CN219087112U - 一种基于纵声表面波的高性能声学器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及芯片技术领域，提供了一种基于纵声表面波的高性能声学器件。所述声学器件包括依次叠加的衬底、温度补偿层、压电薄膜和叉指换能器，其中，所述压电薄膜采用X‑Y切铌酸锂单晶压电薄膜，且所述X‑Y切铌酸锂单晶压电薄膜的旋切角为φ，传播角为ψ，‑25°≤φ≤+18°，+19°≤ψ≤+52°。所述声学器件具有高声速、高机电耦合系数和稳定的温度频率特性的特点，使所述声学器件能够满足5G通信系统的应用环境。
Description
技术领域
本实用新型属于声学器件技术领域，具体涉及一种基于纵声表面波的高性能声学器件。
背景技术
声表面波器件是利用声-电换能器的特征对压电材料基片表面上传播的声信号进行各种处理，并完成各种功能的固体器件，包括声表面波滤波器和声表面波谐振器等。声表面波器件主要由具有压电特性的基底材料和在该材料的抛光面上制作的由金属薄膜组成的相互交错的叉指状换能器组成。如果在叉指发射换能器两端加入高频电信号，压电材料的表面就会产生机械振动并同时激发出与外加电信号频率相同的声表面波(SAW)，这种表面声波会沿基板材料表面传播。如果在SAW传播途径上再制作接收叉指换能器，则可将SAW检测并使其转换成电信号。在这电-声-电转换传递过程中进行处理加工，从而得到对输入电信号模拟处理的输出电信号。但目前的声表面波器件存在以下问题。
第一，目前声表面波器件无法做到高频。声表面波器件的工作原理是在压电薄膜上刻蚀叉指电极，通过对叉指电极施加交变电流信号在压电基片中激励出不同模式的声表面波。声表面波谐振器谐振频率为相速度与叉指周期的比值，故可以通过减小电极线宽来提高谐振频率。然而过小的电极线宽限制了器件制作的工艺和电极使用寿命。因此提高基片材料中各声学模式的相速度成为关键之一。传统声学器件使用的压电单晶基片材料为钽酸锂和铌酸锂，其瑞利波模式声速约为3300m/s和3900m/s，同时也使其难以做到高频。
第二，5G频段大带宽的需求给目前的射频声表面波滤波器设计技术带来了很大的挑战。目前声表面波滤波器由声表面波谐振器通过串联和并联的方式组成谐振器。滤波器的工作频率决定于谐振器的谐振频率，滤波器的最大相对带宽决定于谐振器的机电耦合系数。要想设计出相对带宽为4％的梯形滤波器，就需要使谐振器的机电耦合系数达到10％以上。然而目前钽酸锂和铌酸锂瑞利波模式的机电耦合系数分别约为0.7％和5.4％，都无法满足滤波器的设计要求。
第三，温度性能差。温度稳定性决定于声表面波谐振器的频率温度系数TCF，并要求谐振器的TCF尽可能小。一般情况下，当机电耦合系数较高时，此时基片材料对外界干扰较为敏感，基片材料的频率温度系数TCF会很差，从而造成温度漂移，并使滤波器的带宽比实际设计要小。
因此，为了使声表面波器件能够适应高频通信系统和设备的微型化、高频化、大带宽和低温稳定性等要求，优化压电材料和结构并设计出一种高性能声表面波器件是非常有必要的。
村田利用其“IHP-SAW”技术制作的谐振器最高频率为3.5GHz，受限于SAW声速低的缺陷，因此，想要开发5GHz频段的谐振器和滤波器，研究者们开始转向研究纵漏表面波(LLSAW)模式。
2013年，日本山梨大学的S.Kakio研究组通过理论和实验研究发现，在IDT/LiNbO3基片表面覆盖适当厚度的高声速介质薄膜(如非晶AlN膜)能够减小LLSAW的体波损耗，同时其频率温度系数TCF也有所改善，但器件的机电耦合系数却随着AlN膜厚的增大而减小。2018年，S.Kakio研究组又通过理论和实验研究了掺钪(Sc)AlN薄膜对LLSAW传播特性的影响，发现虽然这种薄膜本身具有较大的机电耦合系数，但在改善LiNbO3基片的LLSAW特性方面却与之前研究的非晶AlN膜相似，即只能适当降低LLSAW的体波损耗，但其机电耦合系数仍会随着膜厚的增大而显著减小。因此，这种方法对改善LiNbO3基片中LLSAW传播特性的作用较为有限。
此外，近年来S.Kakio研究组还研究了将LiTaO3和LiNbO3单晶薄膜键合到高声速的AT切或X切石英和蓝宝石(Al2O3)衬底上，以改善这两种基片中的LLSAW传播特性。但从其研究结果来看，虽然LLSAW的体波损耗有所下降，但谐振器的Q值仍然不高。例如他们目前所研究的最好结果是，LLSAW谐振器(X31°-YLiTaO3/X32°-Y石英基片)在200MHz时的谐振Q值和反谐振Q值分别为282和404，有效机电耦合系数为5.6％。本领域技术人员认为，这是因为石英(5100m/s)和蓝宝石(5700m/s)这两种基片的慢剪切体波声速都比LiTaO3和LiNbO3基片中LLSAW声速(6300m/s)低，因此利用这两种基片作为键合衬底是不可能完全消除由体波辐射所引起的损耗，这也就制约了其Q值的进一步提高。
2018年，日本的村田(Murata)公司利用在LiNbO3单晶薄膜与Si衬底间添加反射层的技术，大幅提高了LLSAW谐振器的性能。其原理是利用由低声阻抗材料(SiO2)和高声阻抗材料(Pt)交替构成的声反射层(SiO2/Pt)，将LLSAW在传播过程中所辐射的体波能量反射回LiNbO3压电薄膜，从而减小其在Si衬底中的能量泄露。利用该方法，通过在LiNbO3单晶薄膜与Si衬底间添加五层由SiO2/Pt构成的声反射层，他们所制作的LLSAW谐振器在3.5GHz和5GHz时的Q值分别达到了664和565，得益于SiO2膜的温度补偿特性，器件的频率温度系数TCF也降到了21ppm/℃。但这种技术的工艺较为复杂，对于声反射层SiO2和Pt各层膜厚的精度要求非常严格，因此要量产性能一致的器件比较困难。此外，本领域技术人员认为一定层数的声反射层虽能将大部分的体波能量反射回LiNbO3压电层中，但由于Si衬底的慢剪切体波声速(5800m/s)仍小于LLSAW声速，所以还是会存在部分声能量的泄露问题。
可见，以上相关技术中报道的纵漏表面波器件存在LLSAW能量泄露，传播损耗较大的问题，将会导致纵漏表面波器件的Q值较低，从而影响纵漏表面波器件的性能，例如机电耦合系数小，温度稳定性不足。
实用新型内容
本实用新型是发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：针对目前声表面波器件在高频段应用时存在的LLSAW能量泄露，传播损耗较大，导致Q值小、机电耦合系数小、温度稳定性不足的问题，需要进一步研究，提供一种基于纵声表面波的高性能声学器件，使其具有高声速、高机电耦合系数和稳定的温度频率特性的特点，满足5G通信系统的应用环境。
本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的实施例提出一种基于纵声表面波的高性能声学器件，具有高声速、高的机电耦合系数和稳定的温度频率特性的特点，因此，所述声学器件能够满足5G通信系统的应用环境。
本实用新型实施例的高频纵声表面波声学器件，包括依次叠加的衬底、温度补偿层、压电薄膜和叉指换能器，其特征在于，所述压电薄膜采用X-Y切铌酸锂单晶压电薄膜，且所述X-Y切铌酸锂单晶压电薄膜的旋切角为φ，传播角为ψ，-25°≤φ≤+18°，+19°≤ψ≤+52°。
本实用新型实施例的高频纵声表面波声学器件带来的优点和技术效果为：
在所述铌酸锂单晶压电薄膜当中纵声表面波声速高达6300m/s，利用纵声表面波模式制作的声学器件的频率上限比一般的SAW声学器件的提高1.5倍，适合用于高频通讯系统；
(2)所述金刚石单晶衬底的慢剪切体波声速约为10000m/s，所述铌酸锂单晶压电薄膜当中纵漏表面波声速高达6300m/s，将所述铌酸锂单晶压电薄膜键合在所述碳衬底或所述金刚石衬底上，可以引导声波在低声速区域(压电表面区域)传播，可以将纵漏表面波模式转化为非漏的导波模式，即纵声表面波(LSAW)，从而减小声能量损失，获得高Q值，提高声学器件的性能；
(4)在衬底上设置所述温度补偿层，可以减小所述声学器件的频率温度系数TCF，从而达到较高的温度稳定性，避免所述声学器件产生温度漂移，并使所述声学器件的带宽较大，更能满足5G通信系统的应用环境。
在一些实施例中，φ＝0°，ψ＝+37°。
在一些实施例中，所述压电薄膜的厚度为0.16λ-2λ。
在一些实施例中，所述压电薄膜的厚度为0.18λ。
在一些实施例中，所述衬底为硅衬底或金刚石衬底。
在一些实施例中，所述温度补偿层的厚度为0.16λ-2λ。
在一些实施例中，所述温度补偿层的厚度为0.18λ。
在一些实施例中，所述温度补偿层的厚度与所述压电薄膜的厚度相等。
在一些实施例中，所述叉指换能器的叉指电极采用铝电极。
在一些实施例中，所述器件的机电耦合系数不小于13.5％。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的高频纵声表面波声学器件的结构示意图；
图2是本实用新型实施例1的高频纵声表面波声学器件的机电耦合系数、声速随旋切角φ和传播角ψ变化的二维图；
图3是本实用新型实施例1的高频纵声表面波声学器件的导纳曲线。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
本实用新型实施例提供了一种基于纵声表面波的高性能声学器件，如图1所示，包括依次叠加的衬底、温度补偿层、压电薄膜和叉指换能器，其特征在于，所述压电薄膜采用X-Y切铌酸锂单晶压电薄膜，且所述X-Y切铌酸锂单晶压电薄膜的旋切角为φ，传播角为ψ，-25°≤φ≤+18°，+19°≤ψ≤+52°。
工作原理：铌酸锂作为压电材料，具有各向异性，其声学特性受不同的切向和传播方向的影响。铌酸锂纵漏表面波模式的机电耦合系数较大，本实用新型通过优化切向和膜厚使能量尽可能集中于压电薄膜中，可以增强其机电耦合系数。在以上所述特定的铌酸锂切角和一定的膜厚范围内，纵漏表面波(LLSAW)小于衬底中的慢剪切体波声速时，纵漏表面波(LLSAW)模式会转变为纵声表面波(LSAW)模式，降低了能量损耗，提高了Q值，机电耦合系数达到13.5％以上，降低了频率温度系数TCF，使纵声表面波器件适用于5G通信系统的应用环境。
具体地，需要说明的是，纵声表面波(LSAW)是纵漏表面波(LLSAW)的特殊情况，纵声表面波(LSAW)和纵漏表面波(LLSAW)的区别在于：相较于纵漏表面波(LLSAW)，纵声表面波(LSAW)的传播主要集中在压电表面，因此纵声表面波(LSAW)的能量不会像纵漏表面波(LLSAW)那样有一部分泄漏到衬底中，纵声表面波器件的Q值更高。
图2中(a)描述的是机电耦合系数K2与旋转角φ和传播角ψ之间的关系；图2中(b)描述的是声速Vp与旋转角φ和传播角ψ之间的关系；图2中(b)与(a)是对应关系。结合图2中(a)和(b)可以看出：机电耦合系数和声速是反比关系，机电耦合系数越大，声速越低，所以在实际应用当中，可以根据实际情况对机电耦合系数和声速进行取舍，进一步优选出综合性能更好的声学器件。在一些实施例中，当φ＝0°，ψ＝+37°时，机电耦合系数为18.95％、声速高达5626.41m/s，该条件下获得的声学器件是本实用新型的最优方案。
在一些实施例中，所述压电薄膜的厚度为0.16λ-2λ，在以上优化的膜厚条件下，可以使能量尽可能集中于压电薄膜中，进一步增强其机电耦合系数。λ为叉指换能器周期，λ根据器件中心频率而定，为纵声表面波声速与中心频率的比值。优选地，在一些实施例中，所述压电薄膜的厚度为0.18λ。
此外，为了进一步减小纵声表面波器件的频率温度系数TCF，增加纵声表面波器件的温度稳定性，本实用新型实施例在碳衬底上设置多晶二氧化硅作为温度补偿层2。这是因为多晶二氧化硅薄膜具有与铌酸锂相反的弹性温度系数，这有助于减小纵声表面波器件的频率温度系数TCF，从而达到较高的温度稳定性，避免纵声表面波器件产生温度漂移，并使纵声表面波器件的带宽较大，更能满足5G通信系统的应用环境。
在一些实施例中，温度补偿层2采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长的多晶二氧化硅薄膜，PECVD采用的是低温工艺，可进行大面积沉积，获得的多晶二氧化硅薄膜更均匀。
在一些实施例中，温度补偿层2的厚度为0.16λ-2λ。在以上膜厚的优化条件下，温度补偿层2的温度补偿效果比较明显。优选地，温度补偿层2的厚度为0.18λ。
压电薄膜3的厚度为0.16λ-2λ，温度补偿层2的厚度为0.16λ-2λ。当压电薄膜3和温度补偿层2的厚度过高时，即导波层总厚度过高，会导致声速下降，带宽变小。当压电薄膜3和温度补偿层2的厚度过低时，即导波层总厚度过低，会导致LSAW转化为其他模式，带宽变小。
在一些实施例中，压电薄膜3和温度补偿层2的厚度基本相当。当压电薄膜3和温度补偿层2的厚度之比过高时，会导致模式的转变，此外由于温度补偿层2较薄，导致温度补偿效果不明显。当压电薄膜3和温度补偿层2的厚度之比过低时，会导致模式的转变，声速下降，带宽变小。
在一些实施例中，叉指换能器4叉指电极为铝电极。Al电极厚度范围为0.06λ-0.09λ，优选为0.08λ。铝电极宽度为0.25λ。
下面结合实施例和附图详细描述本实用新型。
实施方式一
一种5G SAW滤波器，结构如图1所示，包括依次叠加的衬底1、温度补偿层2、压电薄膜3和叉指换能器4，衬底1采用Si衬底，温度补偿层2采用PECVD法生长的非晶态二氧化硅薄膜，压电薄膜3采用X-Y切铌酸锂单晶压电薄膜，叉指换能器4采用铝电极。铝电极宽度为0.25λ(也就是金属化率为0.5，λ为叉指换能器周期)。
在XY-LN多层结构中，机电耦合系数、声速随旋切角φ和传播角ψ变化的二维图如图2所示，在仿真不同切向LN在多层膜结构中的声学特性时，为使XY-LN在以Si为衬底的SAW中的一般通用性，未添加铌酸锂单晶压电薄膜下方的温度补偿层2，因为温度补偿层2并不会影响机电耦合系数与切向角之间的变化趋势。
由图2分析得知：X切铌酸锂切割角为Y平面旋转应不小于-25°，不大于+18°，其声表面波传播方向沿Y轴方向，并且传播角的范围为应不大于+52°，不小于+19°，在此范围内使得机电耦合系数K2为：13.5％<K2<18％。
具体案例：在XY-LN中，通过有限元FEM分析，得到铌酸锂最优切向为X37°Y-LN，即旋转角φ旋转0°，传播角为37°。当波长λ为1.12um、叉指换能器4的厚度为0.08λ、压电薄膜3的厚度为0.18λ、温度补偿层2的厚度为0.18λ时，得到导纳曲线如图3所示，此时声波模式为：纵声表面波(LSAW)。结果：机电耦合系数为18.95％、声速高达5626.41m/s，频率温度系数为-45.04ppm/℃；此外由导纳图可看出LSAW的谐振频率达到了5GHz，且通过仿真优化可使得多层结构中的LSAW谐振频率与反谐振频率之间的横向高阶模式得到很好抑制。从而能够应用在高频大带宽SAW滤波器应用设计当中。
针对实施例1的5G SAW滤波器的有益效果：
(1)在本实施方式提出的新切型下，合理的设计材料结构，能够得到大机电耦合系数、高Q值、低频率温度系数的LSAW谐振器，对应着大带宽、高温度稳定性，高功率耐受性的SAW滤波器。
实施方式二
本实施例中，采用金刚石基板作为衬底1，其他条件与实施例1的相同。金刚石代替硅，由于金刚石的超高声速，从而获得更高频率的SAW滤波器。
在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种基于纵声表面波的高性能声学器件，包括依次叠加的衬底、温度补偿层、压电薄膜和叉指换能器，其特征在于，所述压电薄膜采用X-Y切铌酸锂单晶压电薄膜，且所述X-Y切铌酸锂单晶压电薄膜的旋切角为φ，传播角为ψ，-25°≤φ≤+18°，+19°≤ψ≤+52°。
2.根据权利要求1所述的基于纵声表面波的高性能声学器件，其特征在于，所述压电薄膜的厚度为0.16λ-2λ。
3.根据权利要求2所述的基于纵声表面波的高性能声学器件，其特征在于，所述压电薄膜的厚度为0.18λ。
4.根据权利要求1所述的基于纵声表面波的高性能声学器件，其特征在于，所述温度补偿层采用多晶二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的基于纵声表面波的高性能声学器件，其特征在于，所述温度补偿层的厚度为0.16λ-2λ。
6.根据权利要求1所述的基于纵声表面波的高性能声学器件，其特征在于，所述温度补偿层的厚度与所述压电薄膜的厚度相等。
7.根据权利要求1所述的基于纵声表面波的高性能声学器件，其特征在于，所述叉指换能器的叉指电极采用铝电极。
8.根据权利要求1所述的基于纵声表面波的高性能声学器件，其特征在于，所述衬底为硅衬底或金刚石衬底。
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