CN114362710A - 一种声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及微电子器件技术领域，特别是涉及一种声波谐振器，包括：支撑衬底、单晶压电层和图案化电极组件；单晶压电层位于支撑衬底的上表面；图案化电极组件位于单晶压电层远离支撑衬底的表面或嵌入单晶压电层远离支撑衬底的表面；图案化电极组件用于连接第一信号源；第一信号源用于在声波谐振器的工作过程中，对图案化电极组件输入第一电信号；图案化电极组件在接收到第一电信号的情况下，能够在声波谐振器内形成第一电场，以调节声波谐振器的电容；所述第一信号源包括直流信号源或交流信号源。本申请通过输入第一电信号，引入外加电场，通过外加电场调节器件的电容，从而使得声波谐振器的机电耦合系数变大，进而增大声波谐振器的工作带宽。
Description
技术领域
本申请涉及微电子器件技术领域，特别是涉及一种声波谐振器。
背景技术
随着互联网和5G技术的发展，市场对声波谐振器的中心频率、温度稳定性、带宽和带内损耗等提出了更高要求。
目前，声波谐振器在制备的过程中，通常采用钽酸锂和铌酸锂作为压电材料，钽酸锂作为具有高声速，中等温度漂移和低损耗的压电单晶材料，目前广泛应用于制造温度稳定性较好的窄带声波谐振器和滤波器。但由于钽酸锂具有中等的机电耦合系数，靠其本征的机电耦合系数还不能满足应用到大带宽的场景下的要求。而铌酸锂作为具有高声速、大机电耦合系数的压电单晶材料，目前广泛应用于高频、大带宽场景。但由于其本征温度漂移系数较高，由其制备的微声器件温度稳定性较差，需要额外进行温度补偿的工艺和技术，造成器件结构的制备复杂化。将铌酸锂和钽酸锂作为压电单晶材料制备声波谐振器来应用高频、大带宽场景均存在一些问题。
现有的声波谐振器的机电耦合系数受到压电材料的压电系数、介电系数和弹性系数的约束，当压电材料的种类、切型受限的情况下，确定压电材料的切型和声波模式后，声波谐振器的机电耦合系数基本不会变化，所以现有的器件无法获得高频、良好的温度稳定性、大带宽和低损耗的性能，而无法完全满足5G通信需求。
因此，需要提供一种改进的声波谐振器，以获得高频、良好的温度稳定性、大带宽和低损耗的优良性能。
发明内容：
针对现有技术的上述问题，本申请提供一种声波谐振器，以解决现有技术中无法获得高频、良好的温度稳定性、大带宽和低损耗的性能的声波谐振器，来完全满足5G通信需求的技术问题。
为了达到目的，本申请采用的技术方案是：
一种声波谐振器，包括：支撑衬底、单晶压电层和图案化电极组件；
所述单晶压电层位于所述支撑衬底的上表面；
所述图案化电极组件位于所述单晶压电层远离所述支撑衬底的表面或嵌入所述单晶压电层远离所述支撑衬底的表面；
所述图案化电极组件用于连接第一信号源；所述第一信号源用于在所述声波谐振器的工作过程中，对所述图案化电极组件输入第一电信号；所述图案化电极组件在接收到所述第一电信号的情况下，能够在所述声波谐振器内形成第一电场，以调节声波谐振器的电容；所述第一信号源包括直流信号源或交流信号源。
进一步地，所述单晶压电层与所述支撑衬底之间还形成有金属层；
所述金属层用于连接第二信号源；所述第二信号源用于在所述声波谐振器的工作过程中，对所述金属层输入第二电信号，所述金属层在接收到所述第二电信号的情况下，能够在所述声波谐振器内形成第二电场，以调节声波谐振器的电容，所述第一电场与所述第二电场的电场方向相垂直；所述第二信号源包括直流信号源或交流信号源。
进一步地，在所述第一电信号和所述第二电信号为电压的情况下，所述第一电信号的电压范围为20-200V，所述第二电信号的电压范围为-2V-5V。
进一步地，所述图案化电极组件包括：第一母线电极区、第二母线电极区、第一叉指电极区、第二叉指电极区、第一反射电极区和第二反射电极区；
第一叉指电极区与第一母线电极区电性连接，第二叉指电极区与第二母线电极区电性连接；
第一母线电极区与第一反射电极区电性连接，第二母线电极区与第二反射电极区电性连接。
进一步地，所述图案化电极组件还包括第一电极区和第二电极区；
所述第一电极区位于所述第一反射电极区远离所述第一母线电极区的一侧；所述第二电极区位于所述第二反射电极区远离所述第二母线电极区的一侧；
所述第一电极区和所述第二电极区用于连接所述第一信号源，所述第一信号源用于对所述第一电极区和所述第二电极区分别输入所述第一电信号。
进一步地，还包括附加电荷层，所述附加电荷层位于所述金属层与所述支撑衬底之间、所述金属层与所述单晶压电层之间或所述单晶压电层与所述图案化电极组件之间。
进一步地，所述支撑衬底为高声速衬底或压电材料衬底。
进一步地，所述单晶压电层的材料包括铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英和氧化锌中的至少一种。
进一步地，所述金属层的材料包括金、铝、铬、钨、钛、铜、银和铂中的至少一种。
进一步地，所述单晶压电层厚度为200-800nm；所述金属层的厚度为60-200nm。
本申请的技术方案带来的有益效果是：
本申请通过对图案化电极组件输入第一电信号，从而引入外加电场，通过外加电场调节器件的电容，从而使得声波谐振器的机电耦合系数变大，进而增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。
本申请通过对金属层输入第二电信号，从而引入外加电场，一方面，通过外加电场调节器件的电容，从而使得声波谐振器的机电耦合系数变大，进而增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。另一方面，本申请还可以通过外加电场调节器件的电容，使声波谐振器的机电耦合系数变小，突破于现有技术中声波谐振器的机电耦合系数只依赖于压电材料种类及其固定的切型的情况，从而提高声波谐振器的机电耦合系数改变的灵活性，进而灵活改变声波谐振器的工作带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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附图。
图1是本申请实施例提供的声波谐振器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的图案化电极组件的俯视图；
图3是声波谐振器在瑞丽模式下的一种导纳曲线图；
图4是声波谐振器在瑞丽模式下的另一种导纳曲线图；
图5是声波谐振器在瑞丽模式下的另一种导纳曲线图；
图6是声波谐振器在瑞丽模式下的另一种导纳曲线图；
图7是声波谐振器在瑞丽模式下的另一种导纳曲线图；
图8是声波谐振器在瑞丽模式下的另一种导纳曲线图
图9是声波谐振器在瑞丽模式下的另一种导纳曲线图。
其中，图中附图标记对应为：1－支撑衬底；2－单晶压电层；3－图案化电极组件；4－金属层；5－附加电荷层；31－第一母线电极区；32－第二母线电极区；33－第一叉指电极区；34－第二叉指电极区；35－第一反射电极区；36－第二反射电极区；37－第一电极区；38－第二电极区。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本公开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做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。
对于以下定义的术语，除非在权利要求书或本说明书中的其他地方给出一个不同的定义，否则应当应用这些定义。所有数值无论是否被明确指示，在此均被定义为由术语“约”修饰。术语“约”大体上是指一个数值范围，本领域的普通技术人员将该数值范围视为等同于所陈述的值以产生实质上相同的性质、功能、结果等。由一个低值和一个高值指示的一个数值范围被定义为包括该数值范围内包括的所有数值以及该数值范围内包括的所有子范围。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“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。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
以下介绍本公开实施例提供的一种声波谐振器，请参考图1，图1是所述声波谐振器的结构示意图。包括：支撑衬底1、单晶压电层2和图案化电极组件3；单晶压电层2位于支撑衬底1的上表面；图案化电极组件3位于单晶压电层2远离支撑衬底1的表面或嵌入单晶压电层2远离支撑衬底1的表面；图案化电极组件3用于连接第一信号源；第一信号源用于在声波谐振器的工作过程中，对图案化电极组件3输入第一电信号；图案化电极组件在接收到第一电信号的情况下，能够在声波谐振器内形成第一电场，以调节声波谐振器的电容。
本申请通过对图案化电极组件输入第一电信号，从而引入外加电场，通过外加电场调节器件的电容，从而使得声波谐振器的机电耦合系数变大，进而增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。具体的，本申请图案化电极组件在接收到第一电信号的情况下，能够在声波谐振器内形成第一电场，第一电场为沿器件结构的水平方向的横向电场。
在一些实施例中，支撑衬底为高声速材料衬底或压电材料衬底。具体的，当支撑衬底1为高声速材料衬底的情况下，高声速材料可以为碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、石英、硅和氮化铝中的至少一种，当支撑衬底1为压电材料衬底的情况下，压电材料可以为上述单晶压电层同种的材料，也可以为铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英和氧化锌中至少一种。
在一些实施例中，支撑衬底1的厚度可以为300μm-600μm。
在另一些实施例中，支撑衬底1的厚度可以为300μm-500μm。
在另一些实施例中，支撑衬底1的厚度可以为400μm-600μm。
在另一些实施例中，支撑衬底1的厚度可以为400μm-500μm。
在一些实施例中，单晶压电层2的材料可以为铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英和氧化锌中的至少一种。其中，铌酸锂和钽酸锂材料的机电耦合系数大，能够较好的应用于声表面波器件的制备。
在一些实施例中，单晶压电层的厚度可以为200-800nm。
在另一些实施例中，单晶压电层的厚度可以为200-700nm。
在另一些实施例中，单晶压电层的厚度可以为300-800nm。
在另一些实施例中，单晶压电层的厚度可以为400-600nm。
在一些实施例中，如图2所示，图案化电极组件3包括：第一母线电极区31、第二母线电极区32、第一叉指电极区33、第二叉指电极区34、第一反射电极区35和第二反射电极区36；第一叉指电极区33与第一母线电极区31电性连接，第二叉指电极区34与第二母线电极区32电性连接；第一母线电极区31与第一反射电极区35电性连接，第二母线电极区32与第二反射电极区36电性连接。其中第一叉指电极区33和第二叉指电极区34还用于连接第三信号源，第三信号源对第一叉指电极区33和第二叉指电极区34输入电信号；第三信号源为交流信号源。
第一叉指电极区33和第二叉指电极区34位于第一母线电极区31和第二母线电极区32之间。
在实际应用中，可根据第一母线电极区31、第二母线电极区32、第一叉指电极区33、第二叉指电极区34、第一反射电极区35和第二反射电极区36的电性连接方式，对第一叉指电极区33、第二叉指电极区34、第一反射电极区35和第二反射电极区36输入电信号，使得第一母线电极区31、第二母线电极区32、第一叉指电极区33、第二叉指电极区34、第一反射电极区35和第二反射电极区36都能够接收到电信号。示例性的，当第一母线电极区31与第一反射电极区35没有电性连接，第二母线电极区32与第二反射电极区36没有电性连接的情况下，第一反射电极区35和第二反射电极区36还用于连接第四信号源，第四信号源对第一反射电极区35和第二反射电极区36输入电信号；第四信号源为交流信号源。在一些实施例中，图案化电极组件3还包括第一电极区37和第二电极区38；第一电极区37位于第一反射电极区35远离第一母线电极区31的一侧；第二电极区38位于第二反射电极区36远离第二母线电极区32的一侧；第一电极区37和第二电极区38用于连接第一信号源，第一信号源用于对第一电极区37和第二电极区38分别输入第一电信号，第一信号源对第一电极区37或第二电极区38输入第一电信号不同，第一电信号包括接地信号和电压信号。
在一些实施例中，第一电极区37和第二电极区38的形状可以为长方形、圆形、三角形、五边形、六边形或各种不规则形状。
在一些实施例中，所述第一电极区37和所述第二电极区38的厚度可以为80-500nm。
在一些实施例中，图案化电极组件3的材料可以为金、铝、铬、钨、钛、铜、银和铂中至少一种。
在一些实施例中，图案化电极组件3的厚度可以为80-200nm。
在一些实施例中，单晶压电层2与支撑衬底1之间还形成有金属层4；金属层4用于连接第二信号源；第二信号源用于在声波谐振器的工作过程中，对金属层4输入第二电信号，金属层4在接收到第二电信号的情况下，能够在声波谐振器内形成第二电场，以调节声波谐振器的电容。所述第一电场与所述第二电场的电场方向相垂直。
具体的，金属层4用于在单晶压电层与图案化电极组件之间形成电容，从而来调整器件结构的电容。本申请金属层4在接收到第二电信号的情况下，能够在声波谐振器内形成第二电场，第二电场为沿器件结构的高度方向的纵向电场。
本申请通过对金属层输入第二电信号，从而引入外加电场，一方面，通过外加电场调节器件的电容，从而使得声波谐振器的机电耦合系数变大，进而增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。另一方面，本申请还可以通过外加电场调节器件的电容，使声波谐振器的机电耦合系数变小，突破于现有技术中声波谐振器的机电耦合系数只依赖于压电材料种类及其固定的切型的情况，从而提高声波谐振器的机电耦合系数改变的灵活性。
在一些实施例中，通过溅射和电子束蒸发的方式形成金属层4，金属层可以是单层材质的金属结构，可以是有粘附层的多层多种材质的金属结构。
在一些实施例中，金属层的形状可以为叉指形、长方形、圆形、三角形、五边六边形或各种不规则形状。
在一些实施例中，金属层4的材料包括金、铝、铬、钨、钛、铜、银和铂中的至少一种。
在一些实施例中，金属层的厚度为60-200nm。
在另一些实施例中，金属层的厚度为60-100nm。
在另一些实施例中，金属层的厚度为80-200nm。
在另一些实施例中，金属层的厚度为100-150nm。
在本申请实施例中，仅采用横向电场时，金属层4可以不存在；仅采用纵向电极时，可以不对图案化电极组件3输入第一电信号；
在一些实施例中，在第一电信号和第二电信号为电压的情况下，第一电信号的电压范围为20-200V，第二电信号的电压范围为-2V-5V。
在另一些实施例中，在第一电信号和第二电信号为电压的情况下，第一电信号的电压范围为20-100V，第二电信号的电压范围为-2V-4V。
在另一些实施例中，在第一电信号和第二电信号为电压的情况下，第一电信号的电压范围为50-200V，第二电信号的电压范围为-1V-5V。
在另一些实施例中，在第一电信号和第二电信号为电压的情况下，第一电信号的电压范围为100-150V，第二电信号的电压范围为-1V-3V。
在一些实施例中，还包括附加电荷层5，附加电荷层5位于金属层4与支撑衬底1之间、金属层4与单晶压电层2之间或单晶压电层2与图案化电极组件3之间。附加电荷层5可以不存在。
在一些实施例中，附加电荷层材料可以为正频率温度漂移系数的材料，如氧化硅。
在一些实施例中，通过设置附加电荷层5能够引入额外的电荷，从而可以和上述金属层4一起调节器件的电容，设计自由度大。附加电荷层的形成方式能够影响着电荷的数目。附加电荷层的形成方式可以为热氧化法、有等离子体气相沉积和有化学气相沉积等方法，不同方法制备的附加电荷层里面引入的电荷数目以及在电场下可被利用的电荷数目不同。
在一些实施例中，附加电荷层5可以作为键合层、低声速层、介质层以及温度补偿层的作用存在。当附加电荷层5作为键合层时，通过传统的亲水性键合方法形成；当附加电荷层5作为低声速层时，附加电荷层5与上述金属层4可形成低/高声速层的布拉格反射镜，增强对声波能量的限制；当附加电荷层5作为介质层时，能够避免由于衬底的非高阻特性导致金属层产生的纵向电场向支撑衬底的泄露；当附加电荷层5作为温度补偿层时，能够补偿具有负温度系数的压电材料的单晶压电层。
示例性的，当金属层4采用重金属时，金属层4可与氧化硅材质的附加电荷层形成低高声速层，可以达成高声速模式的限制，从而激发并限制高声速模式，且得益于氧化硅的正频率温度漂移系数，此结构具有补偿压电材料的温漂问题。
以下基于上述技术方案列举本说明书的一些具体实施例。
实施例1
本实施例公开一种声波谐振器，请参考图3和图4，图3示出了本实施例提供的声波谐振器在瑞丽模式下的第一种导纳曲线图；图4示出了本实施例提供的声波谐振器在瑞丽模式下的第二种导纳曲线图；包括：支撑衬底1、单晶压电层2和图案化电极组件3；单晶压电层2位于支撑衬底1的上表面；图案化电极组件3位于单晶压电层2远离支撑衬底1的表面或嵌入单晶压电层2远离支撑衬底1的表面；图案化电极组件3用于连接第一信号源；第一信号源用于在声波谐振器的工作过程中，对图案化电极组件3输入第一电信号；图案化电极组件在接收到第一电信号的情况下，能够在声波谐振器内形成电场，以调节声波谐振器的电容；所述第一信号源包括直流信号源或交流信号源。
具体的，支撑衬底1为钽酸锂衬底；单晶压电层的材质为钽酸锂，单晶压电层的厚度为750nm。
单晶压电层2与支撑衬底1之间还形成有金属层4；金属层4用于连接第二信号源；第二信号源用于在声波谐振器的工作过程中，对金属层4输入第二电信号，金属层4在接收到第二电信号的情况下，能够在声波谐振器内形成电场，以调节声波谐振器的电容。
具体的，金属层的材质为金电极，金属层的厚度为60nm。
图案化电极组件3包括：第一母线电极区31、第二母线电极区32、第一叉指电极区33、第二叉指电极区34、第一反射电极区35和第二反射电极区36；第一叉指电极区33与第一母线电极区31电性连接，第二叉指电极区34与第二母线电极区32电性连接；
第一母线电极区31与第一反射电极区35电性连接，第二母线电极区32与第二反射电极区36电性连接。
图案化电极组件3还包括第一电极区37和第二电极区38；第一电极区37位于第一反射电极区35远离第一母线电极区31的一侧；第二电极区38位于第二反射电极区36远离第二母线电极区32的一侧；第一电极区37和第二电极区38用于连接第一信号源，第一信号源用于对第一电极区37和第二电极区38分别输入第一电信号。
还包括附加电荷层5，附加电荷层5位于金属层4朝向支撑衬底1的表面；具体的，附加电荷层的材质为氧化硅，附加电荷层的厚度为120nm。
具体的，如图3所示，欧拉角选择(30，0，0)，目标模式为波长为2μm，横坐标为工作频率(单位是MHz)，纵坐标为导纳(单位是dB)，不输入第一电信号，第二电信号的电压分别为1.3V、1.4V和不输入第二电信号的情况下。在不输入第一电信号和不输入第二电信号的情况下，声波谐振器内不产生电场，声波谐振器的机电耦合系数为1.7％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为1.3V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为10.0％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为1.4V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为38.7％，本申请较高的机电耦合系数，能够满足5G新频带的带宽需求。
具体的，如图4所示，欧拉角选择(30，0，0)，目标模式为波长为2μm，横坐标为工作频率(单位是MHz)，纵坐标为导纳(单位是dB)，不输入第一电信号，第二电信号的电压分别为-1.6V、-1.4V、-1.2V、-1V、-0.8V、-0.6V、-0.4V、-0.2V和不输入第二电信号的情况下。在不输入第一电信号和不输入第二电信号的情况下，声波谐振器内不产生电场，声波谐振器的机电耦合系数为1.7％；图4中S指示处，曲线从上到下对应的第二电信号的电压依次是-1.6V、-1.4V、-1.2V、-1V、-0.8V、-0.6V、-0.4V、-0.2V；WO DC为无附加电场(即不输入第二电信号)。
如图3所示，从无电场与1.4V的低电压的情况进行对比，声波谐振器的机电耦合系数提高了22倍，增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景；如图4所示，无电场与第二电信号的电压依次是-1.6V、-1.4V、-1.2V、-1V、-0.8V、-0.6V、-0.4V、-0.2V情况进行对比，声波谐振器的机电耦合系数随着第二电信号的负电压的增加而减小，本申请通过调节输入第二电信号的电压大小，使得声波谐振器的机电耦合系数不再只是受到压电材料的种类和切型的约束。
实施例2
本实施例公开一种声波谐振器，与实施例1的区别在于，附加电荷层5位于金属层4远离支撑衬底1的表面；具体地，本实施例2中其他部分与实施例1相同，在此不再赘述。
具体的，如图5所示，欧拉角选择(30，0，0)，目标模式为波长为2μm，横坐标为工作频率(单位是MHz)，纵坐标为导纳(单位是dB)，不输入第一电信号，第二电信号的电压分别为1.33V、2.4V、2.6V和不输入第二电信号的情况下。在不输入第一电信号和不输入第二电信号的情况下，声波谐振器内不产生电场，声波谐振器的机电耦合系数为2.0％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为1.33V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为2.6％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为2.4V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为10.1％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为2.6V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为19.4％；声波谐振器的机电耦合系数随着第二电信号的电压的增加而增加，本申请通过调节输入第二电信号的电压大小，使得声波谐振器的机电耦合系数不再只是受到压电材料的种类和切型的约束并且增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。
实施例3
本实施例公开一种声波谐振器，与实施例1的区别在于，支撑衬底1为碳化硅高声速衬底；具体地，本实施例3中其他部分与实施例1相同，在此不再赘述。
具体的，如图6所示，欧拉角选择(30，0，0)，目标模式为波长为2μm，横坐标为工作频率(单位是MHz)，纵坐标为导纳(单位是dB)，不输入第一电信号，第二电信号的电压分别为1V、1.33V、1.38V和不输入第二电信号的情况下。在不输入第一电信号和不输入第二电信号的情况下，声波谐振器内不产生电场，声波谐振器的机电耦合系数为1.6％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为1V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为3.2％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为1.33V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为14.3％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为1.38V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为27.6％；从无电场与1.38V的低电压的情况进行对比，声波谐振器的机电耦合系数提高了17倍，声波谐振器的机电耦合系数随着第二电信号的电压的增加而增加，本申请通过调节输入第二电信号的电压大小，使得声波谐振器的机电耦合系数不再只是受到压电材料的种类和切型的约束并且增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。
实施例4
本实施例公开一种声波谐振器，与实施例3的区别在于，附加电荷层5位于金属层4远离支撑衬底1的表面；具体地，本实施例4中其他部分与实施例3相同，在此不再赘述。
具体的，如图7所示，欧拉角选择(30，0，0)，目标模式为波长为2μm，横坐标为工作频率(单位是MHz)，纵坐标为导纳(单位是dB)，不输入第一电信号，第二电信号的电压分别为1.33V、2.4V、2.6V和不输入第二电信号的情况下。在不输入第一电信号和不输入第二电信号的情况下，声波谐振器内不产生电场，声波谐振器的机电耦合系数为2.0％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为1.33V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为3.1％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为2.4V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为10.8％；在不输入第一电信号，输入第二电信号并且第二信号的电压为2.6V的情况下，声波谐振器内产生纵向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为21.2％；从无电场与2.6V的低电压的情况进行对比，声波谐振器的机电耦合系数提高了10倍，声波谐振器的机电耦合系数随着第二电信号的电压的增加而增加，本申请通过调节输入第二电信号的电压大小，使得声波谐振器的机电耦合系数不再只是受到压电材料的种类和切型的约束并且增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。
实施例5
本实施例公开一种声波谐振器，与实施例1的区别在于，输入第一电信号，不输入第二电信号；具体地，本实施例5中其他部分与实施例1相同，在此不再赘述。
具体的，如图8所示，欧拉角选择(30，0，0)，目标模式为波长为2μm，横坐标为工作频率(单位是MHz)，纵坐标为导纳(单位是dB)，不输入第二电信号，输入第一电信号的电压分别为20V、100V和不输入第一电信号的情况下。在不输入第一电信号和不输入第二电信号的情况下，声波谐振器内不产生电场，声波谐振器的机电耦合系数为1.4％；在不输入第二电信号，输入第一电信号并且第二信号的电压为20V的情况下，声波谐振器内产生横向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为1.5％；在不输入第二电信号，输入第一电信号并且第一信号的电压为100V的情况下，声波谐振器内产生横向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为2.6％；从无电场与100V的高电压的情况进行对比，声波谐振器的机电耦合系数随着第一电信号的电压的增加而增加，一方面，本申请通过调节输入第一电信号的电压大小，使得声波谐振器的机电耦合系数不再只是受到压电材料的种类和切型的约束并且增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。另一方面，声波谐振器在工作状态时，向支撑衬底内部泄露的声波模式的能量被限制很好，提高了器件的品质因数。对于单晶压电层的材料本身和目标模式的机电耦合系数比较大的情况下，器件的品质因数提升效果更明显。
实施例6
本实施例公开一种声波谐振器，与实施例5的区别在于，无金属层4；具体地，本实施例5中其他部分与实施例1相同，在此不再赘述。
具体的，如图9所示，欧拉角选择(30，0，0)，目标模式为波长为2μm，横坐标为工作频率(单位是MHz)，纵坐标为导纳(单位是dB)，不输入第二电信号，输入第一电信号的电压分别为20V、100V和不输入第一电信号的情况下。在不输入第一电信号和不输入第二电信号的情况下，声波谐振器内不产生电场，声波谐振器的机电耦合系数为1.4％；在不输入第二电信号，输入第一电信号并且第二信号的电压为20V的情况下，声波谐振器内产生横向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为1.5％；在不输入第二电信号，输入第一电信号并且第一信号的电压为100V的情况下，声波谐振器内产生横向电场，使得声波谐振器的机电耦合系数为2.8％；从无电场与100V的高电压的情况进行对比，声波谐振器的机电耦合系数随着第一电信号的电压的增加而增加，一方面，本申请通过调节输入第一电信号的电压大小，使得声波谐振器的机电耦合系数不再只是受到压电材料的种类和切型的约束并且增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。另一方面，声波谐振器在工作状态时，向支撑衬底内部泄露的声波模式的能量被限制很好，提高了器件的品质因数。对于单晶压电层的材料本身和目标模式的机电耦合系数比较大的情况下，器件的品质因数提升效果更明显。
本申请的技术方案带来的有益效果是：
本申请通过对图案化电极组件输入第一电信号，从而引入外加电场，通过外加电场调节器件的电容，从而使得声波谐振器的机电耦合系数变大，进而增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。
本申请通过对金属层输入第二电信号，从而引入外加电场，一方面，通过外加电场调节器件的电容，从而使得声波谐振器的机电耦合系数变大，进而增大声波谐振器的工作带宽，使得声波谐振器用于高频大带宽场景。另一方面，本申请还可以通过外加电场调节器件的电容，使声波谐振器的机电耦合系数变小，突破于现有技术中声波谐振器的机电耦合系数只依赖于压电材料种类及其固定的切型的情况，从而提高声波谐振器的机电耦合系数改变的灵活性。
本申请通过增加金属层和附加电荷层，支撑衬底还可以是体材料和体材料键合，还可以是同质体材料之间键合，不仅热膨胀系数匹配，热失配的问题得到解决，还打破传统体材料内无法激发高声速模式的局限，附加电荷层为引入横或纵电场而设计的高低声速层的堆叠，能达到激发和限制高频模式。
上述说明已经充分揭露了本申请的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本申请的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本申请的权利要求书的范围。相应地，本申请的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (10)
1.一种声波谐振器，其特征在于，包括：支撑衬底(1)、单晶压电层(2)和图案化电极组件(3)；
所述单晶压电层(2)位于所述支撑衬底(1)的上表面；
所述图案化电极组件(3)位于所述单晶压电层(2)远离所述支撑衬底(1)的表面或嵌入所述单晶压电层(2)远离所述支撑衬底(1)的表面；
所述图案化电极组件(3)用于连接第一信号源；所述第一信号源用于在所述声波谐振器的工作过程中，对所述图案化电极组件(3)输入第一电信号；所述图案化电极组件在接收到所述第一电信号的情况下，能够在所述声波谐振器内形成第一电场，以调节所述声波谐振器的电容；所述第一信号源包括直流信号源或交流信号源。
2.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述单晶压电层(2)与所述支撑衬底(1)之间还形成有金属层(4)；
所述金属层(4)用于连接第二信号源；所述第二信号源用于在所述声波谐振器的工作过程中，对所述金属层(4)输入第二电信号，所述金属层(4)在接收到所述第二电信号的情况下，能够在所述声波谐振器内形成第二电场，以调节声波谐振器的电容；所述第一电场与所述第二电场的电场方向相垂直；所述第二信号源包括直流信号源或交流信号源。
3.根据权利要求2所述的声波谐振器，其特征在于，在所述第一电信号和所述第二电信号为电压的情况下，所述第一电信号的电压范围为20-200V，所述第二电信号的电压范围为-2V-5V。
4.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述图案化电极组件(3)包括：第一母线电极区(31)、第二母线电极区(32)、第一叉指电极区(33)、第二叉指电极区(34)、第一反射电极区(35)和第二反射电极区(36)；
第一叉指电极区(33)与第一母线电极区(31)电性连接，第二叉指电极区(34)与第二母线电极区(32)电性连接；
第一母线电极区(31)与第一反射电极区(35)电性连接，第二母线电极区(32)与第二反射电极区(36)电性连接。
5.根据权利要求4所述的声波谐振器，其特征在于，所述图案化电极组件(3)还包括第一电极区(37)和第二电极区(38)；
所述第一电极区(37)位于所述第一反射电极区(35)远离所述第一母线电极区(31)的一侧；所述第二电极区(38)位于所述第二反射电极区(36)远离所述第二母线电极区(32)的一侧；
所述第一电极区(37)和所述第二电极区(38)用于连接所述第一信号源，所述第一信号源用于对所述第一电极区(37)和所述第二电极区(38)分别输入所述第一电信号。
6.根据权利要求2所述的声波谐振器，其特征在于，还包括附加电荷层(5)，所述附加电荷层(5)位于所述金属层(4)与所述支撑衬底(1)之间、所述金属层(4)与所述单晶压电层(2)之间或所述单晶压电层(2)与所述图案化电极组件(3)之间。
7.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述支撑衬底(1)为高声速材料衬底或压电材料衬底。
8.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述单晶压电层(2)的材料包括铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英和氧化锌中的至少一种。
9.根据权利要求2所述的声波谐振器，其特征在于，所述金属层(4)的材料包括金、铝、铬、钨、钛、铜、银和铂中的至少一种。
10.根据权利要求2所述的声波谐振器，其特征在于，所述单晶压电层的厚度为200-800nm；所述金属层的厚度为60-200nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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