CN114337583B - 一种声表面波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子器件技术领域，本发明提供了一种声表面波谐振器。该声表面波谐振器包括由下至上依次层叠的支撑衬底、压电薄膜和叉指换能器；叉指换能器的两侧分别设有一个反射栅单元；从而使得当该谐振器处于工作模式时，可以在压电薄膜区域形成准驻波。且该叉指换能器包括叉指电极区域，叉指电极区域包括叉指电极对，后续可以通过对叉指电极的尺寸进行调节，从而使使每对叉指电极对的菲涅尔区可以包括整个谐振器，实现抑制衍射效应的效果，提高了该器件的品质因数。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件技术领域，特别涉及一种声表面波谐振器。
背景技术
一般，声表面波谐振器能够利用压电薄板中具有较高声速和较大机电耦合系数的板波模式，可制备高频大带宽的声学滤波器，因此受到了广泛关注。但现有技术中的声表面波谐振器的叉指电极结构为通过将一对电极对重复设置形成的，从而激发的声表面波的衍射效应会造成能量损耗，降低了器件的品质因数Q。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中声表面波谐振器中声表面波的衍射效应的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请公开了一种声表面波谐振器，其包括由下至上依次层叠的支撑衬底、压电薄膜和叉指换能器；
叉指换能器的两侧分别设有一个反射栅单元；
叉指换能器包括叉指电极区域；
叉指电极区域包括叉指电极对；
叉指电极对的中心与声表面波谐振器的中心的距离满足以下公式：
d≧L+△x
其中，d为叉指电极对的菲涅尔区的长度；L为声表面波谐振器的长度的一半；△x为叉指电极对的中心与声表面波谐振器的中心之间的距离。
可选的，叉指电极区域包括第一区域和第二区域；
第一区域位于叉指换能器的中部；第一区域包括多个第一叉指电极，多个第一叉指电极中的每个第一叉指电极的尺寸相同，且每个第一叉指电极的占空比相同；
第二区域包括多个第二叉指电极，多个第二叉指电极中的每个第二叉指电极的尺寸不同；
当声表面波谐振器处于工作模式时，菲涅尔区的叉指电极对激发的声表面波的传播方式为在所述叉指电极对的菲涅尔区内接近平面波传播。
可选的，电极孔径与声表面波波数的乘积与各向异性因子的商和d正相关；
电极孔径为叉指电极对中两个叉指电极沿第一方向重叠对应的区域的长度；第一方向为叉指电极的延伸方向；
各向异性因子表征在所述压电薄膜上表面区域对应的所述叉指电极对的声表面波传播的各向异性。
可选的，当纵向波数与横向波数的差值大于等于预设阈值时，各向异性因子满足以下公式：
其中，k0为声表面波谐振器中，沿所述第一方向传播的声表面波的波数；PFA为能量流通角；ky为声波的横向波数；b为各向异性因子；kx为声波的纵向波数。
可选的，当能量流通角为零时，各向异性因子满足以下公式：
其中，k0为声表面波谐振器中，沿所述第一方向传播的声表面波的波数；ky为声波的横向波数；b为各向异性因子。
可选的，通过调整叉指电极的厚度，和/或叉指电极的占空比来调整d。
可选的，通过调整叉指电极的厚度与叉指电极的占空比的乘积来调整d。
可选的，叉指换能器还包括第一汇流条和第二汇流条；
叉指电极对包括间隔设置的第一电极和第二电极；
第一电极与第一汇流条连接；
第二电极与第二汇流条连接。
可选的，支撑衬底的材料包括硅、氧化硅-硅、绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)、锗、石英、蓝宝石中的至少一种；
压电薄膜的材料包括铌酸锂和钽酸锂。
可选的，叉指电极的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中的至少一种金属材料。
采用上述技术方案，本申请提供的声表面波谐振器具有如下有益效果：
该声表面波谐振器包括由下至上依次层叠的支撑衬底、压电薄膜和叉指换能器；叉指换能器的两侧分别设有一个反射栅单元；从而使得当该谐振器处于工作模式时，可以在压电薄膜区域形成准驻波。且该叉指换能器包括叉指电极区域，叉指电极区域包括叉指电极对，后续可以通过调整叉指电极的厚度、叉指电极的占空比和二者的乘积中的一种或者多种参数可以改变叉指电极对的中心与谐振器的中心的距离，以达到使叉指电极对的声表面波的传播区域满足菲涅尔区，从而实现抑制衍射效应的效果，提高了该器件的品质因数。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请一种可选的声表面波谐振器的局部示意图；
图2为本申请提供的一种可选的叉指换能器和反射栅单元的结构简图；
图3为本申请一种可选的叉指换能器的结构示意图；
图4为本申请另一种可选的叉指换能器的结构示意图；
图5为本申请提供的菲涅尔区与费琅禾费区的示意图；
图6为本申请一种可选的电极厚度与菲涅尔区的长度的关系曲线。
以下对附图作补充说明：
1-叉指换能器；11-叉指电极区域；12-第一区域；13-第二区域；111-叉指电极对；2-反射栅单元；3-压电薄膜。
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多个该特征。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。
参阅图1和2，图1为本申请一种可选的声表面波谐振器的局部示意图。图2为本申请提供的一种可选的叉指换能器和反射栅单元的结构简图。该声表面波谐振器包括由下至上依次层叠的支撑衬底、压电薄膜3和叉指换能器1，叉指换能器1的两侧分别设有一个反射栅单元2，叉指换能器1包括叉指电极区域11，叉指电极区域11包括叉指电极对111，叉指电极对111的中心与声表面波谐振器的中心的距离满足以下公式：
d≧L+△x……公式(1)
其中，d为叉指电极对111的菲涅尔区的长度；L为声表面波谐振器的长度的一半；△x为叉指电极对111的中心与声表面波谐振器的中心之间的距离，也就是说，参阅图2，△x为叉指电极对111的中心轴线与声表面波谐振器的中心轴线之间的距离。
需要说明的是，L包括叉指换能器1的长度和两个反射栅单元2的长度。
也就是说，本申请提供的声表面波谐振器中的叉指电极对111的位置满足预设条件，后续可以通过调整叉指电极的厚度、叉指电极的占空比和叉指电极的厚度与叉指电极的占空比的乘积中的一种或者多种参数可以改变叉指电极对111的中心与谐振器的中心的距离，以达到使叉指电极对111的声表面波的传播区域满足菲涅尔区，从而实现抑制衍射效应的效果，提高了该器件的品质因数。
为了简化该叉指换能器1的结构，于一种可行的实施例中，参阅图3和图4，图3为本申请一种可选的叉指换能器的结构示意图，图4为本申请另一种可选的叉指换能器的结构示意图。叉指电极区域11包括第一区域12和第二区域13，第一区域12位于叉指换能器1的中部；第一区域12包括多个第一叉指电极，多个第一叉指电极中的每个第一叉指电极的尺寸相同，且每个第一叉指电极的占空比相同；第二区域13包括多个第二叉指电极，多个第二叉指电极中的每个第二叉指电极的尺寸不同。
需要说明的是，本实施例中提及的电极尺寸包括电极的厚度、宽度和占空比等参数，从图3可以看出，可以对第二区域13的叉指电极的占空比进行调整，从图4可以看出，可以对第二区域13的叉指电极的厚度进行调整。
由于激发的声表面波传播可根据衍射效应强弱分为菲涅尔区和费琅禾费区，在菲涅尔区传播的声波可认为接近平面波传播，衍射效应可以忽略，谐振器中衍射效应带来的损耗主要由声场的费琅禾费区带来，本申请通过通过改变电极质量加载效应可以调节菲涅尔区的长度，电极的质量加载效应可以通过改变电极的厚度/占空比/质量/厚度与占空比乘积调节。因此，通过对电极的厚度/占空比/厚度与占空比加权设计，调节电极的菲涅尔长度，使得每根电极的菲涅尔区长度都可以包覆整个谐振器，由此整个谐振器内的声场可以视为平面波的传播，从而消除了衍射带来的损耗，增加了器件的品质因数。
下面对可以通过改变电极的厚度/占空比/质量/厚度与占空比乘积来调节菲涅尔区的长度d的原理以及确定出d的过程进行阐述。
参阅图5，图5为本申请提供的菲涅尔区与费琅禾费区的示意图。当单对有限长平行叉指电极激励的声波，其衍射场可以分为近场区(菲涅尔区)和远场区(费琅禾费区)，两个区域由临界长度d划分(如图4所示)，电极孔径与声表面波波数的乘积与各向异性因子的商和d正相关；可选的，d与谐振器的设计参数有关，其满足以下公式：
W为电极孔径；电极孔径为叉指电极对111中两个叉指电极沿第一方向重叠对应的区域的长度；第一方向为叉指电极的延伸方向。
k0为声表面波谐振器中，沿所述第一方向传播的声表面波的波数，也即是当声波只具有沿纵向传播的波数，沿横向的波数为零；b为各向异性因子；各向异性因子表征叉指电极在对应的压电薄膜3区域的声表面波传播的各向异性的强弱。
首先，先以改变叉指电极的厚度可以改变d来进行说明，由于叉指电极的厚度与各向异性因子存在对应关系，从而需要先确定厚度h与b的关系，从而由h确定出b，可以通过对声表面波的倒速度曲线作二次函数拟合得到公式(3)：
其中，PFA为能量流通角；ky为声波的横向波数；kx为声波的纵向波数；上述声波的横向和纵向互为垂直。
需要说明的是，当纵向波数与横向波数的差值大于等于预设阈值时，各向异性因子满足以公式(2)，即纵向波数远大于横向波数，可以是纵向波数与横向波数差一个数量级，例如，横向波数与纵向波数的比值为0.1，当然，二者的比值还可以小于0.1，只要二者之间差至少一个数量级即可。
于一种可行的实施例中，由于PFA为能量流通角，为一定值，例如可以是零，则基于上述公式(3)可以得到如下公式关系：
由上述公式(4)和公式(2)可以绘制出d与电极厚度h的变化曲线，并对该曲线进行拟合，得到d＝f(h)。
可选的，当谐振器的支撑衬底的材料为碳化硅，压电薄膜3的材料为切型为Y42的钽酸锂，压电薄膜3的厚度为400纳米，叉指电极的占空比为0.3，该谐振器的波长为1.4微米，且该谐振器产生的声表面为SH0模式的声表面波时，通过改变电极的厚度，基于上述公式(2)-(3)可以得到如图6所示的曲线，该曲线即为上述d＝f(h)的函数的对应的曲线，从图6可以看出，随着电极厚度的增加，d逐渐减小。
同理，如果需要确定电极占空比、电极厚度与占空比乘积与d之间的函数关系，则重复上述确定d＝f(h)的过程，从而可以得到d＝f(a)，其中a可以是叉指电极的厚度、叉指电极的占空比和叉指电极的厚度与叉指电极的占空比的乘积中的一种或者多种参数的统称。基于上述确定的结果，则可以将叉指换能器1分为上述第一区域12和第二区域13，第一区域12为不加权区，第二区域13为需要加权的区域，一般，第二区域13包括第一子区域和第二子区域，第一子区域位于第一区域12的一侧，第二子区域位于第一区域12的另一侧(参阅图3和图4)。
对电极的加权设计，使得声波在谐振器中以接近平面波的形式传播，抑制了衍射，消除了声波随传播距离的衍射带来的损耗及其他因衍射带来的不良影响，提高了品质因数。
并且，电极加权区域相比整个叉指换能器1的区域而言要小，加权带来的诸如声波激励效率降低、主谐振频率偏移等影响可以很小，即这种加权方式不会带来器件其他性能的显著降低。
于一种可行的实施例中，叉指换能器1还包括第一汇流条和第二汇流条，叉指电极对111包括间隔设置的第一电极和第二电极，第一电极与第一汇流条连接，第二电极与第二汇流条连接。
于一种可行的实施例中，支撑衬底的材料包括硅、氧化硅-硅、绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)、锗、石英、蓝宝石中的至少一种，压电薄膜3的材料包括铌酸锂和钽酸锂。
于一种可行的实施例中，叉指电极的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中的至少一种金属材料。
以上所述仅为本申请可选实施例，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 (9)
1.一种声表面波谐振器，其特征在于，包括由下至上依次层叠的支撑衬底、压电薄膜和叉指换能器；
所述叉指换能器的两侧分别设有一个反射栅单元；
所述叉指换能器包括叉指电极区域；
所述叉指电极区域包括叉指电极对；
所述叉指电极对的中心与所述声表面波谐振器的中心的距离长度满足以下公式：
d≧L+△x
其中，d为叉指电极对的菲涅尔区的长度；L为所述声表面波谐振器的长度的一半；△x为所述叉指电极对的中心与所述声表面波谐振器的中心之间的距离；
电极孔径与声表面波波数的乘积与各向异性因子的商和所述d正相关；
所述电极孔径为所述叉指电极对中两个叉指电极沿第一方向重叠对应的区域的长度；所述第一方向为所述叉指电极的延伸方向；
所述各向异性因子表征在所述压电薄膜上表面区域对应的所述叉指电极对的声表面波传播的各向异性。
2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述叉指电极区域包括第一区域和第二区域；
所述第一区域位于所述叉指换能器的中部；所述第一区域包括多个第一叉指电极，所述多个第一叉指电极中的每个第一叉指电极的尺寸相同，且每个第一叉指电极的占空比相同；
所述第二区域包括多个第二叉指电极，所述多个第二叉指电极中的每个第二叉指电极的尺寸不同；
当所述声表面波谐振器处于工作模式时，所述叉指电极对激发的声表面波的传播方式为在所述叉指电极对的菲涅尔区内接近平面波传播。
3.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，当纵向波数与横向波数的差值大于等于预设阈值时，所述各向异性因子满足以下公式：
其中，k0为所述声表面波谐振器中，沿所述第一方向传播的声表面波的波数；PFA为能量流通角；ky为声波的横向波数；b为各向异性因子；kx为声波的纵向波数。
4.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，当能量流通角为零时，所述各向异性因子满足以下公式：
其中，k0为所述声表面波谐振器中，沿所述第一方向传播的声表面波的波数；ky为声波的横向波数；b为各向异性因子；kx为声波的纵向波数。
5.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，通过调整所述叉指电极的厚度，和/或所述叉指电极的占空比来调整所述d。
6.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，通过调整所述叉指电极的厚度与所述叉指电极的占空比的乘积来调整所述d。
7.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述叉指换能器还包括第一汇流条和第二汇流条；
所述叉指电极对包括间隔设置的第一电极和第二电极；
所述第一电极与所述第一汇流条连接；
所述第二电极与所述第二汇流条连接。
8.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述支撑衬底的材料包括硅、氧化硅-硅、绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)、锗、石英、蓝宝石中的至少一种；
所述压电薄膜的材料包括铌酸锂和钽酸锂。
9.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述叉指电极的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中的至少一种金属材料。
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