CN114928346A - 一种氮化铝基异质声学层的saw谐振器 - Google Patents

一种氮化铝基异质声学层的saw谐振器 Download PDF

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CN114928346A CN202210562949.5A CN202210562949A CN114928346A CN 114928346 A CN114928346 A CN 114928346A CN 202210562949 A CN202210562949 A CN 202210562949A CN 114928346 A CN114928346 A CN 114928346A
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黄大林
高杨
冯明强
赵钊
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Abstract

本申请公开了一种氮化铝基异质声学层的SAW谐振器，用于提高谐振器性能。本申请谐振器包括：异质声学层HAL结构、输入叉指换能器IDT、输出IDT、第一声子晶体及若干个第二声子晶体；HAL结构包括压电层和复合基底，压电层的压电材料为掺钪氮化铝材料；输入IDT和输出IDT分别设置在压电层上；第一声子晶体嵌入到压电层中，且位于输入IDT和输出IDT之间，用于通过第一声子晶体构造缺陷带，使得输入IDT的声波通过缺陷带传播到输出IDT；输入IDT包括输入汇流条，输出IDT包括输出汇流条；若干个第二声子晶体分别嵌入到压电层中，且分别位于输入汇流条两端以及输出汇流条两端，用于通过第二声子晶体反射声波。

Description

一种氮化铝基异质声学层的SAW谐振器
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种氮化铝基异质声学层的SAW谐振器。
背景技术
SAW谐振器是声表面波谐振器的简称，是一种利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件。SAW谐振器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器-即叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT)，分别用作发射换能器和接收换能器。发射端的IDT将电信号转换成声波，且该声波在SAW谐振器基板表面传播，接收端的IDT接收到的声波转换成电信号输出，从而实现滤波。
目前，基于SAW谐振器的各种新型SAW传感系统已广为应用，如用于有毒气体环境感知、高温工作条件下温度传感、极端环境下压力传感、轮胎胎压监测、便携式癌症诊断等。因此，SAW谐振器作为SAW传感系统的核心元件，其性能直接影响着SAW传感系统的应用指标。其中，SAW谐振器的品质因数(Q值)影响最大，且最为重要。
但是由于目前传统的SAW谐振器多采用铌酸锂、钽酸锂、石英晶体、压电陶瓷等压电材料作为基板材料，SAW谐振器的Q值有限，亟需设计一种更高Q值性能的SAW谐振器。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种氮化铝基异质声学层的SAW谐振器，用于使谐振器性能提高。
本申请提供的氮化铝基异质声学层的SAW谐振器，包括：
异质声学层HAL结构、输入IDT、输出IDT、第一反射栅、第二反射栅、第一声子晶体及若干个第二声子晶体；
所述HAL结构包括压电层和复合基底，所述压电层的压电材料为掺钪氮化铝材料；
所述输入IDT和所述输出IDT分别设置在所述压电层上；
所述第一反射栅设置在所述输入IDT外侧，所述第二反射栅设置在所述输出IDT外侧，所述第一反射栅与所述第二反射栅的位置相对；所述第一声子晶体嵌入到所述压电层中，且位于所述输入IDT和所述输出IDT之间，用于通过所述第一声子晶体构造缺陷带，使得所述输入IDT的声波通过所述缺陷带传播到所述输出IDT；
所述输入IDT包括输入汇流条，所述输出IDT包括输出汇流条；
所述若干个第二声子晶体分别嵌入到所述压电层中，且分别位于所述输入汇流条两端以及所述输出汇流条两端，用于通过所述第二声子晶体反射声波。
可选地，所述复合基底包括复合薄膜以及支撑衬底；
所述复合薄膜包括低声速层以及高声速层；
所述低声速层的上表面连接所述压电层，下表面依次连接所述高声速层以及所述支撑衬底，所述低声速层和所述高声速层用于将声波约束在所述压电层和所述低声速层。
可选地，所述低声速层由SiO2材料制成；
所述高声速层由氮化铝材料制成；
所述支撑衬底由Si材料制成。
可选地，所述压电层的厚度尺寸为0.3λ；
所述低声速层的厚度尺寸为0.3λ；
所述高声速层的厚度尺寸为0.4λ；
所述支撑衬底的厚度尺寸8λ，其中λ为波长。
可选地，所述输入IDT还包括输入电极；
所述输入汇流条数量为2条，且2条输入汇流条分别设置在所述输入电极两侧；
所述输出IDT还包括输出电极；
所述输出汇流条数量为2条，且2条输出汇流条分别设置在所述输出电极两侧；
所述第一反射栅和所述第二反射栅分别设置在所述输入电极和所述输出电极的外侧。
可选地，所述第二声子晶体数量为4个；
4个所述第二声子晶体分别设置在所述2条输入汇流条和所述2条输出汇流条的外侧。
可选地，所述压电层由掺Sc的AlScN单晶材料制成。
可选地，所述第一声子晶体和所述第二声子晶体分别为由若干个填充单元组合构成的微腔面阵。
可选地，所述填充单元由环氧树脂材料制成。
可选地，所述填充单元由聚苯乙烯材料制成。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请SAW谐振器包括异质声学层HAL结构、输入IDT、输出IDT、第一反射栅、第二反射栅、第一声子晶体及若干个第二声子晶体；HAL结构包括压电层和复合基底，压电层的压电材料为掺钪氮化铝材料；输入IDT和输出IDT分别设置在压电层上；第一反射栅设置在输入IDT外侧，第二反射栅设置在输出IDT外侧，第一反射栅与第二反射栅的位置相对；第一声子晶体嵌入到压电层中，且位于输入IDT和输出IDT之间，用于通过第一声子晶体构造缺陷带，使得输入IDT的声波通过缺陷带传播到输出IDT；输入IDT包括输入汇流条，输出IDT包括输出汇流条；若干个第二声子晶体分别嵌入到电压层中，且分别位于输入汇流条两端以及输出汇流条两端，用于通过第二声子晶体反射声波。
本申请中，由于掺钪的氮化铝具有高热导率、高硬度、高熔点、高化学稳定性、热膨胀系数低等特点，因此掺钪氮化铝作为压电材料，可提升较高的声表面波传播速度。此外，在输入IDT和输出IDT之间设置第一声子晶体构造缺陷带，引导声波在两个IDT之间通过缺陷带传播，减少声波能量的侧溢，同时，分布在汇流条两侧设置第二声子晶体，利用声波禁带特性，对侧溢的声波能量进行反射从而减少声波能量的侧向泄露，提高声波从输入IDT到输出IDT的有效传播，进而提高整个SAW谐振器的Q值，提高SAW谐振器的性能。
附图说明
图1为本申请提供的氮化铝基异质声学层的SAW谐振器立体结构示意图；
图2为本申请提供的氮化铝基异质声学层的SAW谐振器正视结构示意图；
图3为本申请提供的氮化铝基异质声学层的SAW谐振器俯视结构示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种氮化铝基异质声学层的SAW谐振器，用于提高SAW谐振器的Q值，从而提高SAW谐振器的性能。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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，仅用于说明各部件或组成部分之间的相对位置关系，并不特别限定各部件或组成部分的具体安装方位。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，在本申请中所附图式所绘制的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员了解与阅读，并非用于限定本申请可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍应落在本申请所揭示的技术内容涵盖的范围内。
此外，本申请中所提及的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)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术语在适当的情况下可以互换，以便本申请描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
下面将结合本申请中的附图，对本申请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。
请参阅图1至图3，本申请提供的氮化铝异质声学层的SAW谐振器包括：
异质声学层HAL结构1、输入IDT2、输出IDT3、第一反射栅6、第二反射栅7、第一声子晶体4及若干个第二声子晶体5；该HAL结构1包括压电层11和复合基底，该压电层11的压电材料为掺钪氮化铝材料；输入IDT2和输出IDT3分别设置在压电层11上；第一反射栅6设置在输入IDT2外侧，第二反射栅7设置在输出IDT3外侧，第一反射栅6与第二反射栅7的位置相对；；该第一声子晶体4嵌入到压电层11中，且位于输入IDT2和输出IDT3之间，用于通过该第一声子晶体4构造缺陷带，使得输入IDT2的声波通过该缺陷带传播到输出IDT3；该输入IDT2包括输入汇流条21，该输出IDT3包括输出汇流条31；该若干个第二声子晶体5分别嵌入到该压电层11中，且分别位于该输入汇流条21两端以及该输出汇流条31两端，用于通过该第二声子晶体5反射声波。
本实施例中，异质声学层(Hetero Acoustic Layer，HAL)结构为包括压电层11和复合基底在内的结构。其中，压电层11可由氮化铝(AlN)基材料制成，例如，氮化铝基材料可包括氮化铝材料、掺钪(Sc)氮化铝材料，掺铬(ge)氮化铝材料等。本实施例中，压电层11具体由掺钪(Sc)氮化铝材料制成。复合基底位于压电层11下方，该复合基底可构造成具有较高的声波能量约束特性的复合支撑衬底，从而能够将声波能量尽可能的约束在压电层11，减少声波能量的外泄。例如，复合基底可构造成布拉格反射层结构或高低声速层结构，或者，还可以是其他结构，具体此处不做限定。
输入IDT2与输出IDT3分别设置在压电层11上层表面的两端，在输入IDT2的外侧(即图1所示的输入IDT2的左侧)设置有第一反射栅6，在输出IDT2远离所述输入IDT的外侧(即图1所示的输出IDT3的右侧)设置有第二反射栅7，该第一反射栅6和第二反射栅7分别用于反射输入IDT2与输出IDT3传导出的声波能量。且，在输入IDT2和输出IDT3之间设置一个嵌入到压电层11中的第一声子晶体4。一般来说，声子晶体为弹性常数在空间呈周期性排列的人工晶体，其具有特定频率声波可传播的波导特性，即工作时，在某个带隙范围内的弹性波在声子晶体中传播时会受到抑制，同时，处于某个其他频率范围的弹性波可以传播的特性。因此，可在设置呈周期性排列的第一声子晶体4时，利用声子晶体的波导特性，人为的在周期结构中设计具有规律的从输入IDT2到输出IDT3的缺陷带，使得原本在带隙频段内无法传播的弹性波可通过缺陷带从输入IDT2有效传播到输出IDT3。从而通过将带隙频段内的声波能量约束在第一声子晶体4的缺陷带中进行传播，提高谐振器声波能量的有效传播。
此外，由于输入IDT2和输出IDT3分别具有其相应的输入汇流条21和输出汇流条31，因此，还可在输入汇流条21和输出汇流条31的外侧可分别设置有第二声子晶体5。利用特定频段声波在声子晶体中受到强反射、不可传播的传播特性人为设计调整第二声子晶体5的周期结构，使得第二声子晶体5能反射输入IDT2或输出IDT3外泄的声波以减少声波的外泄，尽可能将声波能量约束在压电层11中。
本实施例中，首先设置由氮化铝基材质制成的压电层11，利用氮化铝具有高热导率、高硬度、高熔点、高化学稳定性、热膨胀系数低等的特点，提高声表面波的传播速度。然后，通过在压电层11下方设置复合基底，将声波尽可能约束在压电层11中，减少声波能量的纵向泄露，同时在输入IDT2和输出IDT3中设置第一声子晶体4，构造缺陷带使得声表面波能沿缺陷带传播，此外，还在输入汇流条21和输出汇流条31外侧设置第二声子晶体5，用于反射声表面波。从而，在工作时，在输入IDT2将电信号转换为声波后，声波将受到复合基底、第一声子晶体4以及第二声子晶体5的约束，沿着第一声子晶体4的缺陷带传播到输出IDT3中，然后使得输出IDT3将接收到的声波转换为电信号输出。整个过程实现对声波的横向和纵向约束，减少声波能量的损耗，从而可提升SAW谐振器的Q值以及提高SAW谐振器的性能。
可选地，该复合基底包括复合薄膜12以及支撑衬底13；该复合薄膜12包括低声速层121以及高声速层122；该低声速层121的上表面连接压电层11，下表面依次连接高声速层122以及支撑衬底13，该低声速层121和高声速层122用于将声波约束在压电层11和低声速层121中。
本实施例中，在压电层11下方设置有由低声速层121、高声速层122以及支撑衬底13组成的复合基底。需要说明的是，低声速层121与高声速层122的声速高低为相对而言的，即低声速层121的传播声速低于高声速层122的传播声速。从而，在本实施例中，可利用声波在高声速层122和低声速层121界面传播时会被引到至低声速层121的特性，将声波约束在低声速层121和上方的压电层11内，减少声波向下方的支撑衬底13的泄露，从而减少声波能量的损耗。
可选地，该低声速层121由SiO2材料制成；该高声速层122由氮化铝材料制成；该支撑衬底13由Si材料制成。
本实施例中，利用AlN材料具有高机电耦合系数、高声速、低损耗的特点，使用AlN材料构造高声速层122。同时，使用SiO2材料构造低声速层121，可使得AlN-SiO2-的高低声速特性几乎将声波完全集中在压电层11表面，使得SAW谐振器具有高Q值，提高谐振器性能。
可选地，该压电层11的厚度尺寸为0.3λ；该低声速层121的厚度尺寸为0.3λ；该高声速层122的厚度尺寸为0.4λ；该支撑衬底13的厚度尺寸8λ，其中λ为波长。
本实施例中，压电层11为厚度0.3λ的AlN薄膜，低声速层121为厚度0.3λ的SiO2薄膜，高声速层122为厚度0.4λ的AlN薄膜，支撑衬底13为厚度8λ的Si材质。利用SiO2-AlN构造低声速层121和高声速层122，加上Si作为支撑衬底13，可以较好的形成反射层，更好的将声波约束在压电层11和低声速层121中，减少谐振器在深度方向上的能量损耗。需要说明的是，对于谐振器各层的厚度、材料，还可以根据谐振器的实际使用情况设计为其他尺寸、材料，具体此处不做限定。
可选地，该输入IDT2还包括输入电极22；该输入汇流条21数量为2条，且2条输入汇流条21分别设置在该输入电极22两侧；该输出IDT3还包括输出电极32；该输出汇流条31数量为2条，且2条输出汇流条31分别设置在该输出电极32两侧；该第一反射栅6和该第二反射栅7分别设置在该输入电极22和该输出电极32的外侧。
本实施例中，输入IDT2具体包括输入电极22和2条输入汇流条21；输出IDT3具体包括输出电极32和2个输出汇流条31。输入IDT2和输出IDT3设置压电层11的上表面，且分别位于该上表面的两端，具体地，两条输入汇流条21分别在输入电极22的上侧和下侧，半包围该输入电极22，并且在输入电极22的左侧设置有第一反射栅6，用于反射声波。同样，两条输出汇流条31分别设置在输出电极32的上侧和下侧，在输出电极32的右侧设置有第二反射栅7。此外，在输入汇流条21和输出汇流条31的外侧分别设置第二声子晶体5，用于反射声波。
工作时，输入IDT2输入的电信号转换为声波，声波在压电层11内通过第一声子晶体4传播到输出IDT3中，此时，由于受到第一反射栅6、第二声子晶体5以及第二反射栅7对声波的反射作用，声波在输入IDT2和第一声子晶体4以及输出IDT3之间有效传播，可减少声波的外泄损耗，提高谐振器性能。
可选地，该第二声子晶体5数量为4个；4个该第二声子晶体5分别设置在该2条输入汇流条21和该2条输出汇流条31的外侧。
本实施例中，具体可设置4个第二声子晶体5，每个第二声子晶体5设置在汇流条的外侧，用于对汇流条外侧的声波进行反射，将声波能量集中到汇流条内侧以及第一声子晶体4中进行传播，减少声波能量的横向泄露。
可选地，该压电层11由掺Sc的AlScN单晶材料制成。
本实施例中，对于SAW谐振器而言，要想实现高频率、低插入损耗等目标，需要不断提高压电材料的压电性能。而由于掺Sc的AlN压电薄膜相较于AlN压电薄膜来说压电性能明显提高，因此，可使用掺Sc的AlN材料作为压电层11的材料，以提高SAW谐振器性能。
可选地，该第一声子晶体4和该第二声子晶体5分别为由若干个填充单元组合构成的微腔面阵。
本实施例中，第一声子晶体4和第二声子晶体5为呈周期性排列的人工晶体，具体可由多个填充单元周期排列组成的微腔面阵，每个填充单元由波导材料制成，且嵌入到压电层11中，用于通过波导材料对弹性波进行反射约束或传播。需要说明的是，该若干个填充单元构成的呈周期结构的微腔面阵的结构可由人为设计和控制，从而可通过调整该周期结构，使其构成的声子晶体能反射或传播声波，从而达到约束声能的目的。
可选地，该填充单元由形状记忆合金(SMA)、环氧树脂材料或聚苯乙烯材料制成。
本实施例中，填充单元的波导材料可选择由形状记忆合金(SMA)、环氧树脂或聚苯乙烯材料制成，减少由于声波阻抗过大而引起声波在声子晶体的微腔面阵发生全反射的可能性，同时，可使得填充单元的波导材料的传播声速接近或小于压电层11的声速，提高对声能的约束。需要说明的是，该填充单元还可由其他波导材料制成，具体此处不做限定。
需要说明的是，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种氮化铝基异质声学层结构的SAW谐振器，其特征在于，所述SAW谐振器包括：
异质声学层HAL结构、输入叉指换能器IDT、输出IDT、第一反射栅、第二反射栅、第一声子晶体及若干个第二声子晶体；
所述HAL结构包括压电层和复合基底，所述压电层的压电材料为掺钪氮化铝材料；
所述输入IDT和所述输出IDT分别设置在所述压电层上；
所述第一反射栅设置在所述输入IDT外侧，所述第二反射栅设置在所述输出IDT外侧，所述第一反射栅与所述第二反射栅的位置相对；
所述第一声子晶体嵌入到所述压电层中，且位于所述输入IDT和所述输出IDT之间，用于通过所述第一声子晶体构造缺陷带，使得所述输入IDT的声波通过所述缺陷带传播到所述输出IDT；
所述输入IDT包括输入汇流条，所述输出IDT包括输出汇流条；
所述若干个第二声子晶体分别嵌入到所述压电层中，且分别位于所述输入汇流条两端以及所述输出汇流条两端，用于通过所述第二声子晶体反射声波。
2.根据权利要求1所述的SAW谐振器，其特征在于，所述复合基底包括复合薄膜以及支撑衬底；
所述复合薄膜包括低声速层以及高声速层；
所述低声速层的上表面连接所述压电层，下表面依次连接所述高声速层以及所述支撑衬底，所述低声速层和所述高声速层用于将声波约束在所述压电层和所述低声速层中。
3.根据权利要求2述的SAW谐振器，其特征在于，所述低声速层由SiO2材料制成；
所述高声速层由氮化铝材料制成；
所述支撑衬底由Si材料制成。
4.根据权利要求3所述的SAW谐振器，其特征在于，所述压电层的厚度尺寸为0.3λ；
所述低声速层的厚度尺寸为0.3λ；
所述高声速层的厚度尺寸为0.4λ；
所述支撑衬底的厚度尺寸8λ，其中λ为波长。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述输入IDT还包括输入电极；
所述输入汇流条数量为2条，且2条输入汇流条分别设置在所述输入电极两侧；
所述输出IDT还包括输出电极；
所述输出汇流条数量为2条，且2条输出汇流条分别设置在所述输出电极两侧；
所述第一反射栅和所述第二反射栅分别设置在所述输入电极和所述输出电极的外侧。
6.根据权利要求5所述的SAW谐振器，其特征在于，所述第二声子晶体数量为4个；
4个所述第二声子晶体分别设置在所述2条输入汇流条和所述2条输出汇流条的外侧。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述压电层由掺Sc的AlScN单晶材料制成。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的SAW谐振器，其特征在于，所述第一声子晶体和所述第二声子晶体分别为由若干个填充单元组合构成的微腔面阵。
9.根据权利要求8所述的SAW谐振器，其特征在于，所述填充单元由环氧树脂材料制成。
10.根据权利要求8所述的SAW谐振器，其特征在于，所述填充单元由聚苯乙烯材料制成。
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CN202210562949.5A Pending CN114928346A (zh) 2022-05-23 2022-05-23 一种氮化铝基异质声学层的saw谐振器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115655535A (zh) * 2022-10-17 2023-01-31 高桥防火科技股份有限公司 一种高灵敏度感知的智能电缆
CN115655509A (zh) * 2022-09-27 2023-01-31 高桥防火科技股份有限公司 一种多模态融合无线无源温度传感器

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