CN115603698B - 一种基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，属于可调谐谐振器技术领域，包括谐振结构和对称位于谐振结构两侧的应力加载结构，应力加载结构包括自下而上依次的第一下电极、第一压电薄膜层和第一上电极，谐振结构包括自下而上依次的应力敏感层、第二下电极、第二压电薄膜层和第二上电极；其中，应力敏感层具有弹性软化效应，与两侧第一压电薄膜层刚性连接，第二下电极与两侧第一上电极不相连。本发明中应力加载结构在逆压电效应下带动与之刚性连接的应力敏感层，使后者杨氏模量发生大范围改变，进而实现大范围可调谐的薄膜体声波谐振器，同时调制信号与激励信号可有效分离，具有体积小、成本低、功耗低、易于大批量生产等优势。
Description
技术领域
本发明属于可调谐谐振器技术领域，具体涉及一种基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器。
背景技术
射频通信技术的迅猛发展，对射频滤波器提出了更高频段、更高性能、更低功耗、更小体积的要求。薄膜体声波谐振器（FBAR）具有体积小、成本低、功耗低的优点，并与当下集成电路的主流CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺相兼容，因此被广泛应用于射频滤波器、振荡器、双工器、低噪声放大器等核心射频元器件。在 FBAR 技术的众多研究方向中，频率调制一直以来都是学术界与产业界的研究热点，在实现器件的频率一致性、温度补偿、频段拓展等方面具有重大的应用价值。具体而言，在FBAR器件实际生产过程中，由于工艺一致性问题，硅片中成千上万的个体器件会出现频率不一致的问题，这将给器件的成品率带来极大的挑战。此外，即使是频率满足出厂规格的合格器件，在其具体使用过程中，有时由于应用环境的不同，器件的谐振频率会出现一定的偏差，如环境温度变化所引起的温漂问题。因此，在实际应用中往往希望FBAR器件具备一定能力的频率微调功能，使其达到期望频率值，进而有效缓解上述问题。甚至如果器件的频率调制范围足够大，则有望实现跨信道通信，从而精简手机等通信器材的滤波器模组个数，这在商业领域具有巨大的应用潜力。综上所述，一款灵活、快速、可调节范围大的FBAR谐振器，将有十分广阔的应用前景。
目前的调谐方案一般是基于光、温度、电场或磁场等外部条件的变化对FBAR的谐振频率进行一定范围的可逆调节。其中，光调制方案通过采用光线照射器件的谐振区域引起FBAR电学特性的改变，进而快速灵活的调制器件的谐振频率，但用于产生光控制信号的光学***成本较高、体积较大，并且与FBAR制造工艺不兼容，很难实现与FBAR芯片的单片集成。温度调制方案是在FBAR中加入温度调制层，通过改变温度调制层的杨氏模量，实现频率调制，但此方案需要外加发热电阻以改变温度，由于电能到热能的转换会产生较大的损耗和滞后，将导致响应速度慢和功耗大。磁场调制方案是在FBAR中加入磁敏感材料层，通过外部磁场改变磁敏感层的杨氏模量，实现较大范围的频率调制，但需要额外的磁场施加装置，在电加载转换为磁场的过程中会产生损耗，导致其存在体积和功耗较大的问题。本征电场调制方案通过在FBAR的电极上施加直流偏置，使压电材料的杨氏模量发生改变，从而实现对FBAR谐振频率的调制，但由于调制信号直接施加在原有电极上，存在激励信号和调制信号相互干扰的问题，并且受限于现有压电材料性能，可调节范围较小。压控变电容调制方案是在FBAR的电极上设置电极桥，当在电极桥上施加直流电压时，会改变顶部电极和电极桥之间的距离，进而改变FBAR器件的等效串联电容，最终实现对串联谐振频率的调制，但此种加工方式会降低器件的结构强度，并且无法同时调节FBAR器件的串联和并联谐振频率。因此，有必要提出一种新型可调谐谐振器以解决上述问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的激励信号和调制信号相互干扰，可调节范围小，体积大，功耗大的问题，提供一种基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，显著提高薄膜体声波谐振器的调谐范围，具有体积小、成本低、功耗低、易于大批量生产等优势。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括谐振结构和对称位于谐振结构两侧的应力加载结构；
所述应力加载结构包括自下而上依次层合的第一下电极、第一压电薄膜层和第一上电极；
所述谐振结构包括自下而上依次层合的应力敏感层、第二下电极、第二压电薄膜层和第二上电极；
其中，所述应力敏感层具有弹性软化效应，当受到应力作用时，应力敏感层的杨氏模量会发生改变；所述应力敏感层与两侧的第一压电薄膜层刚性连接，第二下电极与两侧的第一上电极不相连。
进一步地，所述应力敏感层的材料为单晶铜、单斜二氧化铪等。
进一步地，所述第一压电薄膜层和第二压电薄膜层的材料具有压电效应；优选地，所述第一压电薄膜层和第二压电薄膜层的材料为压电陶瓷PZT（锆钛酸铅）、AlN（氮化铝）、压电单晶PMN-PT（铌镁酸铅-钛酸铅）等。
进一步地，所述第一压电薄膜层与应力敏感层的厚度相同。
进一步地，两侧的应力加载结构的尺寸相同。
进一步地，所述第一下电极和第一上电极的长宽尺寸至少为厚度的500倍。
进一步地，所述应力敏感层的厚度为第二下电极或第二上电极的厚度的20倍。
进一步地，所述第一压电薄膜层、应力敏感层和第二压电薄膜层的厚度为30~100nm，第一下电极和第一上电极的厚度为5~20 nm。
本发明提出的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器的工作原理为：
当分别对两侧应力加载结构的第一下电极和第一上电极施加直流偏置信号时，两侧的第一压电薄膜层中会形成电场；由于逆压电效应，第一压电薄膜层会向两侧拉伸或收缩；而应力敏感层与两侧的第一压电薄膜层刚性连接，将同步发生收缩或拉伸，即受到应力作用，使得具有弹性软化效应的应力敏感层发生杨氏模量的改变；
由应力敏感层、第二下电极、第二压电薄膜层和第二上电极层合而成的谐振结构在交流射频信号的作用下会发生谐振，而谐振频率会受到材料杨氏模量的影响，因此应力敏感层的杨氏模量变化将引起谐振结构的谐振频率发生较大范围改变；
基于上述过程，谐振结构的谐振频率可通过改变施加直流偏置信号的大小进行大范围调节，实现调制信号（即直流偏置信号）与激励信号（即交流射频信号）的相互分离，最终实现灵活、快速、可大范围调节的薄膜体声波谐振器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提出一种基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，在谐振结构两侧对称设置应力加载结构，逆压电效应下带动与之刚性连接的应力敏感层的杨氏模量发生大范围改变，进而实现大范围可调谐的薄膜体声波谐振器；
2、本发明采用的调制方式，将直流偏置信号施加于两侧应力加载结构的第一下电极和第一上电极，而将交流射频信号施加于谐振结构的第二下电极和第二上电极，无需额外的偏置器（Bias Tee)进行信号叠加，实现调制信号与激励信号的有效分离；
3、本发明采用的应力加载方式，根据逆压电效应将电压转换为应力，这一转换过程十分迅速，产生的漏电流在纳安培（10-9A）级别，并且在第一压电薄膜层材料的弹性限度以内完全可逆，实现低功耗、快速且灵活的大范围调节。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器的三维结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器的整体应力仿真结果图，以及应力敏感层的局部放大图；
图3为本发明实施例1提供的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器处于谐振频率时的位移仿真结果图；
图4为本发明实施例1提供的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器在施加不同直流偏置信号下的幅频曲线仿真结果图；
图5为本发明实施例1提供的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器在施加不同直流偏置信号下串联和并联谐振频率仿真结果图；
附图中各标记的说明如下：
1.右侧第一下电极；2.右侧第一压电薄膜层；3.右侧第一上电极；4.应力敏感层；5.第二下电极；6. 第二压电薄膜层；7. 第二上电极；8.左侧第一下电极；9.左侧第一压电薄膜层；10.左侧第一上电极。
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，以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细说明。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。
实施例1
本实施例提供了一种基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，三维结构如图1所示，包括谐振结构和对称位于谐振结构左右两侧的应力加载结构；
其中，位于谐振结构右侧的应力加载结构包括自下而上依次层合的右侧第一下电极1、右侧第一压电薄膜层2和右侧第一上电极3；谐振结构包括自下而上依次层合的应力敏感层4、第二下电极5、第二压电薄膜层6和第二上电极7；位于谐振结构左侧的应力加载结构包括自下而上依次层合的左侧第一下电极8、左侧第一压电薄膜层9和左侧第一上电极10。
所述应力敏感层4分别与右侧第一压电薄膜层2、左侧第一压电薄膜层9刚性连接，第二下电极5与右侧第一上电极3、左侧第一上电极10不相连。
本实施例中，所述右侧第一下电极1、右侧第一上电极3、第二下电极5、第二上电极7、左侧第一下电极8和左侧第一上电极10均采用Mo（钼）材料制成，厚度均为5 nm，具有电阻率较低、声阻抗率较高等优点；所述右侧第一压电薄膜层2、第二压电薄膜层6和左侧第一压电薄膜层9均由AlN材料制成，厚度均为100 nm，具有良好的热稳定性、导热性以及绝缘性；所述应力敏感层4由单晶铜材料制成，厚度为100 nm，具有较好的延展性以及较大范围的弹性软化效应；所述第二下电极5、第二压电薄膜层6和第二上电极7的长度均为20 μm，宽度均为50 μm；所述右侧第一下电极1、右侧第一上电极3、左侧第一下电极8和左侧第一上电极10的长度均为39 μm，宽度均为50 μm。
本实施例提出的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器的工作原理为：
当分别对右侧第一下电极1、右侧第一上电极3、左侧第一下电极8和左侧第一上电极10施加直流偏置信号时，右侧第一压电薄膜层2和左侧第一压电薄膜层9中会形成电场；由于逆压电效应，右侧第一压电薄膜层2和左侧第一压电薄膜层9会向两侧拉伸或收缩；而应力敏感层4分别与右侧第一压电薄膜层2、左侧第一压电薄膜层9刚性连接，将同步发生收缩或拉伸，即受到应力作用，使得具有弹性软化效应的应力敏感层4发生杨氏模量的改变；
由应力敏感层4、第二下电极5、第二压电薄膜层6和第二上电极7层合而成的谐振结构在交流射频信号的作用下会发生谐振，而谐振频率会受到材料杨氏模量的影响，因此应力敏感层的杨氏模量变化将引起谐振结构的谐振频率发生较大范围改变；
基于上述过程，谐振结构的谐振频率可通过改变施加直流偏置信号的大小进行大范围调节，实现调制信号（即直流偏置信号）与激励信号（即交流射频信号）的相互分离，最终实现灵活、快速、可大范围调节的薄膜体声波谐振器。
图2为本实施例提出的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器的整体应力仿真结果图，以及应力敏感层的局部放大图，可知对对称位于谐振结构左右两侧的应力加载结构施加直流偏置信号后，可以实现从电压到应力的转变，使得位于中间的应力敏感层4受到应力的作用。
图3为本实施例提出的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器处于谐振频率时的位移仿真结果图，可知由应力敏感层4、第二下电极5、第二压电薄膜层6和第二上电极7层合而成的谐振结构的振动模态为厚度方向。
如图4所示，当直流偏置信号从-4.9 V增加至+4.8 V，基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器的谐振频率也随之从5.6 GHz增加至8.7 GHz，实现了极大范围的频率调制。图5更进一步的说明了这一点，串联谐振频率实现了55%的调制范围，并联谐振频率也有50%的调制范围。
本实施例提出的基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，可显著提高调谐范围，具有体积小、成本低、功耗低、易于大批量生产等优势。在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的下，还可以作出改进，但这些均属于本发明的保护范畴。
Claims (7)
1.一种基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括谐振结构和对称位于谐振结构两侧的应力加载结构；
所述应力加载结构包括自下而上依次层合的第一下电极、第一压电薄膜层和第一上电极；
所述谐振结构包括自下而上依次层合的应力敏感层、第二下电极、第二压电薄膜层和第二上电极；
其中，所述应力敏感层具有弹性软化效应，与两侧的第一压电薄膜层刚性连接；第二下电极与两侧的第一上电极不相连；
通过对两侧应力加载结构的第一下电极和第一上电极施加直流偏置信号，对谐振结构的第二下电极和第二上电极施加交流射频信号，实现直流偏置信号与交流射频信号的相互分离，以及谐振频率调节。
2.根据权利要求1所述基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述应力敏感层的材料为单晶铜或单斜二氧化铪。
3.根据权利要求1所述基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一压电薄膜层和第二压电薄膜层的材料为压电陶瓷PZT、AlN或压电单晶PMN-PT。
4.根据权利要求1所述基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一压电薄膜层与应力敏感层的厚度相同。
5.根据权利要求1所述基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述应力敏感层的厚度为第二下电极或第二上电极的厚度的20倍。
6.根据权利要求1所述基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一压电薄膜层、应力敏感层和第二压电薄膜层的厚度为30~100 nm，第一下电极和第一上电极的厚度为5~20 nm。
7.根据权利要求1所述基于弹性软化效应的可调谐薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一下电极和第一上电极的长宽尺寸至少为厚度的500倍。
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