CN113783547B - 一种谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振器，涉及无线通信技术领域，本发明的谐振器,包括衬底，以及在衬底内部形成的空腔，衬底上铺设有压电层，压电层上设置有沿第一方向的多个条形正电极，多个条形正电极沿垂直于第一方向的第二方向依次间隔排列，相邻的两个正电极之间设置有条形负电极，压电层上设置有沿第二方向延伸的凹槽。本发明提供的谐振器，能够有效降低超高频体声波谐振器机电耦合系数。

Description

一种谐振器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种谐振器。

背景技术

无线和移动通信系统的迅猛发展，推动着组件性能和系统集成技术的快速创新。为了获得更快的信号处理和减少集成的复杂性,小型化和微机电系统谐振器成为了新一代的核心器件,因此高性能的微机电系统谐振器作为先进的无线通信系统射频前端的基础组件具有很高的需求。

目前射频滤波器一般由表面声波谐振器和薄膜体声波谐振器搭建，但是对于更高频段的滤波器，表面声波谐振器增大能量的损失，影响谐振器的功率处理能力，还增大加工难度；而薄膜体声波谐振器在高频时过薄的薄膜制造困难。超高频体声波谐振器的叉指电极中相邻电极的间距是电极宽度的若干倍，工作时对相邻电极通极性相反的电压，压电层中会激发出剪切波，超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数很大，搭建出的滤波器相对带宽也很大，这使得超高频、大带宽的滤波器成为了可能，但是这种谐振器由于过大的机电耦合系数，导致其在高频窄带滤波器的应用中受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种谐振器，能够有效降低超高频体声波谐振器机电耦合系数。

本发明的实施例是这样实现的：

一种谐振器,包括衬底，以及在衬底内部形成的空腔，衬底上铺设有压电层，压电层上设置有沿第一方向延伸的多个条形正电极，多个条形正电极沿垂直于第一方向的第二方向依次间隔排列，相邻的两个正电极之间设置有条形负电极，压电层上设置有沿第二方向延伸的凹槽。

可选的，作为一种可实施的方式，凹槽包括至少一个，凹槽为连通压电层在第二方向的两端的通槽，当凹槽包括有多个时，多个凹槽之间相互平行间隔。

可选的，作为一种可实施的方式，多个条形正电极通过端部分别与正电极汇流条连接，多个条形负电极通过端部分别与负电极汇流条连接，正电极汇流条和负电极汇流条分别位于压电层的相对两侧。

可选的，作为一种可实施的方式，凹槽还可以包括多个孔槽，相邻两个孔槽间隔设置。

可选的，作为一种可实施的方式，条形正电极为沿第一方向排列的多个正点电极，负条形电机为沿第一方向排列的多个负点电极。

可选的，作为一种可实施的方式，凹槽的宽度在0.5-20um之间。

可选的，作为一种可实施的方式，在凹槽内设置有填充块，用于填充凹槽，填充块的上表面与凹槽的槽口平齐。

可选的，作为一种可实施的方式，填充块为非金属块。

可选的，作为一种可实施的方式，条形正电极为薄膜电极，条形负电极为薄膜电极。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明提供的谐振器,包括衬底，以及在衬底内部形成的空腔，衬底上铺设有压电层，压电层上设置有沿第一方向依次间隔排列的多个条形正电极，多个条形正电极沿垂直于第一方向的第二方向排列，相邻的两个条形正电极之间设置有条形负电极，压电层上设置有沿第二方向延伸的凹槽。当条形正电极和条形负电极之间施加极性相反的电压时，激发横向电场，而凹槽设置于压电层上，压电层上设置条形正电极和条形负电极，条形正电极和条形负电极激发的横向电场压电层，压电层中产生感应电荷，产生逆压电效应，凹槽改变了压电层中的电场的分布，使得声波在条形正电极和条形负电极之间的传播在第一方向上减弱，从而减小压电层中机电转换效率，进而减小机电耦合系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例谐振器有两个通槽的结构示意图；

图2为本发明实施例谐振器有两个通槽的另一结构示意图；

图3为本发明实施例谐振器有五个通槽的结构示意图；

图4为本发明实施例谐振器有五个通槽的另一结构示意图；

图5为本发明实施例谐振器电极为点电极的结构示意图；

图6为本发明实施例谐振器凹槽为槽孔的结构示意图；

图7a为本发明实施例各个凹槽宽度对应的频率与阻抗的关系图一；

图7b为本发明实施例各个凹槽宽度对应的频率与阻抗的关系图二；

图7c为本发明实施例各个凹槽宽度对应的频率与阻抗的关系图三；

图8为本发明实施例谐振器凹槽宽度与机电耦合系数的关系图。

图标：110-衬底；120-空腔；130-压电层；131-种子层；140-条形正电极；141-正电极汇流条；150-条形负电极；151-负电极汇流条；160-通槽；170-孔槽；180-正点电极；190-负点电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

谐振器是指能够产生谐振频率的电子元件，随着高频技术的发展，超高频波谐振器已成为发展的趋势，目前的超高频波谐振器的结构主要包括：带有空腔的硅衬底，压电层和叉指电极，结构上和表面声波谐振器以及兰姆波谐振器最大的区别是，它的叉指电极中每个相邻电极的间距是电极宽度的若干倍，有时可达到电极宽度的40倍，甚至更大。工作时对相邻电极通极性相反的电压，压电层中会激发出剪切波超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数很大，搭建出的滤波器相对带宽也很大，这使得超高频、大带宽的滤波器成为了可能，但是这种谐振器由于过大的机电耦合系数，导致其在高频窄带滤波器的应用中受限。

本发明提供了一种谐振器,如图1，图2所示，包括衬底110，以及在衬底110内部形成的空腔120，衬底110上铺设有压电层130，压电层130上设置有沿第一方向依次间隔排列的多个条形正电极140，多个条形正电极140沿垂直于第一方向的第二方向排列，相邻的两个正电极之间设置有条形负电极150，压电层130上设置有沿第二方向延伸的凹槽。

相邻的两个条形正电极140之间设置有条形负电极150，在每两个相邻的条形正电极140之间都设置有条形负电极150，也就形成齿状的电极条，条形正电极140和条形负电极150交替设置。为了保证条形正电极140和条形负电极150的数量一致，所以，电极的排列方向的第一个条形电极和最后一个条形电极的极性应当是相反的。

当给条形正电极140和条形负电极150施加极性相反的电压时，会在条形正电极140和条形负电极150之间激发出横向的电场，而压电层130位于条形正电极140和条形负电极150下，当压电层130处于横向电场中时，压电层130产生感应电荷，产生逆压电效应；压电层130上设置有第二方向的凹槽，压电层130中的电场分布改变，声波在压电层130中沿第一方向传播减弱，同时从而减小压电层130中的机电转换效率。

这里的压电效应是指，当在压电材料上施加交流电压时，会使压电材料产生机械振动而变形，由电能转换成机械能的现象。所以本发明的压电层130应当是具有压电效应，是采用具有压电效应的材料制成的薄膜，具体的材料本发明不做具体限定，可以是LiNbO₃、LiTaO₃、AlN、PZT压电薄膜中的任一种。

凹槽的具体形状不做具体限制，只要能在压电层130上形成势垒从而改变压电层130中电场分布即可，可以是矩形、梯形、三角形等等。凹槽的深度也不具体的限定，可以刻蚀一定深度，也可以刻穿整个压电层130。

需要说明的是，在衬底110上设置压电层130时，通常需要设置种子层131来改善压电层130的生长晶体质量。

本发明提供的谐振器,包括衬底110，以及在衬底110内部形成的空腔120，衬底110上铺设有压电层130，压电层130上设置有沿第一方向依次间隔排列的多个条形正电极140，多个条形正电极140沿垂直于第一方向的第二方向排列，相邻的两个条形正电极140之间设置有条形负电极150，压电层130上设置有沿第二方向延伸的凹槽。当条形正电极140和条形负电极150之间施加极性相反的电压时，激发横向电场，而凹槽设置于压电层130上，压电层130上设置条形正电极140和条形负电极150，条形正电极140和条形负电极150激发的横向电场压电层130，压电层130中产生感应电荷，产生逆压电效应，凹槽改变了压电层130中的电场的分布，使得声波在条形正电极140和条形负电极150之间的传播在第一方向上减弱，从而减小压电层130中机电转换效率，进而减小机电耦合系数。

可选的，如图3，图4所示，凹槽包括至少一个，凹槽为连通压电层130在第二方向的两端的通槽160，当凹槽包括有多个，多个凹槽之间相互平行间隔。

凹槽的设置可以改变压电层130中的电场分布，进而减弱声波在压电层130中沿第一方向的传播，减小压电层130中的机电转换效率。凹槽的个数越多，对压电层130中的电场改变越多，与此同时，凹槽的个数影响压电层130中压电材料的面积，从而改变了压电层的等效材料性质。对于通槽160的个数本发明做不做具体限定，可以根据具体情况进行设定。

多个凹槽之间相互平行，且都与条形正电极140的延伸方向垂直，使得条形正电极140与条形负电极150激发的横向电场与凹槽垂直。

本发明实施例的一种可实现的方式中，如图1所示，多个条形正电极140通过端部分别与正电极汇流条141连接，多个条形负电极150通过端部分别与负电极汇流条151连接，正电极汇流条141和负电极汇流条151分别位于压电层130的相对两侧。

条形正电极140和条形负电极150之间施加极性相反的电压，用于激发横向电场，而条形正电极140和条形负电极150均有多个，在施加电压时，需要多个输入针用于与每个条形正电极140和每个条形负电极150进行连接，这会给操作人员带来很多不便，增加操作人员的工作难度，而多个条形正电极140施加相同的压力，多个条形负电极150施加相同的压力，使用正电极汇流条141将多个条形正电极140连接，为了节省空间，在多个条形正电极140的端部与正电极汇流条141连接，多个条形负电极150也通过端部分别与负电极汇流条151连接。

正电极汇流条141和负电极汇流条151分别位于条形正电极140和条形负电极150的两端，也就是压电层130的相对的两侧。这样设置，条形正电极140和条形负电极150没有重合的路线，减小了制作工艺的难点，而且电极的线路清晰，便于观察。

可选的，如图6所示，凹槽还可以包括多个孔槽170，相邻两个孔槽170间隔设置。

将凹槽设置为多个孔槽170，孔槽170可以改变压电层130中的电场分布使得声波在条形正电极140和条形负电极150之间的传播在第一方向上减弱，从而减小压电层130中机电转换效率，进而减小机电耦合系数。

孔槽170的四个多个孔槽170对压电层130中的电场分布改变的更多，声波在电极间的传播在平行于电极的方向减弱更多，因此压电层130中的机电转换效率减小更多，其机电耦合系数变小更多，可以更加有效的降低超高频体声波谐振器的有效机电耦合系数。

本发明实施例的一种可实现的方式中，如图5，图6所示，条形正电极140为沿第一方向排列的多个正点电极180，负条形电机为沿第一方向排列的多个负点电极190。

条形正电极140为沿第一方向排列的多个正点电极180，负条形电机为沿第一方向排列的多个负点电极190时，对应上述凹槽的方式有两种情况：

第一种情况：如图5所示，凹槽为连通压电层130在第二方向的两端的通槽160,条形正电极140为沿第一方向排列的七个正点电极180，条形负电极150为沿第一方向排列的七个负点电极190，点电极分别位于六个通槽160的两侧。

条形正电极140为沿第一方向排列的七个正点电极180，负条形电机为沿第一方向排列的七个负点电极190，当在正点电极180和正的负电极施加相反的电压，相邻的正点电极180和负点电极190之间形成电场，而点电极的呈矩阵式排列，使得电场错综，对电场的改变更多，声波在电极间的传播在平行于电极的方向被通槽160阻隔，从而减弱，因此压电层130中的机电转换效率减小，其机电耦合系数变小。

第二种情况：如图6所示，凹槽包括多个孔槽170，条形正电极140为沿第一方向排列的七个正点电极180，条形负电极150为沿第一方向排列的七个负点电极190，点电极分别位于孔槽170的两侧。

条形正电极140为沿第一方向排列的七个正点电极180，负条形电机为沿第一方向排列的七个负点电极190，当在正点电极180和正的负电极施加相反的电压，相邻的正点电极180和负点电极190之间形成电场，而点电极的呈矩阵式排列，使得电场错综，对电场的改变更多，声波在电极间的传播在平行于电极的方向被孔槽170阻隔，从而减弱，因此压电层130中的机电转换效率减小，其机电耦合系数变小。

可选的，如图1所示，凹槽的宽度在0.5-20um之间。

如图7a,图7b和图7c所示，凹槽的宽度越大，在条形正电极140和条形负电极150之间的横向电场作用下，压电层130中由于逆压电效应而产生感应电荷越多，凹槽改变了压电层130中的电场的分布，使得声波在条形正电极140和条形负电极150之间的传播在第一方向上减弱的越多，从而压电层130中机电转换效率减小的越多，机电耦合系数降低的就越多，如图8所示，在一定的范围内，凹槽的宽度越大，对应的机电耦合系数越小。但是，也不能太宽，太宽的话必然会影响压电层130中压电材料的面积，而压电材料的谐振器的主要工作元件，面积太小就会影响谐振器的正常工作，经过申请人的试验发现，当凹槽的宽度在0.5-20um之间时，既减小了谐振器的机电转换效率，也不会影响谐振器的正常工作。

这里需要说明的是，对于超高频体声波谐振器在窄带超高频滤波器中的应用，机电耦合系数的要求并不是越小越好，所以，对于具体应用场景，可根据需要的机电耦合系数对凹槽的宽度进行适应的调整。所有在对凹槽宽度进行适应性调整方案均在本发明保护的范围之内。

本发明实施例的一种可实现的方式中，在凹槽内设置有填充块，用于填充凹槽，填充块的上表面与凹槽的槽口平齐。

当给条形正电极140和条形负电极150施加极性相反的电压时，会在条形正电极140和条形负电极150之间激发出横向的电场，而压电层130中位于条形正电极140和条形负电极150下，当压电层130处于横向电场中时，压电层130产生感应电荷而产生逆压电效应，而压电层130中的凹槽使得压电层130中电场分布改变，当压电层130中填入填充块时，填充块使得压电层130的表面平整，而且，由于压电层130中通过凹槽再填充有填充块从而形成复合压电层130，填充块的压电系数相较于压电层130会减小，从而减小压电层130中机电转换效率，进而减小机电耦合系数。

可选的，填充块为非金属块。

当填充块为非金属块时，由于压电层130中通过凹槽再填充非金属材料从而形成复合压电材料，材料的压电系数相较于纯压电材料会减小，从而减小压电层130中机电转换效率，进而减小机电耦合系数。这里非金属块的材料不做具体限制，可以SiO₂、Si₃N₄、SiC及AlN等。

本发明实施例的一种可实现的方式中，如图1所示，条形正电极140为薄膜电极，条形负电极150为薄膜电极。

条形正电极140和条形负电极150采用薄膜的形式，用来加载电压和传递信号，具有独特的延展性和高效性。

薄膜电极的具体材料不做限制，可包括利用钼、钌、钨、铱、铂、铜、钛、钽、镍和铬中的任意一者形成的薄膜电极或者包括利用包含从由钼、钌、钨、铱、铂、铜、钛、钽、镍和铬组成的组中选择的任意一者的合金形成的薄膜电极。条形正电极140和条形负电极150均可根据上述材料制成，其中，条形正电极140和条形负电极150可采用相同的材料制成也可采用不同的材料制成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种谐振器，其特征在于，包括衬底，以及在所述衬底内部形成的空腔，所述衬底上铺设有压电层，所述压电层上设置有沿第一方向延伸的多个条形正电极，所述多个条形正电极沿垂直于所述第一方向的第二方向依次间隔排列，相邻的两个所述正电极之间设置有条形负电极，所述压电层上设置有沿所述第二方向延伸的凹槽；

所述条形正电极和所述条形负电极用于施加极性相反的电压，激发横向电场，所述凹槽用于改变所述压电层中的电场分布，使得声波在所述条形正电极和所述条形负电极之间的传播在所述第一方向上减弱;

所述凹槽包括至少一个，所述凹槽为连通所述压电层在第二方向的两端的通槽，当所述凹槽包括有多个时，多个所述凹槽之间相互平行间隔;

所述凹槽位于所述条形正电极和所述条形正电极的下方。

2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，多个所述条形正电极通过端部分别与正电极汇流条连接，多个所述条形负电极通过端部分别与负电极汇流条连接，所述正电极汇流条与所述负电极汇流条分别位于所述压电层的相对两侧。

3.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述凹槽包括多个孔槽，相邻两个所述孔槽间隔设置。

4.根据权利要求1或3所述的谐振器，其特征在于，所述条形正电极为沿所述第一方向排列的多个正点电极，所述条形负电极为沿所述第一方向排列的多个负点电极。

5.根据权利要求3所述的谐振器，其特征在于，所述凹槽的宽度在0.5-20um之间。

6.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，在所述凹槽内设置有填充块，用于填充所述凹槽，所述填充块的上表面与所述凹槽的槽口平齐。

7.根据权利要求6所述的谐振器，其特征在于，所述填充块为非金属块。

8.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述条形正电极为薄膜电极，所述条形负电极为薄膜电极。

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