CN112968685A - 带有沟槽结构的体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有沟槽结构的体声波谐振器，具体指一种带有阵列式沟槽结构，高谐振频率的体声波谐振器结构。该谐振器结构包括底电极、压电层、压电层中的沟槽结构和顶电极。该结构能够减小谐振器中压电层的等效厚度，有效地提高谐振器的谐振频率，能满足5G/6G通讯的实际需求。

Description

带有沟槽结构的体声波谐振器

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种带有沟槽结构的体声波谐振器。

背景技术

随着5G时代的到来，对多频段高频滤波器的需求急剧增加。这对压电谐振器的性能提出了更高的要求。众所周知，声表面波(SAW)谐振器早期广泛应用于射频前端，但由于其相速度低、光刻存在限制等原因，在高频段很难保持优良的性能。

众所周知，自20世纪90年代以来，基于压电材料(如LiNb03或LiTa03)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)和固体装配型谐振器(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。

利用叉指换能器(IDTs)激发压电材料低阶对称兰姆波的压电氮化铝MEMS谐振器(LWR)是这些年来研究的热点。在AlN薄膜中，S₀模态具有很高的相速度，最高可达10000m/s，且制造流程简单。普通的AlN兰姆波波谐振器通常表现出的有效机电耦合系数K² _eff为3％左右，这限制了其在滤波器中的应用，因为K² _eff值直接与滤波器的部分带宽(BW)有关，决定了插入损耗。因此，对压电AlN兰姆波谐振器中的电极进行优化是进一步实现大带宽、低插入损耗滤波器的理想途径。

不仅如此，随着5G的出现和应用，LWR、FBAR和SMR等现有的谐振器结构难以实现高频段的高有效机电耦合系数需求。最近有研究人员提出一种横向激励的剪切模式体声波谐振器(XBAR)。XBAR的结构相对简单，与兰姆波谐振器类似，包括金属化叉指电极(IDE)，但XBAR的金属化率很小，即电极间距较大，导致XBAR的电极激励主要产生水平电场，在压电材料层中产生半波长体剪切波A1模态的谐振。

XBAR的结构设计与传统的微声谐振器有很大不同，声表面波谐振器和兰姆波谐振器的谐振频率与金属IDT电极间距密切相关，而在XBAR当中，谐振频率主要由压电层的厚度决定。与兰姆波谐振器不同的另一点在于，XBAR采用了更适合于激励剪切模式体声波的铌酸锂材料(LiNbO3)。

无论是采用氮化铝材料的FBAR谐振器，还是采用铌酸锂材料的XBAR谐振器，其谐振频率都取决于压电层的厚度，而现有工艺无法制备很薄的压电层，所以谐振器的谐振频率较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能有效提高谐振器的谐振频率，的带有沟槽结构的体声波谐振器。

为实现上述目的，本发明提供的带有沟槽结构的体声波谐振器，其特征在于：包括底电极、压电层、压电层中的沟槽结构和顶电极；

所述底电极和顶电极的形状为圆形、椭圆形、任意多边形、弧形、环形或螺旋形中任一种，或者为由多个圆形、椭圆形、任意多边形、弧形、环形或螺旋形电极阵列排布形成的棋盘状、多个条状电极排布成的叉指状中任一种。

作为优选方案，所述压电层中的沟槽结构为空腔、金属材料或半导体材料；

所述沟槽结构的形状为板状、条状或块状中任一种；

所述沟槽结构的截面图为圆形、椭圆形、弧形或多边形中的一种或多种组合；

所述沟槽结构的数量为一个或者多个。

进一步地，所述压电层的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT、铌酸钡钠中的一种。

更进一步地，所述底电极和顶电极的材料为钼、铂、金、银、铝、钨、钛、钌、铜和铬中的一种或多种组合。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明通过在谐振器的压电层之中布置合适大小、形状和数量的沟槽结构，能够减小压电层的等效厚度，从而有效提高谐振器的谐振频率，满足5G/6G通讯的实际需求。

附图说明

图1为本发明实施例1中的一种带有沟槽结构的体声波谐振器的截面图；

图2为本发明实施例1中的一种带有沟槽结构的体声波谐振器的俯视图；

图3为本发明实施例2中的一种带有沟槽结构的体声波谐振器的截面图；

图4为本发明实施例2中的一种带有沟槽结构的体声波谐振器的俯视图；

图5为本发明实施例3中的一种带有沟槽结构的体声波谐振器的截面图；

图6为本发明实施例3中的一种带有沟槽结构的体声波谐振器的俯视图；

图7为本发明实施例3中的一种带有沟槽结构的体声波谐振器的效果图。

图中：底电极12、压电层13、沟槽结构14、顶电极15。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动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。

实施例1

图1和图2所示为本实施例1中的带有沟槽结构的薄膜体声波谐振器(FBAR)，结构包括底电极12、压电层13、沟槽结构14和顶电极15；底电极12和顶电极15是不规则五边形以消除杂波，压电层13中间有一个沟槽结构14，沟槽结构14为空腔，沟槽结构14的横向长和宽是厚度的100倍以上。

实施例2

图3和图4所示为本实施例2中的带有沟槽结构的二维兰姆波谐振器，结构包括底电极12、压电层13、沟槽结构14和顶电极15；底电极12和顶电极15是多个圆形电极以棋盘状阵列排布在压电材料的表面以激发兰姆波。压电层13中间有一排沟槽结构14，沟槽结构14为空腔，沟槽结构14分布在左右相邻电极中间，沟槽结构14的长或宽与厚度的值相当。

实施例3

图5和图6所示为本实施例3中的带有沟槽结构的横向激励的剪切模式体声波谐振器(XBAR)，结构包括底电极12、压电层13、沟槽结构14和顶电极15；底电极12和顶电极15是多个条状电极排布成的叉指状，叉指间距离较远以激发横向剪切模式体声波。压电层13中间有多列沟槽结构14，沟槽结构14为金属电极，每列沟槽结构14分布在上下相邻电极中间，沟槽结构14的长或宽与厚度的值相当。

图7所示为本发明实施例3的效果图，即谐振频率变化曲线，从图中可以看出随着压电层13中沟槽结构14高度的增加，谐振器的谐振频率也在随之增加(因实施例1-2与实施例3的主要区别是电极分布的不同，而对于谐振频率基本没有影响，所以实施例1-2的效果图与实施例3的效果图类似)。

由此可知，本发明的带有沟槽结构的体声波谐振器是一种能有效提高谐振器谐振频率、实现超高频率的体声波谐振器结构。

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 (5)

1.一种带有沟槽结构的体声波谐振器，其特征在于：包括底电极、压电层、压电层中的沟槽结构和顶电极；

所述底电极和顶电极的形状为圆形、椭圆形、任意多边形、弧形、环形或螺旋形中任一种，或者为由多个圆形、椭圆形、任意多边形、弧形、环形或螺旋形电极阵列排布形成的棋盘状、多个条状电极排布成的叉指状中任一种。

2.根据权利要求1所述所述的带有沟槽结构的体声波谐振器，其特征在于：所述压电层中的沟槽结构为空腔、金属材料或半导体材料；

所述沟槽结构的形状为板状、条状或块状中任一种；

所述沟槽结构的截面图为圆形、椭圆形、弧形或多边形中的一种或多种组合；

所述沟槽结构的数量为一个或者多个。

3.根据权利要求1或2所述的带有沟槽结构的体声波谐振器，其特征在于：所述压电层的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT、铌酸钡钠中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的带有沟槽结构的体声波谐振器，其特征在于：所述底电极和顶电极的材料为钼、铂、金、银、铝、钨、钛、钌、铜和铬中的一种或多种组合。

5.根据权利要求3所述的带有沟槽结构的体声波谐振器，其特征在于：所述底电极和顶电极的材料为钼、铂、金、银、铝、钨、钛、钌、铜和铬中的一种或多种组合。

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