CN112039478A - 一种可提高fom值的二维兰姆波射频谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可提高FOM值的二维兰姆波射频谐振器，包括压电层和设置于所述压电层表面的电极阵列，所述电极阵列中包括第一电极块和第二电极块，所述第一电极块的尺寸大于第二电极块。本发明使谐振器的有效机电耦合系数以及品质因子均得到了很大的提高，进而提高了FOM值。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器领域，具体指一种可提高FOM值的二维兰姆波射频谐振器。
背景技术
当前射频谐振器的市场主要被表面声波谐振器(SAWR，Surface Acoustic WaveResonator)和薄膜体声波谐振器(FBAR，Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator)占据，它们因为发展时间长，技术成熟，性能优越，成为目前应用最广泛的器件。但是它们也存在一些不足，SAW的频率主要由叉指电极决定，但是由于光刻极限以及压电材料声速低等，不能达到很高的工作频率；FABR基于压电系数d33工作，谐振频率主要由压电层厚度决定，因此单片晶圆上不能同时集成多种频率的器件，若是要实现调频，必须增加一些更复杂的工艺，这样大大提高的设计难度和制造成本。因此后来Piazza等人提出一种兰姆波谐振器，兰姆波谐振器兼具上述两种谐振器的优点，还能够弥补它们的不足，实现超高频工作频率的同时还可以在一片晶圆上集成多种频率的器件，由此成为研究热点。
传统的兰姆波谐振器是一种三明治结构，即在压电层的上下表面形成电极，上下电极可为以下几种模式：IDT-IDT、IDT-接地、IDT-悬浮、IDT-无。谐振器工作时，相邻叉指电极加极性相反的电压，由于逆压电效应，压电层产生形变，进而产生声波，声波传播到边缘时不断被反射，然后产生驻波，引发谐振。
传统兰姆波谐振器工作时主要是利用压电材料的d31系数，产生横向的变形，普遍存在机电耦合系数低，Q值小的问题，因此有人提出一种二维兰姆波谐振器，该种谐振器基于压电材料的d31和d33系数工作，同时激发出横向和纵向的振动，因此谐振器的压电耦合系数能够得到很大的提升，但是这种高有效机电系数的谐振器，品质因子Q往往比较低，FOM(Figure of Merit)值是有效机电耦合系数和品质因子的综合评价系数，根据公式1计算：
目前二维兰姆波谐振器还处在理论研究阶段，要使该种谐振器从实验室进入市场，那么必须进一步提高谐振器的性能，使其搭建的滤波器具有较大的带宽，较小的***损耗以及通带纹波。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种二维兰姆波射频谐振器，该谐振器结构可获得较高的FOM值。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
一种可提高FOM值的二维兰姆波射频谐振器，包括压电层和设置于所述压电层表面的电极阵列，所述电极阵列中包括第一电极块和第二电极块，所述第一电极块的尺寸大于第二电极块。
优选地，所述电极阵列包括若干第一电极阵列和第二电极阵列，所述第一电极阵列包括若干第一电极块，所述相邻第一电极块之间通过第一电桥相连；所述第二电极阵列包括若干第二电极块，所述相邻第二电极块之间通过第二电桥相连；所述第一电极阵列和第二电极阵列依次交替排列。
优选地，所述电极阵列为叉指电极或者为同心圆环、同心多边形环状。
优选地，所述电极阵列位于所述压电层的任一表面或者位于所述压电层的上下两个表面。均设置有电极阵列，该种谐振器不一定是压电层的上下表面均设置电极的结构，也可为压电层下表面为平板电极，上电极为图案化电极阵列的结构，同时也可为压电层下表面无电极，上表面为图案化电极阵列的结构。
优选地，当所述电极阵列位于所述压电层的其中一个表面时，另一个表面可以无电极，也可以为平板电极。当所述压电层上下表面均为电极阵列时，两电极阵列的方向互相垂直、平行或为同结构。
优选地，所述压电层材料为AlN、ZnO中的任一种或多种或者LiNbO3、LiTaO3、PZT压电薄膜中的任一种；所述第一电极块、第二电极块、第一电桥、第二电桥的材料为金属导电薄膜；所述第一电极块、第二电极块的材料优选为Mo、Pt、Au，也可以为Al、Cu等金属，所第一电桥、第二电桥的材料优选为Al，也可以为Mo、Pt、Au、Cu等金属。
优选地，所述正电极块和负电极块的形状为圆形、椭圆形或方形，六边形，八边形等多边形；所述电桥的形状为直线形，圆形，弧形或者矩形，五边形，六边形等多边形。
优选地，第一电极块位于波谷，第二电极块位于波峰。
本发明的另一目的是提供一种提高二维兰姆波谐振器FOM值的方法，采用上述的谐振器。
传统二维兰姆波谐振器激发出对称型兰姆波，在波峰处，压电层振动最强烈，变形最大，表现为凸起；在波谷处，压电层振动较弱，变形小，表现为凹陷状。在波谷处采用较大的电极，可使该处获得更大的电能，增强波谷处的振动，从而提高谐振器的能量转换效率。本发明使谐振器的有效机电耦合系数以及品质因子均得到了很大的提高，进而提高了FOM值。
附图说明
图1是传统二维兰姆波谐振器的结构示意图；
图2是传统二维兰姆波谐振器的振型图；
图3是本发明实施例1的圆形电极二维兰姆波谐振器的俯视图和底视图；
图4是本发明实施例2的椭圆电极二维兰姆波谐振器的俯视图；
图5是传统二维兰姆波谐振器和本发明实施例1的二维兰姆波谐振器的阻抗-频率曲线。
图中的附图标记为：
101-压电层、102-电极、103-电桥、104-大电极、105-小电极。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
图1是传统二维兰姆波谐振器的基本结构示意图。参见中国专利CN110113026A，包括压电层和设置于所述压电层上下表面的电极阵列，所述压电层上下表面的电极阵列排列方向垂直，所述电极阵列均包括依次交替排列的呈条状结构的正电极阵列和负电极阵列。所述正电极阵列和负电极阵列均由沿直线排列的电极块和连接所述电极块的电桥组成。所述正电极阵列和负电极阵列的电极块和电桥的形状大小均相同所述电极块的形状为圆形，直径为1.6μm，相邻正电极块中心之间的距离为4.2μm，相邻负电极块中心之间距离为4.2μm，电极块到压电层边缘的距离为0.3μm、正电极块的材料为Mo、负电极块的材料为Mo、压电层的材料为AlN。
图2是传统二维兰姆波谐振器的振型图。可知，器件的振型呈呼吸状，波峰处能量大，振动幅度大，因此压电层变形大，呈突出状；波谷处能量小，振动幅度小，变形小，呈凹陷状态，因此整体变形就像呼吸，一上一下。
图3是本发明实施例1所述二维兰姆波谐振器结构的俯视图和底视。结构与传统二维兰姆波谐振器的不同之处在于，正电极阵列和负电极阵列大小不同，具体包括压电层101、电桥103、大电极104、小电极105。其中大电极块的直径为1.6μm，小电级块的直径为1.28μm，相邻大电极块中心之间的距离为3.64μm，相邻小电极块中心之间距离为3.64μm，电极块到压电层边缘的距离为0.3μm，正电极块的材料为Mo、负电极块的材料为Mo、压电层的材料为AlN。在进行测试时，较大的电极块作为正电极，较小的电极块作为负电极，实际应用中，亦可将较大的电极块作为负电极，较小的电极块作为正电极。大电极块可以增加器件呼吸状振型中波谷处的能量，使波谷处振动幅度增强，进而提高谐振器的机电耦合效率。为了达到上述的效果，在波谷处设置更大的电极，使波谷处得到更多的能量，激发出更强的机械振动，进而增强谐振器的能量转换效率。
图4是本发明实施例2的二维兰姆波谐振器结构的俯视图。与实施例1的区别在于电极块的形状为椭圆形。其中大电极块的长半轴为1.5μm，短半轴为1μm，小电级块的长半轴为1.35μm，短半轴为0.9μm，相邻大电极块中心之间的距离为7.7μm，相邻小电极块中心之间距离为7.7μm，电极块到压电层边缘的距离为1μm，正电极块的材料为Mo、负电极块的材料为Mo、压电层的材料为AlN。
图5是传统二维兰姆波谐振器和本发明实施例1的二维兰姆波谐振器的阻抗-频率曲线。品质因子Q通过3dB法求得，
最终计算得到本发明实施例1具有大小不一电极结构的二维兰姆波谐振器的FOM值为72.78，传统二维兰姆波谐振器的FOM值为40.89，前者比后者提高了78.0％，从而证明二维兰姆波谐振器地结构很明显地改善了谐振器的品质。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种可提高FOM值的二维兰姆波射频谐振器，其特征在于，包括压电层和设置于所述压电层表面的电极阵列，所述电极阵列中包括第一电极块和第二电极块，所述第一电极块的尺寸大于第二电极块。
2.如权利要求1所述的射频谐振器，其特征在于，所述电极阵列包括若干第一电极阵列和第二电极阵列，所述第一电极阵列包括若干第一电极块，所述相邻第一电极块之间通过第一电桥相连；所述第二电极阵列包括若干第二电极块，所述相邻第二电极块之间通过第二电桥相连；所述第一电极阵列和第二电极阵列依次交替排列。
3.如权利要求1所述的射频谐振器，其特征在于，所述电极阵列为叉指电极或者为同心圆环、同心多边形环状。
4.如权利要求1～3任一项所述的射频谐振器，其特征在于，所述电极阵列位于所述压电层的任一表面或者位于所述压电层的上下两个表面。
5.如权利要求4所述的射频谐振器，其特征在于，当所述电极阵列位于所述压电层的上下两个表面时，所述压电层上下表面的电极阵列方向互相垂直、平行或者为同心结构。
6.如权利要求1所述的射频谐振器，其特征在于，所述压电层材料为AlN、ZnO中的任一种或多种或者LiNbO3、LiTaO3、PZT压电薄膜中的任一种；所述第一电极块、第二电极块、第一电桥、第二电桥的材料为金属导电薄膜。
7.如权利要求1所述的射频谐振器，其特征在于，所述第一电极块和第二电极块的形状为圆形、椭圆形或多边形；所述电桥的形状为直线形，圆形，弧形或者多边形。
8.如权利要求1所述的射频谐振器，其特征在于，第一电极块位于波谷，第二电极块位于波峰。
9.一种提高二维兰姆波谐振器FOM值的方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的谐振器。
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