CN116232270A - 一种高频多层膜声表面波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种高频多层膜声表面波谐振器，其包括了压电薄膜、金属电极、SiO2低声阻抗层、Pt高声阻抗层和Si基底；其中金属电极位于压电薄膜上，SiO2低声阻抗层和Pt高声阻抗层依次交替，共5层位于压电薄膜下，基底上。本发明在压电薄膜，低声抗层和高声阻抗层组成的多层膜结构下，通过改进铌酸锂薄膜的厚度，SiO2低声阻抗层的厚度和Pt高声阻抗层的厚度，提高器件的性能。当λ＝1.77μm，铌酸锂薄膜的厚度为0.35λ(λ为叉指周期)，SiO2低声阻抗层的厚度为0.2λ，Pt高声阻抗层的厚度为0.09λ时，机电耦合系数等于8.418％，Q＝2483，FOM＝209，器件性能得到提高。
Description
技术领域
本发明属于谐振器技术领域，具体涉及一种高频多层膜声表面波谐振器。
背景技术
5G时代来到，对数据传输的要求越来越高，为了以满足无线通信的网络容量需求，下一代***将需要支持更高的频谱频段。传统声表面波(SAW)滤波器技术存在Q值低(＜1000)和频率随工作温度漂移的特性，已经难以满足频段越来越拥挤的5G时代射频终端对滤波器的要求。BAW可以做到高频且有稳定的性能，但是工艺复杂，造价高，应用于民用产品性价比太低。日本村田研发出了一种I.H.P.SAW，工作频率可达3.5GHz，性能可与BAW滤波器相媲美，在部分领域可以替代BAW滤波器使用。I.H.P.SAW具有高Q值，主要是采用了由低声阻抗层和高声阻抗交替堆叠的结构，低声阻抗层和高层阻抗层形成反射栅，把能量很好的限制在表面。一般低声阻抗层材料选用SiO2，这是因为SiO2具有正温度系数，可以做温度系数补偿。高声阻抗层材料选择多样，例如AlN、SiN等材料。本文选用SiO2作为低声阻抗层，Pt作为高声阻抗层。
CN110798167A，一种声波器件及其制作方法，声波器件包括：POI结构，包含：高声速层和低声速层交替的材料层，衬底作为最下方的高声速层；以及第一压电层，位于高声速层和低声速层交替的材料层的上方，与所述第一压电层相邻的为表面低声速层；所述高声速层传播的体波声速比所述第一压电层的体波声速高，所述低声速层传播的体波声速比所述第一压电层的体波声速低；POI结构包含至少两个区域，其中两个区域分别为第一区域和第二区域，在第一区域制作有第一振动模式谐振的第一器件；在第二区域制作有第二振动模式谐振的第二器件。能够减少不同区域的器件之间的耦合干扰，提升滤波器或双工器的抑制和隔离度；还能减小器件的尺寸，降低成本，满足通信小型化的要求。
CN110798167A专利利用了POI结构，又结合了体波结构，FBAR器件工艺比SAW器件工艺复杂，成本也高，上方的专利相当于在左边做FBAR器件，右边又是SAW器件，首先FBAR本来其量产工艺不成熟，成本也高。现在又再旁边加一个SAW器件，更加增大了工艺难度。本发明基于saw振动模式，对器件做出改进，其性能都可以超越一些FBAR器件,之后在低端市场可以替代大量的体波器件，成本也会降低。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种高频多层膜声表面波谐振器。本发明的技术方案如下：
一种高频多层膜声表面波谐振器，其包括：压电薄膜、金属电极、SiO2低声阻抗层、Pt高声阻抗层和Si基底；其中所述Si基底位于最底层，所述Si基底上设置有反射层，所述反射层由两层Pt高声阻抗层与三层SiO2低声阻抗层组成，用于把波能量限制在表面，所述三层SiO2低声阻抗层间隔设置两层Pt高声阻抗层，所述低声阻抗层上设置有压电薄膜，所述压电薄膜上设置有金属电极，压电薄膜层在声表面波器件的工作中主要起到两个方面的作用：一是通过正压电效应和逆压电效应完成电能与机械能的互耦，实现电信号和声表面波信号之间的相互转换；二是承载声表面波的传播，金属电极用于用于构成叉指换能器(interdigital transducers，IDT)和反射栅，叉指换能器(IDT)主要用于在压电基片表面激励和检测声表面波，并通过其频率响应和脉冲响应来实现滤波的功能，在叉指换能器两端加反射栅，用以反射声波，减小器件的***损耗，SiO2低声阻抗层和Pt高声阻抗层构成低声阻抗层和高层阻抗层形成反射栅，把能量很好的限制在表面。SiO2低声阻抗层还充当温度补偿层，降低压电层的温度系数，从而改善器件温度稳定性；
进一步的，所述压电薄膜的材料为铌酸锂，其切向为15°Y-X，膜厚为0.35λ；采用15°Y-X切LN的结构，激发Love波，Love波速度高于瑞利波，达到高频，且会改善机电耦合系数。
进一步的，所述金属电极的材料为铜，金属电极的宽度与金属叉指周期的比值为0.25，金属电极的厚度与金属叉指周期的比值为0.06。
进一步的，所述确定压电薄膜层，低声阻抗层，高声阻抗层薄膜的膜厚需要分析膜厚对于各种参数的影响，其中谐振器机电耦合系数κ2是衡量器件机械能和电能相互转换的效率参数；
FOM＝κ2*Q (3)
式中fr为谐振频率，fa为反谐振频率，zφ表示阻抗相位，品质因素Q是用来衡量滤波器性能好坏最直接的因素，Q值越大器件性能越好；FOM为谐振器综合指标，SAW和TC-SAW的FOM值＜100，I.H.P.SAW和FBAR的FOM值均≤200。
进一步的，铌酸锂薄膜的厚度为0.35λ，SiO2低声阻抗层的厚度为0.2λ，Pt高声阻抗层的厚度为0.09λ；最终设计谐振器，其中λ＝1.77μm，得到谐振频率为3495MHz，反谐振频率为3623MHz，机电耦合系数κ2＝8.418％，Q＝2483，FOM＝209。
本发明的优点及有益效果如下：
传统的声表面波谐振器主要结构是压电基底和金属电极，其工作频率一般在2.5GHz以下，带宽和机电耦合系数等都受到限制。本发明通过参数化扫描SiO2低声阻抗层的膜厚、Pt高声阻抗层膜厚和LiNbO3压电薄膜厚度，分析谐振器的性能，来确定最终的各层薄膜的厚度。采用SiO2作为低声阻抗层是因为SiO2薄膜可作为温度补偿层，随着膜厚的增加，其声速会下降。选用Pt作为高声阻抗层与SiO2形成反射层结构，不仅实现了高频，还提升了谐振器的各项性能。声学镜的总层数选择为5层，因为研究发现至少5层的总层数可以充分抑制大量波辐射到衬底，这样就会提升Q值，减少能量损耗。同时本发明采用了Cu电极，放置在15°Y-X LN压电层上，激励了SH波，在表面一层低声速材料可以降低传播损耗。有研究发现可用Al代替低声速材料可激发乐甫波模式，但所需膜厚波长比高达12％，器件的制作和大批量生产较难。但若替换为Cu，则所需厚度约为Al的0.4倍，并且Cu的导电系数比Al好，因此，较薄的膜并不会增加器件的欧姆损耗，有利于器件的工艺实现和大批量生产。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例高频多层膜声表面波谐振器的剖面结构示意图。
图2为高频多层膜声表面波谐振器随LN压电薄膜层厚度增加，其机电耦合系数(κ2)和品质因数(Q)曲线图。其中SiO2低声阻抗层的厚度为0.25λ(λ为叉指周期)，Pt高声阻抗层的厚度为0.09λ。
图3为高频多层膜声表面波谐振器随SiO2低声阻抗层厚度增加，其机电耦合系数(κ2)和品质因数(Q)曲线图。其中压电薄膜厚度0.25λ，Pt高声阻抗层的厚度为0.09λ。
图4高频多层膜声表面波谐振器随Pt高声阻抗层厚度增加，其机电耦合系数(κ2)和品质因数(Q)曲线图。其中压电薄膜厚度为0.25λ，SiO2低声阻抗层的厚度为0.25λ。
图5为高频多层膜声表面波谐振器随LN压电薄膜层厚度增加，其FOM曲线图。
图6为高频多层膜声表面波谐振器随SiO2低声阻抗层厚度增加，其FOM曲线图。
图7为高频多层膜声表面波谐振器随Pt高声阻抗层厚度增加，其FOM曲线图。
图8为高频多层膜声表面波谐振器的导纳图，其中λ＝1.77μm，得到谐振频率为3495MHz，反谐振频率为3623MHz，机电耦合系数等于8.418％，Q＝2483，FOM＝209
图1中：1、金属电极；2、压电薄膜；3、SiO2低声阻抗层；4、Pt高声阻抗层；5、Si基底
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种高频多层膜声表面波谐振器，其特征在于，包括：压电薄膜、金属电极、SiO2低声阻抗层、Pt高声阻抗层和Si基底。
进一步的，压电薄膜的材料为铌酸锂，其切向为15°Y-X，膜厚为0.35λ。常规的声表面波滤波器使用的铌酸锂材料切向为0～64°Y-X，大多利用的是瑞利波。研究表明低损耗声表面波器件的带宽在很大程度上受到机电耦合因子κ2的限制，这取决于压电衬底材料及其取向。本研究采用15°Y-X切LN的结构，激发Love波，其速度会高于瑞利波，达到高频，且会改善机电耦合系数。
进一步的，金属电极位于压电薄膜上，且材料为铜。金属电极的宽度与金属叉指周期的比值为0.25，金属电极的厚度与金属叉指周期的比值为0.06。15°Y-X切LN可以有效地抑制瑞利波引起的杂散共振，若选择合适的Cu电极厚度可以进一步抑制瑞利模杂散响应。由于Cu的导电性比Al大，降低电极厚度时，光栅电极的欧姆损失不会明显增加。对Q值的影响小。
进一步的，SiO2低声阻抗层和Pt高声阻抗层依次交替位于压电薄膜下，总层数5层。
确定各层薄膜的膜厚需要分析膜厚对于各种参数的影响，其中谐振器机电耦合系数κ2是衡量器件机械能和电能相互转换的效率参数。
FOM＝κ2*Q (3)
式中fr为谐振频率，fa为反谐振频率。品质因素Q是用来衡量滤波器性能好坏最直接的因素，Q值越大器件性能越好。FOM为谐振器综合指标，一般SAW和TC-SAW的FOM值＜100，I.H.P.SAW和FBAR的FOM值均≤200。FOM值大于200的谐振器是非常少见的。
在制作大宽带和低功耗的声表面波器件时需要选择具有大的机电耦合系数的压电材料。但同时Q值和机电耦合系数成反比，一定要注意衡量两者的平衡，保证器件的良好性能，所以FOM参数十分重要。
金属Pt作为高阻抗层，能够显著提高反射率，波能被很好地限制在顶表面附近，向基底的泄漏几乎不可见。因此使得声表面波器件性能的显著改善。
根据图2-图7所得的仿真数据，最后确定铌酸锂薄膜的厚度为0.35λ，SiO2低声阻抗层的厚度为0.2λ，Pt高声阻抗层的厚度为0.09λ。最终设计谐振器，其中λ＝1.77μm，得到谐振频率为3495MHz，反谐振频率为3623MHz，机电耦合系数κ2＝8.418％，Q＝2483，FOM＝209。
上述实施例阐明的***、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (5)
1.一种高频多层膜声表面波谐振器，其特征在于，包括：压电薄膜、金属电极、SiO2低声阻抗层、Pt高声阻抗层和Si基底；其中所述Si基底位于最底层，所述Si基底上设置有反射层，所述反射层由两层Pt高声阻抗层与三层SiO2低声阻抗层组成，用于把波能量限制在表面，所述三层SiO2低声阻抗层间隔设置两层Pt高声阻抗层，所述低声阻抗层上设置有压电薄膜，所述压电薄膜上设置有金属电极，压电薄膜层在声表面波器件的工作中主要起到两个方面的作用：一是通过正压电效应和逆压电效应完成电能与机械能的互耦，实现电信号和声表面波信号之间的相互转换；二是承载声表面波的传播，金属电极构成叉指换能器IDT和反射栅，叉指换能器IDT主要用于在压电基片表面激励和检测声表面波，并通过其频率响应和脉冲响应来实现滤波的功能，在叉指换能器两端加反射栅，用以反射声波，减小器件的***损耗，SiO2低声阻抗层和Pt高声阻抗层构成低声阻抗层和高层阻抗层形成反射栅，把能量限制在表面；SiO2低声阻抗层还充当温度补偿层，降低压电层的温度系数，从而改善器件温度稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种高频多层膜声表面波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜的材料为铌酸锂，其切向为15°Y-X，膜厚为0.35λ；采用15°Y-X切LN的结构，激发Love波，Love波速度高于瑞利波，达到高频，且会改善机电耦合系数。
3.根据权利要求1所述的一种高频多层膜声表面波谐振器，其特征在于，所述金属电极的材料为铜，金属电极的宽度与金属叉指周期的比值为0.25，金属电极的厚度与金属叉指周期的比值为0.06。
4.根据权利要求1所述的一种高频多层膜声表面波谐振器，其特征在于，所述确定压电薄膜层，低声阻抗层，高声阻抗层薄膜的膜厚需要分析膜厚对于各种参数的影响，其中谐振器机电耦合系数κ2是衡量器件机械能和电能相互转换的效率参数；
FOM＝κ2*Q (3)
式中fr为谐振频率，fa为反谐振频率，zφ表示阻抗相位，品质因素Q是用来衡量滤波器性能好坏最直接的因素，Q值越大器件性能越好；FOM为谐振器综合指标，SAW和TC-SAW的FOM值＜100，I.H.P.SAW和FBAR的FOM值均≤200。
5.根据权利要求1所述的一种高频多层膜声表面波谐振器，其特征在于，
铌酸锂薄膜的厚度为0.35λ，SiO2低声阻抗层的厚度为0.2λ，Pt高声阻抗层的厚度为0.09λ；最终设计谐振器，其中λ＝1.77μm，得到谐振频率为3495MHz，反谐振频率为3623MHz，机电耦合系数κ2＝8.418％，Q＝2483，FOM＝209。
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| CN116707488A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-09-05 | 荣耀终端有限公司 | 滤波器及其制备方法、射频模组和电子设备 |
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