CN112272015B - 一种声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种声波谐振器，包括：底电极、压电膜结构及顶电极；其中，压电膜结构包括至少两层叠置的压电膜，相邻两层压电膜之间具有不同的欧拉角；当在压电膜结构中激发厚度剪切波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电向量
均满足模长
且相邻两层压电膜的压电向量
位于不同象限；当在压电膜结构中激发厚度伸缩波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数e33的绝对值均大于0.5C/m2，且相邻两层压电膜的压电系数e33符号相反。通过本发明提供的声波谐振器，解决了现有技术中通过降低压电膜厚度来提高声波谐振器工作频率所导致的器件机械结构稳定性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种声波谐振器。
背景技术
声波谐振器被广泛应用于带通滤波器、双工器，是射频前端***的重要组成部分。通信技术的快速发展，特别是5G通信技术的快速发展，使得工业界对声波谐振器提出了更高的要求：高机电耦合系数、高频、高功率容量。
但由于在准静态条件下，高阶声波谐振器的工作频率完全取决于压电膜厚度，因此提高工作频率必然意味着压电膜厚度的减薄，从而导致器件的机械结构稳定性下降。
可见，在工作频率保持原有水平的前提下，增加压电膜的厚度对解决上述问题尤为重要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种声波谐振器，用以解决现有技术中通过降低压电膜厚度来提高声波谐振器工作频率所导致的器件机械结构稳定性差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：
底电极；
压电膜结构，形成于所述底电极的上方；
顶电极，形成于所述压电膜结构的上方；
其中，所述压电膜结构包括至少两层叠置的压电膜，相邻两层压电膜之间具有不同的欧拉角，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数表示为
当在所述压电膜结构中激发厚度剪切波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电向量
均满足模长
且相邻两层压电膜的压电向量
位于不同象限；
当在所述压电膜结构中激发厚度伸缩波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数e3的绝对值均大于0.5C/m2，且相邻两层压电膜的压电系数e33符号相反。
可选地，所述压电膜在欧拉角(α，β，γ)下的压电系数
其中，e0为所述压电膜在欧拉角(0，0，0)下的压电系数，
可选地，所述声波谐振器还包括：至少一层中间介质层，形成于任一相邻两层压电膜之间。
可选地，各所述压电膜的厚度均小于20μm，相邻两层压电膜的厚度比介于0.5-2之间。
可选地，各所述压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
可选地，所述底电极包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种，所述顶电极包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种。
可选地，在所述顶电极为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：顶部介质层，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构的上方。
可选地，在所述顶电极为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：沟槽结构，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构中。
本发明还提供了一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：
压电膜结构，包括至少两层叠置的压电膜，相邻两层压电膜之间具有不同的欧拉角，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数表示为
叉指电极，形成于所述压电膜结构的上方或任一相邻两层压电膜之间；
当在所述压电膜结构的水平方向上施加电场并激发厚度剪切波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数e15的绝对值均大于0.5C/m2，且相邻两层压电膜的压电系数e15符号相反。
可选地，所述压电膜在欧拉角(α，β，γ)下的压电系数
其中，e0为所述压电膜在欧拉角(0，0，0)下的压电系数，
可选地，所述声波谐振器还包括：至少一层中间介质层，形成于任一相邻两层压电膜之间。
可选地，各所述压电膜的厚度均小于20μm，相邻两层压电膜的厚度比介于0.5-2之间。
可选地，各所述压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
可选地，在所述叉指电极激发的声波波长为λ时，所述压电膜结构的总厚度小于0.25λ，所述叉指电极的指条宽度小于等于0.25λ。
可选地，所述声波谐振器还包括：顶部介质层；在所述叉指电极形成于所述压电膜结构上方时，所述顶部介质层形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构的上方；在所述叉指电极形成于任一相邻两层压电膜之间时，所述顶部介质层形成于所述叉指电极空隙处所述压电膜的上方。
如上所述，本发明的一种声波谐振器，通过多层压电膜及对各压电膜的压电向量/压电系数的设定，实现在压电膜结构总厚度不变的情况下，极大地提高了器件的工作频率，保证了器件的机械结构稳定性和功率容量大小基本不变；而在器件的工作频率基本不变的情况下，可使压电膜结构的整体厚度增加，从而极大地增强了器件的机械结构稳定性和功率容量大小。本发明还通过中间介质层的设计，实现了对多层压电膜堆叠而引入的杂散波的抑制。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中的一种声波谐振器的结构示意图。
图2显示为本发明实施例一中的另一种声波谐振器的结构示意图。
图3显示为本发明实施例一、实施例二比对说明时涉及的声波谐振器的结构示意图。
图4显示为本发明实施例一中示例1及对比例1所述声波谐振器的有限元仿真的导纳曲线示意图。
图5显示为本发明实施例二中示例2-1、示例2-2及对比例2所述声波谐振器的有限元仿真的导纳曲线示意图。
图6显示为本发明实施例三中的一种声波谐振器的结构示意图。
图7显示为本发明实施例三中的另一种声波谐振器的结构示意图。
图8显示为本发明实施例三比对说明时涉及的声波谐振器的结构示意图。
图9显示本发明实施例三中示例3、对比例3-1及对比例3-2所述声波谐振器的有限元仿真的导纳曲线示意图。
元件标号说明
100 底电极
200 压电膜结构
201-20n 压电膜
300 顶电极
300a 叉指电极
400 中间介质层
500 顶部介质层
600 沟槽结构
700 支撑衬底
800 能量反射结构
801 低声阻抗层
802 高声阻抗层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
如图1-图3所示，本实施例提供一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：
底电极100；
压电膜结构200，形成于所述底电极100的上方；
顶电极300，形成于所述压电膜结构200的上方；
其中，所述压电膜结构200包括至少两层叠置的压电膜(201-20n)，相邻两层压电膜之间具有不同的欧拉角，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数表示为
当在所述压电膜结构200中激发厚度剪切波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电向量
均满足模长
且相邻两层压电膜的压电向量
位于不同象限。
作为示例，所述压电膜在欧拉角(α，β，γ)下的压电系数
其中，e0为所述压电膜在欧拉角(0，0，0)下的压电系数，
本示例通过多层压电膜及对各压电膜欧拉角的设定，使各压电膜的压电向量
均满足模长
且相邻两层压电膜的压电向量
位于不同象限，从而使得本实施例所述声波谐振器在压电膜结构总厚度基本不变的情况下，极大地提高了器件的工作频率，保证了器件的机械结构稳定性和功率容量大小基本不变；换言之，本实施例所述声波谐振器在工作频率基本不变的情况下，可使压电膜结构的整体厚度增加，从而极大地增强了器件的机械结构稳定性和功率容量大小。
作为示例，各所述压电膜的厚度均小于20μm；进一步地，各所述压电膜的厚度均小于2μm。
作为示例，相邻两层压电膜的厚度比介于0.5-2之间(包括两个端点值)；进一步地，相邻两层压电膜的厚度比为1，即各所述压电膜的厚度相等。
作为示例，各所述压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
作为示例，如图1和图2所示，所述声波谐振器还包括：至少一层中间介质层400，形成于任一相邻两层压电膜之间，用以实现对应力最大值位于两压电膜交界处的杂散波抑制，同时实现降低声波谐振器的制备难度、提高机械强度、提高功率容量。具体的，所述中间介质层400的材料优选易于通过沉积获得的材料，如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等。需要注意的是，中间介质层的设置会导致声波谐振器的整体厚度增加，从而使得声波谐振器的工作频率略有降低；故在实际应用中，需综合考虑杂散波抑制效果和工作频率大小来设定中间介质层的数量和厚度。
作为示例，所述底电极100包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种，所述顶电极300包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种。
具体的，在一示例中，如图1所示，在所述顶电极为叉指电极300a时，所述声波谐振器还包括：顶部介质层500，形成于所述叉指电极300a空隙处的所述压电膜结构200的上方，用以抑制因设置叉指电极300a而造成器件厚度不均匀所引入的杂波。其中，所述顶部介质层500优选与所述叉指电极300a材料的声阻抗接近的材料，以使所述顶部介质层500与所述叉指电极300a形成阻抗匹配，从而最大程度上抑制因器件厚度不均匀所引入的杂波。需要注意的是，此处所述“顶部介质层500形成于叉指电极300a空隙处的压电膜结构200的上方”是指“顶部介质层500形成在叉指电极未覆盖区域的压电膜结构上方”。
具体的，在另一示例中，如图2所示，在所述顶电极为叉指电极300a时，所述声波谐振器还包括：沟槽结构600，形成于所述叉指电极300a空隙处的所述压电膜结构200中，用以抑制由横向电场引起的杂波。其中，所述沟槽结构600的深度可以小于所述压电膜结构200的总厚度，也可以等于所述压电膜结构200的总厚度，更可以大于所述压电膜结构200的总厚度，本示例对此不做限定。需要注意的是，此处所述“沟槽结构600形成于叉指电极300a空隙处的压电膜结构200中”是指“沟槽结构600形成在叉指电极300a未覆盖区域的压电膜结构中”。
具体的，在所述顶电极为叉指电极300a时，可通过设置叉指电极的金属化率来抑制部分面内的低阶模的高次谐波；当然，也可通过在叉指电极的长度方向上周期性或非周期性地改变金属化率来抑制部分面内的低阶模的高次谐波。实际应用中，可通过有限次的仿真来获得最佳的金属化率值，当然，其它获得金属化率值的方法也同样适用于本示例。
作为示例，所述声波谐振器还包括：
支撑衬底700，形成于所述底电极100的下方；
能量反射结构800，形成于所述支撑衬底700中或形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间(具体可见图1-图3、图6-图8)。
具体的，在一示例中，所述能量反射结构800为形成于所述支撑衬底700中或形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间的空腔，用以对所述压电膜结构200中传播的声波进行能量反射，避免其泄漏到所述支撑衬底700。可选地，在所述能量反射结构800为空腔时，所述声波谐振器还包括：支撑层(图中未示出)，形成于所述底电极和所述空腔之间，用以支撑上层结构(即底电极、压电膜结构及顶电极)，避免上层结构的核心区域因悬空而导致的结构不稳定或易碎等情况。具体应用时，可根据实际需求设定所述支撑层的厚度，如几微米至几百微米。需要注意的是，具体器件制作时，可通过对支撑衬底进行局部背刻蚀以形成贯通支撑衬底的空腔，也可通过对支撑衬底进行正面刻蚀以形成空腔，还可通过对支撑衬底的上层结构进行正面开孔以对支撑衬底进行刻蚀形成空腔，更可通过牺牲层刻蚀形成空腔，本示例对此不做限定。
具体的，在另一示例中，所述能量反射结构800为形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间的布拉格反射层(可见图8)，用以对所述压电膜结构200中传播的声波进行能量反射，避免其泄漏到所述支撑衬底700。所述布拉格反射层包括至少一低声阻抗层801和一高声阻抗层802；其中，所述低声阻抗层801和所述高声阻抗层802的总层数大于等于3且小于等于10，用以有效实现能量反射的同时，避免层数过多所造成的工艺复杂度提高的问题。需要注意的是，具体应用时，通常设置所述低声阻抗层与所述底电极接触。可选地，所述低声阻抗层优选密度低、刚度系数(即杨氏模量)小的材料，如二氧化硅(SiO2)、石英(Quartz)、玻璃(Glass)、聚合物材料等；而所述高声阻抗层则优选密度高、刚度系数(即杨氏模量)大的材料，如钨(W)、金(Au)、铂(Pt)、金刚石(Diamond)、氮化铝(AlN)、钼(Mo)等。实际应用中，所述低声阻抗层的厚度设置和所述高声阻抗层的厚度设置均与所述压电膜结构中的声波在对应高声阻抗层或低声阻抗层中的传播波长有关，如所述低声阻抗层的厚度为所述压电膜结构中的声波在该低声阻抗材料中传播波长的四分之一，而所述高声阻抗层的厚度为所述压电膜结构中的声波在该高声阻抗材料中传播波长的四分之一。
具体的，所述支撑衬底的材料包括但不限于单晶硅，所述底电极及所述顶电极的材料包括但不限于金属铝(Al)。
下面请参阅图3和图4，以单晶硅支撑衬底/空腔/底电极/压电膜结构/顶电极的声波谐振器结构且底电极及顶电极均为面电极为例，对本实施例所述声波谐振器的性能进行比对说明；其中，示例1及对比例1仅在压电膜结构上存在差异，其它结构均相同。
示例1：压电膜结构为两层膜结构；其中，底层压电膜及顶层压电膜的材料均为单晶铌酸锂，底层压电膜及顶层压电膜的厚度均为500nm，底层压电膜的欧拉角为(180°，90°，90°)且压电向量
顶层压电膜的欧拉角为(0°，90°，0°)且压电向量
(底层压电膜的压电向量位于第四象限，顶层压电膜的压电向量位于+Y轴上，即相邻两层压电膜的压电向量
位于不同象限)。
对比例1：压电膜结构为单层膜结构；其中，压电膜的材料为单晶铌酸锂，压电膜的厚度为1μm，压电膜的欧拉角为(0°，90°，0°)且压电向量
图4为对示例1及对比例1所述声波谐振器进行性能测试后得到的有限元仿真的导纳曲线，从中可以看出：忽略底电极和顶电极的质量负载效应，在声波谐振器总厚度相同的前提下，通过压电膜的堆叠及压电向量
的设定，声波谐振器的工作频率得到极大提高，且机电耦合系数保持在较高的水平。
实施例二
如图1-图3所示，本实施例提供一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：
底电极100；
压电膜结构200，形成于所述底电极100的上方；
顶电极300，形成于所述压电膜结构200的上方；
其中，所述压电膜结构200包括至少两层叠置的压电膜，相邻两层压电膜之间具有不同的欧拉角，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数表示为
当在所述压电膜结构200中激发厚度伸缩波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数e33的绝对值均大于0.5C/m2，且相邻两层压电膜的压电系数e33符号相反。
作为示例，所述压电膜在欧拉角(α，β，γ)下的压电系数
其中，e0为所述压电膜在欧拉角(0，0，0)下的压电系数，
本示例通过多层压电膜及对各压电膜欧拉角的设定，使各压电膜的压电系数e33的绝对值均大于0.5C/m2且相邻两层压电膜的压电系数e33符号相反，从而使得本实施例所述声波谐振器在压电膜结构总厚度基本不变的情况下，极大地提高了器件的工作频率，保证了器件的机械结构稳定性和功率容量大小基本不变；换言之，本实施例所述声波谐振器在工作频率基本不变的情况下，可使压电膜结构的整体厚度增加，从而极大地增强了器件的机械结构稳定性和功率容量大小。
作为示例，各所述压电膜的厚度均小于20μm；进一步地，各所述压电膜的厚度均小于2μm。
作为示例，相邻两层压电膜的厚度比介于0.5-2之间(包括两个端点值)；进一步地，相邻两层压电膜的厚度比为1，即各所述压电膜的厚度相等。
作为示例，各所述压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
作为示例，如图1和图2所示，所述声波谐振器还包括：至少一层中间介质层400，形成于任一相邻两层压电膜之间，用以实现对应力最大值位于两压电膜交界处的杂散波抑制，同时实现降低声波谐振器的制备难度、提高机械强度、提高功率容量。具体的，所述中间介质层400的材料优选易于通过沉积获得的材料，如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等。需要注意的是，中间介质层的设置会导致声波谐振器的整体厚度增加，从而使得声波谐振器的工作频率略有降低；故在实际应用中，需综合考虑杂散波抑制效果和工作频率大小来设定中间介质层的数量和厚度。
作为示例，所述底电极100包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种，所述顶电极300包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种。
具体的，在一示例中，如图1所示，在所述顶电极为叉指电极300a时，所述声波谐振器还包括：顶部介质层500，形成于所述叉指电极300a空隙处的所述压电膜结构200的上方，用以抑制因设置叉指电极300a而造成器件厚度不均匀所引入的杂波。其中，所述顶部介质层500优选与所述叉指电极300a材料的声阻抗接近的材料，以使所述顶部介质层500与所述叉指电极300a形成阻抗匹配，从而最大程度上抑制因器件厚度不均匀所引入的杂波。需要注意的是，此处所述“顶部介质层500形成于叉指电极300a空隙处的压电膜结构200的上方”是指“顶部介质层500形成在叉指电极300a未覆盖区域的压电膜结构200上方”。
具体的，在另一示例中，如图2所示，在所述顶电极为叉指电极300a时，所述声波谐振器还包括：沟槽结构600，形成于所述叉指电极300a空隙处的所述压电膜结构200中，用以抑制由横向电场引起的杂波。其中，所述沟槽结构600的深度可以小于所述压电膜结构200的总厚度，也可以等于所述压电膜结构200的总厚度，更可以大于所述压电膜结构200的总厚度，本示例对此不做限定。需要注意的是，此处所述“沟槽结构600形成于叉指电极空隙处的压电膜结构200中”是指“沟槽结构600形成在叉指电极300a未覆盖区域的压电膜结构200中”。
具体的，在所述顶电极为叉指电极300a时，可通过设置叉指电极的金属化率来抑制部分面内的低阶模的高次谐波；当然，也可通过在叉指电极的长度方向上周期性或非周期性地改变金属化率来抑制部分面内的低阶模的高次谐波。实际应用中，可通过有限次的仿真来获得最佳的金属化率值，当然，其它获得金属化率值的方法也同样适用于本示例。
作为示例，所述声波谐振器还包括：
支撑衬底700，形成于所述底电极100的下方；
能量反射结构800，形成于所述支撑衬底700中或形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间(具体可见图1-图3、图6-图8)。
具体的，在一示例中，所述能量反射结构800为形成于所述支撑衬底700中或形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间的空腔，用以对所述压电膜结构200中传播的声波进行能量反射，避免其泄漏到所述支撑衬底700。可选地，在所述能量反射结构800为空腔时，所述声波谐振器还包括：支撑层(图中未示出)，形成于所述底电极和所述空腔之间，用以支撑上层结构(即底电极、压电膜结构及顶电极)，避免上层结构的核心区域因悬空而导致的结构不稳定或易碎等情况。具体应用时，可根据实际需求设定所述支撑层的厚度，如几微米至几百微米。需要注意的是，具体器件制作时，可通过对支撑衬底进行局部背刻蚀以形成贯通支撑衬底的空腔，也可通过对支撑衬底进行正面刻蚀以形成空腔，还可通过对支撑衬底的上层结构进行正面开孔以对支撑衬底进行刻蚀形成空腔，更可通过牺牲层刻蚀形成空腔，本示例对此不做限定。
具体的，在另一示例中，所述能量反射结构800为形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间的布拉格反射层(可见图8)，用以对所述压电膜结构200中传播的声波进行能量反射，避免其泄漏到所述支撑衬底700。所述布拉格反射层包括至少一低声阻抗层801和一高声阻抗层802；其中，所述低声阻抗层801和所述高声阻抗层802的总层数大于等于3且小于等于10，用以有效实现能量反射的同时，避免层数过多所造成的工艺复杂度提高的问题。需要注意的是，具体应用时，通常设置所述低声阻抗层与所述底电极接触。可选地，所述低声阻抗层优选密度低、刚度系数(即杨氏模量)小的材料，如二氧化硅(SiO2)、石英(Quartz)、玻璃(Glass)、聚合物材料等；而所述高声阻抗层则优选密度高、刚度系数(即杨氏模量)大的材料，如钨(W)、金(Au)、铂(Pt)、金刚石(Diamond)、氮化铝(AlN)、钼(Mo)等。实际应用中，所述低声阻抗层的厚度设置和所述高声阻抗层的厚度设置均与所述压电膜结构中的声波在对应高声阻抗层或低声阻抗层中的传播波长有关，如所述低声阻抗层的厚度为所述压电膜结构中的声波在该低声阻抗材料中传播波长的四分之一，而所述高声阻抗层的厚度为所述压电膜结构中的声波在该高声阻抗材料中传播波长的四分之一。
具体的，所述支撑衬底的材料包括但不限于单晶硅，所述底电极及所述顶电极的材料包括但不限于金属铝(Al)。
下面请参阅3和图5，以单晶硅支撑衬底/空腔/底电极/压电膜结构/顶电极的声波谐振器结构且底电极及顶电极均为面电极为例，对本实施例所述声波谐振器的性能进行比对说明；其中，示例2-1、示例2-2及对比例2仅在压电膜结构上存在差异，其它结构均相同。
示例2-1：压电膜结构为两层膜结构；其中，底层压电膜及顶层压电膜的材料均为单晶铌酸锂，底层压电膜及顶层压电膜的厚度均为500nm，底层压电膜的欧拉角为(0°，54°，0°)且压电系数e33为4.5C/m2，顶层压电膜的欧拉角为(0°，180°，0°)且压电系数e33为-1.3C/m2。
示例2-2：压电膜结构为三层膜结构；其中，底层压电膜、中间层压电膜及顶层压电膜的材料均为单晶铌酸锂，底层压电膜、中间层压电膜及顶层压电膜的厚度均为333nm，底层压电膜的欧拉角为(0°，54°，0°)且压电系数e33为4.5C/m2，中间层压电膜的欧拉角为(0°，180°，0°)且压电系数e33为-1.3C/m2，顶层压电膜的欧拉角为(0°，54°，0°)且压电系数e33为4.5C/m2。
对比例2：压电膜结构为单层膜结构；其中，压电膜的材料为单晶铌酸锂，压电膜的厚度为1μm，压电膜的欧拉角为(0°，54°，0°)且压电系数e33为4.5C/m2。
图5为对示例2-1、示例2-2及对比例2所述声波谐振器进行性能测试后得到的有限元仿真的导纳曲线，从中可以看出：忽略底电极和顶电极的质量负载效应，在声波谐振器总厚度基本相同的前提下，通过压电膜的堆叠及压电系数e33的设定，声波谐振器的工作频率得到极大提高，而且压电膜的层数越多，声波谐振器的工作频率越高。可见，在压电膜结构总厚度不变的前提下，本实施例所述声波谐振器实现了工作频率的极大提高，保证了声波谐振器的机械结构稳定性和功率容量大小基本不变；换言之，在声波谐振器工作频率基本不变的情况下，多层压电膜的设计可以使压电膜结构的整体厚度增加，在机电耦合系数不受严重影响的前提下，极大地增强了声波谐振器的机械结构稳定性和功率容量大小。
实施例三
如图6-图8所示，本实施例提供了一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：
压电膜结构200，包括至少两层叠置的压电膜，相邻两层压电膜之间具有不同的欧拉角，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数表示为
叉指电极300a，形成于所述压电膜结构200的上方或任一相邻两层压电膜之间；
当在所述压电膜结构200的水平方向上施加电场并激发厚度剪切波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数e15的绝对值均大于0.5C/m2，且相邻两层压电膜的压电系数e15符号相反。
作为示例，所述压电膜在欧拉角(α，β，γ)下的压电系数
其中，e0为所述压电膜在欧拉角(0，0，0)下的压电系数，
本示例通过多层压电膜及对各压电膜欧拉角的设定，使各压电膜的压电系数e15的绝对值均大于0.5C/m2且相邻两层压电膜的压电系数e15符号相反，从而使得本实施例所述声波谐振器在压电膜结构总厚度基本不变的情况下，极大地提高了器件的工作频率，保证了器件的机械结构稳定性和功率容量大小基本不变；换言之，本实施例所述声波谐振器在工作频率基本不变的情况下，可使压电膜结构的整体厚度增加，从而极大地增强了器件的机械结构稳定性和功率容量大小。
作为示例，各所述压电膜的厚度均小于20μm；进一步地，各所述压电膜的厚度均小于2μm。
作为示例，相邻两层压电膜的厚度比介于0.5-2之间(包括两个端点值)；进一步地，相邻两层压电膜的厚度比为1，即各所述压电膜的厚度相等。
作为示例，各所述压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
作为示例，在所述叉指电极300a激发的声波波长为λ时，所述压电膜结构200的总厚度小于0.25λ；进一步地，所述压电膜结构200的总厚度小于0.05λ。
作为示例，在所述叉指电极300a激发的声波波长为λ时，所述叉指电极300a的指条宽度小于等于0.25λ。
作为示例，如图6和图7所示，所述声波谐振器还包括：至少一层中间介质层400，形成于任一相邻两层压电膜之间，用以实现对应力最大值位于两压电膜交界处的杂散波抑制，同时实现降低声波谐振器的制备难度、提高机械强度、提高功率容量。具体的，所述中间介质层400的材料优选易于通过沉积获得的材料，如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等。需要注意的是，中间介质层的设置会导致声波谐振器的整体厚度增加，从而使得声波谐振器的工作频率略有降低；故在实际应用中，需综合考虑杂散波抑制效果和工作频率大小来设定中间介质层的数量和厚度。
作为示例，所述声波谐振器还包括：顶部介质层500，用以抑制因设置叉指电极300a而造成器件厚度不均匀所引入的杂波；在所述叉指电极300a形成于所述压电膜结构200上方时，所述顶部介质层500形成于所述叉指电极300a空隙处的所述压电膜结构200的上方；在所述叉指电极300a形成于任一相邻两层压电膜之间时，所述顶部介质层500形成于所述叉指电极300a空隙处所述压电膜的上方。其中，所述顶部介质层500优选与所述叉指电极300a材料的声阻抗接近的材料，以使所述顶部介质层500与所述叉指电极300a形成阻抗匹配，从而最大程度上抑制因器件厚度不均匀所引入的杂波。需要注意的是，此处所述“顶部介质层500形成于叉指电极300a空隙处的压电膜结构200的上方”是指“顶部介质层500形成在叉指电极300a未覆盖区域的压电膜结构200上方”，此处所述“顶部介质层500形成于叉指电极300a空隙处压电膜的上方”是指“顶部介质层500形成在叉指电极300a未覆盖区域的压电膜上方”。
作为示例，可通过设置叉指电极300a的金属化率来抑制部分面内的低阶模的高次谐波；当然，也可通过在叉指电极的长度方向上周期性或非周期性地改变金属化率来抑制部分面内的低阶模的高次谐波。实际应用中，可通过有限次的仿真来获得最佳的金属化率值，当然，其它获得金属化率值的方法也同样适用于本示例。
作为示例，所述声波谐振器还包括：
支撑衬底700，形成于所述底电极100的下方；
能量反射结构800，形成于所述支撑衬底700中或形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间(具体可见图1-图3、图6-图8)。
具体的，在一示例中，所述能量反射结构800为形成于所述支撑衬底700中或形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间的空腔，用以对所述压电膜结构200中传播的声波进行能量反射，避免其泄漏到所述支撑衬底700。可选地，在所述能量反射结构800为空腔时，所述声波谐振器还包括：支撑层(图中未示出)，形成于所述底电极和所述空腔之间，用以支撑上层结构(即底电极、压电膜结构及顶电极)，避免上层结构的核心区域因悬空而导致的结构不稳定或易碎等情况。具体应用时，可根据实际需求设定所述支撑层的厚度，如几微米至几百微米。需要注意的是，具体器件制作时，可通过对支撑衬底进行局部背刻蚀以形成贯通支撑衬底的空腔，也可通过对支撑衬底进行正面刻蚀以形成空腔，还可通过对支撑衬底的上层结构进行正面开孔以对支撑衬底进行刻蚀形成空腔，更可通过牺牲层刻蚀形成空腔，本示例对此不做限定。
具体的，在另一示例中，所述能量反射结构800为形成于所述支撑衬底700和所述底电极100之间的布拉格反射层(可见图8)，用以对所述压电膜结构200中传播的声波进行能量反射，避免其泄漏到所述支撑衬底700。所述布拉格反射层包括至少一低声阻抗层801和一高声阻抗层802；其中，所述低声阻抗层801和所述高声阻抗层802的总层数大于等于3且小于等于10，用以有效实现能量反射的同时，避免层数过多所造成的工艺复杂度提高的问题。需要注意的是，具体应用时，通常设置所述低声阻抗层与所述底电极接触。可选地，所述低声阻抗层优选密度低、刚度系数(即杨氏模量)小的材料，如二氧化硅(SiO2)、石英(Quartz)、玻璃(Glass)、聚合物材料等；而所述高声阻抗层则优选密度高、刚度系数(即杨氏模量)大的材料，如钨(W)、金(Au)、铂(Pt)、金刚石(Diamond)、氮化铝(AlN)、钼(Mo)等。实际应用中，所述低声阻抗层的厚度设置和所述高声阻抗层的厚度设置均与所述压电膜结构中的声波在对应高声阻抗层或低声阻抗层中的传播波长有关，如所述低声阻抗层的厚度为所述压电膜结构中的声波在该低声阻抗材料中传播波长的四分之一，而所述高声阻抗层的厚度为所述压电膜结构中的声波在该高声阻抗材料中传播波长的四分之一。
具体的，所述支撑衬底的材料包括但不限于单晶硅，所述底电极及所述顶电极的材料包括但不限于金属铝(Al)。
下面请参阅8和图9，以单晶硅支撑衬底/布拉格反射层/压电膜结构/金属铝叉指电极(叉指电极厚度为100nm、金属化率为10％)的声波谐振器结构为例，对本实施例所述声波谐振器的性能进行比对说明；其中，示例3和对比例3-1仅在压电膜结构上存在差异、其它结构均相同，对比例3-2相较于示例3仅增设一中间介质层、其它结构均相同。
示例3：压电膜结构为两层膜结构；其中，底层压电膜及顶层压电膜的材料均为单晶铌酸锂，底层压电膜及顶层压电膜的厚度均为500nm，底层压电膜的欧拉角为(0°，142°，0°)且压电系数e15为-4.48C/m2，顶层压电膜的欧拉角为(90°，0°，0°)且压电系数e15为3.7C/m2。
对比例3-1：压电膜结构为单层膜结构；其中，压电膜的材料为单晶铌酸锂，压电膜的厚度为1μm，压电膜的欧拉角为(90°，0°，0°)且压电系数e15为3.7C/m2。
对比例3-2：压电膜结构为两层膜结构且在两层压电膜之间增设有中间介质层；其中，底层压电膜及顶层压电膜的材料均为单晶铌酸锂，底层压电膜及顶层压电膜的厚度均为500nm，底层压电膜的欧拉角为(0°，142°，0°)且压电系数e15为-4.48C/m2，顶层压电膜的欧拉角为(90°，0°，0°)且压电系数e15为3.7C/m2，中间介质层为150nm的SiO2层。
图9为对示例3、对比例3-1及对比例3-2所述声波谐振器进行性能测试后得到的有限元仿真的导纳曲线，从中可以看出：忽略叉指电极的质量负载效应，在声波谐振器总厚度相同的前提下，通过压电膜的堆叠及压电系数e15的设定，声波谐振器的工作频率得到极大提高，且机电耦合系数保持了原有的水准；但由于两层膜结构的堆叠会引入较多杂散波(见图9，在谐振点的左侧出现连续3个小杂波)，因此通过在底层压电膜和顶层压电膜之间增设一中间介质层，可有效抑制该杂散波，这一点从图9中谐振点左侧的杂散波被完全抑制可以看出。
综上所述，本发明的一种声波谐振器，通过多层压电膜及对各压电膜的压电向量/压电系数的设定，实现在压电膜结构总厚度不变的情况下，极大地提高了器件的工作频率，保证了器件的机械结构稳定性和功率容量大小基本不变；而在器件的工作频率基本不变的情况下，可使压电膜结构的整体厚度增加，从而极大地增强了器件的机械结构稳定性和功率容量大小。本发明还通过中间介质层的设计，实现了对多层压电膜堆叠而引入的杂散波的抑制。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (15)
1.一种声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器包括：
底电极；
压电膜结构，形成于所述底电极的上方；
顶电极，形成于所述压电膜结构的上方；
其中，所述压电膜结构包括至少两层叠置的压电膜，相邻两层压电膜之间具有不同的欧拉角，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数表示为
当在所述压电膜结构中激发厚度剪切波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电向量
均满足模长
且相邻两层压电膜的压电向量
位于不同象限；
当在所述压电膜结构中激发厚度伸缩波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数e33的绝对值均大于0.5C/m2，且相邻两层压电膜的压电系数e33符号相反。
2.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述压电膜在欧拉角(α，β，γ)下的压电系数
其中，e0为所述压电膜在欧拉角(0，0，0)下的压电系数，
3.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器还包括：至少一层中间介质层，形成于任一相邻两层压电膜之间。
4.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，各所述压电膜的厚度均小于20μm，相邻两层压电膜的厚度比介于0.5-2之间。
5.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，各所述压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
6.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述底电极包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种，所述顶电极包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种。
7.根据权利要求6所述的声波谐振器，其特征在于，在所述顶电极为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：顶部介质层，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构的上方。
8.根据权利要求6所述的声波谐振器，其特征在于，在所述顶电极为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：沟槽结构，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构中。
9.一种声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器包括：
压电膜结构，包括至少两层叠置的压电膜，相邻两层压电膜之间具有不同的欧拉角，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数表示为
叉指电极，形成于所述压电膜结构的上方或任一相邻两层压电膜之间；
当在所述压电膜结构的水平方向上施加电场并激发厚度剪切波时，各所述压电膜在各自欧拉角下的压电系数e15的绝对值均大于0.5C/m2，且相邻两层压电膜的压电系数e15符号相反。
10.根据权利要求9所述的声波谐振器，其特征在于，所述压电膜在欧拉角(α，β，γ)下的压电系数
其中，e0为所述压电膜在欧拉角(0，0，0)下的压电系数，
11.根据权利要求9所述的声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器还包括：至少一层中间介质层，形成于任一相邻两层压电膜之间。
12.根据权利要求9所述的声波谐振器，其特征在于，各所述压电膜的厚度均小于20μm，相邻两层压电膜的厚度比介于0.5-2之间。
13.根据权利要求9所述的声波谐振器，其特征在于，各所述压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
14.根据权利要求9所述的声波谐振器，其特征在于，在所述叉指电极激发的声波波长为λ时，所述压电膜结构的总厚度小于0.25λ，所述叉指电极的指条宽度小于等于0.25λ。
15.根据权利要求9所述的声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器还包括：顶部介质层；在所述叉指电极形成于所述压电膜结构上方时，所述顶部介质层形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构的上方；在所述叉指电极形成于任一相邻两层压电膜之间时，所述顶部介质层形成于所述叉指电极空隙处所述压电膜的上方。
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