CN115037263A - 一种横向激励的薄膜体声波谐振器及滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及谐振器技术领域，特别涉及一种横向激励的薄膜体声波谐振器及滤波器。包括：基底、键合层、压电薄膜层和激励电极；基底用于支撑压电薄膜层；压电薄膜层包括相对的第一表面和第二表面，键合层将第二表面与基底连接在一起；激励电极包括多个子电极，子电极设置在压电薄膜层中；子电极的一端露出第一表面。该横向激励的薄膜体谐振器的结构，将激励横向电场的电极完全设置于压电薄膜内部，避免纵向电场分量的形成以及提高横向电场的均匀性，减少杂散声波模式出现，使其阻抗响应曲线更加平滑。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，特别涉及一种横向激励的薄膜体声波谐振器及滤波器。
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，薄膜体声波滤波器(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。
但随着滤波器所需频率逐渐升高，且工作带宽也逐渐加大，基于AlN的FBAR谐振器设计显然有些吃力，需要完美的单晶AlN或高Sc掺杂含量的AlN才有可能满足数百兆带宽的滤波器需求，其中也存在许多待解决的技术问题。现阶段，由美国公司(Resonant)领先提出的横向激励体声波谐振器(XBAR)研究火热。XBAR同样也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，XBAR能够实现高频以及大带宽的滤波器需求。
但是XBAR的设计结构中，产生横向激励电场的电极位于压电薄膜上表面，导致压电薄膜内部的电场存在横向和纵向分量，电场均匀性下降，容易产生声波的杂散谐振。另外，此类杂散谐振模式在级联形成滤波器后，会使其频率响应曲线出现纹波抖动，降低滤波器的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的横向激励薄膜体声波谐振器压电薄膜内部的电场存在横向和纵向分量，电场均匀性下降，容易产生声波的杂散谐振的问题。
为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种横向激励的薄膜体声波谐振器，包括：基底、键合层、压电薄膜层和激励电极；
所述基底用于支撑所述压电薄膜层；
所述压电薄膜层包括相对的第一表面和第二表面，所述键合层将所述第二表面与所述基底连接在一起；
所述激励电极包括多个子电极，所述子电极设置在所述压电薄膜层中；
所述子电极的一端露出所述第一表面。
进一步的，所述压电薄膜层具有有效谐振区域，所述子电极设置在所述有效谐振区域内；所述基底与所述压电薄膜层之间设有声学反射镜，所述声学反射镜至少包括空气、布拉格反射镜。
进一步的，所述子电极在所述有效谐振区域内呈周期性分布。
进一步的，相邻所述子电极之间的间距根据第一预设函数设置。
进一步的，所述子电极在所述压电薄膜层中形成第一电极层和第二电极层，所述第一电极层设置在所述第一表面，所述第二电极层设置在所述第二表面；
所述第一电极层包括多个所述子电极连接形成多个互相平行的第一电极桥；
所述第二电极层包括多个所述子电极连接形成多个互相平行的第二电极桥；
所述第一电极桥与所述第二电极桥在水平面上的投影互相垂直。
进一步的，所述子电极的高度与所述压电薄膜层的厚度相等。
进一步的，所述压电薄膜层的厚度为100nm-1000nm。
进一步的，所述第一表面上设有限制框，所述限制框为封闭的环状结构，所述限制框设置在所述有效谐振区域外。
进一步的，所述限制框的高度为0.1μm-1μm；所述限制框的截面尺寸为0.1μm-1μm。
进一步的，相邻所述子电极之间的区域为电极间区，所述电极间区内设有声学微结构，所述声学微结构设置在所述第一表面上。
进一步的，所述声学微结构的高度为0.1μm-0.5μm；所述声学微结构的截面尺寸为0.1μm-0.3μm。
进一步的，相邻所述声学微结构之间尺寸与所述电极间区尺寸的比例为占空比，所述占空比根据第二预设函数设置。
进一步的，所述声学微结构的材质为电介质材料。
第二方面，本申请实施例公开了一种滤波器，所述滤波器包括并联谐振器和串联谐振器，所述并联谐振器与所述串联谐振器级联形成所述滤波器；
所述并联谐振器和所述串联谐振器为如上所述的横向激励的薄膜体声波谐振器。
采用上述技术方案，本申请实施例所述的横向激励的薄膜体声波谐振器及滤波器具有如下有益效果：
该横向激励的薄膜体谐振器的结构，将激励横向电场的电极完全设置于压电薄膜内部，避免纵向电场分量的形成以及提高横向电场的均匀性，减少杂散声波模式出现，使其阻抗响应曲线更加平滑。
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为本申请实施例提供的一种横向激励的薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种子电极为渐变式分布的谐振器的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种现有技术与本申请实施例的谐振器效果对比图；
图4为本申请实施例提供的一种子电极的间距为线性变化的谐振器的效果图；
图5为本申请实施例提供的一种二维嵌入式子电极排布结构的俯视图；
图6为本申请实施例提供的一种二维嵌入式子电极排布结构的剖视图；
图7为本申请实施例提供的一种压电薄膜层上设置限制框的谐振器结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种压电薄膜层上设置声学微结构的谐振器局部结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种声学微结构的分布结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种现有技术与本申请实施例的谐振器Q值计算对比图；
图11为本申请实施例提供的一种滤波器的级联梯形拓扑结构示意图；
以下对附图作补充说明：
1-基底；2-压电薄膜层；3-激励电极；4-键合层；5-声学微结构；6-限制框；7-第一电极桥；8-圆形电极。
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。
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XBAR尺寸远小于介质陶瓷器件，其工作频率由其谐振器的纵向有效区域厚度决定：
其中，vl为谐振器中传输的纵向声波速度，d为谐振区薄膜厚度。
而薄膜体声波谐振器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是决定于滤波器插入损耗的因素之一。
Q值是衡量薄膜体声波谐振器的一项重要参数，其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，计算方法如下所示：
其中，ω为角频率，Etotal为系统总储存的能量，ΔE为每周期内谐振器系统通过各种途径损耗的能量，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。
其次，在射频滤波器设计时，单个谐振器单元的阻抗响应曲线对滤波器性能影响较大。因此在谐振器设计时，需要尽量减少阻抗响应曲线的抖动，抑制声波的杂散模式形成，有利于获得性能较好的滤波器。
图1为本申请实施例提供的一种横向激励的薄膜体声波谐振器的结构示意图，如图1所示，该横向激励的薄膜体声波谐振器包括：基底1、键合层4、压电薄膜层2和激励电极3。基底1用于支撑压电薄膜层2。压电薄膜层2包括相对的第一表面和第二表面，键合层4将第二表面与基底1连接在一起。激励电极3包括多个子电极，子电极设置在压电薄膜层2中。子电极的一端露出第一表面。
本申请实施例所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，将激励横向电场的电极完全设置于压电薄膜内部，避免纵向电场分量的形成以及提高横向电场的均匀性，减少杂散声波模式出现，使其阻抗响应曲线更加平滑。基于该横向激励的薄膜体声波谐振器结构，在射频滤波器领域具有一定的设计指导作用，且在微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)工业生产中具有较大的实用潜质。
本申请实施例中，横向激励的薄膜体声波谐振器的结构包括高阻硅基底1、压电薄膜层2、以及嵌入于压电薄膜层2中的激励电极3，该激励电极3为叉指换能器(Interdigitaltransducer，IDT)。IDT电极可根据实际需求设置多个子电极作为叉指。基底1与压电薄膜层2之间还设有键合层4，键合层4将基底1与压电薄膜层2键合在一起。在一些实施例中，在压电薄膜层2下表面即第二表面还设有刻蚀停止层(或支撑层)，用以支撑压电薄膜层2。在另一些实施例中，IDT电极的上表面还可以覆盖一层防止电极被氧化的钝化层薄膜。
本申请实施例中，横向激励的薄膜体声波谐振器可以使用空气隙型和固态装配型两种结构实现声波在交界面的全反射。空气隙型是在基底1和谐振器堆叠层之间形成空腔作为声学反射镜。空气隙型具有两种结构类型，一种是由基底1边缘支撑的悬空膜结构，其制作方法是先在起支撑作用的基底1上淀积一层压电薄膜层2，然后背部刻蚀去掉部分基底1形成悬空膜结构。另一种是在谐振器的下方形成一层空气气隙。其制作的方法是采用半导体工艺在基底1的上表面刻蚀空腔后填充一层牺牲层材料，然后在上面制作压电膜构成谐振器，最后用刻蚀技术去除牺牲层，由此得到空气气隙。固态装配型是以布拉格反射镜作为声波的反射镜使得声波能够被限制在共振腔内能量不至于损失。其制作方法是以不同声阻抗薄膜且薄膜精确控制在1/4波长厚度所堆叠而成。在一些实施例中，声学反射镜还可以是其他满足声波反射的声阻结构。如图1所示，图1中示出了一种空气隙型的薄膜体声波谐振器结构，在该结构中，IDT电极结构、压电薄膜层2以及空气腔的纵向重叠区域即为有效谐振区，空腔横向宽度为L，IDT电极指条间距为P。通过对汇流条施加电压，相邻指条分别依次接信号和地线，形成横向的电场激励纵向传递的声波。通过选择横向机电耦合系数较大的材料作为基底1，可以获得大带宽的谐振器。通过控制压电薄膜层2的厚度，可以获得较高工作频率的谐振器。
本申请实施例中，高阻硅基底1的电阻率为1-100kΩ·cm。基底1的材料除了硅之外，还可以是其他半导体材料，例如，蓝宝石、石英、磷化铟、砷化镓等。压电薄膜层2可以选择为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、单晶铌酸锂以及单晶钽酸锂等。激励电极3的材料可以选择为钼、铝、钨、钌、铂等金属及其合金。
本申请实施例中，横向激励的薄膜体声波谐振器中，子电极完全嵌入于压电薄膜层2的内部。子电极的高度可以小于、等于以及略大于压电薄膜层2的厚度。子电极的高度最优值为等于压电薄膜层2的厚度。这种激励电极3的设置方式，能够获得均匀性较高的横向电场，避免由于存在纵向电场分量而产生杂散模式。
本申请实施例中，在横向激励的薄膜体声波谐振器中，当IDT电极指条间距较大时，该谐振器的谐振频率主要由压电薄膜层2的厚度h决定，当其厚度h等于纵波波长的一半时产生谐振。纵波波长λl可从谐振器等效膜层厚度计算得到，公式如下：
其中，vl为压电薄膜层2中的纵波声速，tn和vn分别为各膜层厚度及纵波声速。
该结构能够利用横向激励的电场激发纵向传递的声波模式，由于压电薄膜层2在该方向上具有较大的机电耦合系数，在控制压电薄膜层2厚度的同时，该谐振器即获得较高的谐振频率及超大带宽。可选的，压电薄膜层2的厚度h可以在100nm-1000nm范围内变化。作为一种示例，采用高阻硅基底1，压电薄膜层2为单晶铌酸锂，键合层4为二氧化硅，在h＝400nm时，谐振器的谐振频率约为5GHz，带宽超过1GHz。相较基于AlN的FBAR谐振器，在相等的压电薄膜层2厚度时，该带宽较大。
本申请实施例中，子电极在压电薄膜层2中的排布边缘可以超过空腔，也可以位于空腔内部对应的区域。优选的，子电极区域完全位于空腔内部形成有效谐振区域，避免声波能量直接从硅基底1中泄漏而恶化谐振器的性能。可选的，如图1所示，子电极在压电薄膜层2中的排布方式为等间距式分布，子电极之间的距离可以根据杂散声波模式的抑制情况或横向传播声波的波长设计。可选的，子电极在压电薄膜层2中的排布方式为渐变式分布，子电极排布的最小周期根据杂散声波的抑制情况而定，周期从小到大依次增加。通过优化该谐振器的激励电极3的排布方式，然后结合其横向尺寸大小来确定激励电极3的对数，避免现有技术中因电场均匀性较差而引起的杂散声波模式，降低应用其的滤波器性能。
作为一种可选的实施方式，图2为本申请实施例提供的一种子电极为渐变式分布的谐振器的结构示意图，如图2所示，相邻子电极之间的间距由空腔边缘的两侧向中间逐渐增大，相邻子电极的最小间距需要由单个谐振器的阻抗响应曲线而确定。相邻子电极的间距越大，横向电场的均匀性越高，阻抗响应曲线越平坦。相应地，间距越小，越容易产生杂散声波谐振。作为一种示例，相邻子电极之间间距的渐变可遵循函数关系y＝Δ5×N，其中，N为正整数。即子电极外侧的最小间距可以是5μm，后续相邻子电极之间的间距依次设计为10μm、15μm以及20μm，此时谐振器的阻抗响应曲线较为平坦，杂散模式随着周期增加而逐渐减弱。
需要说明的是，图2中所示出的子电极的分布方式仅作为某一种情况的说明性解释，即相邻子电极之间间距的变化关系不仅限于线性函数，还可以是类似正相关的二次函数以及指数函数等。
图3为本申请实施例提供的一种现有技术与本申请实施例的谐振器效果对比图，如图3所示，图(3a)中示出了现有技术中谐振器的效果图，图(3b)中示出了本申请实施例提供的一种子电极为等间距分布的谐振器的效果图。如图3所示，谐振器的谐振频率几乎没有发生变化。由于在压电薄膜层2内部设置IDT电极，避免现有技术中电场纵向分量的产生，提高了横向电场均匀性，减少杂散声波谐振，其阻抗响应曲线更加平坦。
图4为本申请实施例提供的一种子电极的间距为线性变化的谐振器的效果图，如图4所示，图4示出了图2所示的子电极排布方式的优化效果，图4中所示出的Δ5、Δ15以及Δ25为周期渐变的步长，随着周期步长的增加，阻抗响应曲线中杂散声波模式逐渐减弱。
作为另一种可选的实施方式，设置在压电薄膜层2中的激励电极3的形状不限于指条形，还可以是二维结构。图5为本申请实施例提供的一种二维嵌入式子电极排布结构的俯视图，图6为本申请实施例提供的一种二维嵌入式子电极排布结构的剖视图，如图5和图6所示，子电极在压电薄膜层2中形成上下分布的第一电极层和第二电极层，第一电极层设置在压电薄膜层2的上表面即第一表面上，第二电极层设置在第二表面上。第一电极层和包括多个子电极连接形成多个互相平行的第一电极桥。第二电极层包括多个子电极连接形成多个互相平行的第二电极桥。如图5所示，电极桥7是保证电极之间电互连的电桥结构，每个电极桥7包括多个圆形电极8。在一些实施例中，电极的形状也可以是矩形、菱形等规则形状，也可以为其他不规则的形状。如图5和图6所示，第一电极桥与第二电极桥在水平面上的投影互相垂直，且第一电极桥中的子电极与第二电极桥中的子电极在水平面上的投影重合。即在压电薄膜层2的上半部分和下半部分均设置二维嵌入式电极，上半部分和下半部分的电桥取向相差为90°，且每一个正电极向对立面的正投影需完全覆盖一个负电极，每一个负电极向对立面的正投影需完全覆盖一个正电极，以此形成正、负交叠的信号激励声波模式。
图7为本申请实施例提供的一种压电薄膜层2上设置限制框6的谐振器结构示意图，如图7所示，第一表面上设有限制框6，限制框6为封闭的环状结构，限制框6设置在有效谐振区域外。
本申请实施例中，位于空腔之外的无效谐振区，可以在该区域中设置一个凸起的限制框6，该限制框6设置在压电薄膜层2的上表面上。如图7所示，限制框6在整个谐振器无效区的四周围成一个封闭图形，定义限制框6的横向宽度为d，纵向厚度为t。限制框6的设置，可提高谐振器外部无效区和内部有效区的声阻抗失配程度，增强对横向传递漏声波的限制能力，提高谐振器的品质因数Q值。
限制框6的高度为0.1μm-1μm；限制框6的截面尺寸为0.1μm-1μm。
本申请实施例中，如图7所示的横向激励的薄膜体声波谐振器，其限制框6的横向宽度d需要根据谐振频率下横向声波波长的四分之一来确定，进一步地可取1、3、5、7等奇数倍。作为一种示例，单晶铌酸锂薄膜内部横向传递声波波速约在3300m/s至4000m/s范围内，在谐振频率为5GHz条件下，设置压电薄膜厚度h为400nm，波长计算值约为0.66μm，根据公式d＝0.25×λ×N，N为正整数。进一步地，宽度d的取值范围可以是0.165μm至9.075μm，纵向厚度t的取值范围可以是0.1μm至1μm。需要根据阻抗响应曲线中杂散声波的抑制情况，合理设置限制框6的宽度d和厚度t，以获得性能最优的横向激励薄膜体声波谐振器。
图8为本申请实施例提供的一种压电薄膜层2上设置声学微结构5的谐振器局部结构示意图，如图8所示，相邻子电极之间的区域为电极间区，电极间区内设有声学微结构5，声学微结构5设置在第一表面上。
本申请实施例中，如图8所示，声学微结构5设置在相邻的电极对之间，且位于压电薄膜层2的上表面。声学微结构5在相邻电极对之间为横向周期性排列。由于声学微结构5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。相邻声学微结构5之间尺寸与电极间区尺寸的比例为占空比，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。
本申请实施例中，声学微结构5不需要接电信号，其可以选择为电介质材料。当然，也可以选择为金属材料，但优选为电介质材料。选用电介质材料可避免在金属中产生浮动电压，从而对压电薄膜层2内部电场造成影响。
通过一次刻蚀工艺，可以轻易地实现对横向激励的薄膜体声波谐振器的频率调谐。现有技术中，对串联谐振器和并联谐振器的频率调谐需要在电极表面沉积调谐层，两者可能具有不同的厚度，因此需要对调谐层进行厚度修正，工艺繁琐。此外，根据频率的精准匹配需要对调谐层做薄膜厚度的优化，工艺难度较大。本申请实施例中，结合声学微结构5技术，在压电薄膜层2的表面形成周期性变化，或者占空比变化的声学微结构5，对串联谐振器和并联谐振器仅通过一次刻蚀工艺就能实现频率的调谐，降低制备工艺的难度和生产成本。声学亚波长可根据声学微结构5的横向宽度确定，即声学微结构5的横向宽度需要小于纵向声波传播的波长λl，优选的，其宽度可以小于λl/2。其中，纵波波长λl可从谐振器等效膜层厚度及公式(3)计算得到。
本申请实施例中，声学微结构5的高度为0.1μm-0.5μm，声学微结构5的截面尺寸为0.1μm-0.3μm。作为一种示例，单晶铌酸锂薄膜内部横向传递声波波速约在3300m/s至4000m/s范围内，在谐振频率为5GHz条件下，设置压电薄膜厚度h为400nm，波长计算值约为0.66μm，则横向宽度即声学微结构5的截面尺寸的取值范围可以是0.165μm至2.475μm，纵向厚度即声学微结构5的高度的取值范围可以是0.1μm至0.5μm。在相邻电极对之间设置声学微结构5，能够在实现对横向激励的薄膜体声波谐振器频率调谐的同时，提高其品质因数Q值。
本申请实施例中，声学微结构5在相邻子电极之间的排布方式可以为等间距式分布，也可以将占空比按照预设函数变化的方式设置。图9为本申请实施例提供的一种声学微结构5的分布结构示意图，如图9所示，与图8中所示出的声学微结构5的排布方式不同的是，图9中压电薄膜层2上表面的声学微结构5的占空比不再是处处相等，而是由两端外侧向内部进行变化。其中，外侧IDT电极对之间的周期P2对应占空比η2，内部IDT电极对之间的周期P1对应占空比η1，不同占空比对应不同的等效厚度，即在每个IDT电极对之间均形成声波能量的限制区域，达到进一步提高谐振器Q值的目的。外部微结构占空比η2的横向宽度定义为m，m的具体值需要根据铌酸锂薄膜中，横向传递声波的四分之一波长来确定。可选的，可以设计为奇数倍，作为一种可选的实施方式，m的值约为5.775μm。
在一些实施例中，两侧向中间排布的声学微结构5的占空比变化可以是突变，也可以是一次函数(y＝kx)的线性渐变，还可以是二次函数的非线性渐变(y＝-ax2+b)等，函数系数需要以实际占空比变化引起的频率改变量来确定，有效的系数可以是(k＝0.1，a＝0.04，b＝0.74)，其中x定义为最外侧微结构位置且为正整数，y定义为x位置对应微结构的占空比大小。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。应当理解的是，有效的函数表达式并不局限于上述所给出的公式，也可以为其他规律的函数类型。
本申请实施例中，图9所示的横向激励的薄膜体声波谐振器，其还可以经过上表面和下表面共同进行微结构占空比突变、渐变及渐变函数形式等技术的变体组合，以最优解使谐振器具有较高的Q值。
图10为本申请实施例提供的一种现有技术与本申请实施例的谐振器Q值计算对比图，如图10所示，实线为上述图9中示出的横向激励的薄膜体声波谐振器的Q值，点线为现有技术谐振器的Q值。从图10中可以看出，在薄膜体声波谐振器的膜层应用声学微结构5时，能够有效地对横向声波能量泄漏进行抑制，使薄膜体声波谐振器的Q值高于现有技术的谐振器。本申请实施例为在高频应用的滤波器提供了一种可行性较高的方案。
本申请实施例所述横向激励的薄膜体声波谐振器结构，其关键技术在于：在其压电薄膜层2内部设置横向激励电场的电极，使压电层内部的电场均以横向分布，避免出现纵向分量，因此提高横向电场的均匀性。电极的纵向厚度可以小于、等于以及略大于压电薄膜，最优值为两者相等时。电极的排布可以是等间距分布，也可以是周期性渐变分布，通常以大周期设计电极为最佳，有利于抑制该谐振器的杂散声波模式。此外，本申请实施例提出的横向激励的薄膜体声波谐振器，还结合了声学微结构5，能够实现对谐振频率的调节以及杂散声波模式的进一步抑制，提高品质因数Q值，使应用其的滤波器具有更加优异的性能，在5G甚至更高频领域具有更大的应用潜质。
本申请实施例还公开了一种滤波器，滤波器包括并联谐振器和串联谐振器，并联谐振器与串联谐振器级联形成滤波器。并联谐振器和串联谐振器为如上所述的横向激励的薄膜体声波谐振器。
图11为本申请实施例提供的一种滤波器的级联梯形拓扑结构示意图，如图11所示，该滤波器级联拓扑结构包括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11所示，第一谐振器S1、第二谐振器S2、第三谐振器S3、第四谐振器S4以及第五谐振器S5，每相邻两个串联谐振器之间节点上有并联连接的并联谐振器P1、P2、P3以及P4，每个并联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，其中每个谐振器本申请实施例所述的横向激励的薄膜体声波谐振器。应当理解的是，串联谐振器和并联谐振器的个数并不局限于图11中结构所示，可根据滤波器设计指标进行个数的增减。
本申请实施例提出一种横向激励的薄膜体声波谐振器结构，通过将激励电极3完全设置于压电薄膜层2内部，避免形成现有技术中压电薄膜层2内部存在的纵向电场分量，实现减少谐振器杂散声波模式的有益技术效果，同时使应用其的射频滤波器具有更加优异的性能。
本申请实施例提出一种横向激励的薄膜体声波谐振器结构，其电极排布周期的最小值需要根据声波的杂散模式而确定，提高设计的灵活性。
本申请实施例提出基于亚波长声学微结构5的薄膜体声波谐振器，仅通过一次刻蚀技术，就可以实现串联谐振器和并联谐振器之间的频率差异微调，无需额外的工艺步骤，避免每个谐振器依次调节，降低工艺复杂程度。
本申请实施例通过对提出的亚波长声学微结构5的合理设计，在实现串联和并联谐振器频率差异微调的同时，可根据横向传播波长设计声学微结构5的宽度，使谐振器具有较高的Q值，减少声波的横向泄漏，进一步降低级联后滤波器的通带插入损耗。
本申请实施例提出一种横向激励的薄膜体声波谐振器结构，该谐振器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。
以上所述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 (14)
1.一种横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：基底(1)、键合层(4)、压电薄膜层(2)和激励电极(3)；
所述基底(1)用于支撑所述压电薄膜层(2)；
所述压电薄膜层(2)包括相对的第一表面和第二表面，所述键合层(4)将所述第二表面与所述基底(1)连接在一起；
所述激励电极(3)包括多个子电极，所述子电极设置在所述压电薄膜层(2)中；
所述子电极的一端露出所述第一表面。
2.根据权利要求1所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜层(2)具有有效谐振区域，所述子电极设置在所述有效谐振区域内；
所述基底(1)与所述压电薄膜层(2)之间设有声学反射镜，所述声学反射镜至少包括空气、布拉格反射镜。
3.根据权利要求2所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述子电极在所述有效谐振区域内呈周期性分布。
4.根据权利要求3所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，相邻所述子电极之间的间距根据第一预设函数设置。
5.根据权利要求1所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述子电极在所述压电薄膜层(2)中形成第一电极层和第二电极层，所述第一电极层设置在所述第一表面，所述第二电极层设置在所述第二表面；
所述第一电极层包括多个所述子电极连接形成多个互相平行的第一电极桥；
所述第二电极层包括多个所述子电极连接形成多个互相平行的第二电极桥；
所述第一电极桥与所述第二电极桥在水平面上的投影互相垂直。
6.根据权利要求1所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述子电极的高度与所述压电薄膜层(2)的厚度相等。
7.根据权利要求6所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜层(2)的厚度为100nm-1000nm。
8.根据权利要求2所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一表面上设有限制框(6)，所述限制框(6)为封闭的环状结构，所述限制框(6)设置在所述有效谐振区域外。
9.根据权利要求8所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述限制框(6)的高度为0.1μm-1μm；所述限制框(6)的截面尺寸为0.1μm-1μm。
10.根据权利要求1所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，相邻所述子电极之间的区域为电极间区，所述电极间区内设有声学微结构(5)，所述声学微结构(5)设置在所述第一表面上。
11.根据权利要求10所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述声学微结构(5)的高度为0.1μm-0.5μm；所述声学微结构(5)的截面尺寸为0.1μm-0.3μm。
12.根据权利要求11所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，相邻所述声学微结构(5)之间尺寸与所述电极间区尺寸的比例为占空比，所述占空比根据第二预设函数设置。
13.根据权利要求12所述的横向激励的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述声学微结构(5)的材质为电介质材料。
14.一种滤波器，其特征在于，所述滤波器包括并联谐振器和串联谐振器，所述并联谐振器与所述串联谐振器级联形成所述滤波器；
所述并联谐振器和所述串联谐振器为权利要求1-13任一项所述的横向激励的薄膜体声波谐振器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116470878A (zh) * | 2023-04-03 | 2023-07-21 | 无锡市好达电子股份有限公司 | 横向激励薄膜体声波谐振器 |
| CN117595819A (zh) * | 2023-02-23 | 2024-02-23 | 北京芯溪半导体科技有限公司 | 一种谐振器、滤波器、双工器、多工器及通信设备 |
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2021
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