CN113131894A - 一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，包括上表面带有凹槽的衬底、位于衬底上方的底电极层、压电层、其特征在于，还包括带有异形空气桥结构的顶电极层，该异形空气桥结构内设有可起到对横向声波回弹作用并提升薄膜体声波谐振器品质因数的声回弹结构；所述声回弹结构的材质为SiC与钙钛矿组合的薄膜介质或SiN与钙钛矿组合的薄膜介质；声回弹结构为与异形空气桥结构的桥腔相向的多面体并以卧式紧贴在压电层的上方，声回弹结构的上方与异形空气桥结构的桥腔悬空结构之间留有空气间隙，声回弹结构的左侧面和右侧面分别与异形空气桥结构的桥腔支撑结构相邻的内侧面的凹槽紧贴。本发明能够显著提升薄膜体声波谐振器的品质因数。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜体声波器件，特别是一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构。
背景技术
随着无线通信技术及智能手机的发展，射频前端对元器件性能指标、集成度的要求越来越高。基于薄膜体声波器件的射频前端滤波器、双工器、多工器因其具有小体积、低插损、快速滚降、低功耗等优点，已被广泛使用于智能手机、通信终端、以及通信基站中，并将于未来应用于车联网、工业控制等物联网终端的通信设备中。此外，基于薄膜体声波器件的振荡器在高速串行数据设备如SATA硬盘驱动器、USB3.0标准PC外设、C-type接口、光线收发器等中极具应用价值。
典型的薄膜体声波谐振器包括位于衬底上方的声回弹层、位于声回弹层上方的底电极层、位于底电极层上方的压电层，以及位于压电层上方的顶电极层。声回弹层的两种常见构形分别是，空气腔结构或者由高声阻抗层和低声阻抗层交叠而成的多层复合结构。惯用的空气腔结构的形成方法是，先沉积一层牺牲层材料，当器件其它各层加工完成后，对牺牲层材料进行释放，留下的空间即可形成空腔。
当在薄膜体声波谐振器的上、下电极施加交变电压时，压电层薄膜在外电场作用下会发生纵向形变，产生纵向传播和振动的体声波。该体声波会在薄膜体声波谐振器的上、下表面被回弹回来，形成压电层体内的驻波，从而产生谐振。该声波谐振经由压电层薄膜的压电效应，会在上、下电极层之间形成可测量的电信号，即体声波谐振器的谐振电信号。该信号包含谐振频率、振幅、相位等信息。此外，为了提升薄膜体声波谐振器的表面抗氧化、功率耐受、机械强度、频率温度稳定等性能，还可能在上述基本结构的基础上，添加额外的材料层及结构。
在薄膜体声波谐振器的层叠结构中设置空气桥结构，尤其是在底部声反射腔和上、下电极层的重叠区域的边界处设置空气桥结构，有利于减少声能量向衬底的泄露，从而提升谐振器的品质因数，参见美国专利US20140225683A1。但是，该技术方案中的声波能量仍有一部分会以空气桥结构为媒介泄露至外部区域，对谐振器的品质因数仍有较大的损害。因此，如何克服现有技术所存在的不足已成为当今薄膜体声波器件技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，本发明通过设置声回弹结构，在水平方向形成额外的声阻抗不匹配界面，从而对通过空气桥结构传播的横向声波起到回弹作用，显著提升薄膜体声波谐振器的品质因数。
根据本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，包括上表面带有凹槽的衬底、位于衬底上方的底电极层、压电层，其特征在于，还包括带有异形空气桥结构的顶电极层，所述异形空气桥结构内设有可起到对横向声波回弹作用并提升薄膜体声波谐振器品质因数的声回弹结构；所述异形空气桥结构的一个方向的边界位于所述凹槽以内，另一个方向的边界延伸到凹槽的边界以外；所述声回弹结构与压电层紧贴，形成水平传播方向的声阻抗不匹配界面；所述声回弹结构的材质为SiC与钙钛矿组合的薄膜介质或SiN与钙钛矿组合的薄膜介质；其中，所述异形空气桥结构是指其桥腔支撑结构的内侧面设有凹槽并在相向对称的外侧面设有与凹槽尺寸相等的凸起；所述声回弹结构与压电层紧贴是指，所述声回弹结构为与异形空气桥结构的桥腔相向的多面体并以卧式紧贴在压电层的上方，所述声回弹结构的上方与异形空气桥结构的桥腔悬空结构之间留有空气间隙，所述声回弹结构的左侧面和右侧面分别与异形空气桥结构的桥腔支撑结构相邻的内侧面的凹槽紧贴。
本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构,是对空气桥结构的桥腔支撑结构内侧面无凹槽的高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构的进一步改进和提高性能。本发明的基本结构和优化结构将在本发明的实施例1-3中详细说明。
本发明与现有技术相比其显著优点是：
第一，本发明的高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构是在空气桥结构内施加水平方向的声回弹结构，该声回弹结构在空气桥结构的水平方向上形成额外的声阻抗区间，不同区间内的声阻抗由于该水平声回弹结构的引入而产生差异，从而对通过空气桥结构的水平方向传播的声波产生回弹作用，大大减少了声波向空气桥结构的以外区域的传播、泄露，从而显著地提升了薄膜体声波谐振器的品质因数。
第二，本发明的高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构，其声回弹结构的厚度与其材质声阻抗的乘积大于空气桥结构的厚度与其材质声阻抗的乘积，此时经由空气桥结构泄露的声波能量将降低至原先的33%以内。
第三，本发明的高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构，其声回弹结构的材质确定为SiC与钙钛矿组合的薄膜介质或SiN与钙钛矿组合的薄膜介质，能够满足薄膜介质具有低损耗、高Q值和良好的压电性。
第四，本发明的高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构不仅具有上述本发明基本结构的全部优点，而且还具有更优异的高品质因数。本发明的高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，是将所述声回弹结构的左侧面和右侧面分别与异形空气桥结构的桥腔支撑结构相邻的内侧面的凹槽紧贴，从而使得异形空气桥结构的内侧面发生形状改变，形成不连续厚度的异形空气桥结构的内侧面，相当于增加了一级横向的声回弹结构，能够使得经由异形空气桥结构泄露的声波能量进一步降低至原先的20%以内。同时，声回弹结构紧贴被减薄的异形空气桥结构凹槽的侧壁部分，因此能够补偿因减薄而降低的空气桥结构强度，使得异形空气桥结构仍保持很好的结构强度。
附图说明
图1A为一种薄膜体声波谐振器的基本结构示意图。
图1B为图1A所示的一种薄膜体声波谐振器基本结构的声阻抗的路径示意图。
图2A为本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构示意图。
图2B为图2A所示的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构的声阻抗的路径示意图。
图3A为本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构示意图。
图3B为图3A所示的是本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器优选结构的声阻抗的路径示意图。
图4为未设置空气桥结构的薄膜体声波谐振器的性能测试参数示意图。
图5为设置空气桥结构的薄膜体声波谐振器的性能测试参数示意图。
图6为本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构的性能测试参数示意图。
图7为本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构的性能测试参数示意图。
附图中的A、B、C或D 符号代表声阻抗，其定义说明如下：
A为顶电极层5与压电层4部分表面组成的两层复合结构的声阻抗。
B为空气桥结构6单层结构的声阻抗。
C为空气桥结构6、声回弹结构7与压电层4部分表面组成的三层复合结构的声阻抗。
D为异形空气桥结构10、声回弹结构7与压电层4部分表面组成的三层复合结构的声阻抗。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
结合图1A和图1B，一种薄膜体声波谐振器的基本结构，它包括一个带有空气桥结构6的顶电极层5，所述顶电极层5中的声波由桥腔中心区域向外传播的路径中，先由声阻抗A传播到空气桥结构6的声阻抗B，再传播到薄膜体声波谐振器以外的声阻抗A区域。在声波传播的路径中，作为传播介质的顶电极层5及相邻传播介质的压电层4的材料声阻抗值和厚度、结构都会影响传播结构中的声阻抗。具体是：空气桥结构6的桥腔悬空区域的传播结构为顶电极层5及位于顶电极层5下面的压电层4，将该结构中的声阻抗值定义为A；当声波由顶电极层5传入空气桥结构6时，空气桥结构6的声阻抗仅有顶电极层5本身构成，其声阻抗值定义为B；因此在空气桥结构6和桥腔悬空区域的交界处S1形成一个阻抗不匹配界面，声波在该界面上会形成水平方向的回弹，部分原本会进入空气桥结构6的能量将被回弹至桥腔悬空的有效谐振区域，因此薄膜体声波谐振器的品质因数会增加。同理，在声波由空气桥结构6传出进入外围区域的界面S2处，声波也将回弹回空气桥结构6，减少能量向外界区域的传播，因此薄膜体声波谐振器的品质因数会增加。但该基本结构方案中的声波能量仍有一部分会以空气桥结构6为媒介泄露至外部区域，对薄膜体声波谐振器的品质因数仍有较大的损害。
实施例1。结合图2A和图2B，本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构，它包括上表面带有凹槽2的衬底1、位于衬底1上方的底电极层3、压电层4、带有空气桥结构6的顶电极层5，其中所述空气桥结构6内设有可起到对横向声波回弹作用并提升薄膜体声波谐振器品质因数的声回弹结构7；所述空气桥结构6的一个方向的边界位于所述凹槽2以内，另一个方向的边界延伸到凹槽2的边界以外；所述声回弹结构7与压电层4紧贴，形成水平传播方向的声阻抗不匹配界面；所述声回弹结构7的材质为薄膜介质；其中，所述声回弹结构7与压电层4紧贴是指，所述声回弹结构7为与空气桥结构6的桥腔相向的多面体并以卧式紧贴在压电层4的上方，所述声回弹结构7的上方与空气桥结构6的桥腔悬空结构之间留有空气间隙8，所述声回弹结构7的左侧面和右侧面分别与空气桥结构6的桥腔支撑结构相邻的内侧面紧贴。空气桥结构6与声回弹结构7紧贴的区域，声阻抗不同于A和B，定义为C；声波在由声阻抗为A的区域向右依次传播到声阻抗分别为C、B、C、A的区域，分别遇到声阻抗界面S11、S31、S41、S21，声波经历多次由于界面声阻抗不同产生的回弹，因此经由空气桥结构泄露至外部区域的声波能量得以减少。其中，所述声回弹结构7的材质优选为SiC与钙钛矿组合的薄膜介质或SiN与钙钛矿组合的薄膜介质。
实施例2。结合图3A和图3B，本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的的优选结构，它包括上表面带有凹槽2的衬底1、位于衬底1上方的底电极层3、压电层4，还包括带有异形空气桥结构10的顶电极层5，所述异形空气桥结构10内设有可起到对横向声波回弹作用并提升薄膜体声波谐振器品质因数的声回弹结构7；所述异形空气桥结构10的一个方向的边界位于所述凹槽2以内，另一个方向的边界延伸到凹槽2的边界以外；所述声回弹结构7与压电层4紧贴，形成水平传播方向的声阻抗不匹配界面；所述声回弹结构7的材质为SiC与钙钛矿组合的薄膜介质或SiN与钙钛矿组合的薄膜介质；其中，所述异形空气桥结构10是指其桥腔支撑结构的内侧面设有凹槽并在相向对称的外侧面设有与凹槽尺寸相等的凸起；所述声回弹结构7与压电层4紧贴是指，所述声回弹结构7为与异形空气桥结构10的桥腔相向的多面体并以卧式紧贴在压电层4的上方，所述声回弹结构7的上方与异形空气桥结构10的桥腔悬空结构之间留有空气间隙8，所述声回弹结构7的左侧面和右侧面分别与异形空气桥结构10的桥腔支撑结构相邻的内侧面的凹槽9紧贴。异形空气桥结构10的内侧面凹槽9与声回弹结构7紧贴的区域，声阻抗不同于A和B和C，定义为D。声波在由声阻抗为A的区域向右依次传播到声阻抗分别为D、B、D、A的区域，分别遇到声阻抗界面S11、S51、S61、S21，声波经历多次由于界面声阻抗不同产生的回弹，因此经由异形空气桥结构泄露至外部区域的声波能量得以减少。
本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器基本结构和优选结构的进一步优选方案是：
所述薄膜介质中的SiC与钙钛矿的质量比为4:1。
所述薄膜介质中的SiN与钙钛矿的质量比为4:1。
所述SiC和钙钛矿组合的薄膜介质中掺杂稀土元素镱（Yb）、铕（Eu）中的一种或两种。
所述SiN和钙钛矿组合的薄膜介质中掺杂稀土元素镱（Yb）、铕（Eu）中的一种或两种。
所述压电层4的材质与声回弹结构7的材质相同。
所述空气桥结构6或异形空气桥结构10的桥腔高度为10nm至2um（如选择10nm、50nm、150nm、200nm、300nm、1um或2um等），所述空气桥结构6或异形空气桥结构10的桥腔宽度为1um至15um（如选择1um、5um、8um、10um或15um等）。
所述声回弹结构7的厚度与其材质声阻抗的乘积大于空气桥结构6或异形空气桥结构10的厚度与其材质声阻抗的乘积。其中：所述声回弹结构7的厚度是指：组成声回弹结构7的薄膜介质的厚度，即其最上表面到最下表面的距离。
所述空气桥结构6或异形空气桥结构10的形状由顶电极层5直接构成。
本发明的基本结构和优选结构的实现原理及有益效果是：结合图2A与图2B，在本发明的基本结构方案中，包括一个带有空气桥结构6的顶电极层5，进一步包括一个紧贴压电层4的声回弹结构7，所述声回弹结构7的两端与空气桥结构6两侧支撑结构紧贴，但与空气桥结构6的中心悬空结构之间仍留有空气间隙。由于声回弹结构7的引入，在空气桥结构6的下方产生了一个声阻抗不同于A、B的区域，声阻抗值定义为C，并在S11/S21两个边界的基础上，进一步分割出了两个阻抗不连续边界S31和S41，当声波传播至在S31和S41边界时，会产生声回弹。本发明的基本结构与图1A和图1B所示的基本结构相比，声波能量被更多地回弹至中心的有效谐振区域，因此薄膜体声波谐振器的品质因数会增加。如以所述声回弹结构7的厚度与其材质声阻抗的乘积大于空气桥结构6的厚度与其材质声阻抗的乘积为例，此时经由空气桥结构6泄露的声波能量将降低至原先的33%。同理，结合图3A与图3B，在本发明的优选结构方案中，如采用所述声回弹结构7的左侧面和右侧面与异形空气桥结构10的桥腔支撑结构相邻的内侧面的凹槽9紧贴，能够在异形空气桥结构10的下方产生了一个声阻抗不同于A、B、C的区域，声阻抗值定义为D，并在S11/S21两个边界的基础上，进一步分割出了两个阻抗不连续边界S51和S61,当声波传播至在S51和S61边界时，会产生声回弹,能够使得经由异形空气桥结构10泄露的声波能量将降低至原先的20%以内。同时，声回弹结构7紧贴异形空气桥结构12或空气桥结构6被减薄的侧壁部分，因此能够补偿因减薄而降低的空气桥结构强度，使得空气桥结构仍保持很好的结构强度。
下面进一步从原理上来分析抑制声波能量横向泄露对提升Q值的作用效果。
薄膜体声波谐振器的Q值是声波能量泄露的占声波总能量百分比的倒数。例如，未设置空气桥结构6前，约1/2000的声波能量向衬底1泄露，约1/2000的声波能量由顶电极5的边缘向外横向泄露，两者总和约为1/1000的声波能量，因此未设置空气桥结构6的薄膜体声波谐振器的Q值约为1000。
设置如图1A与图1B所示的薄膜体声波谐振器空气桥结构6后，由顶电极5的边缘向外横向泄露的能量降低为原先的约1/2，即约1/4000声波能量，因此泄露的总声波能量约为1/4000+1/2000=1/1333，因此如图1A与图1B所示的薄膜体声波谐振器的Q值约为1333，与未设置空气桥结构6的薄膜体声波谐振器相比，其Q值提升了约333，提升超过30%。
设置如图2A与图2B所示的本发明实施例1基本结构后，由顶电极5的边缘向外横向泄露的能量降低为原先的约1/3，即约1/6000声波能量，因此泄露的总声波能量约为1/6000+1/2000=1/1500，因此如图2A与图2B所示的薄膜体声波谐振器的Q值约为1500，与未设置空气桥结构6的薄膜体声波谐振器相比，其Q值提升了约500，提升了50%。
设置如图3A与图3B所示的本发明实施例2优选结构后，由顶电极5的边缘向外横向泄露的能量降低为原先的约1/4以内，即小于约1/8000声波能量，因此泄露的总声波能量约为少于1/8000+1/2000=1/1600，因此如图3A与图3B所示的薄膜体声波谐振器的Q值约为至少1600，与未设置空气桥结构6的薄膜体声波谐振器相比，其Q值提升了约至少600，提升了60%。
实施例3。下面以一款具体的2.6GHz薄膜体声波谐振器为例，将上述结构通过仿真设计结果来验证分析本发明对于提升薄膜体声波谐振器Q值的实际效果。
图4是未设置空气桥结构的薄膜体声波谐振器的性能测试参数示意图。图5是设置空气桥结构的薄膜体声波谐振器的性能测试参数示意图。图6是本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的基本结构的性能测试参数示意图。图7是本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构的性能测试参数示意图。在图4所示的未设置空气桥结构的薄膜体声波谐振器的仿真设计结果中，薄膜体声波谐振器的Q值为1065.762；图5所示的是设置如图1A和图1B所示结构的薄膜体声波谐振器的Q值为1430.836，提升了34%；图6所示的是设置如图2A和图2B所示基本结构的高品质因数的薄膜体声波谐振器的Q值为1630.005，提升了53%；图7所示的是设置如图3A与图3B所示优选结构的高品质因数的薄膜体声波谐振器的Q值为1746.946，提升了64%。从本发明与现有技术的性能测试参数比较可以看出，本发明通过设置声回弹结构7，在水平方向形成额外的声阻抗不匹配界面，从而对通过空气桥结构6或异形空气桥结构10传播的横向声波起到回弹作用，能够显著提升薄膜体声波谐振器的品质因数。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经仿真测试验证，取得了满意的性能提升效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (9)
1.一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，包括上表面带有凹槽（2）的衬底（1）、位于衬底（1）上方的底电极层（3）、压电层（4），其特征在于，还包括带有异形空气桥结构（10）的顶电极层（5），所述异形空气桥结构（10）内设有可起到对横向声波回弹作用并提升薄膜体声波谐振器品质因数的声回弹结构（7）；所述异形空气桥结构（10）的一个方向的边界位于所述凹槽（2）以内，另一个方向的边界延伸到凹槽（2）的边界以外；所述声回弹结构（7）与压电层（4）紧贴，形成水平传播方向的声阻抗不匹配界面；所述声回弹结构（7）的材质为SiC与钙钛矿组合的薄膜介质或SiN与钙钛矿组合的薄膜介质；其中，所述异形空气桥结构（6）是指其桥腔支撑结构的内侧面设有凹槽并在相向对称的外侧面设有与凹槽尺寸相等的凸起；所述声回弹结构（7）与压电层（4）紧贴是指，所述声回弹结构（7）为与异形空气桥结构（10）的桥腔相向的多面体并以卧式紧贴在压电层（4）的上方，所述声回弹结构（7）的上方与异形空气桥结构（10）的桥腔悬空结构之间留有空气间隙（8），所述声回弹结构（7）的左侧面和右侧面分别与异形空气桥结构（10）的桥腔支撑结构相邻的内侧面的凹槽（9）紧贴。
2.根据权利要求1所述的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，其特征在于，所述薄膜介质中的SiC与钙钛矿的质量比为4:1。
3.根据权利要求1所述的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，其特征在于，所述薄膜介质中的SiN与钙钛矿的质量比为4:1。
4.根据权利要求1或2所述的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，其特征在于，所述SiC和钙钛矿组合的薄膜介质中掺杂稀土元素镱（Yb）、铕（Eu）中的一种或两种。
5.根据权利要求1或3所述的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，其特征在于，所述SiN和钙钛矿组合的薄膜介质中掺杂稀土元素镱（Yb）、铕（Eu）中的一种或两种。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，其特征在于，所述压电层（4）的材质与声回弹结构（7）的材质相同。
7.根据权利要求6所述的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，其特征在于，所述异形空气桥结构（10）的桥腔高度为10nm至2um，所述异形空气桥结构（10）的桥腔宽度为1um至15um。
8.根据权利要求7所述的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，其特征在于，所述声回弹结构（7）的厚度与其材质声阻抗的乘积大于异形空气桥结构（10）的厚度与其材质声阻抗的乘积。
9.根据权利要求8所述的一种高品质因数的薄膜体声波谐振器的优选结构，其特征在于，所述异形空气桥结构（10）的形状由顶电极层（5）直接构成。
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