CN114189225A - 一种薄膜体声波谐振器及应用其的滤波器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种薄膜体声波谐振器及应用其的滤波器，该薄膜体声波谐振器包括基底和器件结构，器件结构设于基底上；基底上与器件结构连接的一面设有反射镜；器件结构包括第一电极层、压电薄膜层和第二电极层，第一电极层、压电薄膜层和第二电极层依次层叠连接；第二电极层上设有第一声阻抗调谐结构，第一声阻抗调谐结构包括第一内部谐振区域和第一外部谐振区域，第一外部谐振区域和第一内部谐振区域的声阻抗不同；第一内部谐振区域设于第二电极层上与反射镜相对应的区域内。通过调整第一外部谐振区域和第一内部谐振区域的占空比及周期，能够形成多层横向声波的反射界面，限制声波能量从谐振器边缘处泄漏，提高谐振器的品质因数Q值。
Description
技术领域
本申请涉及声波谐振器技术领域，特别涉及一种薄膜体声波谐振器及应用其的滤波器。
背景技术
随着无线终端多功能化技术的发展，对频率器件提出了微型化、低功耗、低成本、高性能的要求。相较于传统技术的滤波器，薄膜体声波谐振器(Film Bulk AcousticResonator，FBAR)以其在高频应用下的优势成为当今5G技术万众瞩目的焦点，FBAR具有较低的插入损耗、高的矩形系数等优势，因此被广泛应用在当今无线通讯系统当中。FBAR谐振器同时具有对外界环境因素的频率敏感性，可以根据其频率的变化反应外界条件的改变，可用作生物化学、医学诊断以及环境监测等传感器领域。FBAR是一种利用纵向体声波进行谐振的技术，通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转化为纵向声波进行谐振，谐振器只能使特定频率的波通过。因声波的传播速度相较于电磁波而言要小5个数量级左右，使得工作于同样频率条件下的FBAR尺寸远小于介质陶瓷器件。
FBAR是决定射频信号在滤波器中进出质量的重要元件，谐振器的各项指标决定组成的滤波器性能：机电耦合系数决定于滤波器的宽带大小，谐振频率决定于滤波器的衰减点，品质因数Q决定于滤波器的插入损耗，具有不同Q值的谐振器会使滤波器的插入损耗具有极大的变化。因此，如何提高薄膜体声波谐振器的Q值是业内设计高性能滤波器的一个极其重要的问题。Q值定义为系统储存的总能量与每周期内谐振器通过各种途径损耗能量的比值，具体计算为角频率与系统总储存的能量的乘积与每周期内谐振器系统通过各种途径损耗的能量的比值；高Q值的谐振器说明其能量损耗低；由高Q值谐振器构成的滤波器插入损耗低，阻带衰减陡峭，滤波器效果好，矩形系数高；由高Q值谐振器构成的传感器具有更高的探测精度。
现有技术中FBAR的主要工作模式为纵向声波，在产生主模的同时会产生横向模式，横向模式的泄漏严重影响并联谐振点品质因数Q，进而影响了器件性能。
发明内容
本申请要解决是现有技术中薄膜体声波谐振器的声波容易泄漏进而影响谐振器的品质因数Q值的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种薄膜体声波谐振器，包括基底和器件结构，所述器件结构设于所述基底上；
所述基底上与所述器件结构连接的一面设有反射镜；所述反射镜为空腔结构或布拉格反射器；
所述器件结构包括第一电极层、压电薄膜层和第二电极层，所述第一电极层、所述压电薄膜层和所述第二电极层依次层叠连接；
所述第二电极层上设有第一声阻抗调谐结构，所述第一声阻抗调谐结构包括第一内部谐振区域和第一外部谐振区域，所述第一外部谐振区域和所述第一内部谐振区域的占空比不同；
所述第一内部谐振区域设于所述第二电极层上与所述反射镜相对应的区域内。
进一步地，所述第一外部谐振区域包括至少两个第一单元，所述第一外部谐振区域中的每个第一单元具有对应的周期和占空比；
所述第一内部谐振区域包括至少两个第二单元，所述第一内部谐振区域中的每个第二单元具有对应的周期和占空比；
所述第一外部谐振区域中的每个第一单元对应的周期及占空比均相同；
所述第一内部谐振区域中的每个第二单元对应的周期和占空比均相同；
所述第二单元对应的占空比与所述第一单元对应的占空比不同；所述第二单元对应的周期与所述第一单元对应的周期相同。
进一步地，所述器件结构还包括支撑层，所述支撑层包括相对应的第一面和第二面，所述支撑层的第一面与所述基底层叠连接，所述支撑层的第二面与所述第一电极层层叠连接。
进一步地，还包括第二声阻抗调谐结构；所述第二声阻抗调谐结构设于所述支撑层的第一面、所述第一电极层上与所述支撑层连接的一面或所述压电薄膜层上与所述第一电极层连接的一面；
所述第二声阻抗调谐结构包括第二内部谐振区域和第二外部谐振区域；
所述第二内部谐振区域和所述第二外部谐振区域的占空比不同；
所述第二内部谐振区域位于所述支撑层的第一面上与所述反射镜对应的区域内。
进一步地，所述第二声阻抗调谐结构与所述第一声阻抗调谐结构结构相同，且与所述第一声阻抗调谐结构的位置相对应。
进一步地，所述第二声阻抗调谐结构与所述第一声阻抗调谐结构为非对称结构；
所述第二声阻抗调谐结构与所述第一声阻抗调谐结构的对位差值为所述第一外部谐振区域中其中一个单元对应周期的正整数倍。
进一步地，所述第一外部谐振区域包括至少两个第一单元，所述第一外部谐振区域中的每个第一单元具有对应的周期和占空比；所述第一内部谐振区域包括至少两个第二单元，所述第一内部谐振区域中的每个第二单元具有对应的周期和占空比；
所述第一外部谐振区域中的每个第一单元与所述第一内部谐振区域中的每个第二单元对应的周期均相同；
所述第一内部谐振区域中每个第二单元的占空比均相同，从所述第一外部谐振区域中从最外侧的第一单元至所述第一内部谐振区域中最外侧的第二单元对应的占空比呈渐变规律；
进一步地，所述第一外部谐振区域包括至少两个第一单元，所述第一外部谐振区域中的每个第一单元具有对应的周期和占空比；所述第一内部谐振区域包括至少两个第二单元，所述第一内部谐振区域中的每个第二单元具有对应的周期和占空比；
所述第一外部谐振区域中的每个第一单元与所述第一内部谐振区域中的每个第二单元对应的占空比均相同；
所述第一内部谐振区域中的每个第二单元对应的周期相同；
从所述第一外部谐振区域中从最外侧的第一单元至所述第一内部谐振区域中最外侧的第二单元对应的周期呈渐变规律；或；所述第一外部谐振区域中的每个第一单元对应的周期均相同，任一所述第一单元与任一所述第二单元对应的周期不同。
进一步地，所述第一声阻抗调谐结构为亚波长声学微结构；
所述第一声阻抗调谐结构为在所述第二电极层上设置凹凸结构形成。
本申请第二方面公开一种滤波器，包括所述薄膜体声波谐振器。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请提供的薄膜体声波谐振器在第二电极层上设置第一声阻抗调谐结构，该声阻抗调谐结构通过调整第一外部谐振区域和第一内部谐振区域的占空比及周期，能够形成多层横向声波的反射界面，限制声波能量从谐振器边缘处泄漏，提高谐振器的品质因数Q值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本申请实施例一一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图2为本申请实施例一一种薄膜体声波谐振器的第一声阻抗调谐结构的俯视图；
图3为本申请实施例一一种滤波器的结构示意图
图4为本申请实施例二一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图5为本申请实施例一和实施例二薄膜体声波谐振器阻抗响应特性对比图；
图6为本申请实施例三一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图7为本申请实施例三一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图8为本申请实施例四一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图9为本申请实施例一种薄膜体声波谐振器对横向声波杂散模式的抑制情况的示意图。
以下对附图作补充说明：
1-基底；2-反射镜；3-第一电极层；4-压电薄膜层；5-第二电极层；6-第一声阻抗调谐结构；61-第一外部谐振区域；62-第一内部谐振区域；7-支撑层；8-第二声阻抗调谐结构。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更至少两个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例一：
请参见图1，图1为本申请实施例一种薄膜体声波谐振器的结构示意图，图1中的薄膜体声波谐振器包括基底1和器件结构，器件结构设于基底1上；
基底1上与器件结构连接的一面设有反射镜2；反射镜2可以为空腔结构或者布拉格反射器(DBR)。
器件结构包括第一电极层3、压电薄膜层4和第二电极层5，第一电极层3、压电薄膜层4和第二电极层5依次层叠连接；
本申请实施例中，器件结构还可以包括种子层或支撑层7；以支撑层7为例，支撑层7包括相对应的第一面和第二面，支撑层7的第一面与基底1层叠连接，支撑层7的第二面与第一电极层3层叠连接。即支撑层7、第一电极层3、压电薄膜层4和第二电极层5由下至上依次层叠连接。
第二电极层5上设有第一声阻抗调谐结构6，本申请实施例中，第一声阻抗调谐结构6为亚波长声学微结构；
第一声阻抗调谐结构6包括第一内部谐振区域62和第一外部谐振区域61(即形成主谐振器和次谐振器)；第一外部谐振区域61和第一内部谐振区域62的声阻抗不同；本申请实施例中，占空比定义为：一个周期内图形区宽度W与周期T(图形区与非图形区总宽度)之间的比值。如图1中所示(图1中所示的第一外部谐振区域61以包括三个第一单元为例；下述其他实施例中第一外部谐振区域也均以三个第一单元为例)，若W1为第一外部谐振区域61中一个单元的图形区宽度(即图1中一个凸起和一个凹陷的总宽度)，第一外部谐振区域61中一个单元的周期为T1(即图1中图形区和非图形区的总宽度)，第一外部谐振区域61的占空比为W1与周期T的比值,；若W2为第一内部谐振区域62中一个单元的图形宽度，第一内部谐振区域62中一个单元的周期为T2，第一内部谐振区域62的占空比为W2与T2的比值。
本申请实施例中，第一外部谐振区域61包括至少两个第一单元(图1中所示的第一外部谐振区域61包括三个第一单元；下述其他实施例中第一外部谐振区域也均以三个第一单元为例)，第一外部谐振区域61中的每个第一单元具有对应的周期和占空比；
第一外部谐振区域61中的每个第一单元对应的周期相同；
第一外部谐振区域61中的每个第一单元对应的占空比相同。
本申请实施例中，第一内部谐振区域62包括至少两个第二单元，第一内部谐振区域62中的每个第二单元具有对应的周期和占空比；
第一内部谐振区域62中的每个第二单元对应的周期和占空比均相同；
第二单元对应的占空比与第一单元对应的占空比不同；即第一外部谐振区域至第一内部谐振区域的占空比变化形式为突变形式。
第二单元对应的周期与第一单元对应的周期相同。
第一声阻抗调谐结构6为在第二电极层3上设置凹凸结构形成。该凸凹结构可以为各种图案的图形；图2a和2b为本申请实施例第一声阻抗调谐结构6即声学微结构的俯视示意图，每个形状相同的环形表示声学微结构分界线；其中，图2a的声学微结构为均匀分布，图2b中声学微结构为非均匀分布；图2c和图2d分别是具体的矩形和圆形分布示意；其中边界与微结构之间不存在平行关系，每个环形之间所包含的完整图形个数即为该区域内单元的个数，每个单元内有一个凸起图形，凸起图形的宽度根据周期和占空比确定。图2e是另一种矩形分布示意，此结构中的矩形与边界保持平行关系。所有可能的表面结构并不局限于该图所示，也可以为相同排布规律的其他形状，如：椭圆形、三角形或多边形等。需要说明的是，附图仅是对可能的表面分布结构作说明性表示，且不一定按实际比例绘制。
在图1中，第一声阻抗调谐结构6设计为对薄膜体声波谐振器内部和外部的占空比进行调节，在调节过程中，保持内部谐振区域和外部谐振区域中每个单元的周期T一致。当薄膜体声波谐振器的第一内部谐振区域62中单元和第一外部谐振区域61中单元具有不同的占空比时，具有不同的谐振频率。由于声学微结构属于亚波长，对于纵向传播的声波来说无法识别周期性分布的凹凸结构，等效为水平面，不同占空比使等效平面的高度不同，因此形成具有不同频率的谐振器，即主谐振器和次谐振器，交界面的声阻抗变得不连续。对于横向传播的声波来说，在声阻抗不连续的交界面均会形成反射，同时相邻的微结构之间形成连续反射，使本实施例相较于现有技术的谐振器能够获得较高的Q值。声学亚波长可表示为微结构的横向宽度W需要小于纵向声波传播的波长，进一步地可以小于纵波波长的二分之一，纵波波长可从谐振器等效膜层厚度计算得到。
本申请实施例中，第一声阻抗调谐结构6的厚度需要根据主谐振器的谐振频率和占空比进行优化，范围可以在0.1至1μm之间。
本申请实施例中的第一声阻抗调谐结构6，第一内部谐振区域62的每个单元和第一外部谐振区域61的每个单元的周期T保持一致，本实施例将周期T设计为指定频率条件下横向声波波长四分之一的奇数倍，范围可以在为0.5至5μm之间；本申请实施例一中，第一内部谐振区域62中的每个第二单元的占空比与周期均相同，第一外部谐振区域61中每个第一单元的占空比与周期均相同，第一单元与第二单元的周期相同，占空比不同；其中，第一内部谐振区域62和第一外部谐振区域61占空比根据实际需求可以在0.1至0.9之间变化组合。其中内部谐振器占空比和外部谐振器占空比相差越大，两者的声阻抗差异也越大，声波反射效果越好，能够获得相较于现有技术谐振器更高的Q值。
本申请实施例中，外部谐振器的横向边缘可超过第二器件层上与反射镜2(反射镜2为空气腔为例)对应的区域，也可以位于第二电极层5上与空腔对应的区域内部；但必须保证第一内部谐振区域完全位于空腔内部形成有效谐振区域，避免寄生效应恶化声波谐振器的性能。
本申请实施例中，基底1可以为高阻硅基底1(电阻率1k-100kΩ·cm)、砷化镓或蓝宝石等；第一声阻抗调谐结构6与第二电极层5可以为相同的金属材料，也可以为不同金属材料，第二电极层5的金属材料可以为钼(Mo)、铝(Al)、铂(Pt)、钨(W)、金(Au)等；第一电极层3的材料可以为钼(Mo)、铝(Al)、铂(Pt)、钨(W)、金(Au)等；压电薄膜层4可选择为氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)等材料或掺杂材料，例如，本申请实施例采用一的压电薄膜层4为氮化铝(AlN)，也可以是稀土元素(如钪(Sc)等)掺杂的氮化铝AlN，。
本申请实施例中，第二电极层5之上可以覆盖一层保护电极被氧化的钝化层薄膜。
本申请提供的本申请提供的薄膜体声波谐振器在第二电极层5上设置第一声阻抗调谐结构6，该声阻抗调谐结构为亚波长声学微结构；通过调整第一外部谐振区域61和第一内部谐振区域62的占空比及周期，使得第一外部谐振区域61和第一内部谐振区域的声阻抗不同，不匹配程度提高，能够形成多层横向声波的反射界面，限制声波能量从谐振器边缘处泄漏，提高谐振器的品质因数Q值。
本申请实施例中，第一声阻抗调谐结构6的光刻图形化可以与谐振器自身中的膜层同时进行，无需额外的工艺步骤。
本申请实施例中中，通过对第一声阻抗调谐结构6的合理设计，经过一次光刻技术即可实现主谐振器和次谐振器的声阻抗调谐，达到良好的声波反射效果。其制造方法完全基于成熟的MEMS半导体工艺技术，可通过现有的设备进行可重复的大批量生产，无需引入其他传统工艺，大大降低了成本。
在现有技术中，次谐振器的频率调整(高频或低频)需要不同的工艺，高频调整需要对两端进行刻蚀，刻蚀深度要严格把控；低频调整可能需要进行lift-off工艺，也可能是刻蚀；若在同一组滤波器中使用不同的调频方式，会因此增加工艺步骤。而在本申请实施例中，次谐振器(第一外部谐振区域61)的频率不管是调整为比主谐振器(第一内部谐振区域62)更高或更低，均只需要调整一张光刻板中微结构图形的占空比即可，能够有效降低工艺制备复杂性，从而降低制造成本。
本申请实施例还提供一种滤波器，包括上述薄膜体声波谐振器；图3为本申请实施例一种滤波器的结构示意图，其中包含一条串联支路和四条并联支路，串联支路上包含五个薄膜体声波谐振器，如图2所示，第一薄膜体声波谐振器101、第二薄膜体声波谐振器102、第三薄膜体声波谐振器103、第四薄膜体声波谐振器104以及第五薄膜体声波谐振器105，每相邻两个串联谐振器之间节点上有并联连接的并联薄膜体声波谐振器201、202、203以及204，每个并联薄膜体声波谐振器与接地节点之间设置有接地电感，形成传输零点对滤波器带外抑制强度进行调节；本申请实施例中提供的薄膜体声波谐振器其中每个谐振器可以为本发明提出的基于声学微结构的薄膜体声波谐振器，串联谐振器和并联谐振器的个数和结构并不局限于图中结构所示，可根据滤波器设计指标进行个数的增减或结构设计。
本申请实施例所提及的声阻抗调谐结构还能够应用于固态装配型谐振器(SMR)以及其他类似谐振器。
实施例二：
本申请实施例二与实施例一大致相同，其区别在于：
如图4所示，所述第一外部谐振区域61中的每个第一单元与所述第一内部谐振区域62中的每个第二单元对应的周期均相同；
所述第一内部谐振区域62中每个第二单元的占空比均相同，从所述第一外部谐振区域61中从最外侧的第一单元至所述第一内部谐振区域62中最外侧的第二单元对应的占空比呈渐变规律；即第一外部谐振区域61的每个第一单元的占空比并不是相同的，而是由第一外部谐振区域61边缘处向中心形成渐变，可实施的，该渐变可延伸至第一内部谐振区域；其渐变缓冲区域宽度即图4中第一外部谐振区域61的三个单元的宽度根据实际需要设计，设计范围可以在1至10μm之间。
本申请实施例二中，如图4所示，每个第一单元的图形区具有不同宽度；例如，以第一外部谐振区域61包括三个第一单元为例，三个第一单元的图形区宽度由外向内依次为第一宽度w1、第二宽度w2和第三宽度w3；其对应的占空比依次为η3、η4和η5；第一内部谐振区域62的任一个第二单元的图形区宽度为第四宽度w4，其对应的占空比为η2；其中η3、η4、η5和η2也可以为渐变规律；本申请实施例中，由边缘向中心的占空比渐变规律可以是一次函数y＝kx的线性渐变；也可以是二次函数的非线性渐变y＝-ax2+b，函数系数需要以实际占空比变化引起的频率改变量而确定，有效的系数可以是(k＝0.1，a＝0.033，b＝0.933)；另外还可以是阶梯函数进行渐变y＝step(Δx＝N*C)，N、c为正整数。图4中的示意图仅给出了线性渐变的第一声阻抗调谐结构6；本申请实施例中，渐变规律也可以为其他规律的函数类型。
本申请实施例二相较于实施例一提供的薄膜体声波谐振器，存在一个渐变缓冲区域，使主谐振器和次谐振器的声阻抗不匹配呈现一个渐变过程，减小横向声波模式在声阻抗突变界面产生散射的几率；因此，实施例二的薄膜体声波谐振器Q值相较于实施例一的薄膜体声波谐振器Q值稍高。
图5是对比声学微结构占空比突变的薄膜体声波谐振器和占空比渐变的薄膜体声波谐振器阻抗响应特性图；其中实线是代表现有技术的谐振器，点线是代表占空比渐变声学微结构的谐振器，虚线是代表占空比突变声学微结构的谐振器；如图5所示，采用本申请实施例声学微结构占空比变化形成的薄膜体声波谐振器，其并联谐振点阻抗值Rp均高于现有技术的谐振器，更高的阻抗值Rp等效于具有更高的Q值。
实施例三：
本申请实施例三与实施例一大致相同，其区别在于：
第一外部谐振区域61中的每个第一单元对应的占空比均相同；第一内部谐振区域62中的每个第二单元对应的占空比均相同；其中，第一单元与第二单元对应的占空比相同；即该第一声阻抗调谐结构每个单元对应的占空比均相同；所述第一内部谐振区域(62)中的每个第二单元对应的周期相同；
如图6所示，一种可实施的方案中，所述第一外部谐振区域61中的每个第一单元对应的周期均相同，任一所述第一单元与任一所述第二单元对应的周期不同；即第一外部谐振区域至第一内部谐振区域的周期呈突变变化。
如图7所示，另一种可实施的方案中，从所述第一外部谐振区域(61)中从最外侧的第一单元至所述第一内部谐振区域62中最外侧的第二单元对应的周期呈渐变规律；周期变化梯度根据滤波器通带频率范围进行设计，可以实现对整个通带杂散模式的抑制。渐变规律可以和实施例二中提到的一次函数线性渐变、二次函数非线性渐变以及阶梯型函数相同，也可以不同。需要说明的是，本申请实施中提供的滤波器采用本申请提供的薄膜体声波谐振器；其谐振器的第一声阻抗调谐结构6的周期变化梯度根据滤波器通带频率范围进行设计，可以实现对整个通带杂散模式的抑制。
本申请实施例提供的滤波器对串联谐振器和并联谐振器分别做周期渐变处理：串联谐振器变化范围在通带中心至右衰减点之间，具体的函数表达式可以是y＝6.97*(x/103)2+0.707，x为正整数；并联谐振器变化范围在通带中心至左衰减点之间，具体的函数表达式可以是y＝-7.09*(x/103)2+0.7195，x为正整数；其中，当x等于零时，此时的y表示中心频率处的周期大小，取点个数以频率步长为计数标准。函数表达不局限于所给出的公式，具体函数系数需要根据实际应用的滤波器通带频率来确定，但不应超出本发明的保护范围。
周期渐变使声学微结构由边缘至中心呈不均匀排布，主谐振器和次谐振器之间存在一个声阻抗变化的额外缓冲区域，减小横向声波在声阻抗突变界面产生散射的几率；且本实施例能够在提高薄膜体声波谐振器Q值的同时，对滤波器的通带杂散模式做有效处理。
实施例四：
本申请实施例四与实施例一大致相同，其区别在于：
如图8所示，本申请实施例四中提供的薄膜体声波谐振器包括第二声阻抗调谐结构；该第二声阻抗调谐结构可以位于薄膜体声波谐振器的其他膜层，例如，第二声阻抗调谐结构8可以设于支撑层7的第一面、第一电极层3上与支撑层连接的一面或压电薄膜层4上与第一电极层3连接的一面上；
下面以第二声阻抗调谐结构8设于支撑层7的第一面为例进行说明，如图8所示，第二声阻抗调谐结构8包括第二内部谐振区域和第二外部谐振区域的占空比不同；
第二内部谐振区域位于支撑层7的第一面上与反射镜2对应的区域内。
本申请实施例中，第二声阻抗调谐结构8完全位于反射镜2的空腔内部；
本申请实施例中，一种可实施的方案，第二声阻抗调谐结构8与第一声阻抗调谐结构6结构相同，且与所述第一声阻抗调谐结构6的位置相对应。即第二声阻抗调谐结构8与第一声阻抗调谐结构6的第二内部谐振区域和第二外部谐振区域分布、占空比、周期等均相同，且位置对应，两端对齐。
另一种可实施的方案中，第二声阻抗调谐结构8与第一声阻抗调谐结构6两端非对齐，第二声阻抗调谐结构8与第一声阻抗调谐结构6的对位差值δL为第一外部谐振区域61中其中一个单元对应周期T的正整数倍。
其中对位差值需要设计为周期的整数倍，是因为非整数倍周期的反射效率会降低。具体的倍数需要考虑谐振器实际尺寸；相同的有益技术效果也可以通过增加第一声阻抗调谐结构6或第二声阻抗调谐结构8的内部谐振区域中单元的个数△k，此时谐振器的有效区域面积未改变。
本申请实施例提供的具有双层声学微结构的薄膜体声波谐振器，进一步提高主谐振器和次谐振器等效声阻抗的差值，更有利于声波反射，限制声波能量在谐振器边缘处泄漏，从而提高薄膜体声波谐振器Q值。
需要说明的是：本申请实施例的薄膜体声波谐振器的两个声阻抗调谐结构的组合可以为实施例一至三的占空比突变、渐变及渐变函数形式、周期突变等结构的任意组合。
图9是薄膜体声波谐振器对横向声波杂散模式的抑制情况示意图，如图9所示，其中实线是基于现有技术的谐振器，点线是上表面和下表面均采用占空比突变声学微结构的谐振器，虚线是上表面采用占空比突变声学微结构，下表面采用占空比渐变的声学微结构的谐振器对横向声波杂散模式的抑制情况示意图；从图中可知，上述三种方案的薄膜体声波谐振器均能对横向声波的杂散模式进行有效抑制，使阻抗曲线的抖动平坦化；从而能够有效提高滤波器的通带平坦度。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括基底(1)和器件结构，所述器件结构设于所述基底(1)上；
所述基底(1)上与所述器件结构连接的一面设有反射镜(2)；所述反射镜(2)为空腔结构或布拉格反射器；
所述器件结构包括第一电极层(3)、压电薄膜层(4)和第二电极层(5)，所述第一电极层(3)、所述压电薄膜层(4)和所述第二电极层(5)依次层叠连接；
所述第二电极层(5)上设有第一声阻抗调谐结构(6)，所述第一声阻抗调谐结构(6)包括第一外部谐振区域(61)和第一内部谐振区域(62)，所述第一外部谐振区域(61)和所述第一内部谐振区域(62)的声阻抗不同；
所述第一内部谐振区域(62)设于所述第二电极层(5)上与所述反射镜(2)相对应的区域内。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一外部谐振区域(61)包括至少两个第一单元，所述第一外部谐振区域(61)中的每个第一单元具有对应的周期和占空比；
所述第一内部谐振区域(62)包括至少两个第二单元，所述第一内部谐振区域(62)中的每个第二单元具有对应的周期和占空比；
所述第一外部谐振区域(61)中的每个第一单元对应的周期及占空比均相同；
所述第一内部谐振区域(62)中的每个第二单元对应的周期和占空比均相同；
所述第二单元对应的占空比与所述第一单元对应的占空比不同；所述第二单元对应的周期与所述第一单元对应的周期相同。
3.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述器件结构还包括支撑层(7)，所述支撑层(7)包括相对应的第一面和第二面，所述支撑层(7)的第一面与所述基底(1)层叠连接，所述支撑层(7)的第二面与所述第一电极层(3)层叠连接。
4.根据权利要求3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，还包括第二声阻抗调谐结构(8)；所述第二声阻抗调谐结构(8)设于所述支撑层(7)的第一面、所述第一电极层(3)上与所述支撑层(7)连接的一面或所述压电薄膜层(4)上与所述第一电极层(3)连接的一面；
所述第二声阻抗调谐结构(8)包括第二内部谐振区域和第二外部谐振区域；
所述第二内部谐振区域和所述第二外部谐振区域的占空比不同；
所述第二内部谐振区域位于所述所述支撑层(7)的第一面、所述第一电极层(3)上与所述支撑层(7)连接的一面或所述压电薄膜层(4)上与所述第一电极层(3)连接的一面上与所述反射镜(2)对应的区域内。
5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第二声阻抗调谐结构(8)与所述第一声阻抗调谐结构(6)结构相同，且与所述第一声阻抗调谐结构(6)的位置相对应。
6.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第二声阻抗调谐结构(8)与所述第一声阻抗调谐结构(6)的对位差值为所述第一外部谐振区域(61)中其中一个单元对应周期的正整数倍。
7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一外部谐振区域(61)包括至少两个第一单元，所述第一外部谐振区域(61)中的每个第一单元具有对应的周期和占空比；所述第一内部谐振区域(62)包括至少两个第二单元，所述第一内部谐振区域(62)中的每个第二单元具有对应的周期和占空比；
所述第一外部谐振区域(61)中的每个第一单元与所述第一内部谐振区域(62)中的每个第二单元对应的周期均相同；
所述第一内部谐振区域(62)中每个第二单元的占空比均相同，从所述第一外部谐振区域(61)中从最外侧的第一单元至所述第一内部谐振区域(62)中最外侧的第二单元对应的占空比呈渐变规律。
8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一外部谐振区域(61)包括至少两个第一单元，所述第一外部谐振区域(61)中的每个第一单元具有对应的周期和占空比；所述第一内部谐振区域(62)包括至少两个第二单元，所述第一内部谐振区域(62)中的每个第二单元具有对应的周期和占空比；
所述第一外部谐振区域(61)中的每个第一单元与所述第一内部谐振区域(62)中的每个第二单元对应的占空比均相同；
所述第一内部谐振区域(62)中的每个第二单元对应的周期相同；
从所述第一外部谐振区域(61)中从最外侧的第一单元至所述第一内部谐振区域(62)中最外侧的第二单元对应的周期呈渐变规律；或；所述第一外部谐振区域(61)中的每个第一单元对应的周期均相同，任一所述第一单元与任一所述第二单元对应的周期不同。
9.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一声阻抗调谐结构(6)为亚波长声学微结构；
所述第一声阻抗调谐结构(6)为在所述第二电极层(5)上设置凹凸结构形成。
10.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述薄膜体声波谐振器。
Priority Applications (1)
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| CN202010965276.9A CN114189225A (zh) | 2020-09-15 | 2020-09-15 | 一种薄膜体声波谐振器及应用其的滤波器 |
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