CN112688656B - 一种二维高性能超高频谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种二维高性能超高频谐振器，包括接触式二维高性能超高频谐振器、非触式二维高性能超高频谐振器。所述接触式二维高性能超高频谐振器包括：压电层、电极层、电桥；所述电极层沉积于压电层之上；所述电极层包含多个子电极；所述子电极形状为圆环形、椭圆环形、圆环与圆形组合形、椭圆环与椭圆组合形；所述电桥置于压电层上方与所述压电层接触，所述电桥沉积在所述电极层上方，所述电桥与所述子电极连接；所述子电极存在内部空腔，填充温补材料。本发明的谐振器结构可以极大提升超高机电耦合系数并具有较高的品质因子；本发明谐振器可以实现频率调节、实现温度补偿；本发明谐振器可以有效减小伪模态。
Description
技术领域
本发明属于谐振器技术领域，尤其涉及一种二维高性能超高频谐振器。
背景技术
随着5G无线通讯和物联网时代的带来，对射频滤波器、智能传感器提出超高频、大带宽、低损耗、大功率耐受度、小温度系数、高灵敏度、小尺寸以及高度集成等需求，射频芯片在5G通讯、军事、医疗以及交通领域有着广泛的应用，是大国之间竞相布局的前沿技术领域。作为5G核心产业，通信芯片的发展至关重要。射频芯片主要包括射频前端和天线，射频前端主要由功率放大器、开关、双工器和滤波器组成，滤波器是实现5G通讯的核心零件。
众所周知，自20世纪90年代以来，基于压电材料(如LiNbO3或LiTaO3)的声表面波(SAW)滤波器占据了带通滤波器市场的主导地位，但由于缺乏能量约束，特别是在垂直方向，其品质因数(Q)受到限制，而且由于瑞利波滤波器的低相速度，使频率难以超过3GHz，很大程度上阻碍了它的应用，而分立的基片又为进一步与集成电路的集成带来了障碍。在过去十年中，基于互补金属氧化物半导体(CMOS)可以兼容氮化铝(AlN)薄膜，压电微电子机械(MEMS)谐振器，如薄膜体声波谐振器(FBAR)和固体安装谐振器(SMR)，由于这两种谐振器能量有限，且AlN薄膜的d33很大，可以获得很高的Q值，这为搭建高性能的滤波器奠定了基础。然而，这种器件的中心频率是由薄膜厚度本身决定的，因此实现单片多波段集成具有很大的挑战性。
为了满足这一需求，最近提出了一种横向激励的剪切模式体声波(BAW)谐振器(XBARs)，其损耗低，在4.8GHz下的相对带宽为11％。XBAR的结构相对简单，包括金属化叉指电极(IDE)系统，但金属化率很小。电极主要产生水平电场，在悬浮的LiNbO3薄膜中产生半波长体剪切波A1共振。最大声振幅位于两个电极之间的自由膜面积上。设计的取舍与传统的微声谐振器有很大的不同。在声表面波器件中，金属IDT电极间距与谐振器频率密切相关，在声表面波器件和体声波器件中，金属厚度对谐振器频率和品质因数有很大影响。对于XBAR谐振器，频率主要由压电板厚度决定。
目前已有的XBAR谐振器结构，难以完全消除伪模态的影响，且获得高品质因数时要牺牲很大的机电耦合系数，并且不能实现调频和温补，若是不能实现调频，就无法实现谐振器的应用；若是不能实现温补，谐振器谐振频率将随温度偏移。现有的调频方法为调节电极的宽度、调节电极的间距等常规的调频方法并不适用于超高频谐振器，这将成为超高频谐振器应用在5G以上频率最大的限制。若想要实现5G以上的频率，超高频谐振器的调频问题就亟待解决。本发明针对这种高性能超高频谐振器，提出了一种高性能超高频谐振器，具有极高的机电耦合系数和品质因数，并且可以实现调频和温补。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种二维高性能超高频谐振器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种二维高性能超高频谐振器，包括：接触式二维高性能超高频谐振器、非触式二维高性能超高频谐振器；
所述接触式二维高性能超高频谐振器包括：压电层、电极层、电桥；所述电极层沉积于压电层之上；所述电极层包含多个子电极；所述子电极形状为圆环形、椭圆环形、圆环与圆形组合形、椭圆环与椭圆组合形；所述电桥置于压电层上方与所述压电层接触，所述电桥沉积在所述电极层上方，所述电桥与所述子电极连接；所述子电极存在内部空腔，填充温补材料；所述圆环与圆形组合形中，所述圆环与所述圆形通过电桥连接；所述椭圆环与椭圆组合形中，所述椭圆环和所述椭圆通过电桥连接。
所述非触式二维高性能超高频谐振器包括：压电层、电极层、电桥；所述电极层沉积于压电层之上；所述电极层包含多个子电极；所述子电极形状为圆环形、椭圆环形、圆环与圆形组合形、椭圆环与椭圆组合形；所述电桥置于所述电极层上方，所述电桥与所述压电层不接触，所述电桥沉积在所述电极层上方，所述电桥与所述子电极连接；所述子电极与所述电桥之间存在内部空腔，填充空气或温补材料；所述圆环与圆形组合形中，所述圆环与所述圆形通过电桥连接；所述椭圆环与椭圆组合形中，所述椭圆环和所述椭圆通过电桥连接。
所述子电极的水平方向间距大于谐振器的波长，所述子电极的竖直方向间距大于谐振器的波长；
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述电桥结构的形状为矩形，四边形或多边形。
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述压电层的材料为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或掺杂氮化铝。
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述电极层的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述电桥的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述温补材料选用二氧化硅等正温度系数材料。
本发明的有益效果是：基于特定排布电极的高性能超高频谐振器结构，谐振频率可以达到6GHz，可以很好地满足5G市场需求；本发明的谐振器结构可以极大提升超高机电耦合系数；本发明的谐振器具有较高的品质因子；本发明谐振器可以实现频率调节；本发明谐振器可以实现温度补偿；本发明谐振器可以有效减小伪模态。
附图说明
图1是本发明实施例1以圆环电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图2是本发明实施例2以椭圆环电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图3是本发明实施例3以圆环与圆组合形电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图4是本发明实施例4以椭圆环与椭圆组合形电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图5是本发明实施例5以圆环电极且电桥与压电层不接触为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图6是本发明实施例6以椭圆环电极且电桥与压电层不接触为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图7是本发明实施例7以圆环与圆组合形电极且电桥与压电层不接触为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图8是本发明实施例8以椭圆环与椭圆组合形电极且电桥与压电层不接触为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图9是本发明实施例9以圆环电极、电桥与压电层不接触且电极与电桥之间填充温补材料为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图10是本发明实施例10以椭圆环电极、电桥与压电层不接触且电极与电桥之间填充温补材料为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图11是本发明实施例11以圆环与圆组合形电极、电桥与压电层不接触且电极与电桥之间填充温补材料为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图12是本发明实施例12以椭圆环与椭圆组合形电极、电桥与压电层不接触且电极与电桥之间填充温补材料为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图13是本发明实施例13以圆环电极、电桥与压电层接触且电极长度不同为例的二维高性能超高频谐振器结构图；
图14是本发明实施例二维高性能超高频谐振器电桥与压电层接触、电桥与压电层不接触、电桥与压电层不接触且电桥与电极之间填充二氧化硅的三种分布示意图；
图15是本发明实施例的二维高性能超高频谐振器阻抗曲线与传统二维谐振器阻抗曲线图。
图16是本发明实施例的二维高性能超高频谐振器中电桥与压电层不接触的一种工艺流程图。
其中，1-第一电极、2-第二电极、3-压电层、4-电桥、5-温补材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用的技术方案是：一种二维高性能超高频谐振器，包括：接触式二维高性能超高频谐振器、非触式二维高性能超高频谐振器；
所述接触式二维高性能超高频谐振器包括：压电层、电极层、电桥；所述电极层沉积于压电层之上；所述电极层包含多个子电极；所述子电极形状为圆环形、椭圆环形、圆环与圆形组合形、椭圆环与椭圆组合形；所述电桥置于压电层上方与所述压电层接触，所述电桥沉积在所述电极层上方，所述电桥与所述子电极连接；所述子电极存在内部空腔，填充温补材料；所述圆环与圆形组合形中，所述圆环与所述圆形通过电桥连接；所述椭圆环与椭圆组合形中，所述椭圆环和所述椭圆通过电桥连接。
所述非触式二维高性能超高频谐振器包括：压电层、电极层、电桥；所述电极层沉积于压电层之上；所述电极层包含多个子电极；所述子电极形状为圆环形、椭圆环形、圆环与圆形组合形、椭圆环与椭圆组合形；所述电桥置于所述电极层上方，所述电桥与所述压电层不接触，所述电桥沉积在所述电极层上方，所述电桥与所述子电极连接；所述子电极与所述电桥之间存在内部空腔，填充空气或温补材料；所述圆环与圆形组合形中，所述圆环与所述圆形通过电桥连接；所述椭圆环与椭圆组合形中，所述椭圆环和所述椭圆通过电桥连接。
所述子电极的水平方向间距大于谐振器的波长，所述子电极的竖直方向间距大于谐振器的波长；
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述电桥结构的形状为矩形，四边形或多边形。
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述压电层的材料为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或掺杂氮化铝。
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述电极层的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述电桥的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
在上述的二维高性能超高频谐振器中，所述温补材料选用二氧化硅等正温度系数材料。
下面接图1-图16介绍本发明的具体实施方式：
本实施例一种二维高性能超高频谐振器，在压电层上部布置有二维方向分布的电极层，电极水平方向间距大于一个波长，电极垂直方向间距大于一个波长；不同电极的长度可以相同或者不相同；相邻电极施加正负交流电压；电极形状为圆环形、椭圆环形、圆环与圆形组合形、椭圆与椭圆环组合形；电极层上搭有电桥，电桥采用与压电层接触或者不接触两种结构；采用不接触结构，电极与电桥之间填充空气、电极材料或温补材料以实现不同的功能；电桥连接垂直方向相邻的电极。
而且，电桥结构的形状为矩形，四边形或多边形。
而且，压电层为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或掺杂氮化铝。
而且，电极的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
而且，电桥结构的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
而且，温补材料选用二氧化硅等正温度系数材料。
实施例1
如图1所示，以圆环电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构，压电层3的上表面在xy二维平面上分布有电极层，电极呈圆环形，沿x方向分布的电极间距大于1个波长，且相邻第一电极1和第二电极2分别施加有不同极性的电压。当第一电极1和第二电极2在x方向的间距与压电层厚度接近时，在压电层3的内部可以激发沿x轴方向传播的兰姆波，兰姆波在压电层的传播方程为：f＝v/f，f为谐振器频率，v为声波传播的相速度，λ为声波波长。当调整这一间距时，可以激发出其他波，例如横向剪切波等。沿y方向的电极施加有相同极性的电压，且间距大于一个波长。
实施例2
如图2所示，为另一种以椭圆环电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例3
如图3所示，为另一种以圆环与圆组合形电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例4
如图4所示，为另一种以椭圆环与椭圆组合形电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例5
如图5所示，为一种以圆环电极且电桥与压电层不接触为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。与图1类似，在压电层3的上表面布置有二维方向分布的电极层，电极层的材料可为铂、钼、金、钨、铜或铝。沿x方向，第一电极1和与之相邻分布的第二电极2带有不同极性的电压，该方向的电极被施加有正负相交替的电压，可以在x激发出体声波，实现声电转换。电桥与压电层不接触，从而消除了寄生模式的不利影响，也利用的寄生模式的波增强了主模的电学反映，从而提高了机电耦合系数。
实施例6
如图6所示，为一种以椭圆环电极且电桥与压电层不接触为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例7
如图7所示，为一种以圆环与圆组合形且电桥与压电层不接触为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例8
如图8所示，为一种以椭圆环与椭圆组合形且电桥与压电层不接触为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例9
如图9所示，为一种以圆环电极、电桥与压电层不接触、电桥与压电层之间填充温补材料为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。本实施例在电桥4与压电层3之间填充温补材料作为温补补偿，传统温补材料需要覆盖整片晶圆，对谐振器其他性能影响较大，本专利将温补材料填充在谐振器工作过程中受力、受热、变形最大的电极内部，既可以实现谐振器的温度补偿，减小谐振器的温漂系数，又减小了温补材料对谐振器其他性能的影响。此外，根据电极大小以及温补材料的填充率可以调节谐振器的频率。
实施例10
如图10所示，为一种以椭圆环电极、电桥与压电层不接触、电桥与压电层之间填充温补材料为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例11
如图11所示，为一种以圆环与圆组合形电极、电桥与压电层不接触、电桥与压电层之间填充温补材料为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例12
如图12所示，为一种以椭圆环与椭圆组合形电极、电桥与压电层不接触、电桥与压电层之间填充温补材料为例的二维高性能超高频谐振器结构示意图。
实施例13
如图13所示，以圆环电极且电桥与压电层接触为例的二维高性能超高频谐振器结构。第一电极1和第二电极2的长度不同，实现变迹，用于改善谐振器的性能，减小伪模态，提升品质因子和机电耦合系数。
实施例14
如图14所示，是二维高性能超高频谐振器电桥结构的三种分布示意图。其谐振器结构有压电层，电极层和电桥结构组成。电桥结构可以直接与压电层接触，也可以不与压电层接触，电桥与压电层之间可以填充温补材料。
实施例15
如图15所示，是实施例1所述二维高性能超高频谐振器阻抗曲线与传统二维谐振器阻抗曲线示意图。其中串联谐振频率fs和并联谐振频率fp之间的频率间隔Δf决定了谐振器的机电耦合系数的大小，可用下列公式计算：
压电层上表面的第一电极1和第二电极2施加正负交流电压之后，谐振器内部产生电场耦合，以铌酸锂作为压电层材料为例，将会产生e15和e24两个方向上的电场耦合，由压电层方程：
其中
e15和e24的耦合提升了谐振器的机电耦合系数，实现了谐振器的大带宽。
如图15所示，虚线是目前已有的二维超高频谐振器的曲康曲线，实线为本实施例1的阻抗曲线。本实施例的机电耦合系数为42％。而现有结构只能达到31％，提升了35％。通过3dB带宽法计算得到的品质因数，本实施例结构为1450，现有结构为1030，提升了41％。因此本专利结构可以提高谐振器的机电耦合系数和品质因数，增强谐振器的性能。谐振频率达到6G，为下一代6G技术发展奠定了硬件基础。
实施例16
如图16所示，是本发明实施例的二维高性能超高频谐振器中电桥与压电层不接触的一种工艺流程：(a)铌酸锂晶圆；(b)刻蚀沟槽；(c)沉积氮化硅；(d)沉积二氧化硅；(e)刻蚀二氧化硅；(f)沉积电极并释放二氧化硅。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是距离说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和本质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (7)
1.一种二维高性能超高频谐振器，包括：接触式二维高性能超高频谐振器、非触式二维高性能超高频谐振器；
所述接触式二维高性能超高频谐振器包括：压电层、电极层、电桥；所述电极层沉积于压电层之上；所述电极层包含多个子电极；所述子电极形状为圆环形、椭圆环形、圆环与圆形组合形、椭圆环与椭圆组合形；所述电桥置于压电层上方与所述压电层接触，所述电桥沉积在所述电极层上方，所述电桥与所述子电极连接；所述子电极存在内部空腔，填充温补材料；所述圆环与圆形组合形中，所述圆环与所述圆形通过电桥连接；所述椭圆环与椭圆组合形中，所述椭圆环和所述椭圆通过电桥连接；
所述非触式二维高性能超高频谐振器包括：压电层、电极层、电桥；所述电极层沉积于压电层之上；所述电极层包含多个子电极；所述子电极形状为圆环形、椭圆环形、圆环与圆形组合形、椭圆环与椭圆组合形；所述电桥置于所述电极层上方，所述电桥与所述压电层不接触，所述电桥沉积在所述电极层上方，所述电桥与所述子电极连接；所述子电极与所述电桥之间存在内部空腔，填充空气或温补材料；所述圆环与圆形组合形中，所述圆环与所述圆形通过电桥连接；所述椭圆环与椭圆组合形中，所述椭圆环和所述椭圆通过电桥连接。
2.根据权利要求1所述的二维高性能超高频谐振器，其特征在于：
所述子电极的水平方向间距大于谐振器的波长，所述子电极的竖直方向间距大于谐振器的波长。
3.根据权利要求1所述的二维高性能超高频谐振器，其特征在于：
所述电桥结构的形状为多边形。
4.根据权利要求1所述的二维高性能超高频谐振器，其特征在于：
所述压电层的材料为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或掺杂氮化铝。
5.根据权利要求1所述的二维高性能超高频谐振器，其特征在于：
所述电极层的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
6.根据权利要求1所述的二维高性能超高频谐振器，其特征在于：
所述电桥的材料选用铂、钼、金、钨、铜或铝。
7.根据权利要求1所述的二维高性能超高频谐振器，其特征在于：
所述温补材料选用二氧化硅等正温度系数材料。
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