CN112953438A - 高q值的兰姆波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高Q值的兰姆波谐振器。本发明中对谐振器电极的分布结构进行了设计，本发明在电极合并连接处设计了支撑电极，利用支撑式的桥式电极结构形成阻隔区，隔绝了电极层与压电层的影响，从而提高提高谐振器整体的高Q值。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS谐振器领域，具体涉及一种高Q值的兰姆波谐振器。
背景技术
射频滤波器是通信领域的关键一环，滤波器是由谐振器搭建而成，因此，谐振器性能的好坏直接影响着通信质量。当前市场上，声表面波谐振器(SAWResonator)和体声波谐振器(BAW Resonator)凭借各自优良的性能占据了主流射频领域，是目前应用最广泛，技术最成熟的器件。然而，这两种滤波器都有各自的缺陷。体声波谐振器的工作频率由电极和压电材料的厚度决定，在同一片晶圆上无法实现调频；声表面波谐振器的频率由叉指电极的间距决定，虽然可以实现调频，但由于光刻极限的存在和压电材料中声速低的原因，声表面波谐振器无法实现高频。兰姆波谐振器弥补了两者的缺陷，不仅能够实现高频传输信号，还可以实现同一晶圆上的调频，而且其体积小，可以与IC工艺兼容的优势等，使其成为射频领域新一轮的研究热点。
传统的兰姆波谐振器结构是一种三明治结构，如图1所示。在压电材料的上下表面布置交替施加相反激励电压的叉指电极。如图1所示建立笛卡尔坐标系，电极宽度方向为x轴，电极长度方向为y轴，电极厚度方向为z轴。分别由带正电和带负电的叉指电极激发相反的交流电压，在压电材料中产生形变，进而产生沿x轴传播的兰姆波。波在遇到边界后发生反射，形成驻波，引发谐振。此结构谐振器产生的兰姆波只沿着一个方向传播，故定义为一维兰姆波谐振器。
兰姆波谐振器虽然有诸多优势，也有许多尚未解决的缺陷。其中，机电耦合系数和品质因子(Q-Factor)较低是兰姆波谐振器商业化的最大阻碍之一。此外，兰姆波谐振器的寄生模式也严重影响器件的性能，具体表现在阻抗曲线的谐振峰周围产生很多波纹，进而影响信号传输的品质。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种高Q值兰姆波谐振器电桥结构，即可以提高谐振器阻抗值的电极隔绝结构。
为实现上述目的，本发明提供一种高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：在传统兰姆波谐振器的叉指电极结构上，在叉指电极的链接位置建立电极阻隔结构；通过两端支撑在上层铺设新的链接桥电极，桥电极与压电层不接触，并在下端形成电极阻隔区，从而形成电极与压电材料的隔绝层，提高了兰姆波谐振器谐振器的Q值。
作为优选方案，所述兰姆波谐振器的压电材料表面上布置有施加相反激励的叉指电极，通过带正电和带负电的叉指电极激发相反的交流电压，并在压电材料中产生形变，进而产生沿x轴传播的兰姆波。
进一步地，所述压电材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、锆碳酸铅和氧化锌。
更进一步地，所述叉指电极的材料为钼、钨、铝、金或铂中的至少一种。
更进一步地，所述电极阻隔结构的材料为钼、钨、铝、金或铂中的至少一种。
更进一步地，所述电极阻隔结构的内部材料为低阻抗的空气、真空或正温度系数的温补材料中任一种。
更进一步地，所述电极阻隔结构位于叉指电极阵列边缘的链接位置，均能应用于压电材料的上层或下层电极。
上述兰姆波谐振器的插指电极连接结构，在插指电极链接位置建立了阻隔结构。通过两端支撑在上层铺设新的链接桥电极，桥电极与压电层不接触，并在下端形成阻隔区，从而形成电极与压电隔绝层，提高了谐振器的Q值。其压电材料表面布置了施加相反激励的叉指电极，通过带正电和带负电的叉指电极激发相反的交流电压，并在压电材料中产生形变，进而产生沿x轴传播的兰姆波；上述的压电材料包括铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、氮化铝(AlN)、锆碳酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)；上述的电桥结构中，电极阻隔结构的材料为钼、钨、铝、金、铂中的至少一种。上述电桥结构位于叉指电极阵列边缘的链接位置，使用可应用于压电材料的上层或下层电极。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明利用改变电极的分布结构，提高了谐振器的品质因子Q值，从而提高谐振器后续制成的滤波器性能。高Q值可以降低滤波器的带内差损，进而有效的提高滤波器的性能，为相关的器件开发与应用提供了基础。
本领域内加工通常采用传统的传统的电极分布结构，其加工工艺简单便于实现。因为电极与压电材料边缘间距直接影响着器件的性能，本领人员对边缘电极改动较少。本专利通过建立电极阻隔区，在较小的改动器件结构的基础上，提高了器件整体的性能。
附图说明
图1是典型的兰姆波谐振器结构的整体三维视图；
图2是本发明实施例1的兰姆波谐振器结构的整体三维视图；
图3是本发明实施例1的兰姆波谐振器电极隔绝结构的局部放大试图；
图4是本发明实施例1的阻抗曲线与典型的兰姆波谐振器阻抗曲线的对比示意图；
图5是本发明实施例2的双面叉指电极的二维兰姆波谐振器结构三维视图；
图6是本发明实施例2的双面叉指电极的二维兰姆波谐振器结构剖面图。
图中：100.电桥；101.压电材料；102.压电支撑结构；103.叉指电极；104.电极阻隔区；105链接电桥；106.阻隔层；107.支撑电极；108.上层电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，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。
图1所示的是典型的兰姆波谐振器结构，其主要包括了结构100电桥、结构101压电材料、结构102压电支撑结构、结构103叉指电极。
实施例1
图2所示是本实施例1的兰姆波谐振器的三维视图。示意性地，结构104电极阻隔区在位置。
图3所示是本实施例1的电极阻隔结构放大结构图。示意性地，电极阻隔结构104电极阻隔区包含了结构105链接电桥、结构106电极阻隔区、结构107支撑电极、结构108上层电极。本发明中的结构104电极阻隔布置于压电材料结构101表面上，结构103叉指电极与结构105相连接，结构108上层电极通过结构105链接电桥和结构107支撑电极进行支撑，并在结构105链接电桥和结构107支撑电极之间形成结构106电极阻隔区。通过结构106电极阻隔区形成反射层，抑制兰姆波在结构101压电材料表面的传播，减少了系统内的能量耗散。从而提高了系统的阻抗。
图4所示是传统兰姆波谐振器(图1)和本发明实施例1结构(图2)的阻抗曲线仿真对比图。图中所采用的兰姆波谐振器主要参数为：101压电材料长度为82微米，宽度为10微米，厚度为1微米；103叉指电极宽度为1微米，长度为80微米，厚度为0.2微米，叉指电极间距为1微米；106阻隔层的宽度为1微米，高度为0.2微米。其中实线为传统兰姆波谐振器阻抗曲线，虚线为本发明结构的阻抗曲线。通过仿真软件的模拟结构可知，本发明的电桥结构可有效的提高系统阻抗值Ω。
实施例2
图5所示是本发明实施例1的兰姆波谐振器第一种变例三维结构图。如图所示，结构103叉指电极分布于结构101压电材料上下表面两侧，结构104电极阻隔区在结构103叉指电极和101压电材料边缘处均有分布。
图6所示是本发明实施例的1兰姆波谐振器第一种变例侧视图。如图所示，在结构101压电材料的上下表面，通过利用多次布置结构104电极阻隔区进一步减少能量耗散，提高谐振器阻抗。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：在传统兰姆波谐振器的叉指电极结构上，在叉指电极的链接位置建立电极阻隔结构；通过两端支撑在上层铺设新的链接桥电极，桥电极与压电层不接触，并在下端形成电极阻隔区，从而形成电极与压电材料的隔绝层，提高了兰姆波谐振器谐振器的Q值。
2.根据权利要求1所述的高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：所述兰姆波谐振器的压电材料表面上布置有施加相反激励的叉指电极，通过带正电和带负电的叉指电极激发相反的交流电压，并在压电材料中产生形变，进而产生沿x轴传播的兰姆波。
3.根据权利要求1或2所述的高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：所述压电材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、锆碳酸铅和氧化锌。
4.根据权利要求1或2所述的高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：所述叉指电极的材料为钼、钨、铝、金或铂中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：所述叉指电极的材料为钼、钨、铝、金或铂中的至少一种。
6.根据权利要求1或2或5所述的高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：所述电极阻隔结构的材料为钼、钨、铝、金或铂中的至少一种。
7.根据权利要求1或2或5所述的高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：所述电极阻隔结构的内部材料为低阻抗的空气、真空或正温度系数的温补材料中任一种。
8.根据权利要求6所述的高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：所述电极阻隔结构的内部材料为低阻抗的空气、真空或正温度系数的温补材料中任一种。
9.根据权利要求1或2或5或8所述的高Q值的兰姆波谐振器，其特征在于：所述电极阻隔结构位于叉指电极阵列边缘的链接位置，均能应用于压电材料的上层或下层电极。
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