CN113992183A - 一种体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本文公开一种体声波谐振器，包括：压电材料薄膜、底电极、顶电极和衬底；其中，压电材料薄膜设置有一个以上第一通孔；底电极和/或顶电极为包含一个以上预设结构的预设电极；其中，第一通孔在预设电极顶部所在的平面上的第一投影区域与平面中无电极覆盖区域的重叠区域为第一镂空区域；第一镂空区域和第一通孔用于通过腐蚀性流体，以在衬底刻蚀空腔。本发明实施例在不需要应用牺牲层工艺、衬底背面光刻工艺以及布拉格反射层的情况下，通过第一镂空区域和第一通孔，将腐蚀性流体流向衬底刻蚀出空腔，简化了体声波谐振器的制备工艺。
Description
技术领域
本文涉及但不限于射频通信技术，尤指一种体声波谐振器。
背景技术
微机电系统(MEMS)谐振器被广泛应用于射频通信领域，在微型滤波器、双工器、复用器等制造中发挥着极其重要的作用。相关技术中的声表面波谐振器工艺成熟，可以通过改变光刻图形调节谐振频率，但由于光刻工艺条件的制约以及压电材料中声速的限制，难以在2.5吉赫兹(GHz)以上同时具备较高的机电耦合系数与品质因数，并且其制造工艺难以与互补金属氧化物半导体的加工工艺相兼容，不符合电子产品微型化与集成化的发展趋势。相关技术中的体声波谐振器可应用于超高频领域，但工艺相对复杂，谐振频率较高时压电薄膜的厚度较小，质量难以保障。
氮化铝是近年来在MEMS谐振器中被广泛应用的压电材料，具有稳定的化学性质、良好的工艺可重复性、材料参数的高热稳定性等优点。基于氮化铝的谐振器制作中心频率为3GHz以上的滤波器的主要问题是工艺复杂、工艺窗口窄、机电耦合系数低、氮化铝质量较差，难以满足批量化生产的要求并且无法通过改变光刻图形来调节谐振频率。因此，需要一种可以满足超高频滤波器电学要求的新型结构的谐振器。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本发明实施例提供一种体声波谐振器，能够降低体声波谐振器对光刻工艺的要求，简化体声波谐振器的制备工艺。
本发明实施例提供一种体声波谐振器，包括：压电材料薄膜(1)、底电极(2)、顶电极(3)和衬底(4)；其中，
压电材料薄膜(1)设置有一个以上第一通孔(1-1)；
底电极(2)和/或顶电极(3)为包含一个以上预设结构的预设电极；
其中，所述预设结构包括以下一种以上结构：圆环形结构、椭圆环形结构、规则多边环形结构、不规则四边环形结构、不规则五边环形结构和螺旋结构；所述预设电极中仅包含除螺旋结构以外的一种所述预设结构时，所述预设电极中预设结构的数量为两个以上；所述第一通孔(1-1)在预设电极顶部所在的平面上投影的第一投影区域与平面中无电极覆盖区域的重叠区域为第一镂空区域；所述第一镂空区域和所述第一通孔(1-1)用于通过腐蚀性流体，以在衬底(4)刻蚀空腔。
本申请技术方案包括：压电材料薄膜、底电极、顶电极和衬底；其中，压电材料薄膜设置有一个以上第一通孔；底电极和/或顶电极为包含一个以上预设结构的预设电极；其中，预设结构包括以下一种以上结构：圆环形结构、椭圆环形结构、规则多边环形结构、不规则四边环形结构、不规则五边环形结构和螺旋结构；预设电极中仅包含除螺旋结构以外的一种预设结构时，预设电极中预设结构的数量为两个以上；第一通孔(1-1)在预设电极顶部所在的平面上投影的第一投影区域与平面中无电极覆盖区域的重叠区域为第一镂空区域；第一镂空区域和第一通孔(1-1)用于通过腐蚀性流体，以在衬底(4) 刻蚀空腔。本发明实施例在不需要应用牺牲层工艺、衬底背面光刻工艺以及布拉格反射层的情况下，通过第一镂空区域和第一通孔，将腐蚀性流体流向衬底刻蚀出空腔，简化了体声波谐振器的制备工艺。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明一实施例体声波谐振器的立体图；
图2为本发明一实施例体声波谐振器的剖面图；
图3为本发明实施例体声波谐振器的二维局部示意图；
图4为本发明一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
图5为本发明另一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
图6为本发明再一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
图7为本发明还一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
图8为本发明一实施例隔离层的示意图；
图9为本发明一实施例缺口示意图；
图10为本发明一实施例隔离槽的示意图；
图11为本发明一实施例引出电极的示意图；
图12为本发明实施例预设电极的示意图；
图13为本发明一实施例体声波谐振器的制备方法的流程图；
图14为本发明一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图15为本发明另一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图16为本发明再一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图17为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图18为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图19为本发明另一实施例体声波谐振器的立体图；
图20为本发明另一实施例体声波谐振器的剖面图；
图21为本发明还一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
图22为本发明还一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
图23为本发明还一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
图24为本发明还一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
图25为本发明另一实施例隔离层的示意图；
图26为本发明另一实施例缺口示意图；
图27为本发明另一实施例隔离槽的示意图；
图28为本发明实施例隔离槽的俯视图；
图29为本发明另一实施例引出电极的示意图；
图30为本发明另一实施例体声波谐振器的制备方法的流程图；
图31为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图32为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图33为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图34为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
图35为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1为本发明实施例体声波谐振器的立体图，图2为本发明实施例体声波谐振器的剖面图，如图1和图2所示，本发明实施例体声波谐振器，包括：压电材料薄膜1、底电极2、顶电极3和衬底4；其中，
压电材料薄膜1设置有一个以上第一通孔1-1；
底电极2和/或顶电极3为包含一个以上预设结构的预设电极；
其中，预设结构包括以下一种以上结构：圆环形结构、椭圆环形结构、规则多边环形结构、不规则四边环形结构和不规则五边环形结构；预设电极中仅包含除螺旋结构以外的一种预设结构时，预设电极中预设结构的数量为两个以上；第一通孔1-1在预设电极顶部所在的平面上投影的第一投影区域与平面中无电极覆盖区域的重叠区域为第一镂空区域；第一镂空区域和第一通孔1-1用于通过腐蚀性流体，以在衬底4刻蚀空腔。
需要说明的是，本发明实施例中的附图及附图说明均以仅顶电极3为预设电极为例进行说明。
本发明实施例在不需要应用牺牲层工艺、衬底背面光刻工艺以及布拉格反射层的情况下，通过第一镂空区域和第一通孔，将腐蚀性流体流向衬底刻蚀出空腔，简化了体声波谐振器的制备工艺。
在一种示例性实例中，本发明实施例预设电极可以仅包含一个螺旋结构；
在一种示例性实例中，本发明实施例中的腐蚀性流体可以包括：二氟化氙。在一种示例性实例中，本发明实施例腐蚀性流体可以由本领域技术人员根据衬底的材料确定。
在一种示例性实例中，本发明实施例衬底的材料可以是硅或碳化硅，衬底4通过腐蚀性流体刻蚀获得空腔；本发明实施例利用衬底的材料减弱体声波谐振器边缘处压电材料薄膜1以及顶电极3和底电极2的振动，从而实现了寄生模态的抑制。
在一种示例性实例中，本发明实施例仅顶电极3为预设电极时，底电极2 还设置有一个以上第二通孔2-1；
其中，第二通孔2-1用于通过腐蚀性流体，第一通孔1-1在底电极2顶部所在的平面上投影的第二投影区域与第二通孔2-1的重叠区域为第二镂空区域。
这里，仅顶电极3为预设电极时，底电极2为参照相关技术设计的电极，本发明实施例在底电极2上设置一个以上第二通孔2-1，用于通过腐蚀性流体。
在一种示例性实例中，本发明实施例仅底电极2为预设电极时，顶电极3 还设置有一个以上第三通孔3-1；
其中，第三通孔3-1用于通过腐蚀性流体；第一通孔1-1在顶电极3顶部所在的平面上投影的第三投影区域与第三通孔3-1的重叠区域为第三镂空区域。
这里，仅底电极2为预设电极时，顶电极3为参照相关技术设计的电极，本发明实施例在顶电极3上设置一个以上第二通孔3-1，用于通过腐蚀性流体。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的预设结构的数量和尺寸通过仿真确定。当预设结构为圆环结构时，预设结构的数量指圆环形的个数，尺寸包括相邻圆环结构在径向的间隔。
本发明可以在体声波谐振器厚度方向的尺寸不变的条件下，通过改变预设电极的数量、尺寸与形状可实现体声波谐振器的谐振频率的调节。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第一通孔1-1为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第二通孔2-1为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第三通孔3-1为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
在一种示例性实例中，本发明实施例规则多边形包括：等边多边形、矩形等几何图形。
在一种示例性实例中，本发明实施例只有顶电极3为预设电极时，顶电极3在底电极2顶部所在平面的投影，位于顶电极3最小外接矩形圈定的区域内。
在一种示例性实例中，本发明实施例第一通孔1-1的面积与顶电极3的最小外接矩形圈定区域的面积的比值均为第一预设比值；
本发明实施例第二通孔2-1的面积与顶电极3的最小外接矩形圈定区域的面积的比值均为第二预设比值。
本发明实施例第三通孔3-1的面积与顶电极3的最小外接矩形圈定区域的面积的比值均为第三预设比值。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第一预设比值大于0.0005但小于0.7。在一种示例性实例中，本发明实施例中的第二预设比值大于0.0005但小于0.7。在一种示例性实例中，本发明实施例中的第三预设比值大于0.0005 但小于0.7。
在一种示例性实例中，本发明实施例第一预设比值、第二预设比值和第三预设比值可以由本领域技术人员基于制备出的体声波谐振器的性能进行调整，在一种示例性实例中，本发明实施例第一预设比值可以大于0.01但小于 0.09。在一种示例性实例中，本发明实施例第二预设比值可以大于0.01但小于0.09。在一种示例性实例中，本发明实施例第三预设比值可以大于0.01但小于0.09。
在一种示例性实例中，本发明实施例衬底4的空腔的上表面的面积与顶电极3的最小外接矩形圈定的区域的面积的比值为第四预设比值。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第四预设比值大于0.2但小于4。
在一种示例性实例中，本发明实施例第一镂空区域的面积与顶电极3最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第五预设比值；
第二镂空区域的面积与顶电极3最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第六预设比值；
其中，第五预设比值大于0.0005但小于0.7。
在一种示例性实例中，本发明实施例第三镂空区域的面积与顶电极3最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第七预设比值；
其中，第七预设比值大于0.0005但小于0.7。
在一种示例性实例中，本发明实施例第五预设比值、第六预设比值和第七预设比值可以由本领域技术人员基于制备出的体声波谐振器的性能进行调整，在一种示例性实例中，本发明实施例第五预设比值、第六预设比值和第七预设比值可以大于0.01但小于0.09。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的压电材料薄膜1由一层以上以下任一压电材料组成：
氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、钽酸锂和锆钛酸铅。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的预设电极由一层或多层导电材料组成。
在一种示例性实例中，本发明实施例底电极2由一层或多层导电材料组成。
在一种示例性实例中，本发明实施例顶电极3由一层或多层导电材料组成。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的导电材料包括导电化合物或以下任一导电单质：金、铝、铜、钛、钼和铂。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的顶电极3采用铝铂双层电极，双层电极先沉积铝再沉积铂，铂作为防氧化保护层防止铝层上表面被氧化，提高器件长期服役的可靠性；
在一种示例性实例中，本发明实施例中的底电极2采用铝铂双层电极，双层电极先沉积铝再沉积铂，铂作为防氧化保护层防止铝层上表面被氧化，提高器件长期服役的可靠性；底电极2上表面为铂时生长氮化铝的质量更好。
图3为本发明实施例体声波谐振器的二维局部示意图，如图3所示，二维局部结构(不考虑顶电极引出电极6和底电极引出电极9)沿回转轴10旋转360°形成三维的体声波谐振器；假设：顶电极3和底电极2的外围为圆形；顶电极3包含n个圆环形结构，图中各参数的含义分别为：a1为每个圆环的内半径与外半径之差，b1为相邻圆环在径向的间隔，x1为顶电极3中最内侧圆环内半径，x2为压电材料薄膜1包含的第一通孔1-1的半径，x3为底电极2 的第二通孔2-1的半径，r1为底电极2的外围轮廓的半径，r2为衬底4的空腔的上表面半径，ht为顶电极3的厚度，hp为压电材料薄膜1的厚度，hb为底电极2的厚度。本发明实施例串联谐振频率fs和并联谐振频率fp共同决定谐振器的机电耦合系数
的大小，采用一阶泰勒近似公式计算：
在一种示例性实例中，本发明实施例基于体声波谐振器参数得到导纳曲线，获得导纳曲线的压电方程的表达式为：
T＝cS-eE
D＝εE-eS
其中，T为应力矩阵，c为压电材料刚度矩阵，S为应变矩阵，e为压电应力矩阵，E为静电场强度，D为电位移，ε为压电材料介电矩阵；根据压电应力矩阵e对体声波谐振器谐振频率与机电耦合系数进行调整，压电应力矩阵为：
其中，e15、e22、e24、e31、e33分别为压电材料对应方向的压电系数；基于上述方程，利用有限元仿真的方法确定体声波谐振器的理论导纳曲线并对几何参数进行调整；制造体声波谐振器，测试得到体声波谐振器的实际导纳曲线，根据实际导纳曲线进一步调整几何尺寸与工艺参数，最终确定制备满足要求的体声波谐振器的几何尺寸与工艺参数。
在一种示例性实例中，本发明实施例当顶电极3和底电极2的材料均为铝，压电材料薄膜1为氮化铝，衬底4的材料为硅；体声波谐振器中圆环结构的数量n取120，其他各组成的参数如表1所示时，图4为本发明一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图，体声波谐振器在大频率范围内的导纳曲线，图5为本发明另一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图，体声波谐振器在小频率范围内的导纳曲线；参照表1参数设置的体声波谐振器的串联谐振频率fs为5.01吉赫兹(GHz)，并联谐振频率fp为5.162GHz，机电耦合系数的计算值为7.27％；在一种示例性实例中，本发明实施例通过仿真重新确定圆环结构的数量n与相邻圆环结构在径向的间隔b，可以改变谐振频率和反谐振频率；图6为本发明再一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图，如图6所示，体声波谐振器在小频率范围内的导纳曲线；n＝60，b1＝0.75μm时谐振器在小频率范围内的导纳值，此时谐振频率为5.094GHz，反谐振频率为5.196GHz；图7为本发明还一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图，如图7所示，n＝35，b1＝1.5μm时谐振器在小频率范围内的导纳值，此时谐振频率为5.192GHz，反谐振频率为5.27GHz。
| 参数 | 数值/微米 | 参数 | 数值/微米 | 参数 | 数值/微米 |
| a1 | 0.25 | r<sub>1</sub> | 60 | b1 | 0.25 |
| x<sub>1</sub> | 5 | r<sub>2</sub> | 59 | h<sub>t</sub> | 0.07 |
| h<sub>b</sub> | 0.07 | h<sub>p</sub> | 1 | x<sub>2</sub> | 4 |
| x<sub>3</sub> | 5 |
表1
在一种示例性实例中，本发明实施例中的体声波谐振器还包括顶电极引出电极6；
顶电极引出电极6和压电材料薄膜1之间设置有隔离层7或空腔8；
其中，隔离层7或空腔8用于隔离顶电极引出电极6和压电材料薄膜2。
图8为本发明一实施例隔离层的示意图，如图8所示，顶电极引出电极6 和压电材料薄膜1之间设置有隔离层7，隔离层7隔离了顶电极引出电极6和压电材料薄膜1；在一种示例性实例中，本发明实施例隔离层7可以采用沉积方式制备。在一种示例性实例中，本发明实施例中的顶电极引出电极6在底电极2的第二投影区域的位置设置有预设形状的缺口2-2。
图9为本发明一实施例缺口示意图，如图9所示，在底电极2上设置有缺口2-2；本发明实施例基于缺口2-2的设置，抑制了顶电极引出电极6与底电极2投影区域重合所造成的寄生模态。
在一种示例性实例中，本发明实施例中体声波谐振器还包括顶电极引出电极6和底电极引出电极9，压电材料薄膜1上刻蚀有隔离槽1-2；
其中，隔离槽1-2在底电极2顶部所在平面的投影位于底电极2和底电极引出电极9组成的区域内；隔离槽1-2位于由底电极2和底电极引出电极9 组成区域的最小外接矩形的外周轮廓与顶电极3的外周轮廓形成的中间区域。
在一种示例性实例中，本发明实施例隔离槽1-2为扇环形。
图10为本发明一实施例隔离槽的示意图，如图10所示，本发明实施例通过隔离槽1-2有效抑制了声波从体声波谐振器有效区域向周围的传播，降低了间隔较小的多个体声波谐振器之间的相互影响。
在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器还包括：底电极引出电极9；在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器可以包括两个以上顶电极引出电极6和两个以上底电极引出电极9；图11为本发明一实施例引出电极的示意图，如图11所示，体声波谐振器包括六个顶电极引出电极6和两个底电极引出电极9。
在一种示例性实例中，本发明实施例预设电极通过以下方式之一施加电压信号：
均施加正电压；
均施加负电压。
在一种示例性实例中，本发明实施例预设电极包括两个以上预设结构，一个以上预设结构与预设电极的引出电极的交叉位置设置有用于中断电压信号的第四镂空区域；
其中，预设电极包括顶电极3时，预设电极的引出电极为顶电极引出电极6；预设电极包括底电极2时，预设电极的引出电极为底电极引出电极9。
需要说明的是，本发明实施例中的每个预设结构和一个以上预设电极的引出电极连接。图12为本发明实施例预设电极的示意图，如图12所示，顶电极3为预设结构的预设电极时，预设结构与顶电极引出电极6的交叉位置设置有用于中断电压信号的第四镂空区域。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的预设电极通过正电压和负电压交替的方式施加电压信号；
其中，向第四镂空区域中断的预设结构和预设电极的引出电极中施加的电压信号不同。
图13为本发明实施例体声波谐振器的制备方法的流程图，如图13所示，包括：
步骤1301、在衬底材料的上表面沉积底电极材料与底电极引出电极材料，并图形化底电极引出电极和包含第二通孔的底电极；
步骤1302、在底电极材料上表面制备压电材料薄膜；这里，压电材料薄膜的制备方法包括沉积；
步骤1303、刻蚀压电材料薄膜，获得第一通孔；
步骤1304、在压电材料薄膜上表面沉积顶电极材料与顶电极引出电极材料，并图形化顶电极引出电极和包括圆环形结构的顶电极；这里，以圆环形作为预设结构进行说明；
步骤1305、腐蚀性流体通过顶电极的第一镂空区域、第一通孔和第二通孔流向衬底刻蚀空腔，释放体声波谐振器。
图14～图18为本发明实施例逐步制备体声波谐振器的成品图；如图14 所示，执行步骤1301获得的体声波谐振器的底电极2，底电极2中包含第二通孔2-1；如图15所示，执行步骤1302获得的体声波谐振器的压电材料薄膜 1；如图16所示，执行步骤1303对压电材料薄膜1进行刻蚀，形成第一通孔 1-1；如图17所示，执行步骤1304获得的体声波谐振器的顶电极3，顶电极3 中由一个以上圆环形结构组成；如图18所示，执行步骤1305将腐蚀性流体通过顶电极的第一镂空区域、第一通孔和第二通孔刻蚀衬底形成空腔，释放体声波谐振器。
本发明实施例直接在衬底材料上沉积底电极，保证较薄的压电材料能具备良好的晶面取向性与较低的表面粗糙度；无需牺牲层工艺、衬底背面光刻工艺以及布拉格反射层，工艺更简单；利用衬底材料减弱谐振器边缘处压电材料薄膜以及电极的振动，从而抑制寄生模态。本发明实施例可以在体声波谐振器厚度方向的尺寸不变的条件下，通过改变预设电极的数量、尺寸与形状可实现体声波谐振器的谐振频率的调节。本发明实施例可以灵活调节衬底材料空腔上表面的面积，使其接近甚至小于体声波谐振器有效区域的面积，在相邻谐振器间距极小的条件下保障相邻谐振器之间存在有衬底支撑的区域，有效缓解高集成度的超高频滤波器中压电谐振器电极与压电材料薄膜的弯曲问题，进而改善谐振器与滤波器的电学特性。
图19为本发明另一实施例体声波谐振器的立体图，图20为本发明另一实施例体声波谐振器的剖面图，如图19和图20所示，本发明实施例体声波谐振器，包括：压电材料薄膜1、底电极2、顶电极3和衬底4；其中，
压电材料薄膜1设置有一个以上第一通孔1-1；
底电极2和/或顶电极3为包含一个螺旋结构的预设电极；
其中，第一通孔1-1在预设电极顶部所在的平面上投影的第一投影区域与平面中无电极覆盖区域的重叠区域为第一镂空区域；第一镂空区域和第一通孔1-1用于通过腐蚀性流体，以在衬底4刻蚀空腔。
需要说明的是，本发明实施例中的附图及附图说明均以仅顶电极3为预设电极为例进行说明。
本发明实施例在不需要应用牺牲层工艺、衬底背面光刻工艺以及布拉格反射层的情况下，通过第一镂空区域和第一通孔，将腐蚀性流体流向衬底刻蚀出空腔，简化了体声波谐振器的制备工艺。
在一种示例性实例中，本发明实施例衬底的材料可以是硅或碳化硅，衬底4通过腐蚀性流体刻蚀获得空腔；本发明实施例利用衬底的材料减弱体声波谐振器边缘处压电材料薄膜1以及顶电极3和底电极2的振动，从而实现了寄生模态的抑制。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的预设结构为螺旋结构时，螺旋结构的中心线形状包括以下一种以上螺旋线：阿基米德螺线、费马螺线、连锁螺线、双曲螺线和螺旋折线。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的预设结构的数量和尺寸通过仿真确定。当预设结构为螺旋结构且螺旋结构的中心线形状为阿基米德螺线时，预设结构的数量指螺旋线的匝数，尺寸包括：螺旋结构中心线方向的截面的宽度、螺旋结构中心线的径向节距和螺旋结构中心线的最小曲率半径；
本发明可以在体声波谐振器厚度方向的尺寸不变的条件下，通过改变预设电极的数量、尺寸与形状可实现体声波谐振器的谐振频率的调节。
假设顶电极3和底电极2的外围为圆形；顶电极3包含n匝螺旋结构，图中各参数的含义分别为：a2为螺旋结构中心线方向的截面的宽度，b2为螺旋结构中心线的径向节距，x4为螺旋结构的顶电极3中心线的最小曲率半径， x2为压电材料薄膜1包含的第一通孔1-1的半径，x3为底电极2的第二通孔 2-1的半径，r1为底电极2的外围轮廓的半径，r2为衬底4的空腔的上表面半径，ht为顶电极3的厚度，hp为压电材料薄膜1的厚度，hb为底电极2的厚度。本发明实施例串联谐振频率fs和并联谐振频率fp共同决定谐振器的机电耦合系数
的大小，采用一阶泰勒近似公式计算：
在一种示例性实例中，本发明实施例基于体声波谐振器参数得到导纳曲线，获得导纳曲线的压电方程的表达式为：
T＝cS-eE
D＝εE-eS
其中，T为应力矩阵，c为压电材料刚度矩阵，S为应变矩阵，e为压电应力矩阵，E为静电场强度，D为电位移，ε为压电材料介电矩阵；根据压电应力矩阵e对体声波谐振器谐振频率与机电耦合系数进行调整，压电应力矩阵为：
其中，e15、e22、e24、e31、e33分别为压电材料对应方向的压电系数；基于上述方程，利用有限元仿真的方法确定体声波谐振器的理论导纳曲线并对几何参数进行调整；制造体声波谐振器，测试得到体声波谐振器的实际导纳曲线，根据实际导纳曲线进一步调整几何尺寸与工艺参数，最终确定制备满足要求的体声波谐振器的几何尺寸与工艺参数。
在一种示例性实例中，本发明实施例当顶电极3和底电极2的材料均为铝，压电材料薄膜1为氮化铝，衬底4的材料为硅；本发明实施例顶电极3 的厚度ht为0.07μm，底电极2的厚度hb为0.07μm，压电材料薄膜1的厚度为0.95μm时，a2＝0.54μm，b2＝1.08μm的体声波谐振器在小频率范围内的导纳曲线如图21所示，在大频率范围内的导纳曲线如图22所示；该谐振器的串联谐振频率fs为5.25GHz，并联谐振频率fp为5.4GHz，机电耦合系数的计算值为6.85％。改变a2与b2的取值可以改变谐振频率和反谐振频率：a2＝0.65 μm，b2＝0.9μm的体声波谐振器在小频率范围内的导纳曲线如图23所示，在大频率范围内的导纳曲线如图24所示，该体声波谐振器的串联谐振频率fs为5.17GHz，并联谐振频率fp为5.33GHz，机电耦合系数的计算值为7.41％。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的体声波谐振器还包括顶电极引出电极6；顶电极引出电极6和压电材料薄膜1之间设置有隔离层7或空腔8；其中，隔离层7或空腔8用于隔离顶电极引出电极6和压电材料薄膜2。
图25为本发明另一实施例隔离层的示意图，如图25所示，顶电极引出电极6和压电材料薄膜1之间设置有隔离层7，隔离层7隔离了顶电极引出电极6和压电材料薄膜1；在一种示例性实例中，本发明实施例隔离层7可以采用沉积方式制备。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的顶电极引出电极6在底电极2 的第二投影区域的位置设置有预设形状的缺口2-2。
图26为本发明另一实施例缺口示意图，如图26所示，在底电极2上设置有缺口2-2；本发明实施例基于缺口2-2的设置，抑制了顶电极引出电极6 与底电极2投影区域重合所造成的寄生模态。
在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器还包括顶电极引出电极6和底电极引出电极9，压电材料薄膜1上刻蚀有隔离槽1-2；
其中，隔离槽1-2在底电极2顶部所在平面的投影位于底电极2和底电极引出电极9组成的区域内；隔离槽1-2位于由底电极2和底电极引出电极9 组成区域的最小外接矩形的外周轮廓与顶电极3的外周轮廓形成的中间区域。
图27为本发明另一实施例隔离槽的示意图，图28为本发明实施例隔离槽的俯视图，如图27和图28所示，本发明实施例通过隔离槽1-2有效抑制了声波从体声波谐振器有效区域向周围的传播，降低了间隔较小的多个体声波谐振器之间的相互影响。
在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器还包括：底电极引出电极9；在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器可以包括两个以上顶电极引出电极6和两个以上底电极引出电极9；图29为本发明另一实施例引出电极的示意图，如图29所示，体声波谐振器包括四个顶电极引出电极6 和两个底电极引出电极9。
图30为本发明另一实施例体声波谐振器的制备方法的流程图，如图30 所示，包括：
步骤3001、在衬底材料的上表面沉积底电极材料与底电极引出电极材料，并图形化底电极引出电极和包含第二通孔的底电极；
步骤3002、在底电极材料上表面制备压电材料薄膜；这里，压电材料薄膜的制备方法包括沉积；
步骤3003、刻蚀压电材料薄膜，获得第一通孔；
步骤3004、在压电材料薄膜上表面沉积顶电极材料与顶电极引出电极材料，并图形化顶电极引出电极和包括螺旋结构的顶电极；
步骤3005、腐蚀性流体通过顶电极的镂空区域、第一通孔和第二通孔流向衬底刻蚀空腔，释放体声波谐振器。
图31～图35为本发明实施例逐步制备体声波谐振器的成品图；如图31 所示，执行步骤3001获得的体声波谐振器的底电极2，底电极2中包含第二通孔2-1；如图32所示，执行步骤3002获得的体声波谐振器的压电材料薄膜 1；如图33所示，执行步骤3003对压电材料薄膜1进行刻蚀，形成第一通孔 1-1；如图34所示，执行步骤3004获得的体声波谐振器的顶电极3，顶电极3 中由一匝以上螺旋结构组成；如图35所示，执行步骤3005将腐蚀性流体通过顶电极的镂空区域、第一通孔和第二通孔刻蚀衬底形成空腔，释放体声波谐振器。
本发明实施例直接在衬底材料上沉积底电极，保证较薄的压电材料能具备良好的晶面取向性与较低的表面粗糙度；无需牺牲层工艺、衬底背面光刻工艺以及布拉格反射层，工艺更简单；利用衬底材料减弱谐振器边缘处压电材料薄膜以及电极的振动，从而抑制寄生模态。本发明可以在体声波谐振器厚度方向的尺寸不变的条件下，通过改变预设电极的数量、尺寸与形状可实现体声波谐振器的谐振频率的调节。本发明实施例可以灵活调节衬底材料空腔上表面的面积，使其接近甚至小于体声波谐振器有效区域的面积，在相邻谐振器间距极小的条件下保障相邻谐振器之间存在有衬底支撑的区域，有效缓解高集成度的超高频滤波器中压电谐振器电极与压电材料薄膜的弯曲问题，进而改善谐振器与滤波器的电学特性。
“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。”。
Claims (20)
1.一种体声波谐振器，包括：压电材料薄膜(1)、底电极(2)、顶电极(3)和衬底(4)；其中，
压电材料薄膜(1)设置有一个以上第一通孔(1-1)；
底电极(2)和/或顶电极(3)为包含一个以上预设结构的预设电极；
其中，所述预设结构包括以下一种以上结构：圆环形结构、椭圆环形结构、规则多边环形结构、不规则四边环形结构、不规则五边环形结构和螺旋结构；所述预设电极中仅包含除螺旋结构以外的一种所述预设结构时，所述预设电极中预设结构的数量为两个以上；所述第一通孔(1-1)在预设电极顶部所在的平面上投影的第一投影区域与平面中无电极覆盖区域的重叠区域为第一镂空区域；所述第一镂空区域和所述第一通孔(1-1)用于通过腐蚀性流体，以在衬底(4)刻蚀空腔。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，仅所述顶电极(3)为所述预设电极时，所述底电极(2)还设置有一个以上第二通孔(2-1)；
其中，所述第二通孔(2-1)用于通过所述腐蚀性流体；所述第一通孔(1-1)在所述底电极(2)顶部所在的平面上投影的第二投影区域与所述第二通孔(2-1)的重叠区域为第二镂空区域。
3.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，仅所述底电极(2)为所述预设电极时，所述顶电极(3)还设置有一个以上第三通孔(3-1)；
其中，所述第三通孔(3-1)用于通过所述腐蚀性流体；所述第一通孔(1-1)在所述顶电极(3)顶部所在的平面上投影的第三投影区域与所述第三通孔(3-1)的重叠区域为第三镂空区域。
4.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述预设结构的数量和尺寸通过仿真确定。
5.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一通孔(1-1)为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
6.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第二通孔(2-1)为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
7.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第三通孔(3-1)为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
8.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(3)在所述底电极(2)的顶部所在平面的投影，位于所述底电极(2)最小外接矩形圈定的区域内。
9.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一通孔(1-1)的面积与所述顶电极(3)最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第一预设比值；
所述第二通孔(2-1)的面积与所述顶电极(3)最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第二预设比值；
其中，所述第一预设比值大于0.0005但小于0.7；所述第二预设比值大于0.0005但小于0.7。
10.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第三通孔(3-1)的面积与所述顶电极(3)最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第三预设比值；
其中，所述第三预设比值大于0.0005但小于0.7。
11.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述衬底(4)上的空腔的上表面的面积与所述顶电极(3)的最小外接矩形圈定的区域的面积的比值为第四预设比值；
其中，所述第四预设比值大于0.2但小于4。
12.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一镂空区域的面积与所述顶电极(3)最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第五预设比值；
所述第二镂空区域的面积与所述顶电极(3)最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第六预设比值；
其中，所述第五预设比值大于0.0005但小于0.7；所述第六预设比值大于0.0005但小于0.7。
13.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第三镂空区域的面积与所述顶电极(3)最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第七预设比值；
其中，所述第七预设比值大于0.0005但小于0.7。
14.根据权利要求1～13任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电材料薄膜(1)由一层以上以下任一压电材料组成：
氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、钽酸锂和锆钛酸铅。
15.根据权利要求1～13任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极(2)由一层或多层导电材料组成；和/或，
所述底电极(3)由一层或多层导电材料组成。
16.根据权利要求1～13任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器还包括顶电极引出电极(6)；
所述顶电极引出电极(6)和所述压电材料薄膜(1)之间设置有隔离层(7)或空腔(8)；
其中，所述隔离层(7)或所述空腔(8)用于隔离所述顶电极引出电极(6)和所述压电材料薄膜(1)。
17.根据权利要求1～13任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器还包括顶电极引出电极(6)和底电极引出电极(9)，所述压电材料薄膜(1)上刻蚀有隔离槽(1-2)；
其中，所述隔离槽(1-2)在所述底电极(2)顶部所在平面的投影位于所述底电极(2)和所述底电极引出电极(9)组成的区域内；所述隔离槽(1-2)位于由所述底电极(2)和所述底电极引出电极(9)组成区域的最小外接矩形的外周轮廓与所述顶电极(3)的外周轮廓形成的中间区域。
18.根据权利要求1～13所述的体声波谐振器，其特征在于，所述预设电极通过以下方式之一施加电压信号：
均施加正电压；
均施加负电压。
19.根据权利要求1～13所述的体声波谐振器，其特征在于，所述预设电极包括两个以上预设结构，一个以上所述预设结构与所述预设电极的引出电极的交叉位置设置有用于中断电压信号的第四镂空区域；
其中，所述预设电极包括所述顶电极(3)时，所述预设电极的引出电极为顶电极引出电极(6)；所述预设电极包括所述底电极(2)时，所述预设电极的引出电极为底电极引出电极(9)。
20.根据权利要求19所述的体声波谐振器，其特征在于，所述预设电极通过正电压和负电压交替的方式施加电压信号；
其中，向所述第四镂空区域中断的所述预设结构和所述预设电极的引出电极中施加的电压信号不同。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202111290304.2A CN113992183A (zh) | 2021-11-02 | 2021-11-02 | 一种体声波谐振器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111290304.2A CN113992183A (zh) | 2021-11-02 | 2021-11-02 | 一种体声波谐振器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN113992183A true CN113992183A (zh) | 2022-01-28 |
Family
ID=79745900
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202111290304.2A Pending CN113992183A (zh) | 2021-11-02 | 2021-11-02 | 一种体声波谐振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113992183A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115498975A (zh) * | 2022-11-16 | 2022-12-20 | 迈感微电子(上海)有限公司 | 一种薄膜体声波谐振器以及滤波器 |
-
2021
- 2021-11-02 CN CN202111290304.2A patent/CN113992183A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115498975A (zh) * | 2022-11-16 | 2022-12-20 | 迈感微电子(上海)有限公司 | 一种薄膜体声波谐振器以及滤波器 |
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