CN112688650A - 兰姆波谐振器及具备该兰姆波谐振器的滤波器和电子设备 - Google Patents
兰姆波谐振器及具备该兰姆波谐振器的滤波器和电子设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种兰姆波谐振器及具备该兰姆波谐振器的滤波器和电子设备。该兰姆波谐振器包括：作为绝缘体的衬底；设置在所述衬底上的压电层；设置在所述压电层的上表面侧的多个上电极；以及设置在所述压电层的下表面侧的多个下电极，各个所述上电极至少有部分埋入所述压电层，各个所述下电极未埋入所述压电层，所述上电极埋入所述压电层的部分的厚度相对于所述上电极整体的厚度之比即埋入比例为60％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种兰姆波谐振器及具备该兰姆波谐振器的滤波器和电子设备，其能够提高机电耦合系数并具有较高的Q值。
背景技术
随着当今无线通信技术的飞速发展，小型化便携式终端设备的应用也日益广泛，因而对于高性能、小尺寸的射频前端模块和器件的需求也日益迫切。滤波器作为射频前端的核心元器件，其性能关系整个通信系统的性能好坏。而滤波器的性能又取决于其谐振器的性能，因此，谐振器的性能至关重要。
目前应用广泛的谐振器主要有声表面波谐振器(SAW)、体声波谐振器(BAW)、薄膜体声波谐振器(FBAR)、兰姆波谐振器、超高频谐振器(XBAR)等。就谐振器本身而言，其最关键的性能为机电耦合系数和品质因子(Q值)。谐振器的机电耦合系数决定了滤波器的带宽，其品质因子直接影响其带内插损和滤波器裙边的陡峭性。同时对于5G射频前端的多频段需求，采用可调滤波器来实现多频段的切换，而制作可调滤波器的前提是实现高频、大机电耦合系数、高q值的谐振器。
在这些谐振器当中，兰姆波谐振器是近几年兴起的研究热点，其兼具FBAR和SAW谐振器的优点，具有较高的品质因子、适中的耦合系数、低频散、高声速、低功耗、体积小等特征，可在同一晶圆上实现多频率谐振器的设计，所以广泛应用于多频段滤波器、双工器、天线收发开关、多路转换滤波器等。
虽然相比于传统的SAW、BAW等技术，兰姆波谐振器已经改善了工作带宽，提高了机电耦合系数(例如从8％提升到17.7％)，然而，随着当前5G手机的发展，对谐振器提出了更大带宽即更高机电耦合系数的要求，这对现有的兰姆波谐振器提出了严峻的挑战。
专利文献1公开了一种兰姆波谐振器，通过压电层采用钪掺杂单晶氮化铝，替换现有兰姆波谐振器的氮化铝材料，使得兰姆波谐振器的机电耦合系数增大。高浓度钪元素掺杂使得兰姆波型谐振器的机电耦合系数高达30％，但制备单晶氮化铝作为压电层的工艺复杂，而且高浓度的钪元素掺杂也大大地提高了制备成本。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：CN111262543A
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的目的在于进一步提高兰姆波谐振器的机电耦合系数，通过利用POI(压电绝缘体)的高声速结构，并结合电极埋入压电层的结构特性，实现更大带宽、更高机电耦合系数的兰姆波谐振器及具备该兰姆波谐振器的滤波器和电子设备。
用于解决技术问题的技术手段
本发明的兰姆波谐振器，包括：作为绝缘体的衬底；设置在所述衬底上的压电层；设置在所述压电层的上表面侧的多个上电极；以及设置在所述压电层的下表面侧的多个下电极，各个所述上电极至少有部分埋入所述压电层，各个所述下电极未埋入所述压电层，所述上电极埋入所述压电层的部分的厚度相对于所述上电极整体的厚度之比即埋入比例为60％以上。
上述兰姆波谐振器中，在所述上电极整体的厚度固定的情况下，所述兰姆波谐振器的机电耦合系数随着所述上电极的所述埋入比例的增加而增大。
上述兰姆波谐振器中，所述上电极整体的厚度在300nm～500nm的范围内。
上述兰姆波谐振器中，所述衬底使用选自4H-SiC、6H-SiC中的任一种高声速材料。
上述兰姆波谐振器中，所述压电层使用30°YX-LiNbO3。
上述兰姆波谐振器中，所述上电极和所述下电极分别具有相同的宽度和厚度。
上述兰姆波谐振器中，所述上电极和所述下电极由选自Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni的任一种金属或它们的合金、或者它们的层叠体构成。
上述兰姆波谐振器中，在所述衬底与所述压电层之间设有由声速低于所述衬底的低声速材料构成的中间层，所述下电极埋入所述中间层中。
上述兰姆波谐振器中，所述中间层使用SiO2。
本发明的滤波器包括上述任一种兰姆波谐振器。
本发明的电子设备包括上述滤波器或者上述任一种兰姆波谐振器。
技术效果
根据本发明的兰姆波谐振器，多个下电极完全埋入衬底，多个上电极至少有部分埋入压电层，且上电极埋入压电层的部分的厚度占上电极整体厚度的埋入比例为60％以上。由此，能够实现高机电耦合系数、高Q值、高频高声速、大带宽的兰姆波谐振器。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10的立体图。
图2是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10的剖视图。
图3是表示图2中的尺寸关系的图。
图4是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为100nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。
图5是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为200nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。
图6是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为300nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。
图7是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为400nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。
图8是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为500nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。
图9是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为200nm且上电极3a的埋入比例为60％时通过仿真得到的导纳图。
图10是本发明的实施方式1的变形例的兰姆波谐振器10a的剖视图。
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。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。
图1是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10的立体图。如图1所示，兰姆波谐振器10包括衬底1、压电层2、叉指电极3和汇流条4。其中，压电层2形成在衬底1上，叉指电极3至少形成在压电层2的上表面，汇流条4与叉指电极3两侧的指根部连接。图1中，衬底1的材料为4H-SiC或6H-SiC之类的具有高声阻抗的高声速材料，其厚度为5λ(λ是叉指电极3所激发的声波波长，即兰姆波波长)，以防止兰姆波谐振器10中传播的能量向衬底1外部泄露，从而具有较高的Q值。压电层2为30°YX-LiNbO3等压电材料，这里，压电层2的厚度为0.8λ。衬底1和压电层2构成POI的结构。叉指电极3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。
图2是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10的剖视图，具体是垂直于叉指电极3的延伸方向的截面上的剖视图。如图2所示，叉指电极3由上电极3a和下电极3b构成，其中，下电极3b设置在压电层2的下表面侧，且上表面与压电层2的下表面相接触，并完全埋入衬底1中。上电极3a设置在压电层2的上表面侧，有一部分埋入压电层2中，剩下的部分露出在压电层2的上表面侧。图2示出了上下电极3a、3b各有两个，且上电极3a与下电极3b彼此相向地设置在兰姆波谐振器10的层叠方向上，且各个上电极3a与各个下电极3b具有相同的厚度和宽度。在本实施方式1中，上电极3a和下电极3b的宽度(图中水平方向上的宽度)均为0.25λ，相邻两个上电极3a之间的间距为0.167λ，相邻两个下电极3b之间的间距为0.25λ。
为了使本发明更易于理解，图3中示出了图2的剖视图的情况下的尺寸关系。h为上电极3a的总厚度，h1为上电极3a露出在压电层2上表面的厚度，即未埋入压电层2的厚度，h2为上电极3a埋入压电层2的厚度，h＝h1+h2。t为压电层2的厚度。埋入比例h2/h即h2与h之比表示上电极3a埋入压电层2的部分的厚度相对于上电极3a的总厚度之比。
本发明人对上电极3a的埋入比例与兰姆波谐振器10的机电耦合系数之间的关系进行了深入研究，分别制备了电极厚度h为100～500nm，且上电极3a的埋入比例为0～100％的兰姆波谐振器，并测试了其导纳，结果如图4～图8所示。图4是电极厚度为100nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的兰姆波谐振器10的总导纳图，图5是电极厚度为200nm时不同埋入比例下的总导纳图，图6是电极厚度为300nm时不同埋入比例下的总导纳图，图7是电极厚度为400nm时不同埋入比例下的总导纳图，图8是电极厚度为500nm时不同埋入比例下的总导纳图。
图9是上述图4～图8的导纳图中的一个具体示例，例如是电极厚度为200nm且上电极3a的埋入比例为60％时的导纳图。如该图所示，fs表示兰姆波谐振器10的谐振频率，fp为兰姆波谐振器10的反谐振频率，k2为机电耦合系数，且满足k2＝(π2/8)(fp 2-fs 2)/fs 2的关系。例如，在图9中，fs＝2106MHz，fp＝2323MHz，k2＝26.71％。在其它电极厚度和其它埋入比例的情况下的导纳图的具体示例也都与图9的类似，因此这里省略具体说明。
通过对这些导纳图中的数据进行分析整理，得出如下的不同电极厚度下不同电极埋入比例的工作频段(fs、fp)、声速(V；对应于兰姆波波长)及机电耦合系数(k2)表。
由上表可知，在同一电极厚度下，随着上电极3a的埋入比例增加，其机电耦合系数也逐渐增加。尤其是在电极厚度为300～500nm且上电极的埋入比例为60％～100％的范围内，兰姆波谐振器的机电耦合系数都能够达到26％以上，同时，兰姆波谐振器的谐振频率(fs)也随着埋入比例的增加而向高频方向发展，兰姆波谐振器中的声速(V)、工作频段(fs-fp)也随着埋入比例的增加而增大。由此可知，在本发明所涉及的上电极3a埋入压电层2而下电极3b不埋入压电层2的结构中，通过增大上电极的埋入比例，能够实现高频高声速和大带宽的兰姆波谐振器。
在上述结构中，在同一电极厚度下，当上电极3a全部埋入压电层2时，机电耦合系数将达到最大。特别是在电极厚度为500nm且上电极的埋入比例为100％的情况下，机电耦合系数达到了50％。因此，相比于现有技术中的兰姆波谐振器的机电耦合系数(例如17.7％)有了大幅的提高，从而能够实现更高性能的高频谐振器，进而实现更高性能的传感器以及射频前端等电子设备，以满足目前越来越高的通信需求。
图10是本发明实施方式1的变形例的兰姆波谐振器10a的剖视图。图10中，在衬底1与压电层2之间插入了一层中间层6，其由声速低于衬底2(例如4H-SiC)的低声速材料构成，在该变形例中，中间层6采用SiO2。而且，不同于图2所示下电极3b完全埋入衬底1中的情况，在图10的变形例中，下电极3b完全埋入中间层6中。通过这样设置低声速的中间层6，可以与高声速的衬底1形成反射层，从而进一步防止声波泄露到衬底1之外，使得兰姆波谐振器10a的Q值更高。而且，由于低声速的中间层6例如SiO2层具有正的频率温度系数，而压电层2具有负的频率温度系数，通过设置SiO2层作为中间层，还可以降低兰姆波谐振器10a的频率温度系数(TCF)，从而改善其频率温度特性。
根据本发明的上述实施方式，在兰姆波谐振器中，将设置于压电层的下表面侧的多个下电极完全埋入衬底，将设置于压电层的上表面侧的多个上电极至少部分埋入压电层，且上电极埋入压电层的部分的厚度占上电极整体厚度的埋入比例为60％以上。由此，能够实现高机电耦合系数、高Q值、高频高声速、大带宽的兰姆波谐振器。
而且，在上电极整体的厚度固定的情况下，兰姆波谐振器的机电耦合系数随着上电极的埋入比例的增加而增大。从而，可以根据实际需求设计兰姆波谐振器，以达到目标机电耦合系数。
此外，通过在衬底与压电层之间设置低声速材料构成的中间层，并使下电极埋入中间层中，从而能够进一步提高兰姆波谐振器的Q值，并改善其频率温度特性。
本发明还提供一种滤波器，其使用具有上述结构的兰姆波谐振器。
本发明还提供一种电子设备，包括上述滤波器或者兰姆波谐振器。该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。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种兰姆波谐振器，其特征在于，包括：
作为绝缘体的衬底；
设置在所述衬底上的压电层；
设置在所述压电层的上表面侧的多个上电极；以及
设置在所述压电层的下表面侧的多个下电极，
各个所述上电极至少有部分埋入所述压电层，各个所述下电极未埋入所述压电层，
所述上电极埋入所述压电层的部分的厚度相对于所述上电极整体的厚度之比即埋入比例为60％以上。
2.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，
在所述上电极整体的厚度固定的情况下，所述兰姆波谐振器的机电耦合系数随着所述上电极的所述埋入比例的增加而增大。
3.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，
所述上电极整体的厚度在300nm～500nm的范围内。
4.如权利要求1至3的任一项所述的兰姆波谐振器，其特征在于，
所述衬底使用选自4H-SiC、6H-SiC中的任一种高声速材料。
5.如权利要求1至3的任一项所述的兰姆波谐振器，其特征在于，
所述压电层使用30°YX-LiNbO3。
6.如权利要求1至3的任一项所述的兰姆波谐振器，其特征在于，
所述上电极和所述下电极分别具有相同的宽度和厚度。
7.如权利要求1至3的任一项所述的兰姆波谐振器，其特征在于，
所述上电极和所述下电极由选自Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni的任一种金属或它们的合金、或者它们的层叠体构成。
8.如权利要求1至3的任一项所述的兰姆波谐振器，其特征在于，
在所述衬底与所述压电层之间设有由声速低于所述衬底的低声速材料构成的中间层，所述下电极埋入所述中间层中。
9.如权利要求8所述的兰姆波谐振器，其特征在于，
所述中间层使用SiO2。
10.一种滤波器，其特征在于，
包括如权利要求1-9中任一项所述的兰姆波谐振器。
11.一种电子设备，其特征在于，
包括如权利要求10所述的滤波器或者如权利要求1-9中任一项所述的兰姆波谐振器。
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