一种具有高机电耦合系数的体声波谐振器

1.本发明属于mems谐振器领域，具体涉及一种具有高机电耦合系数的体声波谐振器。


背景技术：

2.射频滤波器是作为射频前端的核心器件，在移动通讯、物联网等领域有非常广阔的应用。当前主流的射频滤波器有声表面波和体声波两种类型，其中体声波滤波器适用于频率较高的场景，随着以5g为代表的高频通信技术的普及，体声波滤波器的需求更为迫切。目前较为成熟的薄膜体声波滤波器主要采用aln作为压电材料，但受限于其材料特性，机电耦合系数kt2较低，更多用于窄带滤波器设计；为了具有更大的带宽，近年来，有研究者在薄膜体声波滤波器原有结构基础上，通过图形化电极层或采用刻蚀压电层并配合差分信号输入的方式，实现有效机电耦合系数的提升，但是这两种方式提升的耦合系数有限。因此，有必要对现有的基于aln薄膜的体声波谐振器进行改进，以提升机电耦合系数，获得更高带宽。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于：针对体声波滤波器带宽较窄的问题，提出一种具有高机电耦合系数的体声波谐振器，该结构通过多个谐振单元周期性排列形成的栅结构，配合谐振单元尺寸约束，实现了机电耦合系数的提升，拓宽了体声波谐振器的带宽。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种具有高有效机电耦合系数的体声波谐振器，包括支撑衬底、多个谐振单元周期性排列形成的栅结构；所述支撑衬底通过刻蚀形成空腔结构；所述栅结构悬置于空腔上方并与支撑衬底抵接，形成栅结构的每个谐振单元都由自下而上依次设置的底电极层、压电薄膜层和顶电极层组成，且谐振单元内顶电极层的横向尺寸标准化宽度d
te
或底电极层的横向尺寸标准化宽度d
be
≤压电层的横向尺寸标准化宽度d
pz
。
6.进一步的，所述谐振单元中压电层的横向尺寸标准化宽度为d
pz
，d
pz
≤λ/2，其中λ为体声波波长。
7.进一步的，所述谐振单元内顶电极层的横向尺寸标准化宽度d
te
≤底电极层的横向尺寸标准化宽度d
be
。
8.进一步的，所述压电薄膜层选取材料为aln，其c轴方向垂直于谐振器。
9.进一步地，所述支撑衬底为硅基衬底。
10.本发明的有益效果为：本发明提供的一种具有高机电耦合系数的体声波谐振器，通过多个谐振单元周期性排列形成的栅结构，配合单个谐振单元横向尺寸约束，改变谐振器的应力分布，实现了机电耦合系数的提升，拓宽了体声波谐振器的带宽。
附图说明
11.图1为本发明的谐振器中谐振单元结构示意图；其标准化宽度分别为d
te
、d
pz
和d
be
。
12.图2为本发明的谐振器横向截面图；
13.图3为本发明的谐振器俯视图；
14.图4为本发明的谐振器侧视图；
15.图5为本实施例谐振器的仿真导纳曲线图；
16.附图标记：
17.1、顶电极层，2、压电薄膜层，3、底电极层，4、支撑衬底，d
te
表示顶电极层标准化宽度，d
pz
表示压电薄膜层标准化宽度，d
be
表示顶电极层标准化宽度,w表示谐振单元中电极条的孔径。
具体实施方式
18.为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
19.如图1、图2、图3、图4所示，本实施例提供的一种具有高有效机电耦合系数的体声波谐振器，包括支撑衬底4、多个谐振单元周期性排列形成的栅结构；所述支撑衬底通过刻蚀形成空腔结构；所述栅结构悬置于空腔上方并与支撑衬底4抵接，形成栅结构的每个谐振单元都由自下而上依次设置的底电极层3、压电薄膜层2和顶电极层1组成。本实施例中，所述支撑衬底4为硅基衬底，底电极层3和顶电极层1采用材料为mo，压电薄膜层选取材料为aln，其c轴方向垂直于谐振器。谐振单元内，顶电极层1的横向尺寸标准化宽度d
te
≤压电薄膜层2的横向尺寸标准化宽度d
pz
，所述的底电极层3的横向尺寸标准化宽度d
be
≤压电薄膜层2的横向尺寸标准化宽度d
pz
，压电层的横向尺寸标准化宽度为d
pz
，d
pz
≤λ/2，其中λ为体声波波长。
20.使用时，谐振器上下电极之间施加交流电压，器件导纳可用bvd模型的表达为：
21.z＝(1-k
t2t
tan(θ)/θ)/(jωc0)
22.其中，c0为静态电容，k
t2
为压电层的机电耦合系数，θ为声波在上下电极间传播所经历的相位变化，ω为角频率。当器件工作在串联谐振频率fs时，1-k
t2t
tan(θ)/θ＝0，此时器件导纳达到极大值；当器件工作在并联谐振频率fp时，声传播波长λ近似为2d
pz
,此时器件声反射系数为1，导纳达到极小值。
23.上述具有高有效机电耦合系数的体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
24.步骤1、在硅基衬底上，采用刻蚀法形成空气槽；
25.步骤2、在空气槽中沉积牺牲层并进行化学机械抛光；
26.步骤3、在牺牲层上采用磁控溅射法生长0.12um厚的底电极层3；
27.步骤4、在底电极上采用磁控溅射法生长1.525um厚的压电薄膜层2；
28.步骤5、在压电薄膜层上磁控溅射法生长0.12um厚的顶电极1；
29.步骤6、对底电极层、压电薄膜层进行干法刻蚀，形成周期性栅结构，周期为1.5um，d
pz
＝d
be
＝1.275um。
30.步骤7、释放牺牲层，使栅结构悬置于空气槽上。
31.如图5所示，本实施例的谐振器串联谐振点fs＝2.375ghz，并联谐振点fa＝
2.481ghz，有效机电耦合系数为1.01。可见，通过多个谐振单元周期性排列形成的栅结构，配合谐振单元尺寸约束，实现了机电耦合系数的提升，拓宽了体声波谐振器的带宽。
32.以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和实施效果进行了详细说明，应理解为上述案例仅为本发明的最优实施例，不限于上述的实施方式，在本发明的设计原则范围内所作的改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种具有高有效机电耦合系数的体声波谐振器，其特征在于，包括支撑衬底、多个谐振单元周期性排列形成的栅结构；所述支撑衬底通过刻蚀形成空腔结构；所述栅结构悬置于空腔上方并与支撑衬底抵接，形成栅结构的每个谐振单元都由自下而上依次设置的底电极层、压电薄膜层和顶电极层组成，且谐振单元内顶电极层的横向尺寸标准化宽度d
te
或底电极层的横向尺寸标准化宽度d
be
≤压电层的横向尺寸标准化宽度d
pz
。2.如权利要求1所述的一种具有高有效机电耦合系数的体声波谐振器，其特征在于：所述谐振单元中压电层的横向尺寸标准化宽度为d
pz
，d
pz
≤λ/2，其中λ为体声波波长。3.如权利要求1所述的一种具有高有效机电耦合系数的体声波谐振器，其特征在于：所述谐振单元内顶电极层的横向尺寸标准化宽度d
te
≤底电极层的横向尺寸标准化宽度d
be
。4.如权利要求1所述的一种具有高有效机电耦合系数的体声波谐振器，其特征在于：所述压电薄膜层选取材料为aln，其c轴方向垂直于谐振器。5.如权利要求1～4任一项所述的一种具有高有效机电耦合系数的体声波谐振器，其特征在于：所述支撑衬底为硅基衬底。

技术总结
本发明属于MEMS谐振器领域，具体涉及一种具有高机电耦合系数的体声波谐振器，包括支撑衬底、多个谐振单元周期性排列形成的栅结构；所述支撑衬底通过刻蚀形成空腔结构；所述栅结构悬置于空腔上方并与支撑衬底抵接，形成栅结构的每个谐振单元都由自下而上依次设置的底电极层、压电薄膜层和顶电极层组成，且谐振单元内顶电极层的横向尺寸标准化宽度d


技术研发人员：吴晓彬 钟慧 刘湉隽 李天年 李世中
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/24