CN113452340B - 一种体声波谐振器及改进其聚能结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体声波谐振器及改进其聚能结构的方法,该体声波谐振器包括衬底、底电极层、压电层、顶电极层及聚能框架结构;所述聚能框架结构根据等效声阻抗要求可调,所述聚能框架结构根据等效阻抗要求调整时,包括:根据等效声阻抗要求选择聚能框架结构的材料;根据选定的材料调整聚能框架结构各部分的长度。本发明实现了聚能结构长度和材料的灵活选择,便于谐振器整体结构调整。同时可以在满足声阻抗失配的条件下,优选合适的框架结构,实现多种寄生模态声波的反射,达到提高谐振器品质因数的目的。
Description
技术领域
本发明涉及射频滤波器领域,尤其涉及一种体声波谐振器及改进其聚能结构的方法。
背景技术
近年来,随着无线通信的快速发展,对滤波器件需求量急剧增加,对器件的微型化、高频化、集成化提出了更高要求。薄膜体声波谐振器(FBAR)作为滤波器件的基本构件,由于结构的先天优势,其具有小体积实现高性能的特点,并且基于硅基可实现芯片集成。作为滤波基本元件,薄膜体声波谐振器还具有较高品质因子(Q),有效提高了滤波器件的工作性能。但是实际器件中,谐振器电极侧面与外围隔离材料直接接触,由于接触面的声反射系数较小,部分能量通过电极侧面逃逸,导致谐振器Q值下降。
提高谐振器品质因子的传统优化方法是基于布拉格反射栅的原理,如图1所示,在顶电极6两侧或多侧放置布拉格声反射镜7。此方法是通过使用声反射镜调整电极内外两侧声阻抗的阻抗比,达到提高接触面的反射系数以约束能量,但是该方法要求反射镜的长度必须要满足四分之一波长奇数倍的要求。因此,采用声反射镜的传统方法在实际应用过程中缺乏结构调整的灵活性。
发明内容
因此,本发明的目的在于提供一种体声波谐振器及改进其聚能结构的方法。打破了传统结构长度是四分之一波长奇数倍的限制,实现聚能结构长度和材料的灵活选择,便于谐振器整体结构调整,为研制高性能谐振器提供新的方法和途径。
为了实现上述目的,本发明一方面实施例提供一种体声波谐振器,由下至上依次包括衬底、底电极层、压电层、顶电极层及聚能框架结构;所述聚能框架结构根据等效声阻抗要求可调,所述聚能框架结构包括主要谐振区域Ⅰ、框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ、外部区域Ⅳ;所述框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ的长度和材质,根据聚能框架结构的等效声阻抗要求可调。。
优选的,所述衬底上刻蚀有空腔或布拉格反射镜。
在上述任意一项实施例中优选的,所述空腔中填充牺牲材料,所述牺牲材料包括SiO2、磷硅玻璃、非晶硅、金属材料或有机聚合物。
在上述任意一项实施例中优选的,所述聚能框架的材质包括金属、合金或介电材料。
在上述任意一项实施例中优选的,所述空腔中填充牺牲材料,所述牺牲材料包括SiO2、磷硅玻璃、非晶硅、金属材料或有机聚合物。
在上述任意一项实施例中优选的,所述支撑层为介质薄膜,用于提供电极之间的电气隔离,所述支撑层的材料为硬质化合物或高硬度金属;所述硬质化合物包括Si3N4、AlN、Al2O3、SiC或SiO2;所述高硬度金属包括W或Mo。
在上述任意一项实施例中优选的,所述顶电极层的水平面积小于底电极层的水平面积,且顶电极形状不规则、对边不平行。
本发明还提供一种改进体声波谐振器聚能结构的方法,应用于上述体声波谐振器,所述聚能框架结构根据等效阻抗要求调整时,包括:根据等效声阻抗要求选择聚能框架结构的材料;根据选定的材料调整聚能框架结构各部分的长度。
在上述任意一项实施例中优选的,所述聚能框架结构的材料至少包括两种,两种材料密度不同。
在上述任意一项实施例中优选的,根据选定的材料调整聚能框架结构的长度时,包括:根据选定材料的密度按照如下公式调整聚能框架结构各部分的长度,所述各部分包括主要谐振区域Ⅰ、框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ、外部区域Ⅳ;
其中:L1和L2分别为框架区域Ⅱ和区域Ⅲ的长度,是某种寄生模态的声速,Z4是区域Ⅳ的特征声阻抗;ρ2为框架区域Ⅱ的材料密度、ρ3为框架区域Ⅲ的材料密度。
本发明提供的体声波谐振器及改进其聚能结构的方法,相比于现有技术,至少具有以下优点:
1、本发明提供的体声波谐振器,聚能结构可以进行材料和长度的调整,达到等效阻抗的要求,实现聚能结构长度和材料的灵活选择,便于谐振器整体结构调整,实现了可以在满足声阻抗失配的条件下,优选合适的框架结构,实现多种寄生模态声波的反射,达到有效提高谐振器品质因数的目的。
2、本发明提供的体声波谐振器,在衬底上刻蚀空腔,并在空腔中填充牺牲材料,利用牺牲材料的良好刻蚀性及化学抛光性,方便进一步生长支撑层。
附图说明
图1为本发明背景技术中提供的谐振器的示意图;
图2为本发明实施例提供的体声波谐振器结构示意图。
图中:
1、衬底;2、空腔;3、支撑层;4、底电极层;5、压电层;6、顶电极层;7、声反射镜;8、聚能框架结构;Ⅰ、主要谐振区域;Ⅱ、框架区域;Ⅲ、中间区域;Ⅳ、外部区域;
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图2所示,本发明一方面实施例提供的一种体声波谐振器,由下至上依次包括衬底1、支撑层3、底电极层4、压电层5、顶电极层6及聚能框架结构8;所述聚能框架结构8根据等效声阻抗要求可调。
具体的,所述聚能框架结构8包括主要谐振区域Ⅰ、框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ、外部区域Ⅳ;所述框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ的长度和材质,根据聚能框架结构8的等效声阻抗要求可调。聚能框架结构可以为阶梯型、凹凸曲线型、倾斜型等。聚能框架结构为阶梯型时,框架结构包括单阶框架和多阶框架
对于衬底,为了减小器件电气损耗以及半导体工艺集成,选用高阻硅,电阻率在10K以上,需要在衬底上刻蚀有空腔2,并在空腔2中填充牺牲材料,牺牲材料包括但不限于SiO2、磷硅玻璃、非晶硅、金属材料或有机聚合物等。
所述衬底之上具有空气腔或布拉格反射镜,或者基于本发明方法实现的声反射结构。
所述支撑层位于衬底之上,或者在具有布拉格反射镜和基于本发明方法实现的声反射结构时不采用支撑层。
所述支撑层为介质薄膜,用于提供电极之间的电气隔离,所述支撑层的材料为硬质化合物或高硬度金属;所述硬质化合物包括Si3N4、AlN、Al2O3、SiC或SiO2;所述高硬度金属包括W或Mo。
底电极层4的电极材料要求低电阻率、高声阻抗以及高热导率等。在本发明的实施例中电极材料为Al、Cu、Au、Ti、Mo、W、Pt、Ni等;底电极层4在上生长压电层5,压电层5的压电薄膜要求低应力、低介质损耗、高机电耦合系数等。在本发明的实施例中压电材料包括AlN、ZnO、PZT、ScAlN、氮化铝铒(Al ErN)、钛酸锶钡(Ba SrTiO3)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等压电单晶或多晶薄膜。
所述顶电极层的水平面积小于底电极层的水平面积,且顶电极形状不规则、对边不平行。所述聚能框架的材质包括金属、合金或介电材料。
本发明还提供一种改进体声波谐振器聚能结构的方法,应用于上述体声波谐振器,所述聚能框架结构根据等效阻抗要求调整时,包括:根据等效声阻抗要求选择聚能框架结构的材料;根据选定的材料调整聚能框架结构各部分的长度。
所述聚能框架结构的材料至少包括两种,两种材料密度不同。根据选定的材料调整聚能框架结构的长度时,包括:根据选定材料的密度调整聚能框架结构各部分的长度,所述各部分包括主要谐振区域Ⅰ、框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ、外部区域Ⅳ;由Mass-spring模型可知,单位横截面积框架区域等效声阻抗可表示为:
其中:L1和L2分别为框架区域Ⅱ和区域Ⅲ的长度,是某种寄生模态的声速,Z4是区域Ⅳ的特征声阻抗;ρ2为框架区域Ⅱ的材料密度、ρ3为框架区域Ⅲ的材料密度。
其中,可以通过调节区域Ⅱ和区域Ⅲ的长度或者更换对应区域的材料以达到调整框架区域等效声阻抗的目的。
如图2所示,通过上述设计方法,采用本发明的一种具体实施案例进行具体使用说明,本实施案例中,区域Ⅱ框架材料选用parylene,区域Ⅲ框架材料选用金属钨,框架外围(区域Ⅳ)材料为二氧化硅。H表示聚能框架高度;聚能结构横截面的宽度与谐振器横截面宽度一致,取单位长度,聚能框架高度为403nm。计算使用的参数如表1所示。
表1材料及参数
结合公式(1)可以设计出与对比案例同样效果的聚能框架尺寸。当区域Ⅲ框架长度L2=80nm时,区域Ⅱ框架长度L1=256nm;当区域Ⅲ框架长度L2=100nm时,区域Ⅱ框架长度L1=320nm;当区域Ⅲ框架长度L2=120nm时,区域Ⅱ框架长度L1=384nm;因此本设计方法相比于传统方法,对于框架结构的设计更加灵活。
对比实例
该对比案例采用传统声反射镜结构,如图1所示。该结构中声反射镜区域c的材料为金属钨,区域b的材料为金属钨和其上方的空气。声反射镜外围(区域d)材料为二氧化硅。声反射镜横截面的宽度与谐振器横截面宽度一致,取单位长度,且声镜内侧高度为外侧高度H的一半,λ为横向声波波长,计算使用的参数如表2所示。
表2材料及参数
由此可得区域b的等效声阻抗为67.7MRal,区域c的等效声阻抗为135.4MRal,区域d的声阻抗为12.5MRal。则传统声反射镜的等效声阻抗为:
其中Zi代表各区域的特征声阻抗。由此可以看出,对于给定的等效阻抗ZABR,图2所示的实施例中,区域Ⅲ框架长度、区域Ⅱ框架长度可以有多种组合,实现了聚能框架宽度的灵活调整。
本发明方法的优势在于,聚能结构的尺寸不再受制于四分之一波长,而可以在通过选择不同材料以及设计框架区域Ⅱ和区域Ⅲ长度达到某个确定的等效声阻抗。因此,在满足实际使用要求的条件下,本发明的方法聚能框架宽度可以灵活调整,有利于谐振器的整体结构设计。
显然,上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种体声波谐振器,其特征在于,由下至上依次包括衬底、底电极层、压电层、顶电极层及聚能框架结构;所述聚能框架结构根据等效声阻抗要求可调;所述聚能框架结构包括主要谐振区域Ⅰ、框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ、外部区域Ⅳ;所述框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ的长度和材质,根据聚能框架结构的等效声阻抗要求可调;
根据选定的材料调整聚能框架结构的长度时,包括:
根据选定材料的密度按照如下公式调整聚能框架结构各部分的长度,所述各部分包括主要谐振区域Ⅰ、框架区域Ⅱ和中间区域Ⅲ、外部区域Ⅳ;
其中:L1和L2分别为框架区域Ⅱ和区域Ⅲ的长度,υ2是某种寄生模态的声速,Z4是区域Ⅳ的特征声阻抗;ρ2为框架区域Ⅱ的材料密度、ρ3为框架区域Ⅲ的材料密度。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器,其特征在于,所述衬底上刻蚀有空腔或布拉格反射镜。
3.根据权利要求2所述的体声波谐振器,其特征在于,所述空腔中填充牺牲材料,所述牺牲材料包括SiO2、磷硅玻璃、非晶硅、金属材料或有机聚合物。
4.根据权利要求1所述的体声波谐振器,其特征在于,所述聚能框架的材质包括金属、合金或介电材料。
5.根据权利要求1所述的体声波谐振器,其特征在于,所述衬底上设有支撑层。
6.根据权利要求5所述的体声波谐振器,其特征在于,所述支撑层为介质薄膜,用于提供电极之间的电气隔离,所述支撑层的材料为硬质化合物或高硬度金属;所述硬质化合物包括Si3N4、AlN、Al2O3、SiC或SiO2;所述高硬度金属包括W或Mo。
7.根据权利要求1所述的体声波谐振器,其特征在于,所述顶电极层的水平面积小于底电极层的水平面积,且顶电极形状不规则、对边不平行。
8.一种改进体声波谐振器聚能结构的方法,应用于上述权利要求1-7中任意一项所述的体声波谐振器,其特征在于,所述聚能框架结构根据等效阻抗要求调整时,包括:
根据等效声阻抗要求选择聚能框架结构的材料;
根据选定的材料调整聚能框架结构各部分的长度。
9.根据权利要求8所述的改进体声波谐振器聚能结构的方法,其特征在于,所述聚能框架结构的材料至少包括两种,两种材料密度不同。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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