CN115102518B - 一种横向激励体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种横向激励体声波谐振器，涉及谐振器技术领域，本申请的横向激励体声波谐振器，包括衬底以及设置于衬底上的压电层，衬底上形成有凹槽，凹槽与压电层之间形成腔体，压电层上表面沿第一方向延伸设置有间隔交替的第一汇流条和第二汇流条，第一汇流条的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第一条形电极，第二汇流条的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第二条形电极，在相邻的第一汇流条和第二汇流条之间第一条形电极和第二条形电极间隔交叉设置，第一汇流条和/或第二汇流条上表面开设有孔。本申请提供的横向激励体声波谐振器，能够增大横向激励体声波谐振器的电容并提高品质因子。
Description
技术领域
本申请涉及谐振器技术领域，具体而言，涉及一种横向激励体声波谐振器。
背景技术
薄膜体声波谐振器因其高Q值、体积小、可集成化等特点而引起了很多研究关注，并且随着移动通信技术的飞速发展，薄膜体声波谐振器不仅在射频前端中得到大量应用，也在传感器检测应用中表现出很大的潜力。薄膜体声波器件的激励方式主要分为两种，一种是采用厚度场激励模式，两个电极分别在压电基片的两面，电场沿着基片的厚度方向；另一种是采用横向场激励模式，两个电极在压电基片的同一面。在实际应用中，这两种激励模式都会引起压电基片体内的质点产生厚度剪切振动，它产生的声波在基片内传播，属于体声波。
相较于厚度场激励模式的体声波器件，横向场激励模式的体声波器件具有以下优点：晶体振动活力最强的部分设有电极，使得老化效率较低；应用于液体环境中，可获得更高Q值；电极在压电层的上表面，制作相对容易。但是，常规的横向激励体声波谐振器存在静态电容低，品质因子低等问题。现有技术中有采用在叉指与电极汇流条间隙处设置声子晶体结构来抑制声波的侧向传播，来减少能量的泄露，虽然能够提高谐振器的品质因子，但是谐振器的品质因子没有最优，也不能解决谐振器静态电容偏小的问题，谐振器的静态电容偏小，在搭建滤波器的时候不能满足外端电路的欧姆匹配。
发明内容
本申请的目的在于提供一种横向激励体声波谐振器，能够增大横向激励体声波谐振器的电容并提高品质因子。
本申请的实施例提供了一种横向激励体声波谐振器，包括衬底以及设置于衬底上的压电层，衬底上形成有凹槽，凹槽与压电层之间形成腔体，压电层上表面沿第一方向延伸设置有间隔交替的第一汇流条和第二汇流条，第一汇流条的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第一条形电极，第二汇流条的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第二条形电极，在相邻的第一汇流条和第二汇流条之间第一条形电极和第二条形电极间隔交叉设置，第一汇流条和/或第二汇流条上表面开设有孔。
作为一种可实施的方式，腔体内设置有支撑件，支撑件在衬底上的投影与第一汇流条和/或第二汇流条在衬底上的投影重叠或部分重叠。
作为一种可实施的方式，孔为通孔，压电层透过通孔外露。
作为一种可实施的方式，孔包括多个，多个孔分布于第一汇流条和/或第二汇流条上。
作为一种可实施的方式，所述孔包括一个矩形孔，矩形孔的长度方向与第一汇流条的长度方向相同。
作为一种可实施的方式，孔包括多个平行设置的条形孔，条形孔沿第一方向延伸。
作为一种可实施的方式，孔包括多个阵列设置的点孔，点孔的横截面积为闭合曲线图形或者多边形。
作为一种可实施的方式，第一汇流条横截面上多个阵列设置的点孔的连接线组成闭合曲线图形或者多边形。
作为一种可实施的方式，孔内填充有填充物。
作为一种可实施的方式，填充物为非金属填充块。
本申请实施例的有益效果包括：
本申请提供的横向激励体声波谐振器，包括衬底以及设置于衬底上的压电层，衬底上形成有凹槽，凹槽与压电层之间形成腔体，压电层上表面沿第一方向延伸设置有间隔交替的第一汇流条和第二汇流条，第一汇流条的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第一条形电极，第二汇流条的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第二条形电极，在相邻的第一汇流条和第二汇流条之间第一条形电极和第二条形电极间隔交叉设置，通过多个第一汇流条和第二汇流条的设置，使得位于第一汇流条两侧的第一条形电极增多，位于第二汇流条两侧的第二条形电极增多，第一条形电极和第二条形电极间隔交叉设置，使得位于压电层上的电极的对数增加，而横向激励体声波谐振器的电容与电极对数呈正比关系，从而增加了横向体声波谐振器的电容，第一汇流条和/或第二汇流条上表面开设有孔，使得第一汇流条和/或第二汇流条的电极电阻减小，因此在第一汇流条和/或第二汇流条处的能量损耗减小，从而提高谐振器的品质因子。本申请提供的横向激励体声波谐振器，能够增大横向激励体声波谐振器的电容并提高品质因子。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种横向激励体声波谐振器的结构示意图之一；
图2为图1中沿A-A的截面图；
图3为本申请实施例提供的一种横向激励体声波谐振器的结构示意图之二；
图4为图3中沿B-B的截面图；
图5为本申请实施例提供的一种横向体声波谐振器的结构示意图之三；
图6为本申请实施例提供的一种横向体声波谐振器的结构示意图之四；
图7为本申请实施例提供的一种横向体声波谐振器的结构示意图之五；
图8为本申请实施例提供的不同结构横向体声波谐振器模拟仿真性能图之一；
图9为本申请实施例提供的不同结构横向体声波谐振器模拟仿真性能图之二。
图标：100-横向激励体声波谐振器；110-衬底；111-腔体；120-压电层；130-第一汇流条；140-第二汇流条；150-第一条形电极；160-第二条形电极；170-孔；180-支撑件；190-连接板；191-信号端。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
随着无线和移动通信系统的迅猛发展，工作于5G以上频段的横向激励体声波谐振器受到越来越多的关注，但是，横向激励体声波谐振器的叉指间距一般较大，为叉指宽度的3-20倍，使得横向激励体声波谐振器的电极对数有限，从而使得横向激励体声波谐振器的静态电容偏小，在搭建滤波器的时候不能满足外端电路的欧姆匹配，限制了横向激励体声波谐振器的应用。
本申请实施例提供了一种横向激励体声波谐振器100，如图1、图2所示，包括衬底110以及设置于衬底110上的压电层120，衬底110上形成有凹槽，凹槽与压电层120之间形成腔体111，压电层120上表面沿第一方向延伸设置有间隔交替的第一汇流条130和第二汇流条140，第一汇流条130的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第一条形电极150，第二汇流条140的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第二条形电极160，在相邻的第一汇流条130和第二汇流条140之间第一条形电极150和第二条形电极160间隔交叉设置，第一汇流条130和/或第二汇流条140上表面开设有孔170。
横向激励体声波谐振器100的电容的计算公式为：
其中，CST为横向激励体声波谐振器100的静态电容，NEL为电极对的个数，W为第一条形电极150的宽度，P为相邻的第一条形电极150和第二条形电极160之间的间距。当多个第一汇流条130和多个第二汇流条140间隔设置，第一条形电极150垂直连接在第一汇流条130的两侧，第二条形电极160垂直连接在第二汇流条140的两侧，使得第一条形电极150和第二条形电极160的个数增加，而相邻的第一汇流条130和第二汇流条140之间的第一条形电极150和第二条型电极间隔交叉设置，相对设置的第一条形电极150和第二条形电极160为电极对，从而使得电极对的个数增加，由上述公式可知，电极对的个数越多，横向激励体声波谐振器100的静态电容越大。如图8所示，为使用传统叉指电极和本申请实施例技术方案的静态电容的曲线图，由图可以看出，本申请实施例的静态电容为0.27PF,远远大于传统叉指电极的0.12PF。
第一汇流条130和/或第二汇流条140上表面开设有孔170，使得第一汇流条130和/或第二汇流条140的电极电阻减小，因此在第一汇流条130和/或第二汇流条140处的能量损耗减小，从而提高横向激励体声波谐振器100的品质因子，如图9所示，为汇流条上表面设置矩形孔、条形孔以及不设置孔170时品质因子的曲线图，由图可以看出，横向激励体声波谐振器100的汇流条上设置孔170后的品质因子明显高于未设置孔170的，且设置条形孔的品质因子明显高于设置矩形孔的品质因子。需要说明的是，本数据的横向激励体声波谐振器100为在压电层120上设置一个第一汇流条130和两个第二汇流条140，在第一汇流条130上表面设置孔170的方案。
在横向激励体声波谐振器100工作时，第一汇流条130上接入电源信号的正极，第二汇流条140上接入电源信号的负极或者接地信号，第一汇流条130与第一条形电极150连接，使得第一条形电极150上带有电源信号的正电压，第二汇流条140与第二条形电极160连接，使得第二条形电极160上带有电源信号的负电压或者接地信号，由于相邻的第一汇流条130和第二汇流条140之间第一条形电极150和第二条形电极160间隔交叉设置，形成叉指电极，由于第一条形电极150和第二条形电极160之间的电压差，使得相邻的第一条形电极150和第二条形电极160之间产生第一方向的电场，叉指电极设置于压电层120上，从而使得压电层120处于叉指电极之间的电场中，进而激发沿第一方向传播的声表面波，实现谐振。需要说明的是，上述的连接电源的方式只是本申请实施例的一种实现形式，并不是对本申请实施例的限定，也可以将第一汇流条130上接入电源信号的负极或者接地，第二汇流条140上接入电源信号的正极。
其中，凹槽的具体形式本申请实施例不做限定，可以采用牺牲层并从压电层120正面释放牺牲层实现腔体111，此时凹槽没有完全穿透衬底110，如图4所示；也可以采用从衬底110的底面向上刻蚀形成通槽，此时凹槽穿透衬底110，如图5所示，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，示例的，本申请从横向激励体声波谐振器100的稳定性方面考虑，采用牺牲层并从压电层120正面释放牺牲层实现腔体111，因为凹槽为通槽时，衬底110的结构强度有所降低。
另外，压电层120的具体结构及材料本发明也不做限制，可以采用铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化铝中的一种材料形成的单层薄膜，也可采用上述材料中的几种形成叠层结构。
需要说明的是，横向激励体声波谐振器100在工作时电容与工作频率相关，本申请中的电容是指横向激励体声波谐振器100的静态电容。
还需要说明的是，对于第一汇流条130和第二汇流条140的具体个数本发明不做具体限制，如图1、图2所示，设置两个第一汇流条130和两个第二汇流条140；如图3、图4所示，设置一个第一汇流条130和两个第二汇流条140。
其中，第一汇流条130、第二汇流条140、第一条形电极150和第二条形电极160的具体材料本发明实施例不做限制，可以是钼、铝、金等金属中的一种，第一汇流条130、第二汇流条140、第一条形电极150和第二条形电极160可以采用相同的材料，也可以不相同，示例的，本申请实施例的第一汇流条130、第二汇流条140、第一条形电极150和第二条形电极160均采用钼制成，这样在横向激励体声波谐振器100的制备过程中，只需要一次金属沉积即可完成第一汇流条130、第二汇流条140、第一条形电极150和第二条形电极160的制备，减少制备的步骤，同时将第一条形电极150和第二条形电极160等间距间隔设置，第一汇流条130和第二汇流条140等间距间隔设置。
为了方便电源信号的输入，本申请实施例多个第一汇流条130相互连接，并与第一连接板190连接，通过第一连接板190与信号端191的正极连接；多个第二汇流条140相互连接，并与第二连接板190连接，通过第二连接板190与信号端191的负极或者接地信号连接。
本申请提供的横向激励体声波谐振器100，通过多个第一汇流条130和第二汇流条140的设置，使得位于第一汇流条130两侧的第一条形电极150增多，位于第二汇流条140两侧的第二条形电极160增多，第一条形电极150和第二条形电极160间隔交叉设置，使得位于压电层120上的电极的对数增加，而横向激励体声波谐振器100的电容与电极对数呈正比关系，从而增加了横向体声波谐振器的电容，第一汇流条130和/或第二汇流条140上表面开设有孔170，使得第一汇流条130和/或第二汇流条140的电极电阻减小，因此在第一汇流条130和/或第二汇流条140处的能量损耗减小，从而提高谐振器的品质因子。本申请提供的横向激励体声波谐振器100，能够增大横向激励体声波谐振器100的电容并提高品质因子。
可选的，如图2、图4和图5所示，腔体111内设置有支撑件180，支撑件180在衬底110上的投影与第一汇流条130和/或第二汇流条140在衬底110上的投影重叠或部分重叠。
横向激励体声波谐振器100工作在5G以上的频段时，压电层120的悬空面积较大，当在压电层120上设置多个第一汇流条130和第二汇流条140后，使得压电层120上的重量较大，在腔体111内设置支撑件180，支撑件180的一端与压电层120连接，另一端与衬底110底部接触，支撑件180能够支撑第一汇流条130和/或第二汇流条140对应的压电层120，支撑件180有效减小了压电层120的悬空面积，因此，使得压电层120不容易破裂，从而提高横向激励体声波谐振器100的稳定性，减少了因压电层120悬空破裂而导致谐振器失效。
因为在横向体声波谐振器工作时，压电层120在电源信号的作用下振动，为了避免支撑件180与压电层120固定影响压电层120的振动，将支撑件180在衬底110上的投影与第一汇流条130和/或第二汇流条140在衬底110上的投影重叠或部分重叠设置，使得支撑件180的支撑面小于等于第一汇流条130或第二汇流条140的面积，而位于第一汇流条130或者第二汇流条140下的压电层120并不参与横向体声波谐振器的振动，从而避免了支撑件180对横向体声波谐振器的振动的影响。
本申请实施例的一种可实现的方式中，如图2、图4和图5所示，孔170为通孔，压电层120透过通孔外露。当孔170为通孔时，能够进一步减小第一汇流条130或者第二汇流条140的电阻，从而减少在第一汇流条130或者第二汇流条140处的能量损耗，从而提高横向激励体声波谐振器100的品质因子，另外，当孔170为通孔，压电层120透过通孔外漏，通孔内填充的空气与压电层120接触，使得通孔内填充的空气与剩余的第一汇流条130或第二汇流条140之间形成声子晶体结构，根据声子晶体结构的声子晶体效应，能够抑制声波在第一汇流条130或者第二汇流条140中的传播，从而减少能量在第一汇流条130或者第二汇流条140处的耗散，进一步提高横向激励体声波谐振器100的品质因子。
可选的，孔170包括多个，多个孔170分布于第一汇流条130和/或第二汇流条140上。
多个孔170内的空气与第一汇流条130或第二汇流条140剩余部分形成声子晶体结构，根据声子晶体的效应，能够抑制声波在第一汇流条130或第二汇流条140中的传播，因此能够减小能量在第一汇流条130处的耗散，提高横向激励体声波谐振器100的品质因子。
本申请实施例的一种可实现的方式中，所述孔170包括一个矩形孔，矩形孔的长度方向与第一汇流条130的长度方向相同。其中，矩形孔的长度和宽度本申请实施例不做限制，示例的，矩形孔的长与第一汇流条130的长的比值在3:5-4:5之间，矩形孔的宽与第一汇流条130的宽的比值在1:3-2:3之间。使得矩形孔的面积较大，进一步减小第一汇流条130或者第二汇流条140的电阻，从而减少在第一汇流条130或者第二汇流条140处的能量损耗，从而提高横向激励体声波谐振器100的品质因子。
需要说明的是，当矩形孔设置于第二汇流条140上时，矩形孔的长与第二汇流条140的长的比值在3:5-4:5之间，矩形孔的宽与第二汇流条140的宽的比值在1:3-2:3之间。
可选的，如图6所示，孔170包括多个平行设置的条形孔，条形孔沿第一方向延伸。条形孔内填充的空气与第一汇流条130或第二汇流条140剩余部分形成一维的声子晶体结构，根据声子晶体的效应，能够抑制声波在第一汇流条130或第二汇流条140中的传播，因此能够减小能量在第一汇流条130处的耗散，提高横向激励体声波谐振器100的品质因子。
本申请实施例的一种可实现的方式中，如图7所示，孔170包括多个阵列设置的点孔，点孔的横截面积为闭合曲线图形或者多边形。
点孔内填充的空气与第一汇流条130或第二汇流条140剩余部分形成二维的声子晶体结构，根据声子晶体的效应，能够抑制声波在第一汇流条130或第二汇流条140中的传播，因此能够减小能量在第一汇流条130处的耗散，提高横向激励体声波谐振器100的品质因子。
可选的，第一汇流条130横截面上多个阵列设置的点孔的连接线组成闭合曲线图形或者多边形。
点孔的连接线组成闭合曲线图形或者多边形，使得声子晶体结构按照一定的规则排布与第一汇流条130或者第二汇流条140上，提高形成的声子结构的声子效应。
本申请实施例的一种可实现的方式中，孔170内填充有填充物。孔170内填充填充物后，填充物与剩余的第一汇流条130形成声子晶体结构，填充物与第一汇流条130的金属交替设置，声子晶体的效应较为明显，从而能够进一步的抑制声波在第一汇流条130或第二汇流条140中的传播，因此能够减小能量在第一汇流条130处的耗散，提高横向激励体声波谐振器100的品质因子。
本申请实施例的一种可实现的方式中，填充物为非金属填充块。非金属块采用非金属材料制成，非金属与金属间隔交替设置，形成的声子晶体结构声子效应更加明显，从而能够很好的抑制声波在第一汇流条130或第二汇流条140中的传播，减小声波在第一汇流条130或第二汇流条140处的耗散，进一步提高谐振器的品质因子。其中，非金属填充块的具体材料本申请不做具体限制，可以是二氧化硅、碳化硅、氮化硅等等，只要是非金属材料即可。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。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)
1.一种横向激励体声波谐振器，其特征在于，包括衬底以及设置于衬底上的压电层，所述衬底上形成有凹槽，所述凹槽与所述压电层之间形成腔体，所述压电层上表面沿第一方向延伸设置有间隔交替的第一汇流条和第二汇流条，所述第一汇流条的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第一条形电极，所述第二汇流条的两侧分别垂直连接有多个间隔设置的第二条形电极，在相邻的所述第一汇流条和所述第二汇流条之间所述第一条形电极和所述第二条形电极间隔交叉设置，所述第一汇流条和/或所述第二汇流条上表面开设有孔；
所述腔体内设置有支撑件，所述支撑件在所述衬底上的投影与所述第一汇流条和/或所述第二汇流条在所述衬底上的投影重叠或部分重叠。
2.根据权利要求1所述的横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述孔为通孔，所述压电层透过所述通孔外露。
3.根据权利要求1所述的横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述孔包括多个，多个所述孔分布于所述第一汇流条和/或所述第二汇流条上。
4.根据权利要求1所述的横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述孔包括一个矩形孔，所述矩形孔的长度方向与所述第一汇流条的长度方向相同。
5.根据权利要求1所述的横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述孔包括多个平行设置的条形孔，所述条形孔沿第一方向延伸。
6.根据权利要求1所述的横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述孔包括多个阵列设置的点孔，所述点孔的横截面积为闭合曲线图形或者多边形。
7.根据权利要求6所述的横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述第一汇流条横截面上多个阵列设置的点孔的连线组成闭合曲线图形或者多边形。
8.根据权利要求3-6任一项所述的横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述孔内填充有填充物。
9.根据权利要求8所述的横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述填充物为非金属填充块。
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