CN112564666B - 一种中空型超高频谐振器 - Google Patents

Description

一种中空型超高频谐振器

技术领域

本发明属于谐振器技术领域，特别涉及一种中空型超高频谐振器。

背景技术

5G/6G时代已经到来，移动通讯终端对滤波器开始要求更高的频率和更大的带宽，从而对谐振器的性能提出了更高的要求。声波滤波技术因其优异的高频使用性能显得尤为重要，因此，实现高品质因子的谐振器组件对低插入损耗、陡峭的滤波器裙边，高的带外抑制的滤波器起着至关重要的作用，尤其是高频谐振器。

这对现有的基于钽酸锂(LiTaO₃)/铌酸锂(LiNbO₃)的声表面波(SAW)和基于AlN的体声波(BAW)技术提出了严峻的挑战，这些技术通常受到较低的声耦合、较窄的带宽以及对高频的尺寸要求越来越小的限制。

最近提出了一种横向激励的剪切模式声波谐振器(XBARs)，其损耗低，相对带宽可超过10％，从而有超高的机械耦合系数。新型XBAR的结构相对简单，包括上表面金属化正负电极系统，但金属化率很小。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种能有效提高谐振器的机电耦合系数的中空型超高频谐振器。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种中空型超高频谐振器，包括衬底、压电层和电极，压电层置于衬底之上；压电层的上表面部分或全部刻蚀形成环形压电层，第一、第二电极沉积在压电层上。

在上述的中空型超高频谐振器中，压电层上表面的刻蚀深度占压电层厚度的1％-100％。

在上述的中空型超高频谐振器中，压电层刻蚀形成的截面形状为：圆形、规则多边形或不规则多边形。

在上述的中空型超高频谐振器中，压电层采用的材料包括铌酸锂、钽酸锂和氮化铝。

在上述的中空型超高频谐振器中，第一、第二电极为嵌入型电极，其截面形状为：圆形、规则多边形或不规则多边形；嵌入型电极的材料为铂、钼、铜、铝或金。

在上述的中空型超高频谐振器中，第一、第二电极之间的间距至少大于二倍声波波长；第一、第二电极排列方式为规则图形或不规则图形。

在上述的中空型超高频谐振器中，衬底为硅、蓝宝石衬底、SOI衬底。

本发明的有益效果是：本发明超高频谐振器的压电层上部或全部被刻蚀去一部分，成为环形压电层，使得在压电层中的应力得到释放，也使得电极的相对金属率得到提高，使压电层的压电性能得到更好的表现，使得压电层产生更强的耦合效应，从而使得谐振器的机电耦合系数增加，并能去除阻抗曲线中部分杂波。

而且本发明可以达到很高的谐振频率，且在很高的谐振频率下实现高机电耦合系数，超高频且高机电耦合系数对后续搭建滤波器的性能起了决定的作用，其结构可以突破5GHz，实现更高频更高性能的芯片。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的中空型超高频谐振器的俯视图；

图2为本发明一个实施例提供的中空型超高频谐振器的结构示意图；

图3为本发明一个实施例压电层截面形状为正方形的中空型超高频谐振器俯视图；

图4为本发明一个实施例压电层截面形状为矩形的中空型超高频谐振器俯视图；

图5为本发明一个实施例中空型超高频谐振器的截面结构示意图；

图6为现有技术的二维谐振器的截面结构示意图；

图7为本发明一个实施例中空型超高频谐振器和现有技术二维谐振器的阻抗曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例一种中空型超高频谐振器结构，通过压电层上部或全部被刻蚀去一部分，成为环形压电层，使得在压电层中的应力得到释放，也使得电极的相对金属率得到提高，使压电层的压电性能得到更好的表现，使得压电层产生更强的耦合效应，从而使得谐振器的机电耦合系数增加，并能去除阻抗曲线中部分杂波。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种中空型超高频谐振器,包括：衬底、环形压电层，嵌入型正负电极；压电层上部部分或全部被刻蚀，成为环形压电层，嵌入型正负电极依次排列在环形压电薄膜上表面，嵌入式正负电极之间的间距至少大于二倍声波波长，压电层置于衬底上。

而且，压电材料刻蚀形成的截面形状可图案化为：圆形、正方形、矩形、规则多边形或不规则多边形。压电层材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝；压电层刻蚀深度占压电层厚度的1％到100％之间；

而且，嵌入型正负电极截面要求的形状可为：圆形、正方形、矩形、规则多边形或不规则多边形；嵌入型正负电极排列方式为多边形、圆环状、规则图形或不规则图形；嵌入型电极的材料为铂、钼、铜、铝或金。

而且，衬底为硅、蓝宝石衬底或者SOI衬底。

具体实施时，一种中空型超高频谐振器，如图2所示，压电层103上部或全部被刻蚀去一部分，成为环形压电层，再将第一、第二电极101、102沉积在压电层103上。图2所示，压电层103上部被刻蚀去一部分，成为上部环形压电层，第一、第二电极101、102沉积到压电层103上的超高频谐振器结构。如图3所示，压电层103上部被完全刻蚀，成为环形压电层，第一、第二电极101、102沉积到压电层103上的超高频谐振器的俯视图。本实施例并不限定压电层被刻蚀的深度，例如可以是压电层被刻蚀1/2或者1/3。

本实施例并不对压电层103的形状和第一、第二电极101、102的形状进行限定。压电层103截面形状可为圆形，或者正方形(如图1所示)、矩形(如图4所示)等规则多边形，当然也可以是不规则多边形。第一、第二电极101、102截面要求的形状可为圆形(如图1所示)，或者环形(如图3所示)、矩形、正方形等规则多边形，当然也可以是不规则多边形。

第一、第二电极101、102整体排列方式为正方形、矩形、菱形、规则图形(如圆环状)或不规则图形。

此外，衬底104上带有刻蚀的空腔，空腔通过牺牲层填充刻蚀或为背向刻蚀。本并不对材料进行限定，衬底104可为为硅、蓝宝石衬底或者SOI衬底，压电层103可为铌酸锂、钽酸锂或氮化铝等压电材料，第一、第二电极101、102材料可为铂、钼、铜、铝或金等金属。

此外，相邻电极101、102的间距可大于二倍声波波长。

压电层103中的第一、第二电极101、102被交替施加上正负电压后，压电层103内部会产生多方向的电场耦合，第一、第二电极101、102沉积到压电层103的排布方式产生的电场使得压电层103内部的e₁₅与e₂₄产生耦合，由经典压电方程：

T＝Cs-eE

D＝εE+eS+

其中：

T是压电层中的应力；C是压电材料的弹性系数；s是压电材料的应变；e是压电材料的压电应力常数；E是电场强度；D是电位移。e₁₅与e₂₄的耦合使得该结构的电场激增，提升谐振器的机电耦合系数；同时本实施例结构的压电层上部或全部被刻蚀去一部分，成为环形压电层，使得在压电层中的应力得到释放，电极的相对金属率得到提高，压电层的压电性能得到更好的表现，压电层产生更强的耦合效应，从而使得谐振器的机电耦合系数增加，并能去除阻抗曲线中部分杂波。

图7是本实施例的正方形压电层103上部被完全刻蚀，成为环形压电层，圆形电极沉积到压电层表面作为实施例时的谐振器的阻抗曲线，串联谐振频率f_s和并联谐振频率f_p之间的频率间隔Δf决定了谐振器的机电耦合系数K² _eff的大小，可用下列公式计算：

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种中空型超高频谐振器，包括衬底、压电层和电极，压电层置于衬底之上；其特征是，所述压电层的上表面部分或全部刻蚀形成环形压电层以及压电层被刻蚀区域，所述电极包括第一、第二电极，所述第一、第二电极沉积在所述环形压电层上；

所述第一、第二电极依次排列在环形压电层上表面并完全环绕所述压电层被刻蚀区域；且不分布于所述压电层被刻蚀区域内；其中，所述相邻第一、第二电极之间的间距至少大于二倍声波波长。

2.如权利要求1所述的中空型超高频谐振器，其特征是，压电层上表面的刻蚀深度占压电层厚度的1％-100％。

3.如权利要求1或2所述的中空型超高频谐振器，其特征是，压电层刻蚀形成的截面形状为：圆形、规则多边形或不规则多边形。

4.如权利要求3所述的中空型超高频谐振器，其特征是，压电层采用的材料包括铌酸锂、钽酸锂和氮化铝。

5.如权利要求1所述的中空型超高频谐振器，其特征是，第一、第二电极为嵌入型电极，其截面形状为：圆形、规则多边形或不规则多边形；嵌入型电极的材料为铂、钼、铜、铝或金。

6.如权利要求1所述的中空型超高频谐振器，其特征是，第一、第二电极排列方式为规则图形或不规则图形。

7.如权利要求1所述的中空型超高频谐振器，其特征是，衬底为硅、蓝宝石衬底、SOI衬底。