所要求保护主题的许多进一步的组合和排列都是可能的。从而，所公开的主题旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有这样的变更、修改和变化。
Claims (10)
1.一种具有POI结构的高FOM值兰姆波谐振器，所述兰姆波谐振器包括：
高声速材料衬底；以及
位于所述高声速材料衬底上方的压电层，所述压电层的上表面和下表面上分别设置有第一和第二叉指换能器，其中所述第一和第二叉指换能器的叉指电极隔着所述压电层在层叠方向上彼此相对，且具有相同的电极宽度、电极厚度、电极间距、占空比η以及激发声波波长λ，其中
占空比η＝电极宽度÷(电极宽度+电极间距)，
所述压电层的材料为切角为θ的YX-LiNbO3，并且
其中所述切角θ和所述占空比η的取值分别为：30°≤θ≤60°，并且η＝0.2－0.6或0.8－0.9，以获得200以上的性能系数FOM值。
2.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述切角θ和所述占空比η的取值分别为以下组合中的一种：
θ＝30°，η＝0.2或0.3；
θ＝35°，η＝0.3、0.4或0.6；
θ＝40°，η＝0.2或0.3；
θ＝45°，η＝0.2、0.3、0.4或0.6；
θ＝50°，η＝0.3、0.4或0.5；
θ＝55°，η＝0.3、0.5或0.8；以及
θ＝60°，η＝0.2、0.4或0.9。
3.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述切角θ和所述占空比η的取值分别为：
30°≤θ≤55°，η＝0.3。
4.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述高声速材料为4H-SiC或6H-SiC。
5.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述兰姆波谐振器进一步包括：设置在所述高声速材料衬底和所述压电层之间的低声速材料介质层。
6.如权利要求5所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述低声速材料为SiO2，厚度为0.075λ－0.1λ。
7.如权利要求5所述的兰姆波谐振器，其特征在于，在所述压电层的与所述高声速材料衬底相对的另一侧表面上镀有一层介质层材料。
8.如权利要求7所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述介质层材料为SiO2或SiN，厚度为0.05λ－0.1λ。
9.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述波长λ为2μm。
10.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述高声速材料衬底的厚度为5λ，所述电极宽度为0.25λ，所述电极间距为0.25λ，并且所述电极厚度为200nm。
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| CN118249775A (zh) * | 2024-05-24 | 2024-06-25 | 中国科学技术大学 | 一种声波谐振器 |
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