CN113630101A - 固态装配型横向振荡声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固态装配型横向振荡声波谐振器,所述声波谐振器包括:小散射角支撑衬底;压电层,形成于所述小散射角支撑衬底的上表面,所述压电层包括:横向谐振结构及凹槽结构,所述凹槽结构形成于所述横向谐振结构的两侧;少数量/小占空比图案化电极,形成于所述横向谐振结构的上表面;其中,在对所述少数量/小占空比图案化电极施加电势时,所述声波谐振器在所述横向谐振结构中激发并产生多阶模式响应的等间距高次谐波。通过本发明提供的固态装配型横向振荡声波谐振器,实现了声波谐振器在接收器相关器件定义的频率上具有等距谐振。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件技术领域,特别是涉及一种固态装配型横向振荡声波谐振器。
背景技术
微型高效跳频扩频通信系统是物联网(IoT)中比较有使用前景的一种通信方案,它使用与信息无关的伪随机调制码来将信号能量扩展到比信息带宽大得多的带宽上;在这种方案中,通过以发射机和接收机双方都知道的伪随机序列将载波快速切换到不同的频率来发送信号,由于其伪随机调制码,跳频扩频对共享相同频带的常规固定频率传输几乎不产生干扰。
典型的跳频扩频通信系统需要一个低功率跳频振荡器,该振荡器可以随时间输出相位连续的频率;为实现快速改变振荡频率,它要求谐振器在接收器相关器件定义的频率上具有等距谐振;此外,高优值(FoM=Q*kt 2)和低动态阻抗是降低振荡器功耗的必备条件。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种固态装配型横向振荡声波谐振器,用于实现声波谐振器在接收器相关器件定义的频率上具有等距谐振。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种固态装配型横向振荡声波谐振器,所述声波谐振器包括:
小散射角支撑衬底;
压电层,形成于所述小散射角支撑衬底的上表面;所述压电层包括:横向谐振结构及凹槽结构,所述凹槽结构形成于所述横向谐振结构的两侧;
少数量/小占空比图案化电极,形成于所述横向谐振结构的上表面;
其中,在对所述少数量/小占空比图案化电极施加电势时,所述声波谐振器在所述横向谐振结构中激发并产生多阶模式响应的等间距高次谐波。
可选地,所述少数量/小占空比图案化电极的数量为2根-6根,其占空比为5%-20%,所述占空比为电极覆盖面积与横向谐振结构表面积的比值。
可选地,通过所述少数量/小占空比图案化电极的数量及/或占空比来调节多阶模式响应下的模式阶数、响应频带、谐振强度及机电耦合系数;其中,所述少数量/小占空比图案化电极的数量与模式阶数负相关,与响应频带负相关,与谐振强度正相关,与机电耦合系数正相关;所述少数量/小占空比图案化电极的占空比与模式阶数负相关,与响应频带负相关,与谐振强度正相关,与机电耦合系数正相关。
可选地,在所述少数量/小占空比图案化电极的中心与所述横向谐振结构的中心重合时,通过所述少数量/小占空比图案化电极的数量来调节多阶模式响应下的模式类型;其中,在所述少数量/小占空比图案化电极的数量为奇数根时,多阶模式响应下的模式类型均为偶次阶;在所述少数量/小占空比图案化电极的数量为偶数根时,多阶模式响应下的模式类型均为奇次阶。
可选地,在所述少数量/小占空比图案化电极的中心与所述横向谐振结构的中心不重合时,多阶模式响应下的模式类型包括偶次阶和奇次阶;且随着所述少数量/小占空比图案化电极的中心与所述横向谐振结构的中心的距离增大,多阶模式响应下的模式阶数增多,机电耦合系数减小。
可选地,通过所述横向谐振结构的长度来调节多阶模式响应下的模式阶数、相邻模式间距及机电耦合系数;其中,所述横向谐振结构的长度与模式阶数正相关,与相邻模式间距负相关,与机电耦合系数负相关。
可选地,通过所述声波谐振器的厚度波长比来调节多阶模式响应下的响应频带、谐振强度及机电耦合系数;其中,厚度波长比与响应频带、谐振强度及机电耦合系数均正相关。
可选地,目标声波的波长与少数量/小占空比图案化电极的叉指周期共同决定多阶模式响应下等间距高次谐波的中心频率,三者满足公式fc=v/2λ,其中,fc表示为多阶模式响应下等间距高次谐波的中心频率,v表示为目标声波的波长,λ表示为少数量/小占空比图案化电极的叉指周期。
可选地,所述声波谐振器还包括:一导电层,形成于所述小散射角支撑衬底和所述压电层之间。
可选地,所述小散射角支撑衬底的材料包括:碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅、氮化铝中任一种,所述压电层的材料包括:铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英、氧化锌中任一种。
如上所述,本发明的一种固态装配型横向振荡声波谐振器,以简单的固态装配型结构利用高次谐波,由叉指周期决定等间距高次谐波的中心频率,由电极数量、横向谐振结构的长度及厚度波长比共同决定模式阶数、相邻模式间距、响应频带等性能参数,充分利用了横向尺寸调频的优势;通过调整电极位置,可在不增加器件尺寸的情况下,减小偶次阶模式之间的频谱间隔,从而以更窄的带宽适应更多的频率。通过选用大Q值、大机电耦合系数的压电材料和低功耗、小散射角、高声速、高热导率的衬底材料,整个固态装配型结构的功率容量大,并且只需在表面制备一层对数极少的换能器电极即可激发压电膜内的声波,并直接利用压电材料的换能,效率高,机电耦合系数更大,无须制备下电极,设计自由度高,工艺简化。
附图说明
图1显示为本发明所述声波谐振器的一种结构示意图。
图2显示为本发明所述声波谐振器的另一种结构示意图。
图3显示为本发明所述声波谐振器的再一种结构示意图。
图4-图6显示为本发明所述声波谐振器制作方法中各步骤的流程图,其中,图4为形成压电材料层和电极材料层的结构示意图,图5为形成图案化电极的结构示意图,图6为形成压电层的结构示意图。
图7显示为本发明所述声波谐振器在电极中心与横向谐振结构中心重合时,4根电极和5根电极所对应声波谐振器的导纳曲线。
图8显示为图7所示不同电极数量所对应声波谐振器的振型图。
图9显示为不同电极位置所对应声波谐振器的导纳曲线。
图10显示为图9中标注为A部分的相邻两个谐振峰的振型图。
图11显示为图9中标注为B部分的相邻四个谐振峰的振型图。
图12显示为图9中标注为C部分的相邻四个谐振峰的振型图。
图13显示为图9中标注为G部分的相邻七个谐振峰的振型图。
图14显示为图9中标注为H部分的相邻五个谐振峰的振型图。
图15显示为本发明所述声波谐振器在不同横向谐振结构长度下所对应声波谐振器的导纳曲线。
图16显示为图15所示不同横向谐振结构长度下所对应声波谐振器各阶模式的机电耦合系数随模式阶数的分布变化示意图。
图17显示为图15所示不同横向谐振结构长度下所对应声波谐振器的振型图。
图18显示为本发明所述声波谐振器在不同电极数量下所对应声波谐振器的导纳曲线。
图19显示为图18所示不同电极数量下所对应声波谐振器各阶模式的机电耦合系数随模式阶数的分布变化示意图。
图20显示为本发明所述声波谐振器在不同厚度波长比下所对应声波谐振器的导纳曲线。
图21显示为本发明所述声波谐振器在不同槽深下所对应声波谐振器的导纳曲线。
图22显示为图21所示不同槽深下所对应声波谐振器各阶模式的机电耦合系数随模式阶数的分布变化示意图。
图23显示为本发明所述声波谐振器在不同横向谐振结构边界下所对应声波谐振器的导纳曲线。
图24显示为图23所示不同横向谐振结构边界下所对应声波谐振器的振型图。
元件标号说明
100 小散射角支撑衬底
200’ 压电材料层
200 压电层
201 横向谐振结构
202 凹槽结构
203 边缘结构
300’ 电极材料层
300 少数量/小占空比图案化电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图24。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1-图3所示,本实施例提供一种固态装配型横向振荡声波谐振器,所述声波谐振器包括:小散射角支撑衬底100;压电层200,形成于所述小散射角支撑衬底100的上表面,所述压电层200包括:横向谐振结构201及凹槽结构202,所述凹槽结构202形成于所述横向谐振结构201的两侧;少数量/小占空比图案化电极300,形成于所述横向谐振结构201的上表面;其中,在对所述少数量/小占空比图案化电极300施加电势时,所述声波谐振器在所述横向谐振结构201中激发并产生多阶模式响应的等间距高次谐波。
可选的,所述声波谐振器还包括:一导电层(图中未示出),形成于所述小散射角支撑衬底100和所述压电层200之间;其中,所述导电层可以为金属电极,也可以为导电介质膜。本实施例通过增设所述导电层,实现同时利用纵向和横向的压电系数来增大主模的机电耦合系数。
具体的,所述小散射角支撑衬底100是指目标声波在所述小散射角支撑衬底100中传播时的散射角小于目标声波在所述横向谐振结构201中传播时的散射角,本实施例通过选用所述小散射角支撑衬底100,使限制目标声波传播方向的转向范围变大,能够提供对在电极区域边界更大的散射范围内的目标声波的限制,使目标声波被完全反射回所述横向谐振结构201中而更大程度上减少能量泄漏。可选地,所述小散射角支撑衬底100的材料包括:碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅、氮化铝中任一种。
具体的,如图1-图3所示,所述压电层200还包括:边缘结构203,形成于所述小散射角支撑衬底100的上表面,且形成于所述横向谐振结构202及所述凹槽结构202的外围;其中,所述横向谐振结构201的上表面与所述边缘结构203的上表面齐平。可选地,所述压电层200的材料包括:铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英、氧化锌中任一种。
所述横向谐振结构201与所述凹槽结构202邻接的边界可以为矩形边界(如图1和图2所示),也可以为弧形边界(如图3所示),这对本实施例所述声波谐振器的性能没有影响;而在该边界为弧形边界时,本实施例所述横向谐振结构201的长度是指其最小长度。应用时,可通过所述横向谐振结构201的长度Lc来调节多阶模式响应下的模式阶数、相邻模式间距及机电耦合系数,其中,所述横向谐振结构201的长度与模式阶数正相关(即长度越长,模式阶数越多,反之,长度越短,模式阶数越少),与相邻模式间距负相关(即长度越长,相邻模式间距越小,反之,长度越短,相邻模式间距越大),与机电耦合系数负相关(即长度越长,机电耦合系数越小,反之,长度越短,机电耦合系数越大);实际上,通常是根据需要的相邻模式间距来设定所述横向谐振结构201的长度,二者满足如下关系:相邻模式间距=目标声波的波长/横向谐振结构的长度。
所述凹槽结构202的槽深H决定能量的限制程度,在一定范围内,槽深越深,对目标声波的能量限制越好;当然,该槽深不宜太浅,也不宜太深,这都会使其限制不住能量;实际上,通常会根据衬底材料和压电材料的散射角差异来设定槽深,如衬底材料和压电材料的散射角差异越大,该槽深越小,反之,衬底材料和压电材料的散射角差异越小,该槽深越大。
具体的,所述少数量/小占空比图案化电极300是指数量和占空比都远小于传统声波谐振器,约为传统声波谐振器的二十分之一,以此激发多阶高次谐波;而且,电极数量越少,造成的电极损耗越小,器件Q值越高。更具体的,所述少数量/小占空比图案化电极300的数量为2根-6根,其占空比为5%-20%,所述占空比为电极覆盖面积与横向谐振结构表面积的比值。可选地,所述少数量/小占空比图案化电极300的材料包括铝、金、铬、钨、钛、铜、银中任一种或两种及以上所组成的合金。
应用时,可通过所述少数量/小占空比图案化电极300的数量及/或占空比来调节多阶模式响应下的模式阶数、响应频带、谐振强度及机电耦合系数;其中,所述少数量/小占空比图案化电极300的数量与模式阶数负相关(即数量越少,模式阶数越多,反之,数量越多,模式阶数越少),与响应频带负相关(即数量越少,响应频带越宽,反之,数量越多,响应频带越窄),与谐振强度正相关(即数量越少,谐振强度越小,反之,数量越多,谐振强度越大),与机电耦合系数正相关(即数量越少,机电耦合系数越小,反之,数量越多,机电耦合系数越大);所述少数量/小占空比图案化电极的占空比与模式阶数负相关(即占空比越小,模式阶数越多,反之,占空比越大,模式阶数越少),与响应频带负相关(即占空比越小,响应频带越宽,反之,占空比越大,响应频带越窄),与谐振强度正相关(即占空比越小,谐振强度越小,反之,占空比越大,谐振强度越大),与机电耦合系数正相关(即占空比越小,机电耦合系数越小,反之,占空比越大,机电耦合系数越大)。
所述少数量/小占空比图案化电极300可以形成在所述横向谐振结构201上表面的任意位置。在所述少数量/小占空比图案化电极300的中心与所述横向谐振结构201的中心重合时,可通过所述少数量/小占空比图案化电极300的数量来调节多阶模式响应下的模式类型;其中,在所述少数量/小占空比图案化电极300的数量为奇数根时,多阶模式响应下的模式类型均为偶次阶;在所述少数量/小占空比图案化电极300的数量为偶数根时,多阶模式响应下的模式类型均为奇次阶。而在所述少数量/小占空比图案化电极300的中心与所述横向谐振结构201的中心不重合时,多阶模式响应下的模式类型包括偶次阶和奇次阶;且随着所述少数量/小占空比图案化电极300的中心与所述横向谐振结构201的中心的距离增大,多阶模式响应下的模式阶数增多,机电耦合系数减小。
具体的,可通过所述声波谐振器的厚度波长比来调节多阶模式响应下的响应频带、谐振强度及机电耦合系数;其中,厚度波长比与响应频带、谐振强度及机电耦合系数均正相关(即厚度波长比越大,响应频带、谐振强度及机电耦合系数均越大,反之,厚度波长比越小,响应频带、谐振强度及机电耦合系数均越小)。需要注意的是,本实施例所述声波谐振器的厚度波长比,是指压电层厚度与目标声波波长的比值。
具体的,目标声波的波长与少数量/小占空比图案化电极300的叉指周期共同决定多阶模式响应下等间距高次谐波的中心频率,三者满足公式fc=v/2λ,其中,fc表示为多阶模式响应下等间距高次谐波的中心频率,v表示为目标声波的波长,λ表示为少数量/小占空比图案化电极的叉指周期。
具体的,本实施例所述声波谐振器可用于制作跳频扩频通信系统中的低功率跳频振荡器、稀疏频谱处理的光疏滤波器和超灵敏传感器等;而在利用本实施例所述声波谐振器制作跳频振荡器时,可通过电极的连接实现本实施例所述声波谐振器的串并联,以此匹配外电路各种特殊的阻抗。
下面请参阅图4-图6,对本实施例所述固态装配型横向振荡声波谐振器的制备方法进行说明。
所述制备方法包括:1)提供一小散射角支撑衬底100;2)于所述小散射角支撑衬底100的上表面依次形成压电材料层200’及电极材料层300’;3)对所述电极材料层300’进行金属刻蚀工艺或金属剥离工艺(lift-off),形成少数量/小占空比图案化电极300;4)对所述压电材料层200’进行刻蚀工艺或图案化离子注入退火剥离工艺,形成包括横向谐振结构201及凹槽结构202的压电层200,所述凹槽结构202形成于所述横向谐振结构201的两侧。当然,也可以先形成包括横向谐振结构201及凹槽结构202的压电层200,最后在形成少数量/小占空比图案化电极300,这对本实施例没有影响。
需要注意的是,在进行器件制作时,可通过所述横向谐振结构201的长度Lc、所述凹槽结构202的槽深H、所述少数量/小占空比图案化电极300的数量及/或占空比、所述少数量/小占空比图案化电极300的形成位置、所述声波谐振器的厚度波长比、目标声波的波长与少数量/小占空比图案化电极300的叉指周期等诸多参数共同来调节器件性能,使其达到所需要求。
可选地,在形成所述压电材料层之前,所述制备方法还包括:于所述小散射角支撑衬底100的上表面形成一导电层(图中未示出)的步骤;其中,所述导电层可以为金属电极,也可以为导电介质膜。
具体的,采用沉积工艺、外延工艺、离子束剥离工艺或键合工艺形成所述压电材料层;采用溅射工艺或电子束蒸发工艺形成所述电极材料层;在所述导电层为金属电极时,可采用溅射工艺或电子束蒸发工艺形成,而在所述导电层为导电介质膜时,可采用沉积工艺或外延工艺形成。
下面请参阅图7-图24,结合具体示例,对本实施例所述固态装配型横向振荡声波谐振器的性能进行说明;其中,所述声波谐振器以碳化硅(SiC)作为衬底材料,以铌酸锂(LiNbO3:LN)作为压电材料,以金属铝(Al)作为电极材料。
1)在电极中心与横向谐振结构中心重合时,
根据Berlincourt公式,当模式的kt 2(机电耦合系数)不为零时,模式才能被激发并在压电膜内传播,kt 2的公式如下:
其中,Um为总能量,Ue为弹性能,Ud为电能,T为应力张量,E为电场,d为压电常数,sE为确定电场强度下的弹性系数,εT为确定应力下的介电常数。
对上述公式积分,当电极数量为奇数根,奇数阶模式的kt 2积分均为零,此时激发的模式为偶次阶;同理,电极数量为偶次根,偶数阶模式的kt 2积分均为零,此时激发的模式全为奇次阶;由图7中2对(4根)电极的声波谐振器和2.5对(5根)电极的声波谐振器的导纳曲线也可以看出,模式几乎为一一对应,只不过一个为奇数阶,一个为偶数阶,图8中第1个图给出了2对(4根)电极的声波谐振器的27阶SH模式的振型,图8中第2个图(b)给出了2.5对(5根)电极的声波谐振器的28阶SH模式的振型。
可见,在电极中心与横向谐振结构中心重合时,奇数根电极的声波谐振器激发并产生的模式类型均为偶次阶,偶数根电极的声波谐振器激发并产生的模式类型均为奇次阶。
2)在电极中心与横向谐振结构中心不重合时,
以5根电极为例,5根电极均匀排列在横向谐振结构的上表面,电极中心即为中间那根电极的正中心,将5根电极形成在横向谐振结构的不同位置,如电极中心与横向谐振结构中心重合,电极中心与横向谐振结构中心的距离为λ/4、λ/2、λ、3λ/2、2λ,最外侧电极距离横向谐振结构的边界为λ/4。
当电极中心位于横向谐振结构上的不同位置时,其对应的谐振范围不变,即可调谐的频率范围基本不受影响。
当电极中心与横向谐振结构中心重合时,该声波谐振器的导纳曲线如图9中的第1条曲线所示,此电场域所激发的模式均匀,kt 2大,但模式阶数较少,且相邻两个谐振峰(标注为“A”的部分)均为偶次阶,分别为26阶和28阶,对应振型图如图10所示。
当电极中心与横向谐振结构中心的距离为λ/4时,该声波谐振器的导纳曲线如图9中的第2条曲线所示,此时,有新的谐振峰从原本的谐振峰里分裂出来(标注为“B”的部分),且从图11所示的振型图可以看出,谐振稍弱(前面的小峰)的为偶次阶,谐振稍强(后面的大峰)的为奇次阶。
当电极中心与横向谐振结构中心的距离为λ/2时,该声波谐振器的导纳曲线如图9中的第3条曲线所示,此时,由原本的两个相邻谐振峰(标注为“A”的部分)分裂成四个强度相当的谐振峰(标注为“C”的部分),且从图12所示的振型图可以看出,它们依次为24阶、25阶、26阶和27阶。而当电极中心与横向谐振结构中心的距离为λ、3λ/2和2λ时,各声波谐振器的导纳曲线对应如图9中的第4-6条曲线,均为不同阶次的模式分裂产生奇次阶模式和偶次阶模式。
当最外侧电极距离横向谐振结构的边界为λ/4时,该声波谐振器的导纳曲线如图9中的第7条曲线所示,原本的偶次阶模式变为均匀的奇次阶模式和偶次阶模式交替出现的情况,且从图13和图14所示的振型图可以看出,标注为“G”的部分对应模式分别为21-27阶,其后面的均匀谐振峰对应的是32-36阶。
这说明当电极中心偏移时,若偏移距离对应电场模式振动的腔长合适,声波谐振器会激发出新的奇次阶模式和偶次阶模式,此时,奇次阶模式和偶次阶模式都会出现,原因是电场域的偏移使得电场和应力对奇次阶的振动积分不再为零,而且,模式阶数和kt 2也会随之改变。可见,当调整电极中心位置时,可以改变多阶模式响应下的模式类型、模式阶数和机电耦合系数(kt 2),实现器件性能的可调节,甚至在不增加器件尺寸的情况下,减小偶次阶模式之间的频谱间隔,从而以更窄的带宽适应更多的频率。
3)在电极中心与横向谐振结构中心重合、且电极数量为5根时,对于横向谐振结构的长度分别为16λ、24λ、32λ和48λ的声波谐振器,其对应的导纳曲线如图15所示,其中,在1.6GHz~3.2GHz有一系列频带,从3.4GHz及其后面又有一系列频带,此处仅以1.6~3.2GHz的谐振频带为例;
从图15可以看出,在同一频率范围内,随长度变长,激发的模式阶数逐渐增多,且相邻谐振峰的间距变窄,kt 2变小;在长度为16λ时,模式阶数从18到38,共11个偶次阶模式,相邻模式间距为48MHz;在长度为24λ时,模式阶数从28到58,共16个偶次阶模式,相邻模式间距为32MHz;在长度为32λ时,模式阶数从36到78,共22个偶次阶模式,相邻模式间距为24MHz;在长度为48λ时,模式阶数从54到114,共31个偶次阶模式,相邻模式间距为16MHz(具体见下表)。
从图16可以看出,随长度变长,激发的模式阶数逐渐增多,最大机电耦合系数变小,即长度变长,更适合于在以更窄的带宽、更宽的频率范围多带工作的情况;此外,从图16还可以看出,对确定电极数量和确定横向谐振结构长度的情况下,kt 2的变化呈高斯分布,这是因为电极无法均匀地与每个模式相互耦合能量,而是主要与fc=v/λ的主模耦合,从而在fc及其附近的模式获得距离主模fc频率越远的模式kt 2越小。
图17给出了四种长度下fc对应模式的振型图,从上到下依次是长度为16λ的24阶SH模式,长度为24λ的32阶SH模式,长度为32λ的48阶SH模式和长度为48λ的72阶SH模式。
可见,当调整横向谐振结构的长度时,可以改变多阶模式响应下的模式阶数、相邻模式间距及机电耦合系数,在所需工作带宽不同的情况下灵活调节,从而实现器件的性能可调节。
4)在电极中心与横向谐振结构中心重合、且横向谐振结构的长度固定时,对于电极数量分别为1对(2根)、2对(4根)、2.5对(5根)、4.5对(9根)和6.5对(13根)的声波谐振器,其对应的导纳曲线如图18所示,在仅有1对(2根)电极时,就1GHz~4GHz的频率范围而言,其多阶模式响应下的模式阶数较多,且均匀振动的频率范围较大,kt 2较小,谐振强度(导纳比)较小,适合对多频带的连续调谐;换句话说,随着电极数量增多,模式阶数减少,且均匀振动的频了范围减小,kt 2增大,谐振强度(导纳比)增强。
从图19可以更直观地看出,随着电极数量增多,模式阶数减少,kt 2逐渐增大。原因在于:电极对数少、占空比小,电场域集中的范围小,阶次多,导致与机械场的积分中E可积分的范围小,从而导致每个模式的kt 2小;随着电极数量增大到2对(4根),调谐频带集中在1.6~3.2GHz,随着模式阶数的减少,每个模式的谐振强度增强;随着电极数目逐渐增多,电场与机械场的积分增大,可以看出调谐频带在不断集中,模式阶数不断减少,随着电极数量继续增大到4.5对(9根),调谐频带进一步缩小,每个模式的谐振强度不再为均匀,而是凸显出如普通声表面波谐振器的主模谐振特性,从而无法在连续通带均匀工作;而在电极数量为6.5对(13根)时,主模特性已非常明显,且主模的kt 2远大于其他模式。
可见,当调整电极数量和/或占空比时,可以改变模式阶数、响应频带、谐振强度及机电耦合系数,从而实现器件的性能可调节。
5)在电极中心与横向谐振结构中心重合、电极数量为5根、且横向谐振结构的长度固定时,对于具有不同厚度波长比(h为定值,λ变化)的声波谐振器,其对应的导纳曲线如图20所示,
当波长λ为1.2μm时,fc较大(fc=v/λ),多阶谐振的频率范围较大,谐振频率较高,谐振强度(导纳比)较强,kt 2较大;随波长λ增大,多阶谐振的频率范围逐渐减小,谐振频率逐渐降低,谐振强度也逐渐变弱,kt 2也在不断减小。由于谐振频率与声速和波长均相关(fc=v/λ),h/λ越大,目标模式声速越低,只有在减小波长λ时才能获得高谐振频率;而在固定波长λ的情况下,h/λ越大,目标模式声速越低,谐振频率越小。
可见,当调整厚度波长比时,可以改变响应频带、谐振强度及机电耦合系数,从而实现器件的性能可调节。
6)在电极中心与横向谐振结构中心重合、电极数量为5根、横向谐振结构的长度固定、且目标声波的波长固定时,若凹槽结构的槽深即为压电层的厚度,那当λ一定时,压电薄膜厚度越薄,h/λ越小,模式声速越高,目标声波越不容易被限制在压电膜内,容易向下泄露;而且,压电薄膜厚度越薄,意味着薄膜内的声波和衬底作用越强,同样越容易向体内泄露,而无法有效激发和传播;
而对于具有不同槽深H的声波谐振器,其对应的导纳曲线如图21所示,当槽深H为250nm时,谐振频率范围较高,但由于声速高,薄膜厚度薄,无法形成有效的限制导致谐振峰的导纳比小,谐振较弱;随着槽深H增大,模式阶数不变,基本不变,但由于声速的降低和薄膜厚度的增大,谐振增强,模式可被更有效利用,这从图22中也可看出。
7)在电极中心与横向谐振结构中心重合、电极数量为5根、横向谐振结构的长度固定、且厚度波长比固定时,对于具有不同横向谐振结构边界的声波谐振器,其对应的导纳曲线如图23所示,对应的振型图如图24所示;
从图23和图24可以看出,对于矩形边界和弧形边界的两种声波谐振器,其谐振特点基本一致;换句话说,横向谐振结构的边界对声波谐振器的性能没有影响。
由此可知,实际应用中,可根据所需频带范围、单个调谐所需覆盖带宽(相邻模式间距)和连续调谐的频带数目来选择电极数量、横向谐振结构的长度和厚度波长比h/λ等诸多参数,从而得到所需器件。
综上所述,本发明的一种固态装配型横向振荡声波谐振器,以简单的固态装配型结构利用高次谐波,由叉指周期决定等间距高次谐波的中心频率,由电极数量、横向谐振结构的长度及厚度波长比共同决定模式阶数、相邻模式间距、响应频带等性能参数,充分利用了横向尺寸调频的优势;通过调整电极位置,可在不增加器件尺寸的情况下,减小偶次阶模式之间的频谱间隔,从而以更窄的带宽适应更多的频率。通过选用大Q值、大机电耦合系数的压电材料和低功耗、小散射角、高声速、高热导率的衬底材料,整个固态装配型结构的功率容量大,并且只需在表面制备一层对数极少的换能器电极即可激发压电膜内的声波,并直接利用压电材料的换能,效率高,机电耦合系数更大,无须制备下电极,设计自由度高,工艺简化。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,所述声波谐振器包括:
小散射角支撑衬底;
压电层,形成于所述小散射角支撑衬底的上表面;所述压电层包括:横向谐振结构及凹槽结构,所述凹槽结构形成于所述横向谐振结构的两侧;
少数量/小占空比图案化电极,形成于所述横向谐振结构的上表面;
其中,在对所述少数量/小占空比图案化电极施加电势时,所述声波谐振器在所述横向谐振结构中激发并产生多阶模式响应的等间距高次谐波。
2.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,所述少数量/小占空比图案化电极的数量为2根-6根,其占空比为5%-20%,所述占空比为电极覆盖面积与横向谐振结构表面积的比值。
3.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,通过所述少数量/小占空比图案化电极的数量及/或占空比来调节多阶模式响应下的模式阶数、响应频带、谐振强度及机电耦合系数;其中,所述少数量/小占空比图案化电极的数量与模式阶数负相关,与响应频带负相关,与谐振强度正相关,与机电耦合系数正相关;所述少数量/小占空比图案化电极的占空比与模式阶数负相关,与响应频带负相关,与谐振强度正相关,与机电耦合系数正相关。
4.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,在所述少数量/小占空比图案化电极的中心与所述横向谐振结构的中心重合时,通过所述少数量/小占空比图案化电极的数量来调节多阶模式响应下的模式类型;其中,在所述少数量/小占空比图案化电极的数量为奇数根时,多阶模式响应下的模式类型均为偶次阶;在所述少数量/小占空比图案化电极的数量为偶数根时,多阶模式响应下的模式类型均为奇次阶。
5.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,在所述少数量/小占空比图案化电极的中心与所述横向谐振结构的中心不重合时,多阶模式响应下的模式类型包括偶次阶和奇次阶;且随着所述少数量/小占空比图案化电极的中心与所述横向谐振结构的中心的距离增大,多阶模式响应下的模式阶数增多,机电耦合系数减小。
6.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,通过所述横向谐振结构的长度来调节多阶模式响应下的模式阶数、相邻模式间距及机电耦合系数;其中,所述横向谐振结构的长度与模式阶数正相关,与相邻模式间距负相关,与机电耦合系数负相关。
7.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,通过所述声波谐振器的厚度波长比来调节多阶模式响应下的响应频带、谐振强度及机电耦合系数;其中,厚度波长比与响应频带、谐振强度及机电耦合系数均正相关。
8.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,目标声波的波长与少数量/小占空比图案化电极的叉指周期共同决定多阶模式响应下等间距高次谐波的中心频率,三者满足公式fc=v/2λ,其中,fc表示为多阶模式响应下等间距高次谐波的中心频率,v表示为目标声波的波长,λ表示为少数量/小占空比图案化电极的叉指周期。
9.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,所述声波谐振器还包括:一导电层,形成于所述小散射角支撑衬底和所述压电层之间。
10.根据权利要求1所述的固态装配型横向振荡声波谐振器,其特征在于,所述小散射角支撑衬底的材料包括:碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅、氮化铝中任一种,所述压电层的材料包括:铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英、氧化锌中任一种。
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