CN113965183B - 一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器。所述薄膜体声波谐振器包括基体、布拉格反射层、底电极、压电层和顶电极；所述布拉格反射层设置于所述基体的安装槽中；所述底电极设置于所述布拉格反射层上方；所述压电层设置于所述底电极上方所述顶电极设置于所述压电层上方；所述顶电极包括三边形电极、四边形电极和五边形电极；所述三边形电极、四边形电极和五边形电极均包含三层电极区域，并且，所述三层电极区域的制作材料和形状均不形同。

Description

一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器
技术领域
本发明提出了一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，属于薄膜滤波器技术领域。
背景技术
薄膜体声波谐振器的基本原理是基于压电材料的机械能和电能转换，因此，其压电复合膜的品质因数影响了薄膜体声波谐振器的损耗和滚降特性。然而，由于薄膜体声波谐振器的电极比较薄，其电极振动时产生的横波会在一定程度上降低压电复合膜的品质因数，进而导致薄膜体声波谐振器性能不足的问题发生。
发明内容
本发明提供了一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，用以解决现有薄膜体声波谐振器在振动做成中横向波抑制不足导致薄膜体声波谐振器运行稳定性较低的问题，所采取的技术方案如下：
一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器包括基体、布拉格反射层、底电极、压电层和顶电极；所述布拉格反射层设置于所述基体的安装槽中；所述底电极设置于所述布拉格反射层上方；所述压电层设置于所述底电极上方所述顶电极设置于所述压电层上方；所述顶电极包括三边形电极、四边形电极和五边形电极；所述三边形电极、四边形电极和五边形电极均包含三层电极区域，并且，所述三层电极区域的制作材料和形状均不形同。
进一步地，所述布拉格反射层包括三层低阻抗层和两层高阻抗层；所述低阻抗层与所述高阻抗层交替堆叠形成布拉格反射层。
进一步地，所述三边形电极、四边形电极和五边形电极的三层电极区域均包括中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域；所述中心电极区域位于所述三边形电极、四边形电极和五边形电极的中心；所述中间电极区域分布于所述中心电极区域的外围；所述边缘电极区域分布于所述中间电极区域的外围部分形成所述顶电极的边缘区域。
进一步地，所述中心电极区域所用材料为石墨烯；所述中间电极区域采用金属钨制成；所述边缘电极区域采用石墨烯和金属钨材料对接而成。
进一步地，所述三边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述三边形电极的中间电极区域采用等边三边形结构；所述三边形电极的边缘电极区域采用圆弧角等边三边形结构；所述三边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的23%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成，所述金属弧形边区域以外的所有边缘电极区域均采用石墨烯材料制成。
进一步地，所述三边形电极中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure 633862DEST_PATH_IMAGE001
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
进一步地，所述四边形电极采用不具有相互平行对边的四边形结构；所述四边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述四边形电极的中间电极区域采用不具有相互平行对边的四边形结构；所述四边形电极的边缘电极区域采用直线边位置和角度均与所述中间电极区域相同的圆弧角四边形结构；所述四边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的18%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成。
进一步地，所述四边形电极中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure 629631DEST_PATH_IMAGE002
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
进一步地，所述五边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述五边形电极的中间电极区域采用等边五边形结构；所述五边形电极的边缘电极区域采用等边圆弧角五边形结构；所述五边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的14%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成，所述金属弧形边区域以外的所有边缘电极区域均采用石墨烯材料制成。
进一步地，所述五边形电极中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure 674947DEST_PATH_IMAGE003
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
本发明有益效果：
本发明提出的一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，通过采用布拉格反射层来代替空隙能够有效防止压电层、底电极和顶电极产生塌陷。同时，通过顶电极的三层结构设置和每层结构不同形状和不同材料的设置能够有效提高顶电极振动过程中横向模量对谐振器频率因数的影响，进而有效提高薄膜体声波谐振器运行稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明提出所述谐振器的结构示意图；
图2为本发明所述三边形电极的结构示意图；
图3为本发明所述四边形电极的结构示意图；
图4为本发明所述五边形电极的结构示意图；
（1，基体；2，布拉格反射；3，底电极；4，压电层；5，顶电极；6，种子层；51，中心电极区域；52，中间电极区域；53，边缘电极区域；54，金属弧形边区域）。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，如图1所示，所述薄膜体声波谐振器包括基体、布拉格反射层、底电极、压电层和顶电极；所述布拉格反射层设置于所述基体的安装槽中；所述底电极设置于所述布拉格反射层上方；所述压电层设置于所述底电极上方所述顶电极设置于所述压电层上方；所述顶电极包括三边形电极、四边形电极和五边形电极；所述三边形电极、四边形电极和五边形电极均包含三层电极区域，并且，所述三层电极区域的制作材料和形状均不形同。其中，所述布拉格反射层包括三层低阻抗层和两层高阻抗层；所述低阻抗层与所述高阻抗层交替堆叠形成布拉格反射层。
其中，所述三边形电极、四边形电极和五边形电极的三层电极区域均包括中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域；所述中心电极区域位于所述三边形电极、四边形电极和五边形电极的中心；所述中间电极区域分布于所述中心电极区域的外围；所述边缘电极区域分布于所述中间电极区域的外围部分形成所述顶电极的边缘区域。所述中心电极区域所用材料为石墨烯；所述中间电极区域采用金属钨制成；所述边缘电极区域采用石墨烯和金属钨材料对接而成。
上述技术方案的工作原理为：通过在电极的外围、中间和中心位置设置不同区域并通过不同性质的材料设置，使电极的外沿边界条件在振动过程中，由于每个区域的材料密度不同，通过质量负载效应产生改变，进而有效抑制边沿处的杂波。同时，中心电极区域采用圆形结构设置和石墨烯材料，由于整个顶电极中，中心区域面积占比最大，并且中心区域的直线边和棱角在振动过程中易产生杂波，因此，通过中心电极区域圆形结构的设置，直接消除直线边和棱角，进而使中心电极区域在振动过程中能够产生向外发散的均匀的振动波。同时，中间电极区域采用金属材料制成，由于电极各层之间采用柔性连接，中间电极区域由于采用结束材料制成，相对于中心电极区域其质量和密度都是较高的，在这种情况下，当谐振器产生振动时，中间电极区域由于质量负载效应会改变中间电极区域的边界条件，有效降低次层级振动过程中的寄生杂波。同时，由于金属制成的中间电极区域其在高频振动过程中，由于能量的转换会产生热量，因此，通过外围石墨烯材料制成的边缘电极区域将所述中间区域产生的温度进行外传，降低中间电极区域的温度，有效提高顶电极运行的稳定性。另外，由于石墨烯材料的密度较低，质量较小，虽然，在中间电极区域已经改变边界条件的情况下，外部设置的边缘电极区域对中间电极区域所形成的边界条件改变和影响较小，但是，边缘电极区域的面积尺寸较大的情况下，仍然会产生一定的横向杂波，因此，此时在边缘电极区域的弧形边界处设置金属区域不仅能够改变边缘电极区域的质量分布，进而能够降低边缘电极区域对中间电极区域形成的边界条件的改变程度，降低杂波生成，同时，又能够增加电极与外部部件连接的金属连接点，提高顶电极运用的兼容性。另一方面，由于本实施例谐振器采用布拉格反射层结构，由于没有空间进行散热，会导致谐振器温度过高，采用石墨烯材料作为中心电极区域能够有效提高温度热传导性，能够有效降低温度对谐振器的影响。
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，通过采用布拉格反射层来代替空隙能够有效防止压电层、底电极和顶电极产生塌陷。同时，通过顶电极的三层结构设置和每层结构不同形状和不同材料的设置能够有效提高顶电极振动过程中横向模量对谐振器频率因数的影响，进而有效提高薄膜体声波谐振器运行稳定性和使用寿命。
本发明的一个实施例，所述三边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述三边形电极的中间电极区域采用等边三边形结构；所述三边形电极的边缘电极区域采用圆弧角等边三边形结构；所述三边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的23%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成，所述金属弧形边区域以外的所有边缘电极区域均采用石墨烯材料制成。
其中，所述三边形电极的中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure 601315DEST_PATH_IMAGE001
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
上述技术方案的效果为：由于谐振器往往在高频振动过程中，由于电极制作的非常薄，每个层级电极区域的面积大小和各层级尺寸之间的比例关系均能够改变高频振动情况下的电极振动机械特性，因此，通过上述尺寸的设置能够通过中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间的尺寸面积关系设置，使其与所述三边形电极的中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域所用材料进行相配合有效降低顶电极横向模式的杂波生成数量，能够在电极结构为三边形时有效减少寄生杂波，提高顶电极的运行稳定性。
本发明的一个实施例，所述四边形电极采用不具有相互平行对边的四边形结构；所述四边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述四边形电极的中间电极区域采用不具有相互平行对边的四边形结构；所述四边形电极的边缘电极区域采用直线边位置和角度均与所述中间电极区域相同的圆弧角四边形结构；所述四边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的18%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成。所述四边形电极中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure 196113DEST_PATH_IMAGE002
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
上述技术方案的效果为：由于谐振器往往在高频振动过程中，由于电极制作的非常薄，每个层级电极区域的面积大小和各层级尺寸之间的比例关系均能够改变高频振动情况下的电极振动机械特性，因此，通过上述尺寸的设置能够通过中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间的尺寸面积关系设置，使其与所述四边形电极的中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域所用材料进行相配合有效降低顶电极横向模式的杂波生成数量，能够在电极结构为四边形结构时有效减少寄生杂波，提高顶电极的运行稳定性。
本发明的一个实施例，所述五边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述五边形电极的中间电极区域采用等边五边形结构；所述五边形电极的边缘电极区域采用等边圆弧角五边形结构；所述五边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的14%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成，所述金属弧形边区域以外的所有边缘电极区域均采用石墨烯材料制成。所述五边形电极中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure 549734DEST_PATH_IMAGE003
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
上述技术方案的效果为：由于谐振器往往在高频振动过程中，由于电极制作的非常薄，每个层级电极区域的面积大小和各层级尺寸之间的比例关系均能够改变高频振动情况下的电极振动机械特性，因此，通过上述尺寸的设置能够通过中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间的尺寸面积关系设置，使其与所述五边形电极的中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域所用材料进行相配合有效降低顶电极横向模式的杂波生成数量，能够在电极结构为五边形结构时有效减少寄生杂波，提高顶电极的运行稳定性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种带有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器包括基体、布拉格反射层、底电极、压电层和顶电极；所述布拉格反射层设置于所述基体的安装槽中；所述底电极设置于所述布拉格反射层上方；所述压电层设置于所述底电极上方所述顶电极设置于所述压电层上方；所述顶电极包括三边形电极、四边形电极和五边形电极的任意一种；所述三边形电极、四边形电极和五边形电极均包含三层电极区域，并且，所述三层电极区域的制作材料和形状均不形同；
所述三边形电极、四边形电极和五边形电极的三层电极区域均包括中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域；所述中心电极区域位于所述三边形电极、四边形电极和五边形电极的中心；所述中间电极区域分布于所述中心电极区域的外围；所述边缘电极区域分布于所述中间电极区域的外围部分形成所述顶电极的边缘区域；
所述三边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述三边形电极的中间电极区域采用等边三边形结构；所述三边形电极的边缘电极区域采用圆弧角等边三边形结构；所述三边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的23%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成，所述金属弧形边区域以外的所有边缘电极区域均采用石墨烯材料制成。
2.根据权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述布拉格反射层包括三层低阻抗层和两层高阻抗层；所述低阻抗层与所述高阻抗层交替堆叠形成布拉格反射层。
3.根据权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述中心电极区域所用材料为石墨烯；所述中间电极区域采用金属钨制成；所述边缘电极区域采用石墨烯和金属钨材料对接而成。
4.根据权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述三边形电极中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
5.根据权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述四边形电极采用不具有相互平行对边的四边形结构；所述四边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述四边形电极的中间电极区域采用不具有相互平行对边的四边形结构；所述四边形电极的边缘电极区域采用直线边位置和角度均与所述中间电极区域相同的圆弧角四边形结构；所述四边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的18%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成。
6.根据权利要求5所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述四边形电极中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
7.根据权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述五边形电极的中心电极区域采用圆形结构；所述五边形电极的中间电极区域采用等边五边形结构；所述五边形电极的边缘电极区域采用等边圆弧角五边形结构；所述五边形电极的边缘电极区域的圆弧角部分设有金属弧形边区域；所述金属弧形边区域沿着所述圆弧角的边缘设置，并且，所述金属弧形边区域的区域宽度不得超过所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度距离的14%；所述金属弧形边区域采用金属钨材料制成，所述金属弧形边区域以外的所有边缘电极区域均采用石墨烯材料制成。
8.根据权利要求7所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述五边形电极中心电极区域、中间电极区域和边缘电极区域之间满足如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，R表示所述中心电极区域的半径长度；L 2表示所述中间电极区域的边缘直线到所述中心电极区域边缘的最短垂直距离；L 1表示所述边缘电极区域的直线边到所述中间电极区域的直线边之间垂直宽度。
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