CN214256261U - 一种谐振器件及声学滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种谐振器件及声学滤波器。谐振器件包括晶圆衬底、压电层以及叉指电极层；压电层位于晶圆衬底的一侧，压电层包括压电单晶材料，压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴、第二晶轴以及第三晶轴；叉指电极层产生于压电层内的电场方向为器件方向；其中，第一晶轴垂直于晶圆衬底，且器件方向与第二晶轴的夹角为角A1，‑30°≤A1≤10°；或者，第一晶轴垂直于晶圆衬底，且器件方向与第二晶轴的夹角为角A2，170°≤A2≤210°；或者，第二晶轴与垂直于晶圆衬底的方向的夹角为角B1，‑20°≤B1≤40°，且器件方向与第一晶轴的夹角为角B2，‑20°≤B2≤20°；在保证谐振器件低制造成本的同时，提高了谐振器件的工作频率及性能。

Description

一种谐振器件及声学滤波器

技术领域

本实用新型实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种谐振器件及声学滤波器。

背景技术

射频声学滤波器件作为无线通信前端的重要组成部分，其具有频率选择及抑制干扰信号的功能。性能较好的射频声学滤波器件不但可以提高发射器的灵敏度和降低发射器的频谱占用空间，还可以提高收发机的信号噪声比，以及降低通信链路中移动设备的功耗。射频声学滤波器件由谐振器件构成。

现有的谐振器件主要为声表面波谐振器件(Surface Acoustic Wave，SAW)和体声波谐振器件(Bulk Acoustic Wave，BAW)。SAW谐振器件和BAW谐振器件各自具有不同频率范围内的技术和成本优势。目前，为符合移动宽带和高数据率无线应用的需求，现代通信标准不断向更高频率和更宽带宽发展，现有技术中的SAW谐振器件和BAW谐振器件已无法满足上述标准。

例如，SAW谐振器件具有低成本的优势，但SAW谐振器件的工作频率较低，若要提升SAW谐振器件的工作频率，则需调整谐振器件的电极宽度，使得SAW谐振器件的设计无法同时兼顾器件的功率阈值、插入损耗以及制造成本，进而导致工作频率较高的SAW谐振器件要么成本过高要么性能不足。尽管BAW谐振器件具有性能及高频方面的优势，但BAW谐振器件的制造工艺复杂，增加了BAW谐振器件的制造成本，难以满足消费电子市场的需求。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种谐振器件及声学滤波器，以在保证谐振器件低制造成本的同时，提高谐振器件的工作频率及性能。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种谐振器件，所述谐振器件包括晶圆衬底、压电层以及叉指电极层；

所述压电层位于所述晶圆衬底的一侧，所述压电层包括压电单晶材料，所述压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴、第二晶轴以及第三晶轴；所述叉指电极层位于所述压电层远离所述衬底的一侧，所述叉指电极层产生于所述压电层内的电场方向为器件方向；

其中，所述第一晶轴垂直于所述晶圆衬底，且所述器件方向与所述第二晶轴的夹角为角A1，-30°≤A1≤10°；或者，

所述第一晶轴垂直于所述晶圆衬底，且所述器件方向与所述第二晶轴的夹角为角A2，170°≤A2≤210°；或者，

所述第二晶轴与垂直于所述晶圆衬底的方向的夹角为角B1，-20°≤B1≤40°，且所述器件方向与所述第一晶轴的夹角为角B2，-20°≤B2≤20°。

可选地，所述第一晶轴由所述晶圆衬底指向所述压电层，且所述器件方向沿逆时针方向旋转至与所述第二晶轴的夹角为所述角A1。

可选地，所述第一晶轴由所述晶圆衬底指向所述压电层，且所述器件方向沿顺时针方向旋转至与所述第二晶轴的夹角为所述角A2。

可选地，所述第一晶轴由所述压电层指向所述晶圆衬底，且所述器件方向沿顺时针方向旋转至与所述第二晶轴的夹角为所述角A1。

可选地，所述第一晶轴由所述压电层指向所述晶圆衬底，且所述器件方向沿逆时针方向旋转至与所述第二晶轴的夹角为所述角A2。

可选地，所述第二晶轴包括向沿相对方向延伸的正方向和反方向；

当所述角B1等于0°时，所述第二晶轴的正方向由所述晶圆衬底指向所述压电层或者由所述压电层指向所述晶圆衬底，且所述器件方向沿顺时针方向旋转至与所述第一晶轴的夹角为所述角B2；或者，

当所述角B1等于0°时，所述第二晶轴的正方向由所述晶圆衬底指向所述压电层或者由所述压电层指向所述晶圆衬底，且所述器件方向沿逆时针方向旋转至与所述第一晶轴的夹角为所述角B2。

可选地，所述晶圆衬底的主定位边位于第一方向；

由所述叉指电极层产生于所述压电层内的电场在所述压电层内激发的声波的传播方向，与所述第一方向的夹角为角C1，-30°≤C1≤30°。

可选地，所述叉指电极层包括多个第一叉指电极和多个第二叉指电极；

多个所述第一叉指电极均连接至位于所述叉指电极层的第一侧的汇流条，且所述第一叉指电极均由所述叉指电极层的第一侧沿第二方向向所述叉指电极层的第二侧延伸，所述第一侧与所述第二侧相对；

多个所述第二叉指电极均连接至位于所述叉指电极层的第二侧的汇流条，且所述第二叉指电极均由所述第二侧沿所述第二方向向所述第一侧延伸；

所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述压电层上的垂直投影相交替，且所述第一叉指电极和所述第二叉指电极互相绝缘。

可选地，还包括金属层和声反射栅；

所述金属层位于所述叉指电极层远离所述晶圆衬底的一侧，所述金属层覆盖所述叉指电极层第一侧的汇流条的至少部分区域，并覆盖所述叉指电极层第二侧的汇流条的至少部分区域；

所述声反射栅位于所述压电层远离所述晶圆衬底的一侧，所述声反射栅设置在所述叉指电极层沿所述第二方向的两侧，并与所述叉指电极层绝缘；

每一侧的所述声反射栅均包括多个沿所述第二方向延伸的金属条；所述金属条在第三方向上的宽度大于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的0.25倍，并小于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的10倍；

所述叉指电极层与相邻的所述金属条的间距大于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的0.2倍，并小于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的10倍；其中，所述第三方向平行于所述晶圆衬底，并垂直于所述第二方向。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种声学滤波器，所述声学滤波器包括如上述第一方面所述的谐振器件。

本实用新型实施例提供的谐振器件包括晶圆衬底、压电层以及叉指电极层；压电层位于晶圆衬底的一侧，压电层包括压电单晶材料，压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴、第二晶轴以及第三晶轴；叉指电极层位于压电层远离衬底的一侧，叉指电极层产生于压电层内的电场方向为器件方向；其中，第一晶轴垂直于晶圆衬底，且器件方向与第二晶轴的夹角为角A1，-30°≤A1≤10°；或者，第一晶轴垂直于晶圆衬底，且器件方向与第二晶轴的夹角为角A2，170°≤A2≤210°；或者，第二晶轴与垂直于晶圆衬底的方向的夹角为角B1，-20°≤B1≤40°，且器件方向与第一晶轴的夹角为角B2，-20°≤B2≤20°；即本实施通过上述几种晶圆衬底与压电单晶材料的键合方式，能够利用压电单晶材料的最大体弹性模量，极大地提高了声表面波在谐振器件中传播的波速，特别是极大地提高了声表面波在晶圆衬底和压电层中传播的波速，从而提高了谐振器件的工作频率，同时，由于本实施仅在设置上述结合方式的情况下即可提高谐振器件的工作频率，而无需改变叉指电极之间的间距也无需调整谐振器件的电极宽度，保证了谐振器件低制造成本，并且，由于压电单晶材料具有各向异性的特点，将压电层以上述几种特定方向与晶圆衬底进行键合，以调整谐振器件内部的几何形状与结构，还有助于增强压电层产生的压电效应，提升谐振器件的机电耦合系数，从而增强了谐振器件的性能。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的俯视图；

图3是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的剖视图；

图4是本实用新型实施例提供的一种压电单晶材料的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图；

图9是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的压电层与晶圆衬底之间结合的结构示意图；

图10是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图；

图11是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的叉指电极层与晶圆衬底之间结合的结构示意图；

图12是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的叉指电极层与晶圆衬底之间结合的结构示意图；

图13是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的俯视图；

图14是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；

图15是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；

图16是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的俯视图；

图17是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的剖视图；

图18是本实用新型实施例提供的谐振器件的应力分布示意图；

图19是本实用新型实施例提供的谐振器件的位移分布示意图；

图20是本实用新型实施例提供的谐振器件的导纳特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

本实用新型实施例提供了一种谐振器件，图1是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的结构示意图，具体为一种晶圆级谐振器件的侧视图，其中图1仅示意性地示出了该晶圆级谐振器件的晶圆衬底10和压电层20，该晶圆级谐振器件可包括多个谐振器件，在图1示例性地示出了其中的一个谐振器件100。图2是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的俯视图，具体可为图1中的谐振器件100的俯视图。图3是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的剖视图，具体可为图2所示谐振器件沿剖线AA’进行剖切得到的剖视图。图4是本实用新型实施例提供的一种压电单晶材料的结构示意图。

参考并结合图1至图4，本实用新型实施例提供的谐振器件100包括：晶圆衬底10、压电层20以及叉指电极层30；压电层20位于晶圆衬底10的一侧，压电层20包括压电单晶材料，压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴X、第二晶轴Y以及第三晶轴Z；叉指电极层30位于压电层20远离衬底的一侧，叉指电极层30产生于压电层20内的电场方向为器件方向N3；

其中，第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且器件方向N3与第二晶轴Y的夹角为角A1，-30°≤A1≤10°；或者，第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且器件方向N3与第二晶轴Y的夹角为角A2，170°≤A2≤210°；或者，第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角为角B1，-20°≤B1≤40°，且器件方向N3与第一晶轴X的夹角为角B2，-20°≤B2≤20°。

具体地，晶圆衬底10的材料可以是蓝宝石。晶圆衬底10能够为谐振器件提供支撑、缓冲以及保护等作用。谐振器件中的各膜层可依次形成于晶圆衬底10之上，以此形成包括多个谐振器件的晶圆级谐振器件，在形成晶圆级谐振器件之后，可通过对晶圆级谐振器件进行切割而得到谐振器件100。

压电层20可由多个按一定规则排布的压电单晶材料构成，所述压电单晶材料是指具有压电效应的单晶材料。在电场的作用下压电单晶材料中会产生机械应力，并因所述机械应力发生相应的形变。本实施例中，压电层20的材料可以是铌酸锂、钽酸锂或者氮化铝中的至少一种。

晶体结构具有空间排列上的三维周期性，每一类晶体结构均具有对应的包含三个晶轴的晶轴坐标系。本实施例中仅结合图4所示的三方晶系压电单晶材料的晶体结构为例进行示意性说明，而并非是对压电单晶材料的晶体结构种类进行限定。示例性地，图4所示压电单晶材料可以是铌酸锂、钽酸锂或者氮化铝中的任一种，该压电单晶材料的晶体结构中，每个晶轴包括沿相对方向延伸的正方向和反方向，第一晶轴X的正方向为(+X)且负方向为(-X)，第二晶轴Y的正方向为(+Y)且负方向为(-Y)，第三晶轴Z的正方向为(+Z)且负方向为(-Z)，第三晶轴Z可位于晶体较长的体对角线上，体对角线的中点可以是坐标原点，第一晶轴X、第二晶轴Y以及第三晶轴Z三者遵从右手定则，三者之间互成90°而相互垂直，做垂直于第三晶轴Z的平面，可得到第一晶轴X和第二晶轴Y所在的平面。

叉指电极层30可包括两组沿第二方向N2延伸的叉指电极，所述两组叉指电极在压电层20上形成类似于两只手均平行于压电层20且两只手在压电层20的垂直投影不重合时，两只手的手掌相对且两只手的手指呈相互交叉状的金属电极图案。当向所述两组叉指电极提供电信号时(例如电源电压信号等)，所述两组叉指电极将在靠近压电层20的空间以及电压层内诱导产生平行于晶圆衬底10且垂直于第二方向N2的电场，即在压电层20的整个厚度方向上均产生平行于晶圆衬底10且垂直于第二方向N2的电场，本实施例中，为了便于阐述将所述两组叉指电极产生于压电层20内的电场方向定义为器件方向N3。

而在压电层20的整个厚度方向上均产生平行于晶圆衬底10且垂直于第二方向N2的电场时，压电单晶材料在电场的作用下发生相应的形变，从而在压电层20中激发沿平行于晶圆衬底10且垂直于第二方向N2传播的声表面波。若定义第二方向N2(即叉指电极的延伸方向)为纵向，垂直于第二方向N2(即垂直于叉指电极的延伸方向，也即器件方向N3)的方向为横向，则压电单晶材料被压电层20内的横向电场极化，压电层20内传播的声表面波的极化方向为纵向，即纵向极化的声波。最后，声表面波转换为相应的电信号输出，谐振器件完成滤波工作。

基于上述内容在本实施例的技术方案中，谐振器件的各膜层(即晶圆衬底10、压电层20以及叉指电极层30)之间以特定的方式结合，即，压电层20的压电单晶材料通过特定的键合的方式与晶圆衬底10键合从而形成在晶圆衬底10上，并且叉指电极层30的器件方向N3相对于压电层20的压电单晶材料具有特定的设置方式，下面对此进行详细说明：

(一)、第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且器件方向N3与第二晶轴Y的夹角为角A1，-30°≤A1≤10°。在这种情况下，压电层20与晶圆衬底10之间的键合方式为，压电单晶材料的第一晶轴X垂直于晶圆衬底10(例如第一晶轴X的正方向(+X)沿晶圆衬底10指向压电层20的方向或者第一晶轴X的负方向(-X)沿晶圆衬底10指向压电层20的方向)，并且，叉指电极层30与压电层20之间的设置关系为，器件方向N3与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为-30°至10°中的任意一个角度(例如-25°、-20°、-15°或者-10°等)。示例性地，图5是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图，在图5中，第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且器件方向N3与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为角A1，其中角A1等于-30°；图6是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图，在图6中，第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且器件方向N3与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为角A1，其中角A1等于0°；图7是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图，在图7中，第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且器件方向N3与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为角A1，其中角A1等于10°。

(二)、第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且器件方向N3与第二晶轴Y的夹角为角A2，170°≤A2≤210°。在这种情况下，压电层20与晶圆衬底10之间的键合方式为，压电单晶材料的第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，并且，叉指电极层30与压电层20之间的设置关系为，器件方向N3与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为170°至210°中的任意一个角度(例如180°、190°或者210°等)。示例性地，图8是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图，在图8中，第一晶轴X垂直于晶圆衬底10，且器件方向N3与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为角A2，其中角A2等于170°。

(三)、第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角为角B1，-20°≤B1≤40°，且器件方向N3与第一晶轴X的夹角为角B2，-20°≤B2≤20°。在这种情况下，压电层20与晶圆衬底10之间的键合方式为，压电单晶材料的第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角为-20°至40°中的任意一个角度(例如-10°、0°、10°、20°或者30°等)，并且，叉指电极层30与压电层20之间的设置关系为，器件方向N3与压电单晶材料的第一晶轴X的夹角为-20°至-20°中的任意一个角度(例如-10°、0°或者10°等)。示例性地，图9是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的压电层与晶圆衬底之间结合的结构示意图，在图9的(a)中，压电单晶材料的第二晶轴Y的正方向(+Y)与垂直于晶圆衬底10的方向L的夹角为角B1，其中角B1等于40°，且垂直于晶圆衬底10的方向L沿晶圆衬底10指向压电层20的方向；在图9的(b)中，压电单晶材料的第二晶轴Y的正方向(+Y)与垂直于晶圆衬底10的方向L的夹角为角B1，其中角B1等于-20°，且垂直于晶圆衬底10的方向L沿晶圆衬底10指向压电层20的方向；在图9的(c)中，压电单晶材料的第二晶轴Y的正方向(+Y)与垂直于晶圆衬底10的方向L的夹角为角B1，其中角B1等于40°，且垂直于晶圆衬底10的方向L沿压电层20指向晶圆衬底10的方向；在图9的(d)中，压电单晶材料的第二晶轴Y的正方向(+Y)与垂直于晶圆衬底10的方向L的夹角为角B1，其中角B1等于-20°，且垂直于晶圆衬底10的方向L沿压电层20指向晶圆衬底10的方向；据此通过图9可知本实施中，压电层20的压电单晶材料可以通过多种不同的方式键合形成于晶圆衬底10的表面；图10是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的各膜层之间结合的结构示意图，在图10的(a)中，压电单晶材料的第二晶轴Y与垂直于晶圆衬底10的方向的夹角为角B1，其中角B1等于-20°，且器件方向N3与压电材料的第一晶轴X的夹角为角B2，其中角B2等于-20°。

本实施例通过上述几种谐振器件的各膜层(即晶圆衬底10、压电层20以及叉指电极层30)之间的结合方式，提高了谐振器件的工作频率和性能。原理在于：

声波在固体材料中传播的波速的大小取决于固体材料的体弹性模量和密度；体弹性模量与密度的比值越大，波速越大；蓝宝石晶圆衬底10的体弹性模量与密度的比值极高，同时压电单晶材料的体弹性模量具有各项异性(其值在各个晶格方向上不同)，上述几种蓝宝石晶圆衬底10与压电单晶材料的键合方式，也即上述几种结合方式能够利用压电单晶材料的最大体弹性模量，因此，本实施例通过上述几种结合方式极大地提高了声表面波在谐振器件中传播的波速，特别是极大地提高了声表面波在晶圆衬底10和压电层20中传播的波速。

由于f＝v/(2*Wpi)，其中f为谐振器件的工作频率，v为谐振器件中的声表面波传播的波速，Wpi为叉指电极之间的间距，因此，本实施在不改变叉指电极之间的间距的情况下，通过提高了声表面波在晶圆衬底10和压电层20中传播的波速v而提高了谐振器件的工作频率，同时，由于本实施仅在设置上述结合方式的情况下即可提高谐振器件的工作频率，而无需改变叉指电极之间的间距也无需调整谐振器件的电极宽度，保证了谐振器件低制造成本；此外，将压电层20以上述几种特定方向与晶圆衬底10键合，还使得谐振器件的放置方向与晶圆衬底10的主定位边形成的角度较小，有实现晶圆衬底10的利用率的最大化。

由于压电单晶材料具有各向异性的特点，将压电层20以上述几种特定方向与晶圆衬底10进行键合，以调整谐振器件内部的几何形状与结构，还有助于增强压电层20产生的压电效应，提升谐振器件的机电耦合系数，从而增强了谐振器件的性能。

综上可知，本实用新型实施例的技术方案，解决了现有技术中的SAW谐振器件和BAW谐振器件两者均无法兼顾谐振器件低制造成本、高工作频率及性能的技术问题，在保证谐振器件低制造成本的同时，提高了谐振器件的工作频率及性能，从而有利于满足5G通信标准的需求。

下面对谐振器件的各膜层(即晶圆衬底10、压电层20以及叉指电极层30)之间以上述几种情况结合的方式进一步细化：

可选地，第一晶轴X由晶圆衬底10指向压电层20，且器件方向N3沿逆时针方向旋转至与第二晶轴Y的夹角为角A1。

具体地，该种方式为对上述情况(一)的细化，压电单晶材料的第一晶轴X指向晶圆衬底10的平面外，且器件方向N3可以沿逆时针方向旋转至与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为-30°至10°中的任意一个角度。示例性地，可参考图7中，压电单晶材料的第一晶轴X指向晶圆衬底10的平面外，且器件方向N3沿逆时针方向旋转至与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为角A1，其中交A1等于10°。

可选地，第一晶轴X由晶圆衬底10指向压电层20，且器件方向N3沿顺时针方向旋转至与第二晶轴Y的夹角为角A2。

具体地，该种方式为对上述情况(二)的细化，压电单晶材料的第一晶轴X指向晶圆衬底10的平面外，且器件方向N3可以沿顺时针方向旋转至与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为170°至210°中的任意一个角度。

可选地，第一晶轴X由压电层20指向晶圆衬底10，且器件方向N3沿顺时针方向旋转至与第二晶轴Y的夹角为角A1。

具体地，该种方式为对上述情况(一)的细化，压电单晶材料的第一晶轴X指向晶圆衬底10的平面内，且器件方向N3可以沿顺时针方向旋转至与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为-30°至10°中的任意一个角度。示例性地，可参考图5中，压电单晶材料的第一晶轴X指向晶圆衬底10的平面内，且器件方向N3沿顺时针方向旋转至与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为角A1，其中交A1等于-30°。

可选地，第一晶轴X由压电层20指向晶圆衬底10，且器件方向N3沿逆时针方向旋转至与第二晶轴Y的夹角为角A2。

具体地，该种方式为对上述情况(二)的细化，压电单晶材料的第一晶轴X指向晶圆衬底10的平面内，且器件方向N3可以沿逆时针方向旋转至与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为170°至210°中的任意一个角度。示例性地，可参考图8中，压电单晶材料的第一晶轴X指向晶圆衬底10的平面内，且器件方向N3沿逆时针方向旋转至与压电单晶材料的第二晶轴Y的夹角为角A2，其中角A2等于170°。

可选地，当角B1等于0°时，第二晶轴Y由晶圆衬底10指向压电层20或者由压电层20指向晶圆衬底10，且器件方向N3沿顺时针方向旋转至与第一晶轴X的夹角为角B2；或者，当角B1等于0°时，第二晶轴Y由晶圆衬底10指向压电层20或者由压电层20指向晶圆衬底10，且器件方向N3沿逆时针方向旋转至与第一晶轴X的夹角为角B2。

具体地，该种方式为对上述情况(三)的细化，当角B1等于0°时，压电单晶材料的第二晶轴Y指向晶圆衬底10的平面内或者平面外(即第二晶轴Y沿压电层20指向晶圆衬底10或者沿晶圆衬底10指向压电层)，且器件方向N3可以沿逆时针方向或者顺时针方向旋转至与压电单晶材料的第一晶轴X的夹角为-20°至20°中的任意一个角度。示例性地，可参考图10，在图10的(b)中，角B1等于0°时，压电单晶材料的第二晶轴Y指向晶圆衬底10的平面外或者平面外，且器件方向N3沿逆时针方向旋转至与压电单晶材料的第一晶轴X的夹角为-20°。

本实施例中，不仅叉指电极层30的器件方向N3相对于压电层20的压电单晶材料具有特定的设置方式，叉指电极层30的器件方向N3相对于晶圆衬底10也可以具有特定的设置方式。图11是本实用新型实施例提供的一种谐振器件的叉指电极层30与晶圆衬底10之间结合的结构示意图，图12是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的叉指电极层30与晶圆衬底10之间结合的结构示意图。晶圆衬底10的主定位边11位于第一方向N1，由叉指电极层30产生于压电层20内的电场在压电层20内激发的声波的传播方向，与第一方向N1的夹角为角C1，-30°≤C1≤30°。

具体地，由叉指电极层30产生于压电层20内的电场在压电层20内激发的声波的传播方向也即本实施例中的器件方向N3，器件方向N3与第一方向N1(即晶圆衬底10的主定位边)的夹角为-30°至30°中的任意一个角度。示例性地，参考图11，图11示意性地示出了器件方向N3与第一方向N1的夹角为-30°的情况，参考图1，图1示意性地示出了器件方向N3与第一方向N1的夹角为0°的情况，参考图12，图12示意性地示出了器件方向N3与第一方向N1的夹角为30°的情况。

压电层20在叉指电极层30施加的电场作用下会产生机械应力并发生相应的形变，进而在压电层20中激发沿器件方向N3传播的声表面波，考虑到压电层20中的压电单晶材料具有各向异性的特点，本实施例通过设置器件方向N3与第一方向N1的夹角大于等于-30°或者小于等于30°，实现了调整叉指电极的方向与晶圆衬底10之间的相对位置关系，进一步利用压电单晶材料的最大体弹性模量，增强压电层20产生的压电效应，提升谐振器件的机电耦合系数，从而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。

可选地，参考图2与图3，叉指电极层30包括多个第一叉指电极310和多个第二叉指电极320；多个第一叉指电极310均连接至位于叉指电极层的第一侧的汇流条311，且第一叉指电极310均由叉指电极层的第一侧沿第二方向N2向叉指电极层的第二侧延伸，第一侧与第二侧相对；多个第二叉指电极320均连接至位于叉指电极层的第二侧的汇流条321，且第二叉指电极320均由第二侧沿第二方向N2向第一侧延伸；第一叉指电极310和第二叉指电极320在压电层20上的垂直投影相交替，且第一叉指电极310和第二叉指电极320互相绝缘。

具体地，第一叉指电极310和第二叉指电极320均为金属电极，第一叉指电极310和第二叉指电极320的材料可包括钛(Ti)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、铜铝合金(AlCu)、铬(Cr)、钌(Ru)、钼(Moly)和钨(W)中的任一种，或者第一叉指电极310和第二叉指电极320的材质也可以是上述材料的组合。每个第一叉指电极310均连接至公共电极，即汇流条311；每个第二叉指电极320均连接至公共电极，即汇流条321。各个第一叉指电极310的宽度可能相同或不同，各个第二叉指电极320的宽度也可能相同或不同。谐振器件100工作时，第一叉指电极310通过汇流条311输入电源信号Vin，第二叉指电极320通过汇流条321输入接地信号GND，以使叉指电极层30能够在压电层20中施加垂直于第一叉指电极310和第二叉指电极320的方向上的电场，即器件方向N3的电场，使得压电层20的整个厚度方向上均产生器件方向N3的电场，进而激发沿器件方向N3传播的声表面波，即纵向极化声波，并将声表面波转换为相应的电信号输出，以实现滤波。

图13是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的俯视图，具体可为图1中的谐振器件100的另一种俯视图。如图13所示，可选地，设置叉指电极层30还包括多个第一虚设叉指电极312和多个第二虚设叉指电极322；第一虚设叉指电极312位于相邻第一叉指电极310之间并连接至第一侧的汇流条311，第一虚设叉指电极312由第一侧沿第二方向N2向第二侧延伸；第二虚设叉指电极322位于相邻第二叉指电极320之间并连接至第二侧的汇流条321，第二虚设叉指电极322由第二侧沿第二方向N2向第一侧延伸；第一虚设叉指电极312、第二虚设叉指电极322、第一叉指电极310和第二叉指电极320互相绝缘。第一虚设叉指电极312和第二虚设叉指电极322的材质可以与第一叉指电极310和第二叉指电极320的材质相同，本实施例通过设置第一虚设叉指电极312和第二虚设叉指电极322，形成与叉指电极断开的虚短跟指(例如第一虚设叉指电极312形成与对应的第二叉指电极320断开的虚短跟指，第二虚设叉指电极322形成与对应的第一叉指电极310断开的虚短跟指)，以使谐振器件激发的声表面波传播至第一虚设叉指电极312和第二虚设叉指电极322时发生反射，从而将声表面波限制在谐振器件沿第二方向N2的内部，进而提高谐振器件的能量反射率并抑制不需要的杂散响应。

图14是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图13所示谐振器件沿剖线bb’进行剖切得到的剖视图。结合图2、图13和图14，可选地，谐振器件100还包括声反射栅330，声反射栅330位于压电层20远离晶圆衬底10的一侧，声反射栅330设置在叉指电极层30沿第二方向N2的两侧，并与叉指电极层30绝缘；每个声反射栅330均包括多个沿第二方向N2延伸的金属条331，金属条331在第三方向(也即器件方向N3)上的宽度Wr大于第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向(也即器件方向N3)的宽度We的0.2倍，并小于第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向(也即器件方向N3)的宽度We的10倍；其中，第三方向(也即器件方向N3)平行于晶圆衬底10，并垂直于第二方向N2；叉指电极层30与相邻的金属条331的间距Wg大于第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向N3的宽度We的0.2倍，并小于第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向N3的宽度We的10倍。

具体地，声反射栅330的材质可以与第一叉指电极310和第二叉指电极320的材质相同或者不同。声反射栅330中的金属条331的两端分别连接总线，即总线332和总线333。连接第一叉指电极310和第二叉指电极320的汇流条，可以与声反射栅330中金属条331连接的总线相连，也可以不连接，图2和图13均示出了连接叉指电极的汇流条不与声反射栅中金属条连接的总线相连的情况。本实施例通过在叉指电极层的两侧设置声反射栅330，能够基于声波的衍射原理，减少向谐振器件向两侧的声反射栅330外部传播的声表面波，有助于将声表面波限制在谐振器件沿第三方向N3的内部，进而提高谐振器件的电能与机械能之间的能量转换效率。

叉指电极层30与相邻的金属条331的间距Wg，是指声反射栅中距离叉指电极最近的金属条331，与叉指电极层中最接近声反射栅的第一叉指电极310或第二叉指电极320之间的间距。图14示意性地示出了第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向(也即器件方向N3)的宽度均为We的情况，本实施例通过设置金属条331在第三方向(也即器件方向N3)上的宽度0.25We＜Wr＜10We，且叉指电极层30与相邻的金属条331的间距0.2We＜Wg＜10We，有助于减弱谐振器件通过声反射栅产生的声波衍射，从而进一步减少谐振器件向两侧的声反射栅330外部传播的声表面波，有助于将声表面波限制在谐振器件沿第三方向(也即器件方向N3)的内部，进而提高谐振器件的电能与机械能之间的能量转换效率。

结合图13和图14，在上述各实施例的基础上，可选地，设置第一叉指电极310和第二叉指电极320在第三方向(也即器件方向N3)的宽度250nm＜We＜1μm，以通过调节叉指电极的宽度来调节谐振器件的机电耦合系数，进而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。

结合图13和图14，可选地，设置第一叉指电极310和第二叉指电极320的总个数大于50，以通过调节叉指电极的个数来调节谐振器件的机电耦合系数，进而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。可选地，设置声反射栅330中的金属条331的总个数大于50，以减少谐振器件向两侧的声反射栅330外部传播的声表面波，有助于将声表面波限制在谐振器件沿第三方向(也即器件方向N3)的内部，进而提高谐振器件的电能与机械能之间的能量转换效率。

结合图13和图14，可选地，设置第一叉指电极310和第二叉指电极320沿第二方向N2相交叠的长度15μm＜La＜200μm，第二叉指电极320与汇流条311之间的距离(即第一叉指电极310与汇流条321之间的距离)250μm＜Lg＜5μm，以调节谐振器件的机电耦合系数，进而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。

结合图13和图14，可选地，设置叉指电极30中相邻的第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的间距500nm＜Wpi＜2μm，相邻的第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的间距具体可以是第一叉指电极310沿第三方向(也即器件方向N3)的中心与相邻的第二叉指电极320沿第三方向(也即器件方向N3)的中心之间的距离。由于f＝v/(2*Wpi)，其中f为谐振器件的工作频率，v为谐振器件中的声表面波传播的波速，因此，在波速不变的情况下，第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的间距Wpi越小，谐振器件的工作频率，本实施例通过对第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的间距进行设置，以提高谐振器件的工作频率。

结合图13和图14，可选地，设置第一叉指电极310和第二叉指电极320沿垂直于晶圆衬底10的方向上的厚度50nm＜Te＜200nm，压电层20远离晶圆衬底10一侧的表面与钝化层50靠近压电层20一侧的表面之间的钝化层50的厚度100nm＜Tp1＜600nm，压电层20沿垂直于晶圆衬底10的方向上的厚度300nm＜Tp2＜1μm，以通过调节叉指电极的厚度、钝化层的厚度和压电层的厚度来调节谐振器件的机电耦合系数，进而增强谐振器件的性能并提高谐振器件的工作频率。

在上述各实施例的基础上，可选地，还可以在压电层与晶圆衬底之间设置一层或多层介电层，以调节谐振器件的机电耦合系数，进而改善谐振器件的性能。

图15是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图13所示谐振器件沿剖线bb’进行剖切得到的另一种剖视图。如图3、图14和图15所示，可选地，谐振器件还包括位于叉指电极层30远离晶圆衬底10一侧的钝化层50，且钝化层50覆盖叉指电极层30。

具体地，钝化层50的材质可以是二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(SiNx)，本实施例通过设置钝化层50覆盖叉指电极层30，以隔绝环境中的湿度和氧化，实现对叉指电极层30的保护。在叉指电极层30远离晶圆衬底10的一侧形成钝化层50时，可使钝化层50远离晶圆衬底10一侧的上表面形成平面，或者也可以使钝化层50上表面的起伏与叉指电极层上表面的形貌一致。

图16是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的俯视图，具体可为图1中的谐振器件100的另一种俯视图；图17是本实用新型实施例提供的另一种谐振器件的剖视图，具体可为图16所示谐振器件沿剖线CC’进行剖切得到的另一种剖视图。结合图16和图17，可选地，谐振器件100还包括金属层60，金属层60位于叉指电极层30远离晶圆衬底10的一侧，金属层60覆盖叉指电极层30第一侧的汇流条311的至少部分区域，并覆盖叉指电极层30第二侧的汇流条321的至少部分区域。

具体地，金属层60的材料可包括钛(Ti)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、铜铝合金(AlCu)、铬(Cr)、钌(Ru)、钼(Moly)和钨(W)中的任一种，或者也可以是上述材料的组合。本实施例通过设置金属层60覆盖汇流条311的至少部分区域，以及覆盖汇流条321的至少部分区域，有助于使谐振器件激发的声表面波传播至金属层60时发生反射，从而将声表面波限制在谐振器件沿第二方向N2的内部，同时，金属层60还可以暴露在完成封装的谐振器件100的表面，以使叉指电极通过金属层及其覆盖的汇流条接入电信号。

图18是本实用新型实施例提供的谐振器件的应力分布示意图，图18示意性地示出了在电场的作用下，图13所示谐振器件各膜层的应力分布情况。结合图13、图14和图18，在电场的作用下，谐振器件产生的机械应力主要存在于压电层20、叉指电极层和钝化层50中，晶圆衬底10中仅存在少量应力。并且由于第一叉指电极310输入电源信号Vin，第二叉指电极320输入接地信号GND，因此第二叉指电极320可分别与两侧的第一叉指电极310在压电层20的整个厚度方向上产生反向的电场E1和E2，相应地，在压电层20中谐振器件产生的应力达到极值。图18中示意出了，压电层20中对应第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的位置处的应力达到极大值(接近Max)，压电层20中对应第一叉指电极310和第二叉指电极320的位置处的应力分别达到极小值(接近-Max)。

图19是本实用新型实施例提供的谐振器件的振动位移分布示意图，图19示意性地示出了在电场的作用下，图13所示谐振器件各膜层的振动位移分布情况。结合图13、图14和图19，谐振器件中的声波传播中产生的驻波引起的振动位移主要在压电层20、叉指电极层和钝化层50中，晶圆衬底10中仅存在少量位移。图19中示意出了，压电层20中对应第一叉指电极310和第二叉指电极320之间的位置处的振动位移达到极小值(接近Min)，压电层20中对应第一叉指电极310和第二叉指电极320的位置处的振动位移达到极大值(接近Max)。

图20是本实用新型实施例提供的谐振器件的导纳特性曲线，具体可以是对图13和图14所示谐振器件进行模拟实验得到的导纳特性曲线。如图20中(a)所示，利用本征频率进行模拟，本实用新型实施例提供的谐振器件的谐振频率也即工作频率为1.75GHz，相应的机电耦合系数Kt²可达到32.7％，如图20中(b)所示，图20中(b)是图20中(a)的广频响应，同等参数下，工作频率为0.1GHz至4GHz，由此可见，本实施例的方案有助于提升谐振器件的机电耦合系数和工作频率，并有助于根据该方案对应的谐振器件各膜层的厚度、宽度、叉指电极的尺寸和位置以及声反射栅相对于叉指电极的尺寸和位置确定谐振器件的优选结构和尺寸。

本实用新型实施例还提供了一种声学滤波器，所述声学滤波器包括如上述任意技术方案中所述谐振器件。本实用新型实施例提供的声学滤波器与上述任意技术方案中所提供的谐振器件属于相同的实用新型构思，两者能够实现相同的技术效果，重复内容不再赘述。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种谐振器件，其特征在于，包括晶圆衬底、压电层以及叉指电极层；

所述压电层位于所述晶圆衬底的一侧，所述压电层包括压电单晶材料，所述压电单晶材料包括互相垂直的第一晶轴、第二晶轴以及第三晶轴；所述叉指电极层位于所述压电层远离所述衬底的一侧，所述叉指电极层产生于所述压电层内的电场方向为器件方向；

其中，所述第一晶轴垂直于所述晶圆衬底，且所述器件方向与所述第二晶轴的夹角为角A1，-30°≤A1≤10°；或者，

所述第一晶轴垂直于所述晶圆衬底，且所述器件方向与所述第二晶轴的夹角为角A2，170°≤A2≤210°；或者，

所述第二晶轴与垂直于所述晶圆衬底的方向的夹角为角B1，-20°≤B1≤40°，且所述器件方向与所述第一晶轴的夹角为角B2，-20°≤B2≤20°。

2.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，

所述第一晶轴由所述晶圆衬底指向所述压电层，且所述器件方向沿逆时针方向旋转至与所述第二晶轴的夹角为所述角A1。

3.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，

所述第一晶轴由所述晶圆衬底指向所述压电层，且所述器件方向沿顺时针方向旋转至与所述第二晶轴的夹角为所述角A2。

4.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，

所述第一晶轴由所述压电层指向所述晶圆衬底，且所述器件方向沿顺时针方向旋转至与所述第二晶轴的夹角为所述角A1。

5.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，

所述第一晶轴由所述压电层指向所述晶圆衬底，且所述器件方向沿逆时针方向旋转至与所述第二晶轴的夹角为所述角A2。

6.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，所述第二晶轴包括向沿相对方向延伸的正方向和反方向；

当所述角B1等于0°时，所述第二晶轴的正方向由所述晶圆衬底指向所述压电层或者由所述压电层指向所述晶圆衬底，且所述器件方向沿顺时针方向旋转至与所述第一晶轴的夹角为所述角B2；或者，

当所述角B1等于0°时，所述第二晶轴的正方向由所述晶圆衬底指向所述压电层或者由所述压电层指向所述晶圆衬底，且所述器件方向沿逆时针方向旋转至与所述第一晶轴的夹角为所述角B2。

7.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，所述晶圆衬底的主定位边位于第一方向；

由所述叉指电极层产生于所述压电层内的电场在所述压电层内激发的声波的传播方向，与所述第一方向的夹角为角C1，-30°≤C1≤30°。

8.根据权利要求1所述的谐振器件，其特征在于，所述叉指电极层包括多个第一叉指电极和多个第二叉指电极；

多个所述第一叉指电极均连接至位于所述叉指电极层的第一侧的汇流条，且所述第一叉指电极均由所述叉指电极层的第一侧沿第二方向向所述叉指电极层的第二侧延伸，所述第一侧与所述第二侧相对；

多个所述第二叉指电极均连接至位于所述叉指电极层的第二侧的汇流条，且所述第二叉指电极均由所述第二侧沿所述第二方向向所述第一侧延伸；

所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述压电层上的垂直投影相交替，且所述第一叉指电极和所述第二叉指电极互相绝缘。

9.根据权利要求8所述的谐振器件，其特征在于，还包括金属层和声反射栅；

所述金属层位于所述叉指电极层远离所述晶圆衬底的一侧，所述金属层覆盖所述叉指电极层第一侧的汇流条的至少部分区域，并覆盖所述叉指电极层第二侧的汇流条的至少部分区域；

所述声反射栅位于所述压电层远离所述晶圆衬底的一侧，所述声反射栅设置在所述叉指电极层沿所述第二方向的两侧，并与所述叉指电极层绝缘；

每一侧的所述声反射栅均包括多个沿所述第二方向延伸的金属条；所述金属条在第三方向上的宽度大于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的0.25倍，并小于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的10倍；

所述叉指电极层与相邻的所述金属条的间距大于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的0.2倍，并小于所述第一叉指电极和所述第二叉指电极在所述第三方向的宽度的10倍；其中，所述第三方向平行于所述晶圆衬底，并垂直于所述第二方向。

10.一种声学滤波器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的谐振器件。

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