CN203416228U - 一种薄膜体声波谐振器及一种滤波器、振荡器、射频模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种薄膜体声波谐振器及一种滤波器、振荡器、射频模块，其中一种薄膜体声波谐振器包括衬底层（1）和制备于所述衬底层（1）上的环形功能层（2）；所述环形功能层（2）包括沿远离所述衬底层（1）方向设置的第一电极（201）、铁电材料层（202）和第二电极（203）；所述衬底层（1）上开设空气空腔（101），所述空气空腔（101）横向上面积大于所述环形功能层（2）外边界所围成的面积，其中的谐振器利用铁电材料的电致伸缩效应，通过改变外加直流电压的大小，控制铁电材料应力的变化，进而控制声波的速度，而谐振频率与声波速度成正比，从而控制谐振频率的变化。

Description

一种薄膜体声波谐振器及一种滤波器、振荡器、射频模块

技术领域

本实用新型涉及一种无线通讯器件技术领域。具体地说涉及一种薄膜体声波谐振器及包括该薄膜体声波谐振器的滤波器、振荡器和射频模块。

背景技术

随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。近年来发展起来的薄膜体声波谐振器（FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator）采用一种先进的谐振技术,通过压电薄膜的逆压电效应将电能转换成声波而形成谐振。FBAR器件具有体积小，成本低，品质因数高、功率承受能力强、频率高（可达1-10GHz）且与IC技术兼容等特点，适合于工作在1-10GHz的RF系统应用，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波（SAW）器件和微波陶瓷器，因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。

现有技术中的薄膜体声波谐振器为图1a所示的“三明治”结构，其包括衬底层01、依次制备于衬底层之上的第一电极02、压电材料层03和第二电极04。图1a结构的薄膜体声波谐振器的俯视图如图1b所示。FBAR器件的基本工作原理是：当电信号加载到FBAR器件上时，压电材料层通过逆压电效应将电信号转变为声信号，器件特定的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性，其中在器件内满足声波全反射条件的声信号将在器件内实现谐振，而不满足谐振条件的声信号就会衰减，在频谱上与谐振声信号频率相差越多的声信号衰减越快。最后，在器件内幅度相位已产生差异的声信号又通过压电材料层等比例地转变成输出电信号，这样FBAR器件最终就表现出对电信号的选频作用。

传统的薄膜体声波谐振器使用氮化铝和氧化锌等压电材料。FBAR器件的谐振频率f₀由声波在器件中的传播速度V和整个器件的厚度H来决定。

$f_0=\frac{2v}{H}$

以上公式中，v是声波的速度，H为器件厚度。也就是说谐振频率主要取决于器件的厚度。

但是在微加工工艺中，压电材料层和第一电极、第二电极的厚度都有严格的控制。现有技术中采用薄膜沉积技术制备第一电极、第二电极和压电材料层，而薄膜沉积系统的厚度均一性在5%-10%，是非常低的一个比例。所以在同一个晶圆上生产出来的谐振器的厚度在一定程度上存在较大差异，因此谐振器的谐振频率就会有所不同。为解决上述问题，可以采用对不同的谐振器上再沉积一层质量层，通过不同厚度的质量层来调节谐振器的厚度进而实现对谐振频率的微调。但是这种方式增加了器件制备过程中的工序、使制备工艺更加费时费力，且增加了总的生产成本。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于现有技术中的制备的薄膜体声波谐振器的厚度均匀性差进而影响薄膜体声波谐振器的谐振频率的稳定性，从而提出一种谐振频率不依赖于器件厚度的薄膜体声波谐振器。

为解决上述技术问题，本实用新型的采用以下方案来实现：

一种薄膜体声波谐振器，包括衬底层和制备于所述衬底层上的环形功能层；所述环形功能层包括沿远离所述衬底层方向设置的第一电极、铁电材料层和第二电极；所述衬底层上开设空气空腔，所述空气空腔横向上面积大于所述环形功能层外边界所围成的面积。

上述的薄膜体声波谐振器，所述环形功能层包括但不限于圆形环状结构、方形环状结构、多边形环状结构。

上述的薄膜体声波谐振器，所述环形功能层的内边界和外边界间的宽度为100nm-20um。

上述的薄膜体声波谐振器，还包括支持层，所述支持层设置于所述衬底层和所述环形功能层之间。

上述的薄膜体声波谐振器，所述支持层为SiO₂层。

本实用新型还提供一种滤波器，包括权利要求上述的薄膜体声波谐振器。

本实用新型还提供一种振荡器，包括权利要求上述的薄膜体声波谐振器。

本实用新型还提供一种射频模块，包括双工器或多工器，所述双工器或所述多工器中的薄膜体声波谐振器采用上述的薄膜体声波谐振器。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本实用新型所述的薄膜体声波谐振器，由于将功能层设置为环形结构，当通过第一电极和第二电极为铁材料施加纵向的电压之后，利用其d₃₁压电系数来激励与电场垂直的声波，即横向方向，因此谐振频率与器件的横向宽度即压电材料的宽度有关系。而在现今的集成电路微加工工艺中，平面尺寸的控制精度要远远大于厚度的控制精度，比如CMOS65纳米工艺可以实现非常准确的65纳米的平面节点，其精度可以达到纳米级别，所以本实用新型中的FBAR器件的结构能够保证同一晶圆上的谐振器宽度几乎一致，相应的谐振频率高度一致，在极大降低了器件加工的难度同时大大提高良品率。

（2）本实用新型所述的薄膜体声波谐振器及其制备方法，利用铁电材料的电致伸缩效应，通过改变外加直流电压的大小，控制铁电材料应力的变化，进而控制声波的速度，而谐振频率与声波速度成正比，从而控制谐振频率的变化。当外加电场为零时，应力也为零，也就不会产生声波进而不会产生谐振，因此通过是否施加直流电压可以起到对器件的开启和关闭的作用。本实用新型中的方案在不需要外加开关的情况下，通过简单的外加电压来实现谐振器的开和关，频率的调整。基于此的可开关式滤波器库，完全不需要任何的外加开关，也不存在任何来自于开关和偏压网络的插入损耗，大大降低了器件的体积和制造成本。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：

图1a是现有技术中一种FBAR器件结构的剖面示意图；

图1b是图1a中的FBAR器件的俯视图；

图2a是本实用新型一种实施例的FBAR器件结构的剖面示意图；

图2b是本实用新型一个实施例的采用圆形状结构的功能层的FBAR器件的俯视图；

图2c是本实用新型一个实施例的采用方形环状结构的功能层的FBAR器件的俯视图；

图2d是本实用新型一个实施例的采用多边形环状结构的功能层的FBAR器件的俯视图；

图3a为现有技术中FBAR器件中功能层施加电压的示意图；

图3b为本实用新型一个实施例中FBAR器件中功能层施加电压的示意图；

图4为本实用新型一个实施例的FBAR器件中包含支持层的剖面示意图；

图5为一种包括FBAR器件的梯形滤波器的原理示意图；

图6为一种包括FBAR器件的双工器的原理示意图。

图中附图标记表示为：1-衬底层，101-空气空腔，2-环形功能层，201-第一电极，202-铁电材料层，203-第二电极，3-支持层，4-固定脚。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种薄膜体声波谐振器，如图2a所示，包括衬底层1和制备于所述衬底层1上的环形功能层2；所述环形功能层2包括沿远离所述衬底层1方向的第一电极201、铁电材料层202和第二电极203；所述衬底层1上开设空气空腔101，所述空气空腔101横向上面积大于所述环形功能层2外边界所围成的面积。此处所说的横向是指与第一电极201平行的方向，即与施加电场方向垂直的方向。

结合图2b至图2d，本实施例中所述环形功能层2的环形结构包括但不限于圆形环状结构、方形环状结构、多边形环状结构，所述环形功能层2通过两个固定脚4固定于所述衬底层1上。

对于本实施例提供的FBAR器件，与现有技术中的FBAR器件相比，将原先的长方体结构的功能层改进为环形功能层。

结合图3a和图3b，由于将功能层设置为环形结构，因此当通过第一电极和第二电极为压电材料施加相同的纵向电压之后，对于现有的FBAR器件来说，其电场方向为纵向时，会利用其d₃₃压电系数来激励与电场方向平行的声波，也就是纵向方向，因此谐振频率与器件的厚度主要是压电材料的厚度有着非常密切的关系，谐振频率的计算公式同背景技术中所介绍的：

$f_0=\frac{2v}{H}$

而对于本实施例中提供的FBAR器件来说，当电场方向为纵向时，由于铁电材料为环形结构，因此会利用其d₃₁压电系数来激励与电场垂直的声波，即横向方向，因此谐振频率与器件的宽度主要是压电材料的宽度有关系。采用本实施例中所述的FBAR器件，谐振频率的计算方法为：

$f_0=\frac{1}{2W}\sqrt{\frac{E_p}{\mathrm{\ρ}(1-{\mathrm{\σ}}^2)}}$

其中，W为所述环形功能层2的宽度，E_p为杨氏模量，ρ为压电材料的质量密度，σ为泊松比。

综上所述，本实施例中FBAR器件中，影响谐振频率的关键参数为环形功能层的宽度W。而在现今的集成电路微加工工艺中，平面尺寸的控制精度要远远大于厚度的控制精度，比如CMOS65纳米工艺可以实现非常准确的65纳米的平面节点，其精度可以达到纳米级别，因此本实施例中的FBAR器件在制备时很容易实现宽度上的高度一致，所以本实施例中的FBAR器件能够保证同一晶圆上的谐振器的谐振频率高度一致，从而极大降低了器件加工的难度同时大大提高良品率。

本领域技术人员应当知晓，根据上述计算谐振频率的公式，当铁电材料确定好之后，就能够得到公式中的ρ值和σ值，当外加电压确定后就能够得知公式中的E_p值。而确定了本实施例中的所述的薄膜体声波谐振器所需要生成的谐振频率之后，就可以得知f₀的量。上述参数均为已知的情况下，就可以得知薄膜体声波谐振器的环形功能层所需要的宽度W值。因此，虽然在本实施例中对环形功能层的宽度不做限定，但是本领域技术人员根据器件的应用环境以及所选择的材料就可以得到。本实施例中，所述环形功能层的宽度在100nm-20um内选择时，其可涵盖的频率范围在60MHz-10GHz之间。当将本实施例中的器件应用于无线通信技术中时，希望其谐振频率在1GHz左右，可以选择宽度为2000nm。

而整个器件的厚度在本实施例中不做限定，因为厚度对于谐振频率的计算并没有什么影响，本实施例中的器件厚度满足应用场合的需求，以及沉积工艺能够实现即可。

本实施例中在所述衬底层1上开设的所述空气空腔101，其用于有效反弹声波。在本实施例中提供的FBAR结构中，只能采用这种形式来反射声波，因为本实施例中主要靠激发横向的声波来实现，因此如果不在所述环形功能层的下方开设所述空气空腔101，而环形功能层与衬底层完全贴合，就没有办法得到有效的横向声波，从而使谐振受到很大影响。

其中的铁电材料可以选择：BaTiO₃、SrTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃、K_xNa_1-xNbO₃、KTaO₃、Ca_xSr_1-xTiO₃、K_xLi_1-xTaO₃中的一种或几种。优选所述第一电极201所用电极材料包括但不限于Au、Pt、Mo。以及所述第二电极203所用电极材料包括但不限于Au、Pt、Mo、Al。而对于所述第一电极201来说，由于其在制备过程中会遇到高温环境，因此其材料选择时不考虑Al，因为Al在400度以上就会熔化，而所述第二电极203则不需要受到这一限定，因此所述第二电极203的材料还可以选择Al。

作为一种优选的实施方式，如图4所示，所述薄膜体声波谐振器还包括支持层3，所述支持层3设置于所述衬底层1和所述环形功能层2之间。所述支持层3优选为SiO₂层。

本实施例中的FBAR器件，利用铁电材料的电致伸缩效应实现了开启/关闭谐振器时无需外部开关器件，并且电压可控频率调谐的特殊功能。传统的体声波谐振器使用压电材料，比如氮化铝和氧化锌，利用熟知的压电效应来实现体声波谐振器。电和力的转换可以由简单的数学公式来表达：

S＝s^ET十dE

D＝d^tT十ε^TE

其中S和T代表应力，E和D代表电场强调，ε代表压电材料的介电常数，代表为压电系数。

而铁电材料的电致伸缩性的数学表达如下：

S＝QP_s ²+2QP_sxE十Qx²E²，

上述公式中，S代表应力，Q代表电致伸缩性系数，P_s代表自发极化系数，χ代表电极化率，E代表电场强度。

从公式中可以得到，应力和电场强度的关系不像普通压电材料压电效应中的线性关系，而是具有平方关系，所以在铁电材料的电致伸缩效应的电场强度对应力的影响更大，特别是在较高的电场强度下，随着电场强度的改变，应力也会以较大的幅度发生改变。可见，铁电材料的电致伸缩性赋予了传统薄膜体声波谐振器全新的功能，就是其可被外加直流电压控制。通过改变外加直流电压的大小，来控制应力的变化，进而可以控制的声波的速度，而谐振频率与声波速度成正比，从而控制谐振频率的变化。进一步地，从上述计算应力的公式可以看出，当外加电场为零时，应力也为零，也就不会产生声波进而不会产生谐振，因此通过是否施加直流电压可以起到对器件的开启和关闭的作用。所以上述方案，在不需要外加开关的情况下，通过简单的外加电压来实现谐振器的开和关，谐振频率的调整。基于该方案的可开关式滤波器库，完全不需要任何的外加开关，也不存在任何来自于开关和偏压网络的插入损耗，大大降低了器件的体积和制造成本。

实施例2

本实施例提供一种应用实施例1所述的薄膜体声波谐振器的滤波器，振荡器。以及一种射频模块，包括双工器或多工器，所述双工器或所述多工器中的薄膜体声波谐振器采用实施例1或实施例2所述的薄膜体声波谐振器。

其中滤波器在无线收发器件中实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能。FBAR器件制作的滤波器有较高的品质因数和易实现微型化的特点。为了提高频率选择性，需要更多有不同谐振频率的谐振器的FBAR器件的组合，目前主要采用图5所示的梯形结构。

有线和无线通信领域中对低抖动率时钟和振荡器有广泛的需求。基于FBAR器件制作的振荡器在小尺寸、高性能和低成本等方面很有优势。

双工器和多工器在通信系统中发挥着关键作用，目前，FBAR器件已经实现大规模生产制造的产品主要针对蜂窝移动通信的双工器和多工器，图6所示即为将FBAR器件应用于双工器中的原理示意图。

利用FBAR器件不仅可以制作上述滤波器、振荡器、双工器、多工器这样高性能、小体积的通信器件，而且目前已经将FBAR器件和低噪声功率放大器等有源器件进行集成从而研制出更高性能更小体积的射频模块或射频系统。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括衬底层（1）和制备于所述衬底层（1）上的环形功能层（2）；所述环形功能层（2）包括沿远离所述衬底层（1）方向设置的第一电极（201）、铁电材料层（202）和第二电极（203）；所述衬底层（1）上开设空气空腔（101），所述空气空腔（101）横向上面积大于所述环形功能层（2）外边界所围成的面积。

2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述环形功能层（2）包括但不限于圆形环状结构、方形环状结构、多边形环状结构。

3.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述环形功能层（2）的内边界和外边界间的宽度为100nm-20um。

4.根据权利要求1-3中任一所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，还包括支持层（3），所述支持层（3）设置于所述衬底层（1）和所述环形功能层（2）之间。

5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述支持层（3）为SiO₂层。

6.一种滤波器，包括权利要求1-5任一所述的薄膜体声波谐振器。

7.一种振荡器，包括权利要求1-5任一所述的薄膜体声波谐振器。

8.一种射频模块，包括双工器或多工器，所述双工器或所述多工器中的薄膜体声波谐振器采用权利要求1-5任一所述的薄膜体声波谐振器。

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