CN109936344A

CN109936344A - 一种拆分结构谐振器

Info

Publication number: CN109936344A
Application number: CN201811633416.1A
Authority: CN
Inventors: 张孟伦; 庞慰; 杨清瑞
Original assignee: North (tianjin) Microsystems Co Ltd; Tianjin University
Current assignee: North (tianjin) Microsystems Co Ltd; Tianjin University; ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-06-25

Abstract

本发明公开了一种拆分结构谐振器，所述拆分结构谐振器由若干个子谐振器构成谐振器群，所述谐振器群的等效阻抗等同于原单一谐振器的阻抗；每两个相邻所述子谐振器之间至多只存在电学连接，而声学上保持隔离；每个所述的子谐振器都包括下电极、压电层、上电极；本发明不仅增大了等效面积，而且还能增加谐振器的周长面积比，从而提高谐振器的散热性能和电子器件整体的功率容量。

Description

一种拆分结构谐振器

技术领域

本发明涉及一种谐振器，具体涉及一种拆分结构谐振器。

背景技术

利用压电薄膜在厚度方向的纵向谐振所制成的薄膜体波谐振器，在手机通讯和高速串行数据应用等方面已经成为声表面波器件和石英晶体谐振器的一个可行的替代。射频前端体波滤波器/双工器提供优越的滤波特性，例如低***损耗，陡峭的过渡带，较强的抗静电放电(ESD)能力。随着目前通讯等领域对滤波器和谐振器等电子器件功率容量要求的不断提高，滤波器和谐振器的发热量显著增大。高发热带来的高温会造成器件Q值和机电耦合系数大幅下降；此外高温还会造成由谐振器的频率发生漂移；另外高温还会降低器件整体寿命。以上诸多问题最终导致有谐振器构成的滤波器的性能参数如带宽，***损耗，滚降特性，带外抑制等发生严重劣化。

应对发热问题的传统手段是增大谐振器的面积。这种方法在一定功率范围内可有效降低谐振器中的功率密度，从而降低谐振器的工作温度。但单纯依靠增加面积的方法已不能满足当前的谐振器对功率容量的要求，需要对传统结构进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拆分结构谐振器，不仅增大了等效面积，而且还能增加谐振器的周长面积比，从而提高谐振器的散热性能和电子器件整体的功率容量。

一种拆分结构谐振器，所述拆分结构谐振器是由若干个子谐振器构成的谐振器群，所述谐振器群的等效阻抗等同于原单一谐振器的阻抗；每两个相邻所述子谐振器之间至多只存在电学连接，而声学上保持隔离；每个所述的子谐振器都包括下电极、压电层、上电极。

可选地，所述谐振器群上设置有两个引脚，且两个引脚分别占据第一电位点和第二电位点，并与其他电子元件连接。

可选地，所述子谐振器的上电极和/或下电极与其相邻的子谐振器的上电极和/或下电极电学连接。

可选地，所述子谐振器压电层的C轴从一个电位点指向另一个电位点；

可选地，一部分谐振器压电层的C轴可由第一电位点指向第二电位点；另一部分谐振器压电层的C轴可由第二电位点指向第一电位点。

可选地，所述谐振器群的电路由若干个单元串联而成；在每个所述单元中并联入n个(n＞1)的子谐振器和/或所述电路串联入m个(m＞1)单元。

可选地，所述单元具有一定的谐振器压电层‘C轴指向构成’，所述C轴指向构成要求：所述单元内某一子谐振器与其余子谐振器的C轴指向相同或所述单元内某一子谐振器与其余子谐振器中至少一个的C轴指向相反。

可选地，某个所述单元与其余所述单元具有一定的‘单元C轴构成’关系，所述关系要求：某个所述单元和其余所述单元具有相同单元C轴构成关系或某个所述单元和其余所述单元中至少一个单元具有相反单元C轴构成关系。

可选地，所述单元由至少两个相邻的子谐振器并联并与另外至少一个子谐振器串联而成。

可选地，所述上电极与所述下电极由金属、金属的多层复合材料或合金制成；所述金属包括以下至少之一：钼、钌、金、镁、铝、钨、钛、铬、铱、锇。

可选地，所述压电层的材料包括以下至少之一：氮化铝，氧化锌，钛锆酸铅 (PZT)，所述压电材料中掺杂稀土元素。

本发明的有益效果在于：在等效阻抗相同的前提下，将一个谐振器拆分为多个可提高功率容量。采用单纯串联拆分的方式会使每个子谐振器面积变大，虽然面积变大带来功率密度的减小，但如果谐振器面积过大则每个谐振器内热梯度和温度分布更为不均匀，导致谐振器在高功率输入下性能急剧下降；同时面积增大还造成谐振器刚性变差，加剧谐振器在应力作用下的形变，从而导致谐振器Q值下降，最终造成器件性能劣化，稳定性变差，寿命缩短、滤波器整体尺寸过大等问题；而单纯采用并联拆分方式，又会使每个子谐振器面积变小，使谐振器的周长面积比过大，导致每个谐振器的能量损耗率上升，从而降低每个谐振器的Q值，同样会影响谐振器的性能。因此，本发明为了克服上述问题，采用了并联串联拆分形式结合的电路构成方式，使每个子谐振器面积适中，同时提升了谐振器的功率容量。

附图说明

图1为本发明实施例1俯视示意图；

图2为本发明实施例1的电路图；

图2a为本发明实施例1的电路图另一种方式；

图2b为本发明实施例1的电路图另一种方式；

图2c为本发明实施例1的电路图另一种方式；

图3为本发明实施例2的电路图；

图4为本发明实施例2的电路图另一种方式；

图5为说明例1a；

图6为说明例1b；

图7为说明例1c；

图8为说明例1d；

图9为说明例1e。

图中下电极100，压电层120和上电极130。

具体实施方式

以下为本发明的较佳实施方式，但并不因此而限定本发明的保护范围。

实施例1：

A100将传统的单一谐振器***为4个谐振器R101、R102、R103和R104，其抽象电路图为图2所示。

A100的谐振器***原则为等效阻抗***，即确保***后谐振器群的等效阻抗等同于原单一谐振器的阻抗。

图1给出了4谐振器的基本结构示意图和的具体相连方式：

每个谐振器(以R101为例)都具有下电极100，压电层120和上电极130。

R101的上电极具有引脚C100，且R101的上电极与R102的上电极发生电学连接C101，R101的下电极与R102的下电极发生电学连接C103；R102的下电极与R103 的下电极发生电学连接C104；且R103的上电极与R104的上电极发生电学连接 C102，R103的下电极与R104的下电极发生电学连接C105，R104的上电极具有引脚C106。

此处将R101和R102进行并联保证两个谐振器输入电压绝对相同，从而保证这两个谐振器的电学响应完全相同或相反，从而消除谐振器非线性造成的影响或者增强谐振特性；同样的，将R103和R104进行并联也可以达到相同效果。

此处需要说明的是，上述的上电极与所述下电极由钼的多层复合材料或镁制成；每两个相邻谐振器之间至多只存在电学连接，而声学上保持隔离。

此外图2的电路结构可进一步拓展为：(1)在每个并联单元中(如R101和R103 构成的并联单元U101)并联入更多的子谐振器(如图2a所示)；(2)在每个并联单元的每个支路上串连如更多谐振器；或(3)在图2的基础上串联入更多的并联单元(如R101和R103构成的并联单元)(如图2b所示)；或(4)将(1)、(2) 和(3)的方式进行结合。

对于图2所示电路及按上述方式拓展的电路，其中谐振器C轴的指向和构成方式可采用如下形式：

(1)全部谐振器的C轴均由第一电位指向第二电位；或由第二电位指向第一电位。

(2)部分谐振器的C轴由第一电位指向第二电位；另一部分谐振器的C轴由第二电位指向第一电位。

在情况(2)下，可选的，某个单元内(如U101)的任意两个谐振器的C轴均呈现S1或S2构成。其余的拓展单元中至少有一个与上述单元成AU或SU关系；进一步的，若存在p个单元相互之间为SU关系，而q个单元与上述p个单元呈AU 关系，那么p可以等于q，且电路在空间排布上可具有某种对称性(例如周期性或轴对称性等)。

或者可选的，某个单元内(如U101)的至少存在两个谐振器的C轴呈现A1 或A2构成，进一步的，在某个单元内C轴方向相反的谐振器的数量可对等，且电路在空间排布上可具有某种对称性(例如周期性或轴对称性等)。

其余的拓展单元中至少有一个与上述单元成AU或SU关系；进一步的，若存在p个单元相互之间为SU关系，而q个单元与上述p个单元呈AU关系，那么p 可以等于q，且电路在空间排布上可具有某种对称性(例如周期性或轴对称性等)。

采用A1和A2型晶向构成、以及AU和SU单元C轴构成关系可有效抑制电路的非线性效应，如抑制2次及3次谐波等。

上述压电层由氮化铝材料或掺杂稀土元素的氧化锌材料制成。所述压电材料为厚度小于10微米的薄膜。氮化铝薄膜为多晶形态或者单晶形态，生长方式为薄膜溅射(sputtering)或者有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。此外，所述压电材料还可掺入一定比例稀土元素杂质。

以上方式要求最终等效阻抗保持不变。

实施例2：

A200将传统的单一谐振器***为6个谐振器R201、R202、R203、R204、R205 和R206。其抽象电路图为图3所示。

A200的谐振器***原则为等效阻抗***，即确保***后谐振器群的等效阻抗等同于原单一谐振器的阻抗(例如50Ω)。

图3给出了6谐振器的具体相连方式：

R201的上电极具有引脚C200，且R201的上电极与R202的上电极发生电学连接C201；R201的下电极与R203的下电极发生电学连接C204；R202的下电极与R203 的下电极发生电学连接C205；R203的上电极与R204的上电极发生电学连接C202；R204的上电极与R205的上电极发生电学连接C203；R204的下电极与R206的下电极发生电学连接C206；R205的下电极与R206的下电极发生电学连接C207，R206 的上电极具有引脚C208。

此处需要说明的是，上述的上电极与所述下电极由钌的多层复合材料或金制成；每两个相邻谐振器之间至多只存在电学连接，而声学上保持隔离。

此外图3的电路结构可进一步拓展为：(1)在每个并联单元中(如R201和R202 构成的并联单元)并联入更多的子谐振器；(2)在每个并联单元中每个支路中串联入更多的子谐振器；或(3)在图3的串联位置的的谐振器处(如R203和R206 处)串联入更多谐振器；或(4)在图4的基础上串联入更多的单元(形如R201、 R202和R203构成的单元U201，如图4所示)；或(5)将(1)-(4)的方式进行结合。

对于图3所示电路及按上述方式拓展的电路，其中谐振器C轴的指向和构成方式可采用如下形式：

在情况(2)下，某个单元内的任意两个谐振器的C轴均呈现S1或S2构成。其余的拓展单元中至少有一个与上述单元成AU或SU关系；进一步的，若存在p 个单元相互之间为SU关系，而q个单元与上述p个单元呈AU关系，那么p可以等于q，且电路在空间排布上可具有某种对称性(例如周期性或轴对称性等)。

或者可选的，某个单元内的至少存在两个谐振器的C轴呈现A1或A2构成，进一步的，在某个单元内C轴方向相反的谐振器的数量可对等，且电路在空间排布上可具有某种对称性。

上述压电层由氧化锌或掺杂稀土元素的钛锆酸铅料制成。所述压电材料为厚度小于10微米的薄膜。氮化铝薄膜为多晶形态或者单晶形态，生长方式为薄膜溅射(sputtering)或者有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。此外，所述压电材料还可掺入一定比例稀土元素杂质。

以上方式要求最终等效阻抗保持不变。

实施例3

本实施例为本发明子谐振器C轴指向和C轴指向构成的预备性说明：

C轴指向定义为一个体声波谐振器或谐振器群中某个体声波谐振器中氮化铝压电层中的晶轴相对于施加于体声波谐振器两个电极引脚之上或谐振器群的两个引脚上的电位的关系。

在说明例1a中，在两个相异的电位点P1和P2之间并联有谐振器R1和R2，谐振器R1的一侧电极具有电位P1,另一侧电极具有电位P2。而R1中压电层的晶轴从电位P1侧指向电位P2侧。

谐振器R2的一侧电极具有电位P1,另一侧电极具有电位P2。而R2中压电层的晶轴从电位P2的侧指向电位P1侧。

那么对于给定的两个参考电位点P1和P2，则称R1和R2的C轴是相反的。此外，R1和R2反向的情况还包含R1的C轴由P2指向P1同时R2的C轴由P1指向 P2。

若R1和R2的C轴均为为由P1指向P2，则称R1和R2的C轴同向。此外R1 和R2的C轴同向的情况还包含R1和R2的C轴均为为由P2指向P1。

上述对于R1和R2的C轴方向描述规则同样适用于说明例1b所示的串联情况，而C轴指向构成指的是处于一定电学链接关系的另一个振器的C轴指向的间的相对关系。

在说明例1a中，R1和R2的并联结构就形成了一种C轴指向构成，R1和R2 的c轴同向，则称R1和R2的C轴构成为同向并联C轴构成(简称S1构成)，否则称为反向并联C轴构成(简称A1构成)。

同样的，如说明例1b所示，若是R1和R2是串联关系，当R1和R2的C轴同向时，称R1和R2的C轴构成为同向串联C轴构成(简称S2构成)；当R1和R2 的C轴反向时，称R1和R2的C轴构成为反向串联C轴构成(简称A2构成)。

对于串并联结合的电路，同样可以定义其中某两个谐振器的C轴的构成。如说明例1c所示,R1和R2构成并联单元，然后再和R3串联。其中R1和R2的c 轴形成A1构成，R1和R3的C轴形成A2构成，而R2和R3的C轴形成S2构成。

通常谐振器电路还可以以某个结构单元进行拓展，例如说明例1d所示，U1 单元中具有的结构为：R1和R2并联再和R3串联，而U2单元内的结构为U1单元电路结构的重复。这时，若如例1d所示，U1中每个谐振器(例如R1)的C轴均与其在U2中对应的谐振器(例如R1’)的C轴方向相同,则称U1和U2具有相同的单元C轴构成(简称两个单元的C轴构成呈SU关系)。

若情况如例1e所示：即U1中每个谐振器(例如R1)的C轴均与其在U2中对应的谐振器(例如R1’)的C轴方向相反，则称U1和U2具有相反的单元C轴构成(简称两个单元的C轴构成呈AU关系)。

本发明设计的拆分结构谐振器，在等效阻抗相同的前提下，将一个谐振器拆分为多个可提高功率容量。采用单纯串联拆分的方式会使每个子谐振器面积变大，虽然面积变大带来功率密度的减小，但每个谐振器内热梯度和温度分布更为不均匀，导致谐振器在高功率输入下性能急剧下降；同时面积增大还造成谐振器刚性变差，加剧谐振器在应力作用下的形变，从而导致谐振器Q值下降，最终造成器件性能劣化，稳定性变差，寿命缩短、滤波器整体尺寸过大等问题；而单纯采用并联拆分方式，又会使每个子谐振器面积变小，使谐振器的周长面积比过大，导致每个谐振器的能量损耗率上升，从而降低每个谐振器的Q值，同样会影响谐振器的性能。因此，本发明为了克服上述问题，采用了并联串联拆分形式结合的电路构成方式，使每个子谐振器面积适中，同时提升了谐振器的功率容量。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述拆分结构谐振器是由若干个子谐振器构成的谐振器群，所述谐振器群的等效阻抗等同于原单一谐振器的阻抗；每两个相邻所述子谐振器之间只存在电学连接，而声学上保持隔离；每个所述的子谐振器都包括下电极、压电层、上电极。

2.根据权利要求1所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述谐振器群上设置有两个引脚，且两个引脚分别占据第一电位点和第二电位点，并与其他电子元件连接。

3.根据权利要求1所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述子谐振器的上电极和/或下电极与其相邻的子谐振器的上电极和/或下电极电学连接。

4.根据权利要求1所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述子谐振器压电层的C轴从一个电位点指向另一个电位点。

5.根据权利要求4所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：一部分谐振器压电层的C轴可由第一电位点指向第二电位点；另一部分谐振器压电层的C轴可由第二电位点指向第一电位点。

6.根据权利要求1所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述谐振器群的电路由若干个单元串联而成；在每个所述单元中并联入n个(n＞1)的子谐振器和/或所述电路串联入m个(m＞1)单元。

7.根据权利要求4、5或6所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述单元具有一定的谐振器压电层‘C轴指向构成’，所述C轴指向构成要求：所述单元内某一子谐振器与其余子谐振器的C轴指向相同或所述单元内某一子谐振器与其余子谐振器中至少一个的C轴指向相反。

8.根据权利要求7所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：某个所述单元与其余所述单元具有一定的‘单元C轴构成’关系，所述关系要求：某个所述单元和其余所述单元具有相同单元C轴构成关系或某个所述单元和其余所述单元中至少一个单元具有相反单元C轴构成关系。

9.权利要求6所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述单元由至少两个相邻的子谐振器并联再与另外至少一个子谐振器串联而成。

10.根据权利要求4、5或9所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述单元具有一定的谐振器压电层‘C轴指向构成’，所述C轴指向构成要求：所述单元内某一子谐振器与其余子谐振器的C轴指向相同或所述单元内某一子谐振器与其余子谐振器中至少一个的C轴指向相反。

11.根据权利要求10所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：某个所述单元与其余所述单元具有一定的‘单元C轴构成’关系，所述关系要求：某个所述单元和其余所述单元具有相同单元C轴构成关系或某个所述单元和其余所述单元中至少一个单元具有相反单元C轴构成关系。

12.据权利要求1或3所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述上电极与所述下电极由金属、金属的多层复合材料或合金制成；所述金属包括以下至少之一：钼、钌、金、镁、铝、钨、钛、铬、铱、锇。

13.据权利要求1所述的一种拆分结构谐振器，其特征在于：所述压电层的材料包括以下至少之一：氮化铝，氧化锌，钛锆酸铅(PZT)，所述压电材料中掺杂稀土元素。