CN113037245A - 基于压电薄膜换能的石英谐振器以及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电薄膜换能的石英谐振器，包括：基底、声学镜、压电薄膜换能层、石英谐振主体层、第一电极和第二电极，其中，压电薄膜换能层的机电耦合系数大于石英谐振主体层的机电耦合系数。该石英谐振器同时具备高Q值、高机电耦合系数、高频率稳定性、制造较简单等特点。
Description
技术领域
本发明涉及微电子设备领域，具体涉及一种基于压电薄膜换能的石英谐振器以及电子设备。
背景技术
传统基于压电薄膜的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)谐振器通常由压电薄膜层和上下电极组成，其谐振频率较高且制备较简单、机电耦合系数较高，但是由于压电薄膜层频率温度系数差且声损耗较高，这种谐振器的Q值较低且频率稳定性不高。另一方面，传统的石英谐振器具有高Q值和高频率稳定性，但其机电耦合系数较低，且高谐振频率的石英谐振器制备困难。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种高Q值、高机电耦合系数、高频率稳定性、制造较简单的基于压电薄膜换能的石英谐振器以及电子设备。
本发明第一方面提出一种基于压电薄膜换能的石英谐振器，包括：基底、声学镜、压电薄膜换能层、石英谐振主体层、第一电极和第二电极，其中，所述压电薄膜换能层的机电耦合系数大于石英谐振主体层的机电耦合系数。
可选地，所述第一电极和所述第二电极分别与所述压电薄膜换能层接触。
可选地，所述压电薄膜换能层的材料为氮化铝、掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂或锆钛酸铅。
可选地，所述压电薄膜换能层的厚度范围为0.01微米至10微米。
可选地，所述石英谐振主体层的厚度为0.1微米至100微米。
可选地，所述基底支撑从下至上依次堆叠的石英谐振主体层、第一电极、压电薄膜换能层和第二电极，所述声学镜为空气腔，所述空气腔位于所述石英谐振主体层下方。
可选地，所述基底的顶部表面具有凹槽，所述基底之上具有从下至上依次堆叠的石英谐振主体层、第一电极、压电薄膜换能层和第二电极，所述凹槽中设有声学镜，所述声学镜为空气腔或者布拉格反射层。
可选地，所述石英谐振主体层的部分区域与所述基底半分离或者整体分离。
可选地，所述第一电极和所述第二电极为平板形状。
可选地，所述基底的顶部表面具有凹槽，所述凹槽中设有声学镜，所述声学镜为空气腔或者布拉格反射层，所述基底之上具有石英谐振主体层，所述石英谐振主体层之上具有压电薄膜换能层，所述压电薄膜换能层之上具有插指形状的第一电极和第二电极。
本发明第二方面提出一种电子设备，该电子设备包括本发明第一方面提出的基于压电薄膜换能的石英谐振器。
根据本发明的技术方案，通过压电薄膜换能层和电极实现电能/电学信号与机械能/机械振动之间的转换，同时通过压电薄膜换能层/电极结构与石英谐振主体层的声学耦合将机械能/机械振动耦合至石英谐振主体层，形成谐振器整体。由于石英材料具有极低的声学损耗，保证谐振器具有高Q值；石英材料具有很低的频率温度系数，保证谐振器具有高频率稳定性；机电耦合通过压电薄膜换能层实现，保证谐振器具有高机电耦合系数；不需要在石英谐振主体层的上下两侧同时制备电极，器件制造工艺较容易。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1a为本发明第一实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器的俯视图，图1b为沿A-A’线的剖面图；
图2a为本发明第二实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器的俯视图，图2b为沿B-B’线的剖面图；
图3a为本发明第三实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器的俯视图，图3b为沿C-C’线的剖面图；
图4a为本发明第四实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器的俯视图，图4b为沿D-D’线的剖面图；
图5a为本发明第五实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器的俯视图，图5b为沿E-E’线的剖面图。
具体实施方式
本文中图中标注的各部分细节说明如下：
10：基底，材料可选单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英或铌酸锂等。
20：声学镜，具体可以为空气腔、采用布拉格反射层或其它等效声学反射结构。
30/50：第一电极/第二电极，材料可选钼、铂、金、铝、铜、银等常用薄膜电极材料或以上金属的复合或其合金。
40：压电薄膜换能层，材料可选氮化铝、掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂或锆钛酸铅等非石英压电薄膜材料，要求其材料机电耦合系数大于石英的机电耦合系数。
60：石英谐振主体层，材料为石英。
本发明实施方式的石英谐振器包括：基底、声学镜、压电薄膜换能层、石英谐振主体层、第一电极和第二电极，其中，压电薄膜换能层的机电耦合系数大于石英谐振主体层的机电耦合系数。
该石英谐振器第一电极和第二电极可以分别与压电薄膜换能层接触，这样可以避免在石英谐振主体层上下两侧同时制备电极，制造工艺较容易。
当第一电极和第二电极分别位于压电薄膜换能层的两侧时，电极可以为平板形状(例如：矩形、五边形等多边形以及圆形、椭圆形等)。当第一电极和第二电极分别位于压电薄膜换能层的同侧时，电极可以为插指形状。
压电薄膜换能层的厚度范围可以为0.01微米至10微米，石英谐振主体层的厚度可以为0.1微米至100微米。
如图1a和图1b所示，本发明第一实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器中，基底10支撑从下至上依次堆叠的石英谐振主体层60、第一电极30、压电薄膜换能层40和第二电极50，声学镜20为空气腔，空气腔位于石英谐振主体层60下方。
如图2a和图2b所示，本发明第二实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器中，基底10的顶部表面具有凹槽，基底10之上具有从下至上依次堆叠的石英谐振主体层60、第一电极30、压电薄膜换能层40和第二电极50，凹槽中设有声学镜20，声学镜20可以为空气腔或者布拉格反射层。
如图3a和图3b所示，本发明第三实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器中，石英谐振主体层的部分区域与基底半分离。这样可以实现多种目的的谐振器，例如减小谐振器的声波泄露进而提高谐振器Q值，或者通过合理地设计分离部分以调整谐振器谐振模式(如弯曲模式)。半分离形式可以采用悬臂梁结构，如单个悬臂梁(图3a所示)或多个悬臂梁(传统音叉)结构。
如图4a和图4b所示，本发明第四实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器中，石英谐振主体层的部分区域与基底最大限度的整体分离。这样可以实现多种目的的谐振器，例如进一步减小谐振器的声波泄露进而提高谐振器Q值，或者通过合理地设计分离部分以调整谐振器谐振模式(如弯曲模式)。当然，谐振器至少需要有一部分与基底接触以提供机械支撑，支撑结构可以通过电极或者外加的支撑结构实现。图4a所示的实施例为用尽量减小支撑结构与谐振器的接触面积，以最大化地悬空整个谐振器。
如图5a和图5b所示，本发明第五实施例的基于压电薄膜换能的石英谐振器中，基底10的顶部表面具有凹槽，凹槽中设有声学镜20，声学镜20可以为空气腔或者布拉格反射层，基底20之上具有石英谐振主体层60，石英谐振主体层60之上具有压电薄膜换能层40，压电薄膜换能层40之上具有插指形状的第一电极30和第二电极50。
本发明实施方式中提出的压电薄膜换能的石英谐振器可以应用于各种需要的电子设备上。通过压电薄膜换能层和电极实现电能/电学信号与机械能/机械振动之间的转换，同时通过压电薄膜换能层/电极结构与石英谐振主体层的声学耦合将机械能/机械振动耦合至石英谐振主体层，形成谐振器整体。由于石英材料具有极低的声学损耗，保证谐振器具有高Q值；石英材料具有很低的频率温度系数，保证谐振器具有高频率稳定性；机电耦合通过压电薄膜换能层实现，保证谐振器具有高机电耦合系数；不需要在石英谐振主体层的上下两侧同时制备电极，器件制造工艺较容易。
本发明实施方式的电子设备，该电子设备包括本文公开的基于压电薄膜换能的石英谐振器。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，包括：
基底、声学镜、压电薄膜换能层、石英谐振主体层、第一电极和第二电极，其中，所述压电薄膜换能层的机电耦合系数大于石英谐振主体层的机电耦合系数。
2.根据权利要求1所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极分别与所述压电薄膜换能层接触。
3.根据权利要求1所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述压电薄膜换能层的材料为氮化铝、掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂或锆钛酸铅。
4.根据权利要求1所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述压电薄膜换能层的厚度范围为0.01微米至10微米。
5.根据权利要求1所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述石英谐振主体层的厚度为0.1微米至100微米。
6.根据权利要求1所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述基底支撑从下至上依次堆叠的石英谐振主体层、第一电极、压电薄膜换能层和第二电极，所述声学镜为空气腔，所述空气腔位于所述石英谐振主体层下方。
7.根据权利要求1所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述基底的顶部表面具有凹槽，所述基底之上具有从下至上依次堆叠的石英谐振主体层、第一电极、压电薄膜换能层和第二电极，所述凹槽中设有声学镜，所述声学镜为空气腔或者布拉格反射层。
8.根据权利要求7所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述石英谐振主体层的部分区域与所述基底半分离或者整体分离。
9.根据权利要求1至8任一项所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为平板形状。
10.根据权利要求1所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器，其特征在于，所述基底的顶部表面具有凹槽，所述凹槽中设有声学镜，所述声学镜为空气腔或者布拉格反射层，所述基底之上具有石英谐振主体层，所述石英谐振主体层之上具有压电薄膜换能层，所述压电薄膜换能层之上具有插指形状的第一电极和第二电极。
11.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的基于压电薄膜换能的石英谐振器。
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|---|---|---|---|---|
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| WO2023186169A1 (zh) * | 2022-04-01 | 2023-10-05 | 华为技术有限公司 | 谐振器和谐振系统 |
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