CN110868187B - 一种基于弧形电极的超高频谐振器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弧形电极的超高频谐振器结构，包括压电材料和多个弧形形状的电极；弧形形状的电极布置在压电材料表面上，相邻电极上施加交替的正负电压，电极之间的距离范围为1‑100个波长，所述波长根据电极的间距及谐振频率确定。本发明的超高频谐振器的谐振频率可以达到6GHz，完全可以很好的满足5G市场的需求，且本发明实例的谐振器结构可以达到大于40％的超高的机电耦合系数。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器领域，尤其涉及一种基于弧形电极的超高频谐振器结构。
背景技术
为了响应无线移动中对越来越多更快的数据传输的需求，出现了针对当前和未来前端模块的更严格的新的规范。为了在满足更严格规范的同时保持较小的外形尺寸，想在不同的工作频带之间进行选择就需要高性能的滤波器。
众所周知，自20世纪90年代以来，基于压电材料(如LiNbO3或LiTaO3)的声表面波(SAW)滤波器占据了带通滤波器市场的主导地位，但由于缺乏能量约束，特别是在垂直方向，其品质因数(Q)受到限制，而且由于瑞利波滤波器的低相速度，使频率难以超过3GHz，很大程度上阻碍了它的应用，而分立的de基片又为进一步与集成电路的集成带来了障碍。在过去十年中，基于互补金属氧化物半导体(CMOS)可以兼容氮化铝(AlN)薄膜，压电微电子机械(MEMS)谐振器，如薄膜体声波谐振器(FBAR)和固体安装谐振器(SMR)，由于这两种谐振器能量有限，且AlN薄膜的d33很大，可以获得很高的Q值，这为搭建高性能的滤波器奠定了基础。然而，这种器件的中心频率是由薄膜厚度本身决定的，因此实现单片多波段集成具有很大的挑战性。
利用叉指换能器(IDTs)激发压电材料低阶对称兰姆波的压电氮化铝MEMS谐振器是这些年来研究的热点。兰姆波谐振器能够同时解决saw谐振器面临的直接积分问题、低频和低Q值得限制以及FBAR和SMR面临的多频性能问题。在AlN薄膜中,S0模态具有很高的相速度，最高可达10000m/s，很容易使共振频率超过4GHz，可以产生良好得弱相速度色散，大约26ppm/c的小温度频率系数(TCF)和高Q值(即，1000–3000)，制造流程简单。而且，普通的AlN兰姆波波谐振器通常表现出中等的有效机电耦合系数(k为3％左右)，这限制了其在滤波器中的应用，因为K值直接与滤波器的部分带宽(BW)有关，决定了***损耗和轮廓尺寸。因此，对压电AlN兰姆波谐振器中的电极进行优化是进一步实现大带宽、低***损耗滤波器的理想途径。
不仅如此，随着5G的出现和应用，LWR、FBAR和SMR等现有的谐振器结构难以实现这么超高频的频段需求。因此为了满足更高的需求，急需新型超高频谐振器结构的提出。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于弧形电极的超高频谐振器结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于弧形电极的超高频谐振器结构，包括压电材料和多个弧形形状的电极；弧形形状的电极布置在压电材料表面上，相邻电极上施加交替的正负电压，电极之间的距离范围为1-100个波长，所述波长根据电极的间距及谐振频率确定。
进一步地，本发明的电极的形状具体包括：具有一定宽度的圆弧形；具有一定宽度的类圆弧形，所述类圆弧形为多段拐角的折线状。
进一步地，本发明的所有电极大小保持一致，或者电极大小不一致。
进一步地，本发明的弧形电极的圆心角的角度范围是0-180度。
进一步地，本发明的电极材料为金属材料，包括：铂、钼、锌、铝。
进一步地，本发明的影响电极阻抗的参数包括：电极位置，电极几何中心到压电材料边缘的距离，两个电极之间的几何距离，电极的宽度。
进一步地，本发明的压电材料包括氮化铝，还包括掺杂氮化铝、PZT、铌酸锂、钽酸锂、氧化锌。
进一步地，本发明的弧形电极的排列方式包括：
多个弧形电极的开口侧朝单一方向线性排列；
多个弧形电极的开口侧朝多个方向线性排列；
多个弧形电极呈多行进行排列，每行的电极在一条直线上；
多个弧形电极呈多行进行排列，每行的电极交错排列。
进一步地，本发明的对压电材料图案化，其形状包括多边形，或者不规则图形。
进一步地，本发明的所述波长根据电极的间距、谐振频率进行确定的方法为：
兰姆波在压电材料的传播方程为：
f＝v/λ，f为谐振器频率，v为声波传播的相速度，λ为声波波长，
在该超高频谐振器结构中：
p＞n*λ，其中p为相邻两电极的间距，n为正实数，n>1，在相邻两电极之间激发了波长λ小于电极间距p的波，从而谐振器的谐振频率实现超高频段；压电层上表面的上电极被交替施加上正负电压后，其压电层内部会产生多方向的电场耦合，通过该超高频谐振器结构电极的排布方式使得压电层内部的e15与e24产生耦合，其调节过程为：
根据经典压电方程：
T＝cS-eE
D＝εE-eS
其中，T为应力矩阵，S为应变矩阵，c为压电材料刚度矩阵，e为压电应力矩阵，ε为压电材料介电矩阵；
根据压力应力矩阵e对谐振器机电耦合系数进行调整，压电应力矩阵为：
其中，e15、e22、e24、e31、e33分别为对应压电材料各方向的压电系数；
通过耦合e15和e24两个方向的压电系数，耦合了这两个方向的电场，进而实现了谐振器的大带宽。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于弧形电极的超高频谐振器结构，谐振频率可以达到6GHz，可以很好的满足5G市场的需求，且本发明的谐振器结构可以达到大于40％的超高的机电耦合系数。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是根据本发明实施例的圆弧状电极的谐振器结构；
图2是根据本发明实施例的圆弧状电极的谐振器结构的正视图；
图3是根据本发明实施例的其他几种圆弧电极阵列排布方式的示意图；
图4是根据本发明实施例的另一种圆弧状电极谐振器结构；
图5是根据本发明实施例的多拐角类圆弧状谐振器结构；
图6是根据本发明实施例的圆弧状电极谐振器振幅图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明新型超高频谐振器结构示意图。如图所示，压电材料1的上表面由呈圆弧状的正电极2和负电极3,压电材料下表面无电极结构。正负电极交错排布。
图2为本发明新型超高频谐振器结构的正视图。如图所示，2为圆弧状电极圆弧尺寸的半径大小，2为相邻两个电极圆弧所在圆心的间距p，此间距2的范围为1-500波长，3和4为电极距压电材料边缘的距离，5为圆弧状电极的宽度，6为圆弧状电极的圆心度，此角度6的范围为0-180度。图中1-6都是影响本发明谐振器性能的重要参数。
图3是本发明三种不同电极排布的超高频谐振器结构的正视图。圆弧状电极的半径大小1、同一行相邻圆弧状电极的圆心间距2、圆弧状电极与压电材料边缘的距离3、相邻两行圆弧状电极的圆心间距4都是影响此结构谐振器的重要参数，本发明结构中相邻圆弧电极的圆心间距2、4的范围都要在1-100个波长范围内，圆弧状电极与压电材料边缘的距离3优选为波长的整数倍，但也不仅限于波长的整数倍，圆弧状电极的半径大小1与所需谐振器所在的频段有关，考虑到本结构的加工工艺条件，圆弧状电极的半径大小1优选大于0.3微米；如图所示，电极可以延一个方向阵列排布，也可以延多个不同方向阵列排布，还可以错开排布。
图4是本发明另一种谐振器结构示意图。如图所示，压电材料1可以图案化，不仅仅限于多边形，还可以是各种不规则图形，例如图中的形状。
图5是本发明实例的多拐角类圆弧状电极谐振器结构示意图。如图所示，2、4压电材料上表面布置有多拐角类圆弧状的电极结构1和3。
图6是根据本发明实施例图1所示的超高频谐振器的阻抗曲线示意图，其串联谐振频率fs和并联谐振频率fp之间的频率间隔Δf决定了谐振器的机电耦合系数
的大小，可用下列公式计算：
如图6所示，本超高频谐振器的谐振频率可以达到6GHz，完全可以很好的满足5G市场的需求，且本发明实例的谐振器结构可以达到大于40％的超高的机电耦合系数。
所述波长根据电极的间距、谐振频率进行确定的方法为：
兰姆波在压电材料的传播方程为：
f＝v/λ，f为谐振器频率，v为声波传播的相速度，λ为声波波长，
在该超高频谐振器结构中：
p＞n*λ，其中p为相邻两电极的间距，n为正实数，n>1，在相邻两电极之间激发了波长λ小于电极间距p的波，从而谐振器的谐振频率实现超高频段；压电层上表面的上电极被交替施加上正负电压后，其压电层内部会产生多方向的电场耦合，通过该超高频谐振器结构电极的排布方式使得压电层内部的e15与e24产生耦合，其调节过程为：
根据经典压电方程：
T＝cS-eE
D＝εE-eS
其中，T为应力矩阵，S为应变矩阵，c为压电材料刚度矩阵，e为压电应力矩阵，ε为压电材料介电矩阵；
根据压力应力矩阵e对谐振器机电耦合系数进行调整，压电应力矩阵为：
其中，e15、e22、e24、e31、e33分别为对应压电材料各方向的压电系数；
通过耦合e15和e24两个方向的压电系数，耦合了这两个方向的电场，进而实现了谐振器的大带宽。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，包括压电材料和多个弧形形状的电极；弧形形状的电极布置在压电材料表面上，相邻电极上施加交替的正负电压，电极之间的距离范围为1-100个波长，所述波长根据电极的间距及谐振频率确定；
所述波长根据电极的间距、谐振频率进行确定的方法为：
兰姆波在压电材料的传播方程为：
f＝v/λ，f为谐振器频率，v为声波传播的相速度，λ为声波波长，
在该超高频谐振器结构中：
p＞n*λ，其中p为相邻两电极的间距，n为正实数，n>1，在相邻两电极之间激发了波长λ小于电极间距p的波，从而谐振器的谐振频率实现超高频段；压电层上表面的上电极被交替施加上正负电压后，其压电层内部会产生多方向的电场耦合，通过该超高频谐振器结构电极的排布方式使得压电层内部的e15与e24产生耦合，其调节过程为：
根据经典压电方程：
T＝cS-eE
D＝εE-eS
其中，T为应力矩阵，S为应变矩阵，c为压电材料刚度矩阵，e为压电应力矩阵，ε为压电材料介电矩阵；
根据压力应力矩阵e对谐振器机电耦合系数进行调整，压电应力矩阵为：
其中，e15、e22、e24、e31、e33分别为对应压电材料各方向的压电系数；
通过耦合e15和e24两个方向的压电系数，耦合了这两个方向的电场，进而实现了谐振器的大带宽。
2.根据权利要求1所述的基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，电极的形状具体包括：具有一定宽度的圆弧形；或，具有一定宽度的类圆弧形，所述类圆弧形为多段拐角的折线状。
3.根据权利要求1所述的基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，所有电极大小保持一致，或者电极大小不一致。
4.根据权利要求1所述的基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，弧形电极的圆心角的角度范围为0<圆心角≤180°。
5.根据权利要求1所述的基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，电极材料为金属材料，包括：铂、钼、锌、铝中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，影响电极阻抗的参数包括：电极位置，电极几何中心到压电材料边缘的距离，两个电极之间的几何距离，电极的宽度。
7.根据权利要求1所述的基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，压电材料包括氮化铝，还包括掺杂氮化铝、PZT、铌酸锂、钽酸锂、氧化锌的一种或多种的组合。
8.根据权利要求1所述的基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，弧形电极的排列方式包括：
多个弧形电极的开口侧朝单一方向线性排列；
或，多个弧形电极的开口侧朝多个方向线性排列；
或，多个弧形电极呈多行进行排列，每行的电极在一条直线上；
或，多个弧形电极呈多行进行排列，每行的电极交错排列。
9.根据权利要求1所述的基于弧形电极的超高频谐振器结构，其特征在于，对压电材料图案化，其形状包括多边形，或者不规则图形。
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2019
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