CN217363041U - 一种体声波谐振器、体声波滤波器、双工器以及射频模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉提供一种体声波谐振器、体声波滤波器、双工器以及射频模块，用于解决现有技术中存在的体声波器件在高功率下会发热升温的技术问题。其中的一种该体声波谐振器，包括：衬底；下电极，设置在所述衬底上；压电层，设置在所述下电极上；上电极，设置在所述压电层上；其中，所述下电极和所述上电极为形状相同的多边形；所述上电极中的第一边对应所述体声波谐振器的输入边，所述下电极中的第二边对应所述体声波谐振器的输出边，或所述上电极中的第一边对应所述体声波谐振器的输出边，所述下电极中的第二边对应所述体声波谐振器的输入边，若所述下电极与所述上电极在投影方向上重合，所述第一边与所述第二边之间至少间隔一条边。

Description

一种体声波谐振器、体声波滤波器、双工器以及射频模块

技术领域

本实用新型涉及半导体领域，具体涉及一种体声波谐振器、体声波谐振器、双工器以及射频模块。

背景技术

在未来，高频率、高功率滤波器的应用场景将会越来越广泛，且在第五代移动通信(5^th Generation Mobile Networks,5G)来临的时代背景下，传统的滤波器如介质滤波器和低温共烧陶瓷(Low temperature cofired ceramic，LTCC)滤波器的性能无法满足需求，且无法集成实现小型化。相较之下，声波器件例如声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件和体声波(Bulk Acoustic Wave，BAW)器件，尤其是BAW器件因具有较高的工作频率、功率容量、更好器件性能等得到了更广泛的应用。

然而BAW器件有着所有电子器件的共性，即在高功率下会发热升温，而器件发热升温会使器件性能发生变化。对于BAW谐振器来说，具体表现为BAW谐振器的串并联谐振频率和阻抗的变化；对于BAW滤波器来说，具体表现为通带中心频率、带宽和插入损耗的变化，这些变化都是实际使用中不期望出现的。且虽说BAW器件的性能退化是可逆的，不会对器件的物理结构造成明显的损坏。然而，当器件长时间工作在一定功率下或者直接施加一个极高的输入功率时，器件在长时间热应力积累下或者瞬时的热应力下会发生结构损坏型失效，因此，如何降低BAW谐振器因自热效应产生的自热温度是目前亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种体声波谐振器、体声波滤波器、双工器以及射频模块，以解决现有技术中存在的体声波器件在高功率下会产生发热升温的技术问题。

第一方面，本实用新型提供一种体声波谐振器，包括：

衬底；

下电极，设置在所述衬底上；

压电层，设置在所述下电极上；

上电极，设置在所述压电层上；

其中，所述下电极和所述上电极为形状相同的多边形；所述上电极中的第一边对应所述体声波谐振器的输入边，所述下电极中的第二边对应所述体声波谐振器的输出边，或所述上电极中的第一边对应所述体声波谐振器的输出边，所述下电极中的第二边对应所述体声波谐振器的输入边，若所述下电极与所述上电极在投影方向上重合，所述第一边与所述第二边之间至少间隔一条边。

在本实用新型中，在下电极与上电极在投影方向上重合时，第一边与第二边之间至少间隔一条边，当然可以是一条边，也可以是两条边，这样可以抑制电极的欧姆损耗向激励信号的输入输出端聚集，从而抑制体声波谐振器的损耗密度分布集中在体声波谐振器区域的一侧，这样发热点就不会向损耗密度的聚集处偏移，从而能够抑制体声波谐振器的自热效应导致的温度上升。此处需要说明的是，输入边可以是上电极或下电极中的一条边，输出边则可以是下电极或上电极中的一条边，在本实用新型中不做限制。

在一个可能的设计中，所述上电极的多条边中任意两条边之间存在夹角或任意两条边的延长线之间存在夹角。

在本实用新型中，上电极的多条边中任意两条边之间存在夹角或任意两条边的延长线之间存在夹角，也就是说上电极的多条边中不存在平行的两条边，从而降低横向波来回反射形成驻波的几率，能够抑制杂散模式，从而能够提高体声波谐振器的Q值。因此通过本实用新型的技术方案能够实现在抑制谐振器产生自热效应而导致的温度上升的同时，降低横向波来回反射形成驻波的几率的技术效果。

相应的，下电极的多条边中任意两条边之间存在夹角或任意两条边的延长线之间存在夹角。

在一个可能的设计中，所述下电极包括电极粘附层和设置在所述电极粘附层上的铝层；其中，所述电极粘附层的厚度大于或等于1纳米nm且小于或等于10nm。

在本实用新型中，电极粘附层用于提高铝层和压电层的附着力。在电极附着层设置合适的厚度时，能够降低下电极的电阻，从而能够降低电极的欧姆损耗，在具体实现过程中，电极粘附层的厚度范围在1nn到10nm。

在一个可能的设计中，所述电极粘附层的材料为钛或钨。

在本实用新型中，电极粘附层的材料可以是钛或钨，或者是其它能够提高铝层和压电层的附着力的材料，在此不做限制。

在一个可能的设计中，所述第一边为所述上电极中宽度第一宽的边或宽度第二宽的边，所述第二边为所述下电极中宽度第二宽的边或宽度第一宽的边。

在本实用新型中，设置第一边为上电极中宽度最宽的一边，第二边为下电极中宽度为第二长的一边，这也就相当于是增加输入端和输出端的宽度，也就是增加输入端和输出端的等效电极界面。而根据导线电阻的计算公式可以知道，在增加等效电极界面时，可以减小电极的电阻，这样根据焦耳定理，在电流一定时激励信号输入端和输出端更宽的一端相较于输入端和输出端更窄的一端会产生更少的欧姆损耗，因此通过本实用新型的技术方案能够降低电极的欧姆损耗。

当然，第一边也可以为上电极中宽度为第二长的一边，第二边为下电极中宽度最宽的一边，在具体实现过程中，可以根据实际需要进行设置。此处的第一边可以是体声波谐振器的输入边，也可以是体声波谐振器的输出边，在此不做限制。

在一个可能的设计中，若将所述上电极中的多条边对应所述输入边，将所述下电极中的多条边对应所述输出边，或将所述上电极中的多条边对应所述输出边，将所述下电极中的多条边对应所述输入边，则所述输入边的长度之和与所述输出边的长度之和的差值小于预设阈值。

在本实用新型中，可以将上电极中的一条边与互连线连接，也可以将上电极中多条边与互连线连接，同样的，可以将下电极中的一条边与互连线连接，也可以将下电极中多条边与互连线连接，在将上电极中的多条边以及下电极中的多条边与互连线连接，可以设置输入边的长度之和与输出边的长度之和的差值小于预设阈值，这样可以增大互连线与谐振器的接触边的宽度，能够进一步降低电极欧姆损耗。

进一步，在本实用新型中，互连线和谐振器电极的连接需要具有一定的平滑度，以避免折角处出现涡电流造成欧姆损耗聚集现象。

在一个可能的设计中，所述体声波谐振器是横隔膜型薄膜体声波谐振器、空气隙型薄膜体声波谐振器或固体装配型薄膜体声波谐振器。

在本实用新型中，体声波谐振器可以是横膈膜型薄膜体声波谐振器、空气隙型薄膜体声波谐振器或固体装配型薄膜体声波谐振器，或者为其它类型的体声波谐振器，在此不做限制。

第二方面，本实用新型还提供一种体声波滤波器，包括至少两个体声波谐振器，其中，所述至少两个体声波谐振器中的至少一个如上述第一方面所述体声波谐振器。

第三方面，本实用新型还提供一种双工器，包括：发送滤波器和接收滤波器；其中，所述发送滤波器和/或所述接收滤波器如上述第二方面所述的体声波滤波器。

第四方面，本实用新型还提供一种射频模块，包括：天线、射频开关、功率放大器以及如第三方面所述的双工器。

附图说明

图1为现有技术中的一种空气隙型薄膜体声波谐振器的结构示意图；

图2为现有技术中的一种体声波谐振器的电路符号图；

图3为本实用新型实施例提供的一种体声波谐振器的输入边和输出边；

图4A和图4B为本实用新型实施例提供的一种体声波谐振器的电极的形状示意图；

图5为本实用新型提供的一种体声波谐振器的输入边和输出边；

图6为本实用新型提供的一种体声波谐振器的输入边和输出边。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

以下，对本实用新型实施例中的部分用于进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。

(1)体声波谐振器，通常包括空气隙型薄膜体声波谐振器、横膈膜型薄膜体声波谐振器以及固体装配型薄膜体声波谐振器。下面以空气隙型薄膜体声波谐振器为例对体声波谐振器的结构进行说明。如图1所示，空气隙型体声波谐振器从上往下依次是上电极、压电层、下电极、功能层、衬底以及在功能层和衬底之间形成的空气隙，其中，空气隙用于对压电层产生的声波进行限制，防止声波泄露。其中，上电极、压电层、下电极的重叠区域是体声波谐振器的有效工作区域。

(2)自热效应，谐振器所产生的能量损耗将以热量的形式耗散出去，也就是谐振器会发生自热效应。自热效应的出现会造成体声波谐振器器件失效，且存在两种失效模式，即性能退化和结构损坏。其中，性能退化型失效的内在物理机制在于：谐振器中的层叠材料属性(如弹性系数、密度、厚度等)具有温度相关性，其中具有负温度相关性的弹性系数为主要的影响因素，所以，当器件温度因自热而明显上升时，弹性系数会减小，从而使纵波声速降低，并最终导致谐振器的谐振频率出现下偏，以及体声波滤波器的通带发生漂移、带内插损增大。而结构损坏型失效的物理机制是由于集中的自热热量会以热应力的形式造成压电层翘曲，而压电层翘曲又会促使局部电流密度剧增，并进一步地加剧自热效应。在如此一个正反馈作用下，往往会造成器件结构损坏，比如金属电极粗糙度增加，以及压电层的破裂。

(3)本实用新型实施例中的术语“多个”是指两个或两个以上，鉴于此，本实用新型实施例中也可以将“多个”理解为“至少两个”；“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

通过上面介绍的自热效应可以知道，在体声波器件产生自热效应时，会导致器件失效，可能是性能退化型失效，也可能是结构型失效，无论哪种失效模式，都是不希望被看到的，为解决上述技术问题，并使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步的详细描述。

本实用新型设计的体声波谐振器、体声波滤波器、双工器以及射频模块能够应用于民用领域，例如基站设备、终端设备、汽车、物联网、无线路由器、无人机或者其它设备。其中，终端设备可以是智能手机；智能可穿戴设备，例如智能手表、智能手环等。当然本实用新型设计的体声波谐振器、体声波滤波器、双工器以及射频模块也能够应用于军用领域，例如数据链、导航、单兵电台、雷达、导弹、卫星通信等。

本实用新型实施例提供的一种体声波谐振器，包括：

衬底；

下电极，设置在所述衬底上；

压电层，设置在所述下电极上；

上电极，设置在所述压电层上；

其中，所述下电极和所述上电极为形状相同的多边形；所述上电极中的第一边对应所述体声波谐振器的输入边，所述下电极中的第二边对应所述体声波谐振器的输出边，或所述上电极中的第一边对应所述体声波谐振器的输出边，所述下电极中的第二边对应所述体声波谐振器的输入边，若所述下电极与所述上电极在投影方向上重合，所述第一边与所述第二边之间至少间隔一条边。

在本实用新型中的衬底可以是同质衬底，也可以是异质衬底，其中同质衬底指的是衬底的材料与压电层的材料相同，例如均为铌酸锂或者均为钽酸锂，异质衬底指的是衬底材料与压电层的材料不相同，例如压电层的材料是铌酸锂或钽酸锂，而衬底材料是硅Si、氮化镓GaN、砷化镓GaAs、金刚石C、玻璃、碳化硅SiC、蓝宝石(Saphire)等。

进一步，体声波谐振器还包括上电极和下电极，上电极和下电极为形状相同的多边形，该多边形可以是规则的多边形，例如正方形、正五边形、正六边形；该多边形也可以是不规则的多边形，例如不规则的四边形、不规则的五边形、不规则的六边形等，具体可以根据实际需要进行设置，在此不做限制。

在介绍完上电极和下电极的形状之后，则介绍体声波谐振器的工作原理。具体参见图2，为体声波谐振器的电路符号，体声波谐振器包括两个端口，一个端口与体声波谐振器的上电极连接，另一个端口与体声波谐振器的下电极连接，该两个端口用于激励信号的输入和输出，其中，上电极中与输入端连接的边称为体声波谐振器的输入边，下电极中与输出端连接的边称为体声波谐振器的输出边，当然，也可以是将上电极中与输出端连接的边称为体声波谐振器的输出边，下电极中与输入端连接的边称为体声波谐振器的出入边。

在本实用新型中，请参见图3，在上电极与下电极在投影方向重合时，第一边与第二边至少间隔一条边，其中，第一边也就是空气隙型体声波谐振器的输入边或输出边，第二边也就是空气隙型体声波谐振器的输出边或输入边。在输入边与输出边之间至少间隔一条边时，电极损耗密度分布就不会集中在体声波谐振器的谐振区域的一侧，这样发热点不会向损耗密度聚集处偏移，进而能够抑制体声波谐振器的自热温度的升高，降低体声波谐振器的性能型失效或者结构型失效的几率。

进一步，在本实用新型中，所述上电极的多条边中任意两条边之间存在夹角或任意两条边的延长线之间存在夹角。

在本实用新型中，上电极的多条边中可以存在平行边，也可以不存在平行边。具体请参见图4A和图4B，图4A所示的电极为存在平行边的电极，图4B所示的电极为不存在平行边的电极。对于存在平行边的电极来说，横向波来回反射会形成驻波，会影响体声波谐振器的品质因数(quality factor，Q)值。而对于图4B所示的电极图形来说，横向波来回反射后不会形成驻波，能够抑制杂波模式，从而能够提高体声波谐振器的Q值。

当然在本实用新型中，下电极的形状与上电极形状相同，在上电极的多条边中任意两条边之间存在夹角或任意两条边的延长线之间存在夹角时，下电极的多条边中任意两条边之间存在夹角或任意两条边的延长线之间存在夹角。

进一步，在本实用新型中，所述下电极包括电极粘附层和设置在所述电极粘附层上的铝层；其中，所述电极粘附层的厚度大于或等于1纳米nm且小于或等于10nm。

在本实用新型中，铝层设置在电极粘附层的上方，作为压电层和电极Al晶格失配的缓冲层，能够提高电铝层与压电层之间的附着力。电极粘附层的材料可以是钛或钨，或者为其它能够提高铝层与压电层之间的附着力的材料。

当然，在本实用新型中，在电极粘附层和铝层中间，还可以设置中间层，例如铜层或者金层，其中，由于铜或者金层的扩散系数小，扩散激活能高，能够有效降低应力引入的迁移导致原子扩散，从而能进一步提升体声波谐振器的功率承受能力。

进一步，所述第一边为所述上电极中宽度第一宽的边或宽度第二宽的边，所述第二边为所述下电极中宽度第二宽的边或宽度第一宽的边。其中，第一边可以是体声波谐振器的输入边或输出边，第二边可以是体声波谐振器的输出边或输入边。

具体参见图5，在本实用新型中，设置第一边为上电极中宽度第二宽的边，第二边为下电极中宽度第一宽的边，这也就相当于是增加输入端和输出端的宽度，也就是增加输入端和输出端的等效电极界面。而根据导线电阻R＝ρl/S的计算公式可以知道，在增加等效电极界面时，可以减小电极的电阻，这样根据焦耳定理，在电流一定时激励信号输入端和输出端更宽的一端相较于输入端和输出端更窄的一端会产生更少的欧姆损耗，因此通过本实用新型的技术方案能够进一步降低电极的欧姆损耗，其中，ρ为导体电阻率，l为导体长度，S为导体截面面积。

当然，在具体实现过程中，也可以是设置第一边为上电极中宽度第一宽的边，第二边为下电极中宽度第二宽的边，本领域普通技术人员可以根据实际需要进行设置，在此不做限制。

上面描述的是将上电极中的单边与互连线，以及下电极的单边与互连线连接的情况，当然在具体实现过程中，请参见图6，也可以将上电极中的多条边作为输入边，下电极中的多条边作为输出边或将上电极中的多条边作为输出边，下电极中的多条边作为输入边。若将所述上电极中的多条边对应所述输入边，将所述下电极中的多条边对应所述输出边，或将上电极中的多条边作为输出边，下电极中的多条边作为输入边，则所述输入边的长度之和与所述输出边的长度之和的差值小于预设阈值，这样能够增大互连线与体声波谐振器接触边的宽度，进一步降低电极的欧姆损耗。

进一步，在互连线与体声波谐振器的输入边、输出边连接平滑，以消除体声波谐振器一侧电极与互连线连接处的折角，避免折角处出现的涡电流造成欧姆损耗聚集现象。

更进一步，在本实用新型中，体声波谐振器还包括声反射结构，用于反射压电层产生的声波，防止声波泄露。在具体实现过程中，声反射结构的实现方式不同时，对应的体声波谐振器的类型也不相同。例如在生反射结构为空气隙时，则体声波谐振器为空气隙型薄膜体声波谐振器；在声反射结构为布拉格反射层时，体声波谐振器为固体装配型薄膜体声波谐振器，其中，布拉格反射层可以是高声阻抗反射层和低声阻抗反射层交替排列形成的，也可以是高声速层和低声速层交替排列形成的；在声反射结构为空气腔时，对应的体声波谐振器为横隔膜型薄膜体声波谐振器。

在介绍完本实用新型滤波器上述结构后，第二方面，本实用新型还提供一种体声波滤波器，包括至少两个体声波谐振器，其中，所述至少两个体声波谐振器中的至少一个为第一方面所述的体声波谐振器。

在本实用新型中，将至少两个体声波谐振器按照L型、Π型或者网格结构形成滤波器。至少两个体声波谐振器中的至少一个为第一方面所述的体声波谐振器，也可以全部都是第一方面所述的体声波谐振器。

同样的，对于谐振器之间的互联方式也遵循第一方面中涉及的互联方法。

第三方面，本实用新型还提供一种双工器，包括：

发送滤波器和接收滤波器；其中，所述发送滤波器和/或所述接收滤波器为第二方面所述的体声波滤波器。

第四方面，本实用新型还提供一种射频模块，包括：天线、射频开关、功率放大器以及如第三方面所述的双工器。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：

衬底；

下电极，设置在所述衬底上；

压电层，设置在所述下电极上；

上电极，设置在所述压电层上；

其中，所述下电极和所述上电极为形状相同的多边形；所述上电极中的第一边对应所述体声波谐振器的输入边，所述下电极中的第二边对应所述体声波谐振器的输出边或所述上电极中的第一边对应所述体声波谐振器的输出边，所述下电极中的第二边对应所述体声波谐振器的输入边，若所述下电极与所述上电极在投影方向上重合，所述第一边与所述第二边之间至少间隔一条边。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述上电极的多条边中任意两条边之间存在夹角或任意两条边的延长线之间存在夹角。

3.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述下电极包括电极粘附层和设置在所述电极粘附层上的铝层；其中，所述电极粘附层的厚度大于或等于1纳米nm且小于或等于10nm。

4.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述电极粘附层的材料为钛或钨。

5.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一边为所述上电极中宽度第一宽的边或宽度第二宽的边，所述第二边为所述下电极中宽度第二宽的边或宽度第一宽的边。

6.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，

若将所述上电极中的多条边对应所述输入边，将所述下电极中的多条边对应所述输出边，或将所述上电极中的多条边对应所述输出边，将所述下电极中的多条边对应所述输入边，则所述输入边的长度之和与所述输出边的长度之和的差值小于预设阈值。

7.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器是横隔膜型薄膜体声波谐振器、空气隙型薄膜体声波谐振器或固体装配型薄膜体声波谐振器。

8.一种体声波滤波器，其特征在于，包括至少两个体声波谐振器，其中，所述至少两个体声波谐振器中的至少一个为权利要求1-7任一项所述的体声波谐振器。

9.一种双工器，其特征在于，包括：

发送滤波器和接收滤波器；其中，所述发送滤波器和/或所述接收滤波器为权利要求8所述的体声波滤波器。

10.一种射频模块，其特征在于，包括：天线、射频开关、功率放大器以及如权利要求9所述的双工器。

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