CN205249154U - 一种薄膜体声波谐振器及一种滤波器、振荡器、无线收发器 - Google Patents
一种薄膜体声波谐振器及一种滤波器、振荡器、无线收发器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种薄膜体声波谐振器，包括衬底基板和制备在衬底基板上的功能层，所述功能层包括：沿垂直于衬底基板表面的方向顺次设置的至少三层电极、设置在每两块电极之间且由铁电材料制成的压电薄膜层。本实用新型利用三明治结构以及铁电材料的特性，实现了薄膜体声波谐振器的频率可调及切换，还不需要外置开关，节省了产品成本，简化了产品结构。此外本实用新型还公开了一种滤波器、振荡器、无线收发器，这些器件均使用了本实用新型的薄膜体声波谐振器。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线通讯器件技术领域。具体地说涉及一种薄膜体声波谐振器及包括该薄膜体声波谐振器的滤波器、振荡器和射频模块。
背景技术
薄膜体声波谐振器（FBAR）一般是采用电极/压电薄膜/电极的层叠式三明治结构，压电薄膜的逆压电效应将输入的高频电信号转化为一定频率的声信号。当声波在压电薄膜中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振，其中谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出具有特定频率的信号，以实现电信号的滤波功能。
专利ZL201320526762.6对三明治结构所存在的上述问题进行了改进，但是该专利的谐振器的频率会收到单一的压电薄膜层材料的限制，频率范围很窄，且没有频率模式切换。
发明内容
本实用新型为了解决现有的问题，提供一种薄膜体声波谐振器，包括衬底基板和制备在衬底基板上的功能层，所述功能层包括：沿垂直于衬底基板表面的方向顺次设置的至少三层电极、设置在每两块电极之间且由铁电材料制成的压电薄膜层。
优选的，所述衬底基板上位于所述功能层下方的位置开设有空腔，所述空腔的横向上表面积小于所述功能层中紧邻空腔的最底层电极的面积，且大于所述最底层电极以上各层的面积。
在本技术方案中，所述功能层的各层可以呈板状，还可以呈环状，呈环状时各层中间的空心部分面积相同且同轴心设置。所述电极采用钙钛矿结构氧化物SrRuO3或铂金Pt制成，所述压电薄膜层采用SrTiO3（钛酸锶）、BaTiO3(钛酸钡)、BaxSr1-xTiO3(钛酸钡锶)当中的一种材料制成。
本实用新型还提供了由上述薄膜体声波谐振器制成的一种滤波器和一种振荡器，以及一种无线收发器,包括双工器或多工器。
本实用新型的电极采用了SrRuO3（钙钛矿结构氧化物),压电薄膜层采用铁电材料SrTiO3（钛酸锶）或BaTiO3(钛酸钡)或BaxSr1-xTiO3(钛酸钡锶)，铁电材料的晶体将按照硅片衬底基板的（100）晶（晶向）向外延生长。因此与现有技术相比，我们的铁电材料的介电常数和电能控制谐振频率的性能将提高。同时，采用多层电极与压电薄膜层间隔设置的结构，通过改变外加的电压大小和方向，来实现薄膜体声波谐振器的开/关、频率控制以及频率切换功能。
附图说明
图1是本实用新型的俯视图；
图2是本实用新型第一实施例的剖视图；
图3是本实用新型第二实施例的剖视图；
图4是本实用新型第三实施例的剖视图；
图5是本实用新型第四实施例的剖视图；
图6是本实用新型两个压电层器件电压方向相同时的谐振频率示意图；
图7是本实用新型两个压电层器件电压方向相反时的谐振频率示意图；
图8是本实用新型的谐振频率波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步进行说明。
图1是本实用新型的俯视图，图2和图3则给出了两个具体的薄膜体声波谐振器的实施例，图1中示出了衬底基板1和制备在衬底基板上的功能层，在图2、图3两个具体实施例中，功能层包括从下至上顺次层叠在衬底基板1上的底层电极201、第一压电薄膜层301、中层电极202、第二压电薄膜层302和上层电极203，一共采用了三层电极，第一、第二压电薄膜层采用铁电材料，具有铁电效应。通过上述结构以及铁电材料的电致伸缩效应，可以对第一、第二压电薄膜层分别施加方向相同或不同的电压，还可以改变外加的直流电压的大小，从而达到开关谐振器、控制谐振频率的变化以及切换频率模式的目的。
现有技术中的压电薄膜层通常都采用压电材料,比如氮化铝和氧化锌,利用熟知的压电效应来实现体声波谐振器。电和力关系可以由简单的数学公式来表达:S=QP2，其中S是应力，P是由于电致伸缩效应所产生的电极化强度（假设所受压力为零），Q为电致伸缩效应系数。从所受电场所引导的电强化P的公式是：P=Ps+χE，其中Ps是自发电极化系数，χE是由外加电场所诱导的电极化。那总应力S可分为3个部分：自发应变力、线性压电应变力、二次电致伸应变力，公式为：S=QPs 2+2QPsχE+Qχ2E2，其中S代表应力,Q代表电致伸缩性系数,Ps代表自发极化系数,χ代表电极化率,E代表电场强度。
如图6至图8所示，本实用新型在顺电状态下，铁电材料没有自发电极化和压电反应，所以总应力S只有二次电致伸应变力S=Qχ2E2。由于电场依赖极化，电致伸缩效应依赖于所施加的电场，从而让本实用新型可以控制力/电耦合，通过逆压电效应产生所需的声波。应力和电场强度的关系不像普通压电材料压电效应中的线性关系,而是具有平方关系,所以在铁电材料的电致伸缩效应的电场强度对应力的影响更大,特别是在较高的电场强度下,随着电场强度的改变,应力也会以较大的幅度发生改变。可见,铁电材料的电致伸缩性赋予了传统薄膜体声波谐振器全新的功能,使其可被外加直流电压控制。通过改变外加直流电压的大小,来控制应力的变化,进而可以控制声波的速度,而谐振频率与声波速度成正比,从而控制谐振频率的变化。
因此，本实用新型开/关薄膜体声波谐振器的原理在于，当外加电场为零时,第一、第二压电薄膜层的应力也为零,也就不会产生声波进而不会产生谐振,因此通过是否施加直流电压可以起到对薄膜体声波谐振器的进行开启和关闭，完全不需要任何的外加开关,也不存在任何来自于开关和偏压网络的***损耗,大大降低了器件的体积和制造成本。
控制薄膜体声波谐振器的谐振频率的原理在于，因为第一、第二压电薄膜层为铁电材料。利用第一、第二压电薄膜层的电致伸缩效应,通过改变外加的直流电压的大小,控制铁电材料应力的变化,进而控制声波的速度,而谐振频率与声波速度成正比,从而控制谐振频率的变化。
对薄膜体声波谐振器的频率进行切换的原理在于，每个压电薄膜层中电场诱导的压电系数(e33)的方向是由电压激发极化的方向所控制的。如果两个压电薄膜层中电压方向是相同的，本实用新型将作为一个单一的薄膜体声波谐振器，它第一种声波的谐振频率将与两层压电层器件结构的总厚度相关，即底层电极201至顶层电极203这五层的总的厚度。但是如果两个压电薄膜层中电压方向是相反的，那薄膜体声波谐振器的第一种声波将被抑制，第二种声波的谐振频率将与单层压电层器件结构的厚度相关，即由底层电极201、第一压电薄膜层301和中层电极202构成的单层压电层器件，或者由中层电极202、第二压电薄膜层302和顶层电极203构成的单层压电器件。而本实用新型所例举的两个实施例中，薄膜体声波谐振器的频率模式切换有两种，第一种模式是如果第一、第二压电薄膜层中电压方向是相同的，它的谐振频率将发生在1.37GHz。第二种模式是如果第一、第二压电薄膜层中电压方向是相反的，它的谐振频率将发生在2.96GHz。因此改变两个压电薄膜层的外加直流电压的方向，就可以实现对薄膜体声波谐振器的频率模式将进行切换。
由于功能层的各层都是采用薄膜脉冲激光沉积或磁控溅射沉积技术制备第一电极、第二电极和压电材料层,而薄膜沉积***的厚度均一性在5%-10%。所以在同一个晶圆上生产出来的谐振器的厚度在一定程度上存在较大差异,因此谐振器的谐振频率就会有所不同。我们可以在衬底基板上位于功能层下方的位置开设空腔，空腔的横向上表面积要小于底层电极的面积，且大于第一压电薄膜层、中层电极、第二压电薄膜层和上层电极的面积。底层电极的面积做大一些，不仅可以更加方便与衬底基板进行固定，而且还可以避免其上方的多层堆积层叠结构在生长过程以及基板蚀刻过程中产生问题。具体的，图2的实施例中，空腔做成了沿垂直衬底基板表面的方向开设的孔101，其上端开口小于下端开口，但是上端开口的横向面积要小于底层电极201的面积，大于第一压电薄膜层301、第二压电薄膜层302、中层电极202及顶层电极203的面积。图3的实施例中，将空腔做成了槽102，该槽的开口紧邻底层电极201，槽的开口同样也是小于底层电极201的面积，大于底层电极201以上各层的面积。
除了上述开设空腔的方法，我们还可以如现有技术一样，在不同的谐振器上再沉积一层质量层103,通过不同厚度的质量层来调节谐振器的厚度进而实现对谐振频率的微调，或者如图4、图5所示，在本实用新型的基础上，在底层电极201与衬底基板1之间增加一层质量层103。
本实用新型的底层电极201、第一压电薄膜层301、中层电极202、第二压电薄膜层302、上层电极203可以做成板状，也可以做成环状，即可以做成圆板、方板、不规则形状的板，还可以做成圆环、放框形、不规则形状的环。当各层做成环状时，各层中间的空心部分可以为圆形、多边形或其他不规则形状，但是空心部分的面积要相同，且上下对齐，呈同轴心设置。
在本实施例中，各层所采用的材料可以如下表所示：
| 器件位置 | 材料 |
| 上层/底层电极 | SrRuO3;Pt |
| 中层电极 | SrRuO3;Pt |
| 第一、第二压电薄膜层 | SrTiO3;BaTiO3;BaxSr1-xTiO3 |
| 衬底基板 | Si |
本实用新型的薄膜体声波谐振器除了采用上述的三层电极结构，还可以设置三层以上电极，并在它们之间设置压电薄膜层，这样可以进一步增加薄膜体声波谐振器的频率可调范围以及有更多频率选择可以切换。此外，除了保护薄膜体声波谐振器，同时也保护采用了该薄膜体声波谐振器制成的滤波器、振荡器以及无线收发器，无线收发器可以是双工器也可以是多工器。其中滤波器在无线收发器件中实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能。例如常规的梯形滤波器，可以将梯形滤波器当中的五个谐振器替换为本实用新型的薄膜体声波谐振器，而双工器可以采用两个梯形滤波器构成。采用该薄膜体声波谐振器（FBAR）制作的滤波器有较高的品质因数和易实现微型化的特点。为了提高频率选择性,需要更多有不同谐振频率的谐振器的FBAR器件的组合。
以上的具体实施例仅用以举例说明本实用新型的构思，本领域的普通技术人员在本实用新型的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器，包括衬底基板和制备在衬底基板上的功能层，其特征在于，所述功能层包括：沿垂直于衬底基板表面的方向顺次设置的至少三层电极、设置在每两块电极之间且由铁电材料制成的压电薄膜层。
2.如权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述衬底基板上位于所述功能层下方的位置开设有空腔，所述空腔的横向上表面积小于所述功能层中紧邻空腔的最底层电极的面积，且大于所述最底层电极以上各层的面积。
3.如权利要求2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空腔为开设在衬底基板上的槽或孔。
4.如权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述功能层的各层呈板状。
5.如权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述功能层的各层呈环状，各层中间的空心部分面积相同且同轴心设置。
6.如权利要求1至5任意一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述电极采用SrRuO3或Pt制成，所述压电薄膜层采用SrTiO3、BaTiO3、BaxSr1-xTiO3当中的一种材料制成。
7.如权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述衬底基板与底层电极之间还沉积着一层质量层。
8.采用上述权利要求1-7任意一项权利要求所述的薄膜体声波谐振器制成的无线收发器，所述无线收发器包括双工器、多工器。
9.采用上述权利要求1-7任意一项权利要求所述的薄膜体声波谐振器制成的滤波器。
10.采用上述权利要求1-7任意一项权利要求所述的薄膜体声波谐振器制成的振荡器。
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