CN113114155A - 基于声子晶体的薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于声子晶体的薄膜体声波谐振器。传统体声波谐振器需要制备空腔或布拉格结构，会降低器件Q值。本发明的声子晶体声反射层位于衬底内部，且声子晶体声反射层和衬底的上表面平齐；支撑层覆盖衬底和声子晶体声反射层；下电极置于支撑层上；压电薄膜置于支撑层和下电极上，并包围支撑层；上电极置于压电薄膜上；上电极与下电极的两端端面均不对齐，且下电极至少有一端端面超出上电极对应端的端面；压电薄膜在位于下电极的上表面超出上电极的一端位置开设有一个通孔。本发明将特定结构的声子晶体作为体声波谐振器的体声波底部声反射层，提高了器件Q值。
Description
技术领域
本发明涉及射频滤波器技术领域，具体涉及一种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器。
背景技术
近年来，随着无线通信消费市场的不断扩大，无线通信的需求迅猛，且不断向着多功能化和小型集成化方向发展，这就对射频电路模块提出了高工作频率、低工作频带损耗等一些严格的技术要求。FBAR滤波器具有体积小、高工作频率、以及高Q值等种种优势，因此FBAR滤波器技术已经成为无线通信滤波器的主流技术。体声波谐振器是FBAR滤波器的主要组成单元，其结构为上电极—压电薄膜—下电极的有源三明治结构，工作原理主要为声波作用于压电薄膜上，通过压电效应原理，在其内部产生谐振波，再通过压电薄膜将谐振波变成电信号输出。
目前市场上的体声波谐振器主要为背面刻蚀型、空气间隙型以及固体装配型三种常用结构，但是这三种结构均存在着一定缺点；背面刻蚀型的谐振器需要将衬底很大一部分硅去除，因此导致器件结构不稳定，影响器件性能，且工艺复杂；空气间隙型谐振器因为需要填充牺牲层，再将三明治层沉积之上，保证牺牲层的平整性对于该型器件至关重要，因此工艺相对复杂，其次对于牺牲层的释放去除也是一道比较复杂的工序。固体装配型的谐振器机械牢度较好，且不需要借助复杂的MEMS工艺，但是由于需要采用梯形布拉格反射层作为底部声反射层，要制备多层薄膜，因此工艺成本要比另外两种结构高。此外传统固体装配型FBAR一般采用金属与声阻抗较低的二氧化硅或者金属交替的布拉格反射层，但由于二氧化硅给器件带来的声损耗会随着声阻抗的降低而不断增加，且沉积二氧化硅层的工艺也较为繁琐，金属制备虽然简单，但是容易出现寄生电容，此外由于布拉格反射层并不能完全反射声波，将会有部分声波泄露到衬底之中，这将会降低该结构器件的Q值。
体声波谐振器主要原理是利用上下电极与空气的声阻抗差将声波限制在压电层中，入射波与反射波在压电层中产生驻波震荡，因此只需找到一种材料形成特定频率下声反射能力与空气相接近的结构，即可替代空气作为体声波结构的底部声反射层。声子晶体作为近年来一种新型的人工结构功能材料，基本特征为：带隙频率范围的弹性波在声子晶体中传播时会被抑制，而其他频率(通带)的弹性波在色散关系的作用下可以传播。在声子晶体带隙频率范围内，弹性波是低透射率，高反射率。声子晶体是一种人工制造的结构或材料，可对其周期性结构或几何属性进行设计，通过设计声子晶体的结构可以在特定频率范围内完全隔离声波，以实现类似于空腔对声波的全反射能力。
发明内容
本发明的目的是为解决现有体声波谐振器技术的不足，提供一种基于声子晶体的薄膜体声波谐振器。
本发明采用的技术方案如下：
本发明基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，包括衬底、声子晶体声反射层、支撑层和压电三明治结构；所述的声子晶体声反射层位于衬底内部，且声子晶体声反射层和衬底的上表面平齐；所述的支撑层覆盖在衬底和声子晶体声反射层上；所述的压电三明治结构包括下电极、压电薄膜和上电极；下电极置于支撑层上；压电薄膜置于支撑层和下电极上，并包围支撑层；上电极置于压电薄膜上；上电极与下电极的两端端面均不对齐，且下电极至少有一端端面超出上电极对应端的端面；若下电极只有一端端面超出上电极对应端的端面，则压电薄膜在位于下电极的上表面超出上电极的一端位置开设有一个通孔，若下电极两端端面均超出上电极对应端的端面，则压电薄膜在位于下电极的上表面超出上电极的任意一端位置开设一个通孔，通孔的上端开口于压电薄膜的上表面，下端开口于下电极的上表面。
优选地，所述的声子晶体声反射层由填充物一置于中心处且填充物二包裹填充物一的正方体晶胞排列而成。
优选地，所述的声子晶体声反射层由填充物一置于中心处且填充物二包裹填充物一的平行六面体晶胞排列而成，该平行六面体有四个面与声子晶体声反射层的四个边界分别平行。
优选地，所述的声子晶体声反射层由填充物二包裹两个填充物一的平行六面体晶胞排列而成；该两个填充物一关于平行六面体的中心对称，该平行六面体有两个面与声子晶体声反射层的两个边界分别平行。
优选地，所述的声子晶体声反射层由填充物三置于填充物一中心处且填充物一置于填充物二中心处的正方体晶胞排列而成。
更优选地，所述衬底的材料选用单晶硅、多晶硅、蓝宝石、铌酸锂或金刚石，所述支撑层的材料选用氮化硅、二氧化硅或单晶硅，所述上电极和下电极的材料选用铝、钼、金、钨、钛、银或铂，所述压电薄膜的材料选用氮化铝、铌酸锂、锆钛酸铅、钛酸锶钡或氧化锌，所述的填充物一为空气、聚酯酰胺、环氧树脂或二氧化硅，所述的填充物二为硅、氮化铝、铌酸锂、钼、铂、钨或钢，所述填充物三的材料选用硅、氮化铝、铌酸锂、钼、铂、钨或钢。
更优选地，所述的填充物一呈球形、圆柱形、正方体形或长方体形。
更优选地，所述声子晶体声反射层的晶格常数为50nm～1000nm，声子晶体声反射层的晶胞填充系数为40％～95％，填充物一呈球形或圆柱形时，半径为50nm～1000nm。
更优选地，所述填充物三的形状与填充物一的形状一致；当填充物一和填充物三均为球形或圆柱形时，填充物一与填充物三的直径比为0.1～0.9。
更优选地，所述的声子晶体声反射层中填充物一的声阻抗值不大于5兆瑞利，填充物二和填充物三的声阻抗值不小于15兆瑞利。
本发明具有的有益效果：
本发明利用声子晶体的带隙特性，以及不同结构的声子晶体在不同频率范围内的声波禁带特性，通过将特定结构的声子晶体作为体声波谐振器压电震荡堆下边界的体声波底部声反射层，提出了一种新型的基于声子晶体的体声波谐振器，无需制备空腔或者布拉格结构。本发明通过改变声子晶体的晶格常数与填充率可以获得在特定范围内接近于空气反射率的声子晶体声反射层结构，在该声子晶体的禁带频率范围内，声波被有效地限制在压电堆内，因此该结构也可以提高本发明体声波谐振器的品质因数。
附图说明
图1为本发明基于声子晶体的薄膜体声波谐振器示意图；
图2至图5分别为本发明实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中声子晶体声反射层结构以及晶胞形状的示意图；
图6至图9分别为本发明实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中声子晶体声反射层结构对应的能带与反射系数仿真图；
图10为本发明基于实施例1中声子晶体声反射层结构的薄膜体声波谐振器与传统薄膜体声波谐振器的导纳及阻抗仿真对比图。
具体实施方式
为了更好的描述本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，包括衬底1、声子晶体声反射层2、支撑层3和压电三明治结构；声子晶体声反射层2位于衬底1内部，且声子晶体声反射层2和衬底1的上表面平齐；支撑层3覆盖在衬底1和声子晶体声反射层2上；压电三明治结构包括下电极4、压电薄膜5和上电极6；下电极4置于支撑层3上；压电薄膜5置于支撑层3和下电极4上，并包围支撑层3；上电极6置于压电薄膜5上；上电极6与下电极4的两端端面均不对齐，且下电极4至少有一端端面超出上电极6对应端的端面；若下电极4只有一端端面超出上电极6对应端的端面，则压电薄膜5在位于下电极4的上表面超出上电极6的一端位置开设有一个通孔，若下电极4两端端面均超出上电极6对应端的端面，则压电薄膜5在位于下电极4的上表面超出上电极6的任意一端位置开设一个通孔，通孔的上端开口于压电薄膜5的上表面，下端开口于下电极4的上表面。
声子晶体声反射层2的结构可以在如下各实施例结构中选择一种结构。
实施例1：
如图2所示，声子晶体声反射层2由填充物一7置于中心处且填充物二8包裹填充物一7的正方体晶胞排列而成，即填充物一7阵列排布在填充物二8中，同一行或同一列中任意相邻两个填充物一7的间距均相等。
实施例2：
如图3所示，声子晶体声反射层2由填充物一7置于中心处且填充物二8包裹填充物一7的平行六面体晶胞排列而成，该平行六面体有四个面与声子晶体声反射层2的四个边界分别平行。
实施例3：
如图4所示，声子晶体声反射层2由填充物二8包裹两个填充物一7的平行六面体晶胞排列而成；该两个填充物一7关于平行六面体的中心对称，该平行六面体有两个面与声子晶体声反射层2的两个边界分别平行。
实施例4：
如图5所示，声子晶体声反射层2由填充物三9置于填充物一7中心处且填充物一7置于填充物二8中心处的正方体晶胞排列而成。
在上述任一实施例的基础上，衬底1选用的材料包括，但不限于单晶硅、多晶硅、蓝宝石、铌酸锂、金刚石。
在上述任一实施例的基础上，支撑层3选用的材料包括，但不限于氮化硅、二氧化硅、单晶硅。
在上述任一实施例的基础上，上电极6和下电极4选用的材料包括，但不限于铝、钼、金、钨、钛、银、铂。
在上述任一实施例的基础上，压电薄膜5选用的材料包括，但不限于氮化铝、铌酸锂、锆钛酸铅、钛酸锶钡、氧化锌。
在上述任一实施例的基础上，填充物一7为空气、聚酯酰胺、环氧树脂或二氧化硅等低声阻抗材料。
在上述任一实施例的基础上，填充物二8为硅、氮化铝、铌酸锂、钼、铂、钨或钢等高声阻抗材料。
在上述任一实施例的基础上，填充物一7呈球形、圆柱形、正方体形或长方体形。
在上述任一实施例的基础上，声子晶体声反射层2的晶格常数为50nm～1000nm，声子晶体声反射层2的晶胞填充系数为40％～95％，填充物一7呈球形或圆柱形时，半径为50nm～1000nm。
在实施例4基础上，填充物三9的材料可以选用硅、氮化铝、铌酸锂、钼、铂、钨或钢等高声阻抗材料；其中，填充物二8和填充物三9可以为同一种材料，也可以为两种声阻抗不同的材料。
在实施例4基础上，填充物三9的形状与填充物一7的形状一致；当填充物一7和填充物三9均为球形或圆柱形时，为保证图5所示的结构具有较大的带隙频率范围，填充物一7与填充物三9的直径比为0.1～0.9。
在实施例4基础上，声子晶体声反射层2中填充物一7的声阻抗值不大于5兆瑞利，填充物二8和填充物三9的声阻抗值不小于15兆瑞利。
图6、图7、图8和图9分别为实施例1、2、3和4中声子晶体声反射层2的能带图与反射系数图，其中，波矢的单位为rad/m；图6(b)表示实施例1中声子晶体声反射层结构在1.6GHz～3.0GHz内可以作为体声波谐振器的底部声反射层，图7(b)表示实施例2中声子晶体声反射层在2.4GHz～3.2GHz与4.0GHz～4.8GHz内可以作为薄膜体声波谐振器的底部声反射层，图8(b)表示实施例3中声子晶体声反射层结构在1.1GHz～2.9GHz内可以作为薄膜体声波谐振器的底部声反射层，图9(b)表示实施例4中声子晶体声反射层结构在3.3GHz～4.0GHz内可以作为薄膜体声波谐振器的底部声反射层。
如图10所示，通过基于实施例1中声子晶体声反射层结构的薄膜体声波谐振器与传统薄膜体声波谐振器的仿真结果对比，可见，基于实施例1声子晶体声反射层结构的体声波谐振器谐振曲线相对平滑，且未出现明显的寄生谐振，该仿真结果证明了本发明方案的可行性。
Claims (10)
1.基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，包括衬底、声子晶体声反射层、支撑层和压电三明治结构，其特征在于：所述的声子晶体声反射层位于衬底内部，且声子晶体声反射层和衬底的上表面平齐；所述的支撑层覆盖在衬底和声子晶体声反射层上；所述的压电三明治结构包括下电极、压电薄膜和上电极；下电极置于支撑层上；压电薄膜置于支撑层和下电极上，并包围支撑层；上电极置于压电薄膜上；上电极与下电极的两端端面均不对齐，且下电极至少有一端端面超出上电极对应端的端面；若下电极只有一端端面超出上电极对应端的端面，则压电薄膜在位于下电极的上表面超出上电极的一端位置开设有一个通孔，若下电极两端端面均超出上电极对应端的端面，则压电薄膜在位于下电极的上表面超出上电极的任意一端位置开设一个通孔，通孔的上端开口于压电薄膜的上表面，下端开口于下电极的上表面。
2.根据权利要求1所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的声子晶体声反射层由填充物一置于中心处且填充物二包裹填充物一的正方体晶胞排列而成。
3.根据权利要求1所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的声子晶体声反射层由填充物一置于中心处且填充物二包裹填充物一的平行六面体晶胞排列而成，该平行六面体有四个面与声子晶体声反射层的四个边界分别平行。
4.根据权利要求1所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的声子晶体声反射层由填充物二包裹两个填充物一的平行六面体晶胞排列而成；该两个填充物一关于平行六面体的中心对称，该平行六面体有两个面与声子晶体声反射层的两个边界分别平行。
5.根据权利要求1所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的声子晶体声反射层由填充物三置于填充物一中心处且填充物一置于填充物二中心处的正方体晶胞排列而成。
6.根据权利要求5所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述衬底的材料选用单晶硅、多晶硅、蓝宝石、铌酸锂或金刚石，所述支撑层的材料选用氮化硅、二氧化硅或单晶硅，所述上电极和下电极的材料选用铝、钼、金、钨、钛、银或铂，所述压电薄膜的材料选用氮化铝、铌酸锂、锆钛酸铅、钛酸锶钡或氧化锌，所述的填充物一为空气、聚酯酰胺、环氧树脂或二氧化硅，所述的填充物二为硅、氮化铝、铌酸锂、钼、铂、钨或钢，所述填充物三的材料选用硅、氮化铝、铌酸锂、钼、铂、钨或钢。
7.根据权利要求1至6中任一项所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的填充物一呈球形、圆柱形、正方体形或长方体形。
8.根据权利要求1至6中任一项所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述声子晶体声反射层的晶格常数为50nm～1000nm，声子晶体声反射层的晶胞填充系数为40％～95％，填充物一呈球形或圆柱形时，半径为50nm～1000nm。
9.根据权利要求5或6所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述填充物三的形状与填充物一的形状一致；当填充物一和填充物三均为球形或圆柱形时，填充物一与填充物三的直径比为0.1～0.9。
10.根据权利要求5或6所述基于声子晶体的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述的声子晶体声反射层中填充物一的声阻抗值不大于5兆瑞利，填充物二和填充物三的声阻抗值不小于15兆瑞利。
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