CN112653413A - 调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超高频体声波谐振器有效机电耦合系数调节技术，具体涉及调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统及方法。该系统包括正、负电极、压电层、空腔及衬底，正电极、负电极依次交替排列，且均置于压电层之上，压电层置于衬底之上；正、负电极之间设置至少一根悬浮电极。在正负电极中添加极性相反的电压，正负电极间会激发横向电场，在横向电场的作用下悬浮电极的表面会产生感应电荷，悬浮电极与正负电极间形成新的电场，削弱了原横向电场的强度，从而减小压电层中的压电效应，最终改变谐振器的有效机电耦合系数。通过调节悬浮电极的厚度、宽度、数量或者材料属性可以实现对谐振器的机电耦合系数的调节，使其应用于窄带滤波器成为可能。
Description
技术领域
本发明属于超高频体声波谐振器有效机电耦合系数调节技术领域，尤其涉及调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统及方法。
背景技术
无线和移动通信系统的迅猛发展，推动着组件性能和系统集成技术的快速创新。为了获得更快的信号处理和减少集成的复杂性,小型化和与CMOS技术兼容的微机电系统(MEMS)谐振器成为了新一代的核心器件,因此高性能的MEMS谐振器技术作为先进的无线通信系统射频前端的基础组件具有很高的需求。
目前射频滤波器一般由声表面波谐振器(SAW)和薄膜体声波谐振器(FBAR)搭建，但是对于更高频段的滤波器，表面声波谐振器的叉指电极需要更小的指宽，过小的电极宽度会增大能量的损失，影响谐振器的功率处理能力，以及增大加工难度；而薄膜体声波谐振器在高频应用中需要更薄的压电薄膜，过薄的薄膜制造困难且存在的缺陷增多，因此一种低损耗，高有效机电耦合系数及大质量因子的超高频体声波谐振器应运而生。
超高频体声波谐振器的结构主要包括：带有空腔的硅衬底，压电层和叉指电极，结构上和表面声波谐振器以及兰姆波谐振器最大的区别是，它的叉指电极中每个相邻电极的间距是电极宽度的若干倍，有时可达到电极宽度的40倍，甚至更大。工作时对相邻电极通极性相反的电压，压电层中会激发出剪切波。超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数很大，搭建出的滤波器相对带宽也很大，这使得超高频、大带宽的滤波器成为了可能，但是这种谐振器由于过大的机电耦合系数，导致其在高频窄带滤波器的应用中受限。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统及调节方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，一种调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统，包括正、负电极、压电层、空腔及衬底，正电极、负电极依次交替排列，且均置于压电层之上，压电层置于衬底之上；正、负电极之间设置至少一根悬浮电极。
在上述调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统中，正电极和负电极选用Mo、Pt、Au或Al的金属薄膜材料；压电层选择LiNbO3、LiTaO3、AlN或PZT的压电薄膜；悬浮电极选用Mo、Al、Cu、W、Au或Pt的金属薄膜材料。
在上述调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统中，衬底选择Si、蓝宝石或SOI衬底；衬底为带有刻蚀空腔的衬底或无刻蚀空腔的衬底；刻蚀空腔通过牺牲层填充刻蚀或为背向刻蚀。
一种调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的方法，包括：
步骤1、将正电极和负电极中添加极性相反的电压，使正负电极间激发横向电场，压电层产生感应电荷，产生逆压电效应；
步骤2、悬浮电极在横向电场的作用下，两侧表面产生感应电荷，从而减弱正、负电极间的电场；
步骤3、通过调节悬浮电极的厚度、宽度、数量或材料属性，减小压电层的压电效应，实现降低超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数。
与现有技术相比，在正负电极间设置了悬浮电极，正负电极添加极性相反的电压，激发出横向电场，悬浮电极在横向电场的作用下两侧表面出现感应电荷，由此减弱了正负电极间的电场，进一步减弱了压电层的压电效应，从而有效地降低了超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数，使超高频体声波谐振器在窄带超高频滤波器中的应用成为可能。
附图说明
图1是传统超高频谐振器结构示意图；
图2是传统超高频谐振器的俯视图；
图3是本发明一个实施例设置1根悬浮电极的调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统的剖面图；
图4是本发明一个实施例设置1根悬浮电极的调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统的俯视图；
图5是本发明一个实施例设置2根悬浮电极的调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统的剖面图；
图6是本发明一个实施例设置2根悬浮电极的调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统的俯视图；
其中：101-正电极、102-负电极、103-压电层、104-粘合层、105-衬底、106-悬浮电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例一种调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的方法适用于降低超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统。
本实施例是通过以下技术方案来实现的。
一种调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统，包括：正、负电极、悬浮电极、压电层、空腔及衬底；的正电极、负电极依次交替排列，且均置于压电层上，压电层置于衬底上；正负电极之间设置至少一根悬浮电极，形成正电极、悬浮电极、负电极的电极结构。
悬浮电极为金属电极，其沉积在压电层上且置于正、负电极之间，该悬浮电极上不施加电压。
置于正负电极间的悬浮电极，其数量可为一根、两根、三根或多根。
压电层的材料优选为LiNbO3、LiTaO3、AlN、PZT压电薄膜；
悬浮电极材料优选为Mo、Al、Cu、W、Au、Pt材料；
正、负电极为金属导电薄膜，优选为Mo、Pt、Au、Al金属薄膜材料。
衬底为硅、蓝宝石衬底或者SOI衬底。衬底为带有刻蚀空腔的衬底或无需刻蚀空腔的衬底；刻蚀空腔通过牺牲层填充刻蚀或为背向刻蚀。
一种调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的方法，具体包括：
在正负电极中施加极性相反的电压，压电层产生感应电荷，产生逆压电效应；通过调节悬浮电极的厚度、宽度、数量及材料属性，实现调节超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数。
悬浮电极置于的正负电极中间，在正负电极的作用下，其两侧表面产生感应电荷；
压电层可以产生压电效应，压电效应是与正、负电极间产生的横向电场相关联的，而设置于正、负电极间的悬浮电极能够减弱正负电极间的横向电场，从而削弱压电层中的压电效应。悬浮电极的宽度越大，则悬浮电极两侧表面的感应电荷越少，进而其对正负电极间产生的横向电场的影响越大，其对压电层的压电效应抑制越多，谐振器的有效机电耦合系数降低越多。
如图1、图2所示，传统的超高频谐振器基本结构。
如图3、图4所示，本实施例提出通过调节电极的排布方式来调节超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数的系统，具体包括正电极101、负电极102、压电层103、粘合层104、衬底105和1根悬浮电极106，其中正电极101和负电极102为金属导电薄膜，优选Mo或Pt，同时也包括Au、Al等金属薄膜材料；压电层103材料优选为LiNbO3，同时包括AlN、PZT等压电薄膜；粘合层104材料优选为SiO2；衬底105材料优选为Si，同时也可为SOI衬底；悬浮电极106材料优选为Mo或Pt，同时也包括Au、Al等金属薄膜材料。
一种调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的方法，具体包括以下步骤：
将正电极101和负电极102中添加极性相反的1V交流电电压，正、负电极101、102间激发横向电场，压电层103产生感应电荷，产生逆压电效应。
悬浮电极106在横向电场的作用下，其两侧表面聚集感应电荷，由此减弱了正负电极间的电场，进一步减弱了压电层的压电效应，从而有效地降低了超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数。
通过调节悬浮电极106的厚度、宽度、数量或者材料属性可以调节谐振器的机电耦合系数。如图3和图4所示，在正电极101和负电极102之间设计了放置一根悬浮电极106。如图5和图6所示，在正电极101和负电极102之间设计了放置两根悬浮电极106，可以更加有效的降低超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数。
本实施例能够有效调节超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数，使该种谐振器应用在窄带滤波器成为可能。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统，其特征是，包括正、负电极、压电层、空腔及衬底，正电极、负电极依次交替排列，且均置于压电层之上，压电层置于衬底之上；正、负电极之间设置至少一根悬浮电极。
2.如权利要求1所述调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统，其特征是，正电极和负电极选用Mo、Pt、Au或Al的金属薄膜材料；压电层选择LiNbO3、LiTaO3、AlN或PZT的压电薄膜；悬浮电极选用Mo、Al、Cu、W、Au或Pt的金属薄膜材料。
3.如权利要求1所述调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统，其特征是，衬底选择Si、蓝宝石或SOI衬底；衬底为带有刻蚀空腔的衬底或无刻蚀空腔的衬底；刻蚀空腔通过牺牲层填充刻蚀或为背向刻蚀。
4.如权利要求1-3任意一项所述的调节超高频体声波谐振器有效机电耦合系数的系统的方法，其特征是，包括：
步骤1、将正电极和负电极中添加极性相反的电压，使正负电极间激发横向电场，压电层产生感应电荷，产生逆压电效应；
步骤2、悬浮电极在横向电场的作用下，两侧表面产生感应电荷，从而减弱正、负电极间的电场；
步骤3、通过调节悬浮电极的厚度、宽度、数量或材料属性，减小压电层的压电效应，实现降低超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数。
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