CN114301411B - 一种体声波谐振器和体声波滤波器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种体声波谐振器和体声波滤波器，涉及滤波器技术领域，包括：衬底，在衬底上依次层叠设置的下电极、压电层和上电极，下电极在衬底上的正投影和上电极在衬底上的正投影具有交叠区域，交叠区域的轮廓形状由圆弧线段和至少两条直线段首尾顺次连接形成，相邻两条直线段的连接点至圆弧线段圆心的距离等于圆弧线段所在圆的半径。如此，使得体声波谐振器能够同时具有较高的机电耦合系数和Q值，从而有效提高器件性能。
Description
技术领域
本申请涉及滤波器技术领域，具体而言，涉及一种体声波谐振器和体声波滤波器。
背景技术
通过电极输入高频交流电信号，体声波谐振器就会产生振动(声波)。高频交流电信号可以激励体声波谐振器产生向各种方向传播的声波，比如面外方向传播的纵波或者面内方向传播的横波。当交流电信号的频率与体声波谐振器纵波谐振频率一致，这时体声波谐振器产生电-声共振，此时交流电信号的频率就是谐振频率。当输入的交流电信号的频率与体声波谐振器横波谐振频率一致，这时体声波谐振器也产生电-声共振，通常我们将此谐振称为寄生谐振，也就是将横波的谐振称为寄生谐振，寄生谐振往往影响谐振器的性能。
现有技术所提供的体声波谐振器的形状通常为多边形或闭合曲线形成图形，其周长较长，使得边缘电容和边缘能量泄露较大，导致品质因数Q值低、机电耦合系数kt较小，体声波谐振器的性能偏低。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种，以解决的问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例的一方面，提供一种体声波谐振器，包括：衬底，在衬底上依次层叠设置的下电极、压电层和上电极，下电极在衬底上的正投影和上电极在衬底上的正投影具有交叠区域，交叠区域的轮廓形状由圆弧线段和至少两条直线段首尾顺次连接形成，相邻两条直线段的连接点至圆弧线段圆心的距离等于圆弧线段所在圆的半径。
可选的，圆弧线段的圆心角为180°。
可选的，交叠区域为非对称区域。
可选的，直线段的数量为3至5条。
可选的，直线段为至少三条，相邻两条直线段的夹角大于90°。
可选的，任意两条直线段不平行。
可选的，任意两条直线段的长度不相等。
可选的，相邻两条直线段的夹角各不相等。
可选的，下电极在衬底上的正投影的面积大于上电极在衬底上的正投影的面积。
本申请实施例的另一方面，提供一种体声波滤波器，包括多个上述任一种的体声波谐振器，相邻两个体声波谐振器串联或并联。
本申请的有益效果包括：
本申请提供了一种体声波谐振器和体声波滤波器，包括：衬底，在衬底上依次层叠设置的下电极、压电层和上电极，下电极在衬底上的正投影和上电极在衬底上的正投影具有交叠区域，交叠区域的轮廓形状由圆弧线段和至少两条直线段首尾顺次连接形成，相邻两条直线段的连接点至圆弧线段圆心的距离等于圆弧线段所在圆的半径。如此，使得体声波谐振器能够同时具有较高的机电耦合系数和Q值，从而有效提高器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种体声波滤波器的结构示意图之一；
图2为本申请实施例提供的一种体声波滤波器的交叠区域的示意图之一；
图3为本申请实施例提供的一种体声波滤波器的交叠区域的示意图之二；
图4为本申请实施例提供的一种体声波滤波器的交叠区域的示意图之三；
图5为本申请实施例提供的一种体声波滤波器的仿真曲线示意图。
图标：100-衬底；110-圆弧线段；120-直线段；130-圆弧线段所在圆的另一半；140-第二横向声波；150-第一横向声波；200-空腔；300-下电极；400-压电层；500-上电极；600-交叠区域。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。
本申请实施例的一方面，提供一种体声波谐振器，如图1所示，包括：衬底100，衬底100可以是硅衬底100、蓝宝石衬底100等等，本申请对其不做具体限定。在衬底100上设置有下电极300，在下电极300上设置有压电层400，在压电层400上设置有上电极500，以此形成图1中依次层叠的压电堆叠结构，从而在上电极500和下电极300上施加射频信号后，利用压电层400的压电层400材料的压电效应，产生纵向模式的振动，从而在压电堆叠结构中产生纵向传播的声信号，声信号在压电堆叠结构中振荡再通过压电效应转化为电信号输出，这其中只有与压电材料谐振频率匹配的射频信号才能够通过体声波谐振器的传输实现滤波的功能。
体声波滤波器在实际工作时，由下电极300和上电极500产生的交叠区域600作为有效工作区域，即上电极500在衬底100上的正投影和下电极300在衬底100上的正投影具有一定的交叠，称为交叠区域600，交叠区域600可以作为器件的有效工作区域。
如图2和图4所示，交叠区域600的轮廓可以由一条圆弧线段110和至少两条直线段120首尾顺次连接形成，并且使得相邻两条直线段120的连接点至圆弧线段110所在圆的圆心的距离等于圆弧线段110所在圆的半径，即可以理解为至少两条直线段120中的每一条直线段120的端点均位于圆弧线段110所在的圆上，形成多条直线段120均内接于圆弧线段110所在的圆的形式。
应当理解，在实际工作中，压电堆叠结构形成的平板电容在边缘具有边缘电容，边缘电容的存在对体声波谐振器的机电耦合系数会造成影响，从而使得体声波谐振器的性能受到影响。基于此基础，本申请通过上述方案，将体声波谐振器的有效工作区域的轮廓设置为圆弧线段110和至少两条直线段120首尾顺次相接的封闭图形，且使得所有直线段120均内接于圆弧线段110所在的圆，由此，使得交叠区域600的形状能够较为接近圆，结合在等面积的条件下，圆的周长最小，从而使得本申请体声波谐振器的有效工作区域在面积相同的情况下，有效工作区域的周长较小，如此，能够有效的降低器件的边缘电容和边缘能量的泄露，从而提高体声波谐振器的机电耦合系数，提高谐振器的性能。
还应当理解的是，在降低有效工作区域的轮廓的周长从而提高机电耦合系数时，本申请还进一步的平衡了体声波谐振器的横向寄生模态，即本申请通过上述方案，将体声波谐振器的有效工作区域的轮廓设置为圆弧线段110和至少两条直线段120首尾顺次相接的封闭图形，由此，结合图3所示，声波在有效工作区域内沿横向传播时，至少具有三种形式，以下将示意性的说明，其中的一种为：第一横向声波150在横向传播时，经过圆弧线段110所在的圆心，并且其传播路径与直线段120垂直交于一点，如此，第一横向声波150则会由圆弧线段110和该点之间来回反射，从而形成横向驻波；其中的另一种为：第二横向声波140在横向传播时，经过圆弧线段110所在的圆心，且其传播路径与直线段120不垂直，此时，第二横向声波140不会形成横向驻波；其中的再一种为：第三横向声波(图3中未示出)，即第三横向声波在横向传播时，不经过圆弧线段110所在的圆心，此时，第三横向声波也不会形成横向驻波。
由于横向驻波的存在会使得体声波谐振器存在横向寄生模态，故，本申请通过前述方案，将体声波谐振器的有效工作区域的轮廓设置为圆弧线段110和至少两条直线段120首尾顺次相接的封闭图形，使得在一条直线段120上仅有一个点会发生横向驻波，因此，横向驻波的数量非常有限，相对于将有效工作区域的轮廓设置为圆形时，可以有效降低体声波谐振器的横向寄生模态，提高体声波谐振器的Q值。如图5所示，给出了交叠区域为圆形轮廓时的仿真曲线和本申请交叠区域600的轮廓仿真曲线，从图5中虚线圈内可以看出本申请的横向寄生模态明显少于圆形轮廓的横向寄生模态。
可选的，如图2或图4所示，圆弧线段110所对应的圆心角为180°，即圆弧线段110呈半圆弧形状，此时，既能够利用圆弧线段110充分的降低有效工作区域的轮廓的周长，同时，又能够避免圆弧线段110上产生横向驻波的点陡增，以此，实现对机电耦合系数和Q值的平衡，使得体声波谐振器能够同时具有较高的机电耦合系数和Q值，从而有效提高器件性能。
在一些实施方式中，如图2所示，轮廓由一条圆弧线段110和三条直线段120首尾顺次连接形成，其中，圆弧线段110的圆心角为180°，相邻两条直线段120产生两个连接点，两个连接点均位于圆弧线段所在圆的另一半130的虚线上，由此，使得体声波谐振器能够同时具有较高的机电耦合系数和Q值，从而有效提高器件性能。
在一些实施方式中，如图4所示，轮廓由一条圆弧线段110和六条直线段120首尾顺次连接形成，其中，圆弧线段110的圆心角为180°，相邻两条直线段120产生五个连接点，五个连接点均位于圆弧线段所在圆的另一半130的虚线上，由此，能够进一步的提高体声波谐振器的机电耦合系数，从而有效提高器件性能。
可选的，直线段120为至少三条，相邻两条直线段120的夹角大于90°。
例如图2所示，轮廓由一条圆弧线段110和三条直线段120首尾顺次连接形成，其中，圆弧线段110的圆心角为180°，相邻两条直线段120产生两个连接点，两个连接点均位于圆弧线段所在圆的另一半130的虚线上，第一条直线段120和第二条直线段120之间的夹角为a，第二条直线段120和第三条直线段120之间的夹角为b，夹角a和夹角b均大于90°，如此，能够进一步的降低横向驻波的数量以及横向寄生模态，从而使得体声波谐振器具有更高的Q值。
例如图4所示，轮廓由一条圆弧线段110和六条直线段120首尾顺次连接形成，其中，圆弧线段110的圆心角为180°，相邻两条直线段120产生五个连接点，五个连接点均位于圆弧线段所在圆的另一半130的虚线上，使得相邻两条直线段120之间的夹角均大于90°。
可选的，随着直线段120的数量的增加，体声波谐振器所产生的横向驻波的数量也随之增多，因此，在设置时，为了使得体声波谐振器同时具有更好的机电耦合系数和Q值，性能更加均衡，可以使得形成有效工作区域的轮廓的直线段120的数量为3至5条。
可选的，在形成有效工作区域轮廓的直线段120中，任意两条直线段120不平行，即每一条直线段120均与剩余直线段120保持不平行，如此，能够进一步的降低横向驻波的数量以及横向寄生模态，从而使得体声波谐振器具有更高的Q值。
可选的，交叠区域600，即有效工作区域为非对称区域，如此，能够增加有效工作区域的轮廓的不规则性，进一步的降低横向驻波的数量以及横向寄生模态，从而使得体声波谐振器具有更高的Q值。
可选的，任意两条直线段120的长度不相等，如此，能够增加有效工作区域的轮廓的不规则性，进一步的降低横向驻波的数量以及横向寄生模态，从而使得体声波谐振器具有更高的Q值。
可选的，相邻两条直线段120的夹角各不相等，如此，能够增加有效工作区域的轮廓的不规则性，进一步的降低横向驻波的数量以及横向寄生模态，从而使得体声波谐振器具有更高的Q值。例如图2所示，轮廓由一条圆弧线段110和三条直线段120首尾顺次连接形成，其中，圆弧线段110的圆心角为180°，相邻两条直线段120产生两个连接点，两个连接点均位于圆弧线段所在圆的另一半130的虚线上，第一条直线段120和第二条直线段120之间的夹角为a，第二条直线段120和第三条直线段120之间的夹角为b，夹角a和夹角b不相等，如此，能够增加有效工作区域的轮廓的不规则性，进一步的降低横向驻波的数量以及横向寄生模态，从而使得体声波谐振器具有更高的Q值。
可选的，下电极300在衬底100上的正投影的面积大于上电极500在衬底100上的正投影的面积，在衬底100上还可以通过刻蚀设置有空腔200，空腔200位于压电堆叠结构之下，如此，能够提高体声波谐振器的性能。
本申请实施例的另一方面，提供一种体声波滤波器，包括在衬底100上间隔设置的多个体声波谐振器，多个体声波谐振器之间呈串联或并联关系，即相邻两个体声波谐振器串联或并联，形成的串联电路和并联电路则分别与衬底100上的信号端连接，以此，可以形成多阶梯形滤波器。如此，能够使得体声波滤波器同时具有较高的机电耦合系数和Q值，从而有效提高器件性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：衬底，在所述衬底上依次层叠设置的下电极、压电层和上电极，所述下电极在所述衬底上的正投影和所述上电极在所述衬底上的正投影具有交叠区域，所述交叠区域的轮廓形状由圆弧线段和至少两条直线段首尾顺次连接形成，相邻两条所述直线段的连接点至所述圆弧线段圆心的距离等于所述圆弧线段所在圆的半径；至少两条直线段中的每一条直线段的端点均位于圆弧线段所在的圆上，形成多条直线段均内接于圆弧线段所在的圆。
2.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述圆弧线段的圆心角为180°。
3.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述交叠区域为非对称区域。
4.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述直线段的数量为3至5条。
5.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述直线段为至少三条，相邻两条所述直线段的夹角大于90°。
6.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，任意两条所述直线段不平行。
7.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，任意两条所述直线段的长度不相等。
8.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，相邻两条所述直线段的夹角各不相等。
9.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述下电极在所述衬底上的正投影的面积大于所述上电极在所述衬底上的正投影的面积。
10.一种体声波滤波器，其特征在于，包括多个如权利要求1至9任一项所述的体声波谐振器，相邻两个所述体声波谐振器串联或并联。
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