CN112702036A - 一种具有poi结构的兰姆波谐振器 - 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p以及激发声波波长λ，其中占空比p＝电极宽度÷(电极宽度+电极间距)，并且其中所述占空比p被设置为0.2－0.5。
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。杂散模式的存在会影响谐振器的性能，比如降低Q值(品质因数)。如何提高机电耦合系数、抑制杂散效应是兰姆波谐振器面临的关键难题之一。
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结构的兰姆波谐振器结构，其具有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p以及激发声波波长λ，其中
占空比p＝电极宽度÷(电极宽度+电极间距)，并且
其中所述占空比p被设置为0.2－0.5。
根据本发明的进一步实施例，所述占空比p被设置为0.4。
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，所述压电层的材料为30°YX-LiNbO3。
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，并且所述压电层的厚度为0.6λ，
根据本发明的进一步实施例，所述低声速材料为SiO2，所述介质层的厚度为0.075λ－0.1λ。
根据本发明的进一步实施例，所述电极宽度为0.5λ*p，所述电极间距为0.5λ*(1-p)。
根据本发明的进一步实施例，所述电极厚度为50nm。
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、通过控制占空比(例如占空比p为0.2－0.5时)，兰姆波谐振器可具有25％以上的机电耦合系数，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示出了占空比为0.1情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图5示出了占空比为0.2情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图6示出了占空比为0.3情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图7示出了占空比为0.4情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图8示出了占空比为0.5情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图9示出了占空比为0.6情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图10示出了占空比为0.7情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图11示出了占空比为0.8情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图12示出了占空比为0.9情况下兰姆波谐振器的导纳图。
图13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。
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30°YX-LiNbO3。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p可计算如下：
占空比p＝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*p，而电极间距则为0.5λ*(1-p)。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50nm，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。图4－12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p，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)(fp 2-fs 2)/fs 2 (2)
图4是上下电极占空比p为0.1情况下的导纳图。如图4中所示，在占空比p为0.1的情况下，谐振频率fs为约2288MHz，反谐振频率fp为约2471MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约20.50％。
图5是上下电极占空比p为0.2情况下的导纳图。如图5中所示，在占空比p为0.2的情况下，谐振频率fs为2231MHz，反谐振频率fp为2452MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为25.63％。
图6是上下电极占空比p为0.3情况下的导纳图。如图6中所示，在占空比p为0.3的情况下，谐振频率fs为约2198MHz，反谐振频率fp为约2447MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约29.51％。
图7是上下电极占空比p为0.4情况下的导纳图。如图7中所示，在占空比p为0.4的情况下，谐振频率fs为2179MHz，反谐振频率fp为2446MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为32.05％。
图8是上下电极占空比p为0.5情况下的导纳图。如图8中所示，在占空比p为0.5的情况下，谐振频率fs为2170MHz，反谐振频率fp为2434MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为31.81％。
图9是上下电极占空比p为0.6情况下的导纳图。如图9中所示，在占空比p为0.6的情况下，谐振频率fs为2164MHz，反谐振频率fp为2396MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为27.84％。
图10是上下电极占空比p为0.7情况下的导纳图。如图10中所示，在占空比p为0.7的情况下，谐振频率fs为约2157MHz，反谐振频率fp为约2301MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为约17.00％。
图11是上下电极占空比p为0.8情况下的导纳图。如图11中所示，在占空比p为0.8的情况下，谐振频率fs为2157MHz，反谐振频率fp为2338MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为21.55％。
图12是上下电极占空比p为0.9情况下的导纳图。如图12中所示，在占空比p为0.9的情况下，谐振频率fs为2158MHz，反谐振频率fp为2331MHz，此时根据公式(2)，可计算出机电耦合系数k2为20.55％。
以下的表1中，统计了上述各图中所示的不同占空比下兰姆波谐振器的谐振频率fs、反谐振频率fp、声波速度以及机电耦合系数k2的表现。
| 占空比p | f<sub>s</sub>(MHz) | f<sub>p</sub>(MHz) | 声速(m/s) | k<sup>2</sup> |
| 0.1 | 2288 | 2471 | 4576 | 20.503314 |
| 0.2 | 2231 | 2452 | 4462 | 25.626341 |
| 0.3 | 2198 | 2447 | 4396 | 29.5052296 |
| 0.4 | 2179 | 2446 | 4358 | 32.0536763 |
| 0.5 | 2170 | 2434 | 4340 | 31.8118615 |
| 0.6 | 2164 | 2396 | 4328 | 27.8424612 |
| 0.7 | 2157 | 2301 | 4314 | 17.0048018 |
| 0.8 | 2157 | 2338 | 4314 | 21.5514894 |
| 0.9 | 2158 | 2331 | 4316 | 20.5523807 |
表1
可以发现，随着占空比p的增加，谐振频率fs和反谐振频率fp都相应降低，中心频率f0也随之降低。此外，声速也随占空比p的增加而降低。然而，值得注意的是，机电耦合系数k2与占空比p并不成单调关系。具体来说，在占空比p在0.2－0.5之间时，都能够得到较高的机电耦合系数k2，且至少≥25％的机电耦合系数。此外，从对应的导纳图上可以看到，当占空比在0.2－0.5之间时，主模式无杂散或杂散很小，这意味着杂散效应被抑制，能够得到相对较高的Q值。
图13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13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。
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p以及激发声波波长λ，其中
占空比p＝电极宽度÷(电极宽度+电极间距)，并且
其中所述占空比p被设置为0.2－0.5。
2.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述占空比p被设置为0.4。
3.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。
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，所述压电层的材料为30°YX-LiNbO3。
6.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。
7.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，并且所述压电层的厚度为0.6λ。
8.如权利要求3所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述低声速材料为SiO2，所述介质层的厚度为0.075λ－0.1λ。
9.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述电极宽度为0.5λ*p，所述电极间距为0.5λ*(1-p)。
10.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述电极厚度为50nm。
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