CN115882809A - 一种温度补偿型声表面波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度补偿型声表面波谐振器，属于硅基半导体器件技术领域。所述谐振器包括：从下到上依次设置的压电衬底层、电极层和氧化层；所述电极层包括插指换能器，以及，相对于所述插指换能器的对称设置的反射栅区域；所述插指换能器的电极指的下表面的面积小于上表面的面积。本发明设置下表面面积小上表面面积大的电极指，以减少电极指与压电衬底层的接触面积，从而在不增加介电损耗的情况下，有效降低声波能量损耗，并形成上下空间上的质量差，以实现阻抗失配，使瑞利声波能量约束在压电衬底层表面，从而提高了谐振器的品质因数。
Description
技术领域
本发明涉及硅基半导体器件技术领域，特别是涉及一种温度补偿型声表面波谐振器。
背景技术
随着科技的不断发展，硅基半导体器件因其优良的性能、较小的尺寸及功耗已经牢牢占据了半导体产业的主流地位。MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械***）器件作为电子器件的重要组成部分，具有体积小、功耗低的特点，能够满足未来对器件小型化、***化的要求。MEMS器件种类繁多、应用广泛，比如液位传感器、振荡器、麦克风、射频开关和滤波器，而这些器件的核心技术是设计高性能的超宽带谐振器。
目前，温度补偿型声表面波谐振器(Temperature Compensated-Surfaceacoustic wave，TC-SAW)作为超宽带谐振器的一种，在很多领域已有广泛应用，但这种谐振器的能量损耗、品质因数等性能逐渐不能满足人类的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种能量损耗小且品质因数高的温度补偿型声表面波谐振器。
为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：
一种温度补偿型声表面波谐振器，所述谐振器包括：从下到上依次设置的压电衬底层、电极层和氧化层；
所述电极层包括插指换能器，以及，相对于所述插指换能器的对称设置的反射栅区域；
所述插指换能器的电极指的下表面的面积小于上表面的面积。
可选的，所述插指换能器的电极指的截面形状为倒梯形。
可选的，所述插指换能器的电极指的截面形状为倒阶梯形。
可选的，所述倒阶梯形的阶数至少为2，所述倒阶梯形的阶梯形状为矩形或倒梯形。
可选的，所述电极指的厚度为所述谐振器的波长的5%-10%，所述电极指的上表面的宽度为所述谐振器的波长的1/4。
可选的，所述插指换能器包括两个插指电极模块；
所述插指电极模块包括总线，及与所述总线连接的多个电极指；
两个所述插指电极模块中的电极指交叉设置。
可选的，所述反射栅区域包括等间隔分布的多个反射栅电极。
可选的，所述插指换能器的电极指和所述反射栅区域的反射栅电极的材料包括铝、铂、镍和钼中的一种或多种。
可选的，压电衬底层的材料包括铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、氮化铝、氧化锌和压电陶瓷中的一种或多种。
可选的，所述氧化层的材料为具有负温度系数的二氧化硅，所述氧化层用于对压电衬底层进行温度补偿。
根据本发明提供的具体实施例，本发明实施例公开了以下技术效果：
本发明实施例中的谐振器包括：从下到上依次设置的压电衬底层、电极层和氧化层，其中电极层中插指换能器的电极指的下表面的面积小于上表面的面积，这样，可以减少电极指与压电衬底层的接触面积，从而在不增加介电损耗的前提下，有效地降低声波能量损耗；同时，在密度相同的情况下，由于电极指上表面大于下表面，则电极指上部的体积和质量也相应更大，从而形成上下空间上的质量差，而质量差可导致阻抗失配，使瑞利声波能量约束在压电衬底层表面，从而提高了谐振器的品质因数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种温度补偿型声表面波谐振器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种温度补偿型声表面波谐振器的俯视图；
图3为现有技术的温度补偿型声表面波谐振器的局部截面图；
图4为本发明实施例提供的温度补偿型声表面波谐振器的第一种实施方式的局部截面图；
图5为本发明实施例提供的温度补偿型声表面波谐振器的第二种实施方式的局部截面图；
图6为本发明实施例提供的温度补偿型声表面波谐振器的第三种实施方式的局部截面图；
图7为本发明实施例提供的温度补偿型声表面波谐振器的第四种实施方式的局部截面图；
图8为本发明实施例提供的温度补偿型声表面波谐振器的第五种实施方式的局部截面图；
图9为本发明实施例提供的温度补偿型声表面波谐振器的第六种实施方式的局部截面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的目的是提供一种能量损耗小且品质因数高的温度补偿型声表面波谐振器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1示出了上述温度补偿型声表面波谐振器的一种示例性结构，包括：从下到上依次设置的压电衬底层、电极层和氧化层；
其中：
上述电极层包括插指换能器和多个反射栅区域。
图2示出了两个反射栅区域对称位于插指换能器的两侧的示例性结构。在本发明其他实施例中，本领域技术人员可根据需要灵活设计反射栅区域的个数，只要保证反射栅区域两两对称分布于插指换能器的两侧即可。
下面介绍插指换能器。插指换能器具有电极指。电极指的下表面的面积小于上表面的面积。
具体的，请参见图2所示，插指换能器示例性的包括：两个插指电极模块。
在使用时，两个插指电极模块一个用于连接信号端，一个用于连接接地端。
任一插指电极模块可包括总线，及与总线连接的多个电极指；总线用于连接信号端或接地端。
两个插指电极模块中的电极指交叉设置，并且，电极指的下表面的面积小于上表面的面积。
在一个示例中，在加工时，电极层可通过镀膜的方式沉积在上述压电衬底层上面。然后通过总线和接线板，与外界电路连接起来。
参见图3，现有技术中电极指的截面形状为矩形。
在本发明其他实施例中，请参见图4，电极指的截面形状可为倒梯形。对于倒梯形的电极指，其上端底角的大小在0-90度变化，该倒梯形的上底宽度与下底宽度成倍数关系，例如，可为大于1小于或等于2的任意倍数，示例性的为1.2。倍数关系由倒梯形的上底角和电极指的厚度决定。电极指的横截面积本发明实施例中不做限定。
在本发明另一实施例，请参见图5，电极指可为倒阶梯形结构，这样的电极指可称为倒阶梯形的电极指。
示例性的，倒阶梯形结构的阶数至少为2，即至少包含2个阶梯。
每一个阶梯的截面形状可有多种选择，例如矩形、倒梯形等。图6即示出了由多个相互连接的矩形阶梯构成的倒阶梯形电极的示例性结构（可称为结构I型）；图7则示出了由多个相互连接的倒梯形阶梯构成的倒阶梯形电极的示例性结构（可称为结构Ⅱ型）。图8-图9示出了由矩形阶梯和倒梯形阶梯混合构成的倒阶梯形电极。
可将任意相邻阶梯中，距离压电衬底层更远的一个称为上部阶梯，另一个为下部阶梯。
进一步的，对于结构I型中任意相邻阶梯，可将上部阶梯的截面形状称为上部矩形，将下部阶梯的截面形状称为下部矩形。则结构I型中相邻两阶梯满足如下关系：
在长度上，上部矩形的长边大于下部矩形的长边，其中，长边与前述的“从下到上”这一方向相垂直。
作为一种可选的方案，结构I型中的阶数为2，当阶数为2时，既能实现减小能量损耗并提高品质因数的技术效果，又无需复杂的制备工艺。
同理，对于结构Ⅱ型中任意相邻阶梯，可将上部阶梯的截面形状称为上部倒梯形，将下部阶梯的截面形状称为下部倒梯形，则结构Ⅱ型中相邻两个阶梯满足如下关系：
在长度上，上部倒梯形的上底边大于下部倒梯形的下底边。
其中，上底边、下底边与前述的“从下到上”这一方向相垂直。由于一个梯形包括两个底边，这里的上底边指上部倒梯形中距离压电衬底层更远的那一底边，这里的下底边则指下部倒梯形中距离压电衬底层更近的底边。
结合图8和图9所示结构，可总结出，在阶梯的截面形状为矩形或倒梯形时，相邻两阶梯可满足如下关系：
在长度上，上部阶梯截面形状的长边或上底边，大于下部阶梯截面形状的长边或下底边。
在一个示例中，相邻两阶梯中位于上部阶梯的上表面的面积为下部阶梯的下表面的面积的n倍，n为大于1且小于或等于2的任意数值，示例性的为1.2。
下面介绍电极指的其他参数。
本领域技术人员可根据实际需要灵活设计电极指的厚度。示例性的，电极指的厚度可为波长的5%-10%。这里的波长，指谐振器的波长。
在一个示例中，电极指的材料包括铝、铂、镍和钼中的一种或多种。当然，本领域技术人员也可选择其他导电材料制备电极指，在此不作赘述。
电极指的宽度是由谐振器的波长/频率决定的，一般是设计为1/4波长。
需要说明的是，以图6-9为例，宽度指最上面阶梯的宽度，具体而言是该阶梯截面形状的边长或上底边的长度。
下面介绍反射栅区域。
请参见图2，任一反射栅区域可包括等间隔分布的多个反射栅电极。
在一个示例中，反射栅电极的材料包括铝、铂、镍和钼中的一种或多种。当然，本领域技术人员也可选择其他导电材料制备反射栅电极，在此不作赘述。
反射栅电极的宽度是由谐振器的波长/频率决定的，一般是设计为1/4波长。
接下来介绍氧化层。为了降低温度对频率漂移的影响，在电极层上面加上一层氧化层。
在一个示例中，氧化层的材料可为二氧化硅等具有负温度系数的材料，用于对压电衬底层进行温度补偿。
下面介绍压电衬底层。
压电衬底层长度示例性的可为4寸、厚度示例性的为100nm-1mm。需要说明的是，对于压电衬底层的尺寸（包括长度和厚度），本领域技术人员可根据需要进行设计和修改，本发明实施例对于压电衬底层的尺寸的限定仅仅为示例。
在一个示例中，压电衬底层的材料包括铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、氮化铝、氧化锌和压电陶瓷中的一种或多种。
综上，本发明实施例所提供的温度补偿型声表面波谐振器具有如下的技术效果：
一是使插指换能器与压电衬底层的接触面积减少，使得介电损耗、压电损耗等降低，从而在不增加介电损耗的前提下，有效地降低声波能量损耗；
二是在插指换能器的上下空间上形成质量差（由于电极指是非规则的，电极指上方要比下方的面积更大，在密度相同的情况下，上方的体积和质量也相应更大），进而导致阻抗失配，有利于瑞利声波能量尽可能约束在压电衬底层表面，从而提高谐振器的品质因数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述谐振器包括：从下到上依次设置的压电衬底层、电极层和氧化层；
所述电极层包括插指换能器，以及，相对于所述插指换能器的对称设置的反射栅区域；
所述插指换能器的电极指的下表面的面积小于上表面的面积。
2.根据权利要求1所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述插指换能器的电极指的截面形状为倒梯形。
3.根据权利要求1所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述插指换能器的电极指的截面形状为倒阶梯形。
4.根据权利要求3所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述倒阶梯形的阶数至少为2，所述倒阶梯形的阶梯形状为矩形或倒梯形。
5.根据权利要求1所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述电极指的厚度为所述谐振器的波长的5%-10%，所述电极指的上表面的宽度为所述谐振器的波长的1/4。
6.根据权利要求1-5任一项所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述插指换能器包括两个插指电极模块；
所述插指电极模块包括总线，及与所述总线连接的多个电极指；
两个所述插指电极模块中的电极指交叉设置。
7.根据权利要求1所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述反射栅区域包括等间隔分布的多个反射栅电极。
8.根据权利要求7所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述插指换能器的电极指和所述反射栅电极的材料包括铝、铂、镍和钼中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述压电衬底层的材料包括铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、氮化铝、氧化锌和压电陶瓷中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的温度补偿型声表面波谐振器，其特征在于，所述氧化层的材料为具有负温度系数的二氧化硅，所述氧化层用于对压电衬底层进行温度补偿。
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