CN116886066A - 温度补偿型横向激励体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电声波器件领域，公开了一种温度补偿型横向激励体声波谐振器，包括叉指换能器、温度补偿层、压电薄板及支撑衬底，所述支撑衬底为“冂”型，所述支撑衬底底部形成空腔，所述支撑衬底上设置有压电薄板，所述压电薄板上设置有所述温度补偿层，所述压电薄板上表面设置有所述叉指换能器。本发明的有益效果在于，用于温度补偿XBAR(TC‑XBAR)的三明治结构，能够明显改善并提高器件的温度稳定性，并因其性能，可以在兼顾其他性能(高频、高机电耦合系数)的情况下还能获得较好的频率温度系数。
Description
技术领域
本发明涉及压电声波器件领域，具体地涉及一种温度补偿型横向激励体声波谐振器。
背景技术
无线通信技术在过去的几十年里发展迅速，从第二代移动通信技术(2G)发展到第五代(5G)及未来第六代移动通信技术(6G)，随着移动通信技术的快速发展，对射频(RF)前端模块的需求也日益剧增。在射频前端模块中，滤波器是最重要的组成部分之一。随着5G和6G通讯数据传输容量的提高，对滤波器性能也提出了更高的要求，如需满足高频、大带宽、低损耗和高温度稳定性等要求。
传统的压电声波滤波器，包括表面声波滤波器(SAW)和薄膜体声波滤波器(FBAR)，由于其体积小、成本低和性能优良的优点，在过去30年中成为了射频前端中的主流商用滤波器。在早期阶段，声表面波滤波器占据了无线通信射频前端滤波器和双工器的主流。然而，受基片表面波速度和电极光刻精度的限制，SAW的工作频率通常低于3.5GHz。FBAR滤波器利用厚度定向纵波，具有较高的声速。因此，FBAR滤波器在工作频率上具有优势。然而，随着频率的增加，FBAR的声学和欧姆损耗随着工作频率的增加而急剧上升，导致滤波器***损耗的增加。
近年来提出了基于铌酸锂(LN)薄膜的横向激励体波谐振器(XBAR)，由于它本身适用于高频器件以及出色除了传统的谐振器机电耦合系数和品质因数外(高频、高机电耦合系数是谐振器的重要性能参数)，频率温度系数(TCF)也是谐振器的一个关键性能指标。然而，目前文献报道的基于铌酸锂薄膜的XBAR具有较大的机电耦合系数(25％)和较高的频率(4.8GHz)，频率温度系数TCF较差，通常低于-90ppm/℃。TCF的起源来自于模态声相速度的温度依赖性，这种依赖性受到材料本身的弹性、压电和介电特性的温度行为的影响。为了提高XBAR的温度稳定性，传统声表面波器件可以地在LN薄膜上或下加入二氧化CF硅(SiO2)温度补偿材料。然而，与普通声表面波不同的是，对于基于铌酸锂薄膜的XBAR，温度补偿层的加入对其性能有很大的影响，不仅引入杂散模式，还会导致关键性能恶化。。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种温度补偿型横向激励体声波谐振器。
本发明的一种温度补偿型横向激励体声波谐振器，包括温度补偿层、叉指换能器、压电薄板及支撑衬底，所述支撑衬底为“冂”型，所述支撑衬底底部形成空腔，所述支撑衬底上设置有压电薄板，所述压电薄板上设置有所述温度补偿层，所述压电薄板上表面设置有所述叉指换能器。
优选的，所述温度补偿层设置在所述压电薄板上方，所述叉指换能器包裹在所述温度补偿层内，优选的，所述温度补偿层的厚度为0.008λ≤hSiO2≤0.13λ，λ为声波的波长。
优选的，所述叉指换能器电极包括相互交错***的多根第一电极指和多根第二电极指，第一电极指、第二电极指的形状相同，以及在所述第一电极指、所述第二电极指指条延伸方向上相互对置的第一汇流条和第二汇流条，所述第一汇流条与所述第二汇流条分别位于所述压电层的两侧，所述第一汇流条和所述第二汇流条分别通过连接板连接信号端。
优选的，所述压电薄板的欧拉角θ满足0°≤θ≤30°(0°，θ，0°)。
优选的，所述压电薄板的厚度为0.03λ≤hLN≤0.1λ。
优选的，所述叉指换能器由周期排列的电极组成，所述电极的材料为铝Al、铜Cu或铝铜合金中的一种或几种组合。
优选的，所述压电薄板的材料为铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、氮化铝AlN或氮化铝/掺钪氮化铝AlN/ScAlN叠层中的一种或几种组合。
优选的，所述温度补偿层的材料为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4或氟氧化硅SiOF。
优选的，所述温度补偿层的材料为二氧化硅SiO2时所述温度补偿层的厚度为0.008λ≤hSiO2≤0.13λ。
优选的，在所述三明治结构下方设有空腔，所述空腔位于所述下层温度补偿层之下。
通过上述技术方案，本发明的一种温度补偿型横向激励体声波谐振器，用于温度补偿XBAR(TC-XBAR)的三明治结构，能够明显改善并提高器件的温度稳定性，并因其性能，可以在兼顾其他性能(高频、高机电耦合系数)的情况下还能获得较好的TCF。
附图说明
图1是本发明的横向激励体声波谐振器的结构示意图；
图2是本发明的横向激励体声波谐振器一个周期的结构示意图；
图3是欧拉角设置为(0°，-10°，0°)时，在本发明实施例一的压电基底上传播的兰姆波的频率温度系数随温度补偿层厚度变化的曲线图；
图4是欧拉角设置为(0°，-10°，0°)时，在本发明实施例一的压电基底上传播的兰姆波的频率随温度补偿层厚度变化的曲线图；
图5是欧拉角设置为(0°，-10°，0°)时，在本发明实施例一的压电基底上传播的兰姆波的机电耦合系数随温度补偿层厚度变化的曲线图；
图6是欧拉角设置为(0°，-10°，0°)时，在本发明实施例二的压电基底上传播的兰姆波的频率温度系数随温度补偿层厚度变化的曲线图；
图7是欧拉角设置为(0°，-10°，0°)时，在本发明实施例二的压电基底上传播的兰姆波的频率随温度补偿层厚度变化的曲线图；
图8是欧拉角设置为(0°，-10°，0°)时，在本发明实施例二的压电基底上传播的兰姆波的机电耦合系数随温度补偿层厚度变化的曲线图。
附图标记说明
1、温度补偿层 2、叉指换能器 3、压电薄板
4、支撑衬底 5、空腔。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指参考附图所示的上、下。
根据本发明，如图1至图2所示，提供温度补偿型横向激励体声波谐振器，包括温度补偿层1、叉指换能器2、压电薄板3及支撑衬底4，所述支撑衬底4为“冂”型，所述支撑衬底4底部形成空腔5，所述空腔5能够使本发明在使用时更加稳定的工作，所述支撑衬底4上设置有压电薄板3，所述压电薄板3上设置有温度补偿层1，所述压电薄板3上表面设置有所述叉指换能器2，所述温度补偿层1能够抑制横向模式激励。
优选的，所述温度补偿层1设置在所述压电薄板3上方，所述叉指换能器2包裹在所述温度补偿层1内，所述温度补偿层(1)的厚度为0.008λ≤hSiO2≤0.13λ，以保证得到的谐振频率能够在2GHz以上，机电耦合系数K2能够保持在10％以上，频率温度系数可以达到-20ppm/℃。
优选的，所述压电薄板3的欧拉角θ满足0°≤θ≤30°(0°，θ，0°)。更近一步地说，所述叉指换能器2能够施加电激励在所述压电薄板3上，使得所述压电薄板3释放出声波激励。优选的，所述电极为两个以上，每个所述电极间隔设置为3微米。所述电极的材料可以为铝。优选的，所述压电薄板3的厚度设置为0.03λ≤hLN≤0.1λ。优选的，所述压电薄板3的材料为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或掺钪氮化铝。优选的，所述温度补偿层1的材料为二氧化硅。优选的，二氧化硅的厚度设置为0.008λ≤hSiO2≤0.13λ。
如图3所示，将铌酸锂压电薄板的欧拉角设置为(0°，-10°，0°)，并且将铌酸锂的厚度设置为0.03λ，在本发明上传播的一阶反对称模式兰姆波的频率温度系数的随二氧化硅厚度变化的曲线图，从图3可知，随着二氧化硅层厚度的增加，频率温度系数呈上升趋势，说明器件的温度稳定性越来越好。
如图4所示，将铌酸锂压电薄板的欧拉角设置为(0°，-10°，0°)，并且将铌酸锂的厚度设置为0.03λ，在本发明上传播的一阶反对称模式兰姆波的频率的随二氧化硅厚度变化的曲线图，从图4可知，随着二氧化硅层厚度的增加，谐振频率逐渐降低，但仍然能保持在3GHz以上。
如图5所示，将铌酸锂压电薄板的欧拉角设置为(0°，-10°，0°)，并且将铌酸锂的厚度设置为0.03λ，在本发明上传播的一阶反对称模式兰姆波的机电耦合系数(K2)随二氧化硅厚度变化的曲线图，从图5可知，随着二氧化硅层厚度的增加，机电耦合系数呈下降趋势，但仍然能保持在15％以上。
实施例一：
如图3至图5所示，在本实施例中，横向激励体声波谐振器利用一阶反对称兰姆波，优选三层结构，铌酸锂压电薄板的欧拉角取值为：α＝0°，β＝-10±10°，γ＝0°。当铌酸锂薄板的欧拉角设置为(0°，-10±10°，0°)时，能够激励出高机电耦合系数且高频的一阶反对称兰姆波，得到的频率温度系数随二氧化硅厚度变化的曲线如图3所示，横坐标为每层二氧化硅的厚度。在优化了温度补偿性的同时，保证了横向激励体声波谐振器的带宽和工作频率。
实施例二：
如图6至图8所示，在本实施例中，横向激励体声波谐振器利用一阶反对称兰姆波，优选两层结构，铌酸锂压电薄板的欧拉角取值为：α＝0°，β＝-10±10°，γ＝0°。当铌酸锂压电薄板的欧拉角设置为(0°，-10±10°，0°)时，能够激励出高机电耦合系数且高频的一阶反对称兰姆波，保证了横向激励体声波谐振器的带宽和工作频率，同时能够达到较好的温度补偿性，如图6所示。因此，当横向激励体声波谐振器利用一阶反对称兰姆波模式时，优选二氧化硅厚度取值为0.025λ，能够激励出具有优异的机电耦合系数的一阶反对称兰姆波模式，进而提高横向激励体声波谐振器的工作频率和带宽。
综上所述，本发明的温度补偿型横向激励体声波谐振器，成本低廉，方便加工，大大降低了生产成本，提高了产品的良率，且能够抑制横向模式激励，能够利用旋转欧拉角优化压电薄板取向，能够调节声场分布，得到具有优良兰姆波，优选具有高机电耦合系数和高频的一阶反对称模式非常适用于高频、大带宽的兰姆波器件，极具应用前景。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，包括温度补偿层(1)、叉指换能器(2)、压电薄板(3)及支撑衬底(4)，所述支撑衬底(4)为“冂”型，所述支撑衬底(4)底部形成空腔(5)，所述支撑衬底(4)上设置有压电薄板(3)，所述压电薄板(3)上设置有所述温度补偿层(1)，所述压电薄板(3)上表面设置有所述叉指换能器(2)。
2.根据权利要求1所述的温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述温度补偿层(1)设置在所述压电薄板(3)上方，所述叉指换能器(2)包裹在所述温度补偿层(1)内，优选的，所述温度补偿层(1)的厚度为0.008λ≤hSiO2≤0.13λ，λ为声波的波长。
3.根据权利要求1所述的温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述叉指换能器电极包括相互交错***的多根第一电极指和多根第二电极指，第一电极指、第二电极指的形状相同，以及在所述第一电极指、所述第二电极指指条延伸方向上相互对置的第一汇流条和第二汇流条，所述第一汇流条与所述第二汇流条分别位于所述压电层的两侧，所述第一汇流条和所述第二汇流条分别通过连接板连接信号端。
4.根据权利要求1所述的温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄板(3)的欧拉角θ满足0°≤θ≤30°(0°，θ，0°)。
5.根据权利要求1所述的温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄板(3)的厚度为0.03λ≤hLN≤0.1λ。
6.根据权利要求3所述的温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述叉指换能器(2)由周期排列的电极组成，所述电极的材料为铝Al、铜Cu或铝铜合金中的一种或几种组合。
7.根据权利要求1所述的温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄板(3)的材料为铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、氮化铝AlN或氮化铝/掺钪氮化铝AlN/ScAlN叠层中的一种或几种组合。
8.根据权利要求1所述的温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述温度补偿层(1)的材料为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4或氟氧化硅SiOF。
9.根据权利要求1所述的温度补偿型横向激励体声波谐振器，其特征在于，所述温度补偿层(1)的材料为二氧化硅SiO2时所述温度补偿层(1)的厚度为0.008λ≤hSiO2≤0.13λ。
10.根据权利要求1所述的温度补偿型横向激发体声波谐振器，其特征在于，在所述三明治结构下方设有空腔，所述空腔位于所述下层温度补偿层之下。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |