CN113206651A - 一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，包括从上至下依次设置的电极层、用于产生力压电效应的压电基底层和衬底层；电极层包括若干个均匀间隔设置于压电基底层上的用于声电转换的电极；压电基底层包括压电基片，压电基底层与衬底层键合；底层包括用于支撑压电基底层的衬底。本发明的机电耦合系数高达30％以上，拓宽了PIMNT材料在声学器件领域的应用，且性能远远优于常规的滤波器。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS谐振器领域，特别是涉及一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器。
背景技术
声表面波滤波器和体声波滤波器由于其插入损耗低、小型化、一致性高等优越特性被广泛的应用于射频前端。随着通信技术的发展，频段数量的不断增加使频谱资源十分的拥挤，滤波器的应用还需要进一步提高通带宽度以满足移动数据传输速率的要求。商业上流行的声表面波滤波器的压电材料为一般为LiTaO3、LiNbO3等，体声波滤波器的压电材料为一般为AlN薄膜，但他们的机电耦合系数较低，难以实现超宽带滤波器。为了实现超宽带的滤波器，最有效的方法是采用高机电耦合系数的压电材料。
铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIMNT)因为其强烈的压电性备受关注，基于PIMNT压电材料的谐振器能取到超大的机电耦合系数,但由于声速较低，谐振器工作频率太低，限制了应用场景。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，解决了本发明的材料声表面波速度较低，限制了应用场景的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本方案提供一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，其包括从上至下依次设置的电极层、用于产生力压电效应的压电基底层和衬底层；
电极层包括若干个间隔均匀设置于压电基底层上用于声电转换的电极；
压电基底层为压电基片，压电基底层与衬底层键合。
衬底层包括用于支撑压电基底层的衬底。
本发明使用了声速更高的兰姆波模态，机电耦合系数高达30％以上。
进一步地，电极的材料为铝。
铝电极用于声电转换。
进一步地，电极的厚度为：0.001λ～0.1λ，其中，λ为声表面波波长。
进一步地，压电基片为θ度Y切X传播的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶。
压电基片具有强烈的压电性，并且能够取到较大的机电耦合系数。
进一步地，压电基片的欧拉角为-20°～60°，厚度为0.01λ～0.3λ，其中，λ为声表面波波长。
压电基片用于实现超宽带的滤波。
进一步地，衬底上设置空气腔。
空气腔用于保持压电基底层下边界自由。
一方面，本方案还提供一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、基于晶圆键合技术方法将衬底(3)与压电基底层键合连接；
S2、采用研磨抛光将压电基底层减薄至预设厚度，并采用化学腐蚀法在衬底背面开设空气腔(4)；
S3、在压电基底层上设置铝电极(1)。
进一步地，步骤S1将欧拉角为(0，20°，0)的压电基片与硅衬底键和。
进一步地，步骤S2将压电基底层减薄至500nm
进一步地，步骤S3在压电基片上制作金属铝电极，金属化率为0.5，宽度为1um，厚度为120nm。
金属铝电极用于声电转换。
本发明的有益效果为：本发明兰姆波谐振器使用了声速更高的兰姆波模态，机电耦合系数高达30％以上，且性能远远优于常规的声表面波和体声波谐振器，拓宽了PIMNT材料在声学器件领域的应用。
附图说明
图1为一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器的结构示意图。
图2为一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器衬底与压电基底层键和后的结构示意图。
图3为一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器将压电基底层减薄后背刻衬底层的谐振器结构示意图。
图4为一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器沉积金属指条后的结构示意图。
图5为一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器的仿真导纳曲线图。
其中，1、电极；2、压电基片；3、衬底；4、空气腔。
具体实施方式
面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的实施例一，如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供的从上至下依次设置的电极层、压电基底层和衬底层。
电极层包括若干个电极1，电极1的厚度为0.001λ～0.1λ，其中，λ为声表面波波长，电极1的材料为铝，用于声电转换。
压电基底层包括压电基片2，压电基片2为θ度Y切X传播的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶(YX-PIMNT)，压电基片2的欧拉角为-20°～60°，厚度为0.01λ～0.3λ，其中，λ为声表面波波长，压电基片2具有强烈的压电性，用于实现超宽带的滤波。
衬底层包括用于支撑的衬底3，衬底3上开设空气腔4，空气腔4用于保持压电基底层下边界自由。
本方案一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，其工作原理为：
当在压电基片上电极的输入端施以交变电信号激励时，就会产生周期分布的电场，由于逆压电效应，在压电介质表面附近会激发相应的弹性形变，从而引起固体质点的振动，形成沿基体表面传播的声表面波。当该频率对应的声波长与电极周期同步时，将激发最强的声表面波，当其它频率对应的声波长与电极周期不同步时，激发的声波由于相位相消总的幅度很小，从而达到选频效果。
根据本申请的实施例二，本方案的一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于晶圆键合技术将衬底3与压电基底层键合连接；
S2、采用研磨抛光将压电基底层减薄至预设厚度，并采用化学腐蚀法在衬底背面开设空气腔4；
S3、在压电基底层上设置铝电极1。
实施例三，本实施例是对实施例二的具体案例，其具体包括：
步骤S1将欧拉角为(0，20°，0)的压电基片2与硅衬底3键和。
步骤S2将压电基底层减薄至500nm。
步骤S3在压电基片上2制作金属铝电极1，金属化率为0.5，宽度为1um，厚度为120nm。
参考图5，为本发明的仿真结果。
本发明兰姆波谐振器使用了声速更高的兰姆波模态，机电耦合系数高达30％以上，且性能远远优于常规的声表面波和体声波谐振器，拓宽了PIMNT材料在声学器件领域的应用。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，其特征在于，包括从上至下依次设置的电极层、用于产生力压电效应的压电基底层和衬底层；
所述电极层包括若干个均匀间隔设置于压电基底层上的用于声电转换的电极(1)；
所述压电基底层包括压电基片(2)，压电基底层与衬底层键合；
所述衬底层包括用于支撑压电基底层的衬底(3)。
2.根据权利要求1所述的一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，其特征在于：所述电极(1)的材料为铝。
3.根据权利要求2所述的一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，其特征在于：所述电极(1)的厚度为0.001λ～0.1λ，其中，λ为声表面波波长。
4.根据权利要求1所述的一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，其特征在于：所述压电基片(2)为θ度Y切X传播的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶。
5.根据权利要求4所述的一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，其特征在于：所述压电基片(2)的欧拉角为-20°～60°，厚度为0.01λ～0.3λ，其中，λ为声表面波波长。
6.根据权利要求1所述的一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器，其特征在于：所述衬底(3)上设置空气腔(4)。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于晶圆键合方法将衬底(3)与压电基底层键合连接；
S2、采用研磨抛光将压电基底层减薄至预设厚度，并采用化学腐蚀法在衬底上开设空气腔(4)；
S3、在压电基底层上设置铝电极(1)。
8.根据权利要求7所述的一种具有高机电耦合系数的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1将欧拉角为(0,20°,0)的压电基片(2)与硅衬底(3)键和。
9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S2将压电基底层减薄至500nm。
10.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S3在压电基片上(2)制作金属铝电极(1)，金属化率为0.5，宽度为1um，厚度为120nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210803 |