CN209994354U - 薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种薄膜体声波谐振器,包括:基板,硅结构层,至少一组纵向布拉格反射栅,压电堆叠结构以及至少一组横向反射栅。其中,各组纵向布拉格反射栅沿基板的厚度方向依次层叠设置在基板承载面上,纵向布拉格反射栅沿长度方向一端与硅结构层相接,每组纵向布拉格反射栅均包括至少两层具有不同声阻抗的薄膜材料层,此外,至少一组横向反射栅的各组横向反射栅均设置在压电堆叠结构的边缘区域,且各组横向反射栅沿基板的长度方向交替设置。本实用新型提供的薄膜体声波谐振器在横向与纵向上均设置反射栅,有利于将声波能量限制在器件有效区域,实现能陷作用,可以进一步提高器件的Q值,从而使谐振器具有较高的频率稳定度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种谐振器,具体涉及一种薄膜体声波谐振器。
背景技术
目前射频滤波器最主流的实现方式是声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)滤波器和基于薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)技术的滤波器。SAW滤波器由于其自身的局限性,在1.5GHz以下使用比较合适。然而,目前的无线通讯协议已经早就使用大于2.5GHz的频段,这时必须使用基于FBAR技术的滤波器。
FBAR器件的结构和制备方式已经有很多,在以往的结构和制备方式中,常采用硅做支撑结构,采用PSG作为牺牲层材料,最后通过腐蚀PSG牺牲层形成空气隙。在理想情况中,FBAR器件仅激发沿着薄膜厚度方向的声波模式,这些模式是沿着压电层的厚度方向传播,称为纵向机械波。但是在实际中,对FBAR器件上下电极施加时变电场,会同时激励出纵向声波和横向声波、以及高阶谐波等声波模式,横向声波和高阶谐波会显著降低FBAR器件的性能。在已有的FBAR设计结构中,有多种结构就是通过减少FBAR有源区(上电极、下电极和压电层之间的重合区域)边界处的声学损耗来改善谐振器的性能。例如,在FBAR器件上电极边缘设置框架(Frame),将有源区分成中心区域和边缘框架区,这两区域产生阻抗失配,阻抗失配能够将部分期望模式返回有源区,提高FBAR器件有源区的能量限制,进而提高器件Q值。由于采用这种方式形成的声阻抗失配并不完全,虽然可以在一定程度上减小声波能量的泄露,但仍然会有声波能量往横向和纵向泄露。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一,提供一种薄膜体声波谐振器。
本实用新型提供一种薄膜体声波谐振器,包括:
基板,所述基板包括承载面,所述承载面上设置有第一凹槽;
硅结构层,所述硅结构层设置在所述承载面上;
至少一组纵向布拉格反射栅,各组所述纵向布拉格反射栅沿所述基板的厚度方向依次层叠设置在所述承载面上,所述纵向布拉格反射栅沿长度方向的一端与所述硅结构层相接,每组所述纵向布拉格反射栅均包括至少两层具有不同声阻抗的薄膜材料层;
压电堆叠结构,所述压电堆叠结构的边缘区域位于所述硅结构层背离所述基板的一侧以及最顶层的一组所述纵向布拉格反射栅背离所述基板的一侧,所述压电堆叠结构的中央区域与所述第一凹槽相连通;
至少一组横向反射栅,各组所述横向反射栅均设置在所述压电堆叠结构的边缘区域,且各组所述横向反射栅沿所述基板的长度方向交替设置。
可选的,每组所述横向反射栅均环绕设置在所述第一凹槽的四周。
可选的,所述压电堆叠结构包括依次设置在最顶层的一组所述纵向布拉格反射栅上的下电极、压电层和上电极;
其中,所述下电极的中央区域与所述第一凹槽连通,所述下电极的边缘区域与最顶层的一组所述纵向布拉格反射栅接触,所述压电层的边缘区域覆盖所述硅结构层;并且,
各组所述横向反射栅均设置在所述压电层的边缘区域。
可选的,所述压电层的边缘区域设置有贯穿其厚度的至少一个第二凹槽以及被所述第二凹槽分隔形成的压电部,至少一个所述第二凹槽与所述纵向布拉格反射栅相连通;
其中,各所述第二凹槽与其相邻的所述压电部组成基于空气隙的横向反射栅。
可选的,各所述第二凹槽内设置有第一薄膜材料层,所述第一薄膜材料层与所述压电部的声阻抗不同;
其中,各所述第一薄膜材料层与其相邻的所述压电部组成基于布拉格的横向反射栅。
可选的,各所述纵向布拉格反射栅沿长度方向的另一端延伸至所述第一凹槽内。
可选的,每组所述纵向布拉格反射栅均环绕设置在所述第一凹槽的四周。
可选的,每组所述纵向布拉格反射栅均包括依次层叠设置在所述承载面上的第二薄膜材料层和第三薄膜材料层,所述第二薄膜材料层和所述第三薄膜材料层具有不同的声阻抗。
可选的,所述最顶层的一组纵向布拉格反射栅中的所述第三薄膜材料层与所述硅结构层齐平。
可选的,所述第二薄膜材料层为二氧化硅,所述第三薄膜材料层为氮化铝;和/或,
所述横向反射栅包括第二凹槽和压电部时,填充在第二凹槽中的第一薄膜材料层为二氧化硅,所述压电部的材料为氮化铝。
本实用新型的薄膜体声波谐振器具有以下有益效果:
分别在薄膜体声波谐振器的沿基板长度方向设置有至少一组纵向布拉格反射栅,可以有效的减少纵向声波的损耗,在沿基板厚度方向相应设置至少一组横向反射栅,该横向反射栅具有两种结构,一种为基于空气隙的横向反射栅,另一种是基于布拉格的横向反射栅,这两种均可以有效减少横向声波的损耗。由于两个方向上设置的至少一组反射栅均具有两层层叠的薄膜材料层,且该薄膜材料层具有不同声阻抗,能够利用相邻薄膜材料层阻抗的差别反射声波,实现声波能量的最大利用,能够将期望模式返回有源区,有利于将声波能量限制在器件有效区域,实现能陷作用,可以进一步提高器件的Q值,从而使谐振器具有较高的频率稳定度。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例的薄膜体声波谐振器的结构示意图;
图2为本实用新型第二实施例的薄膜体声波谐振器的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
如图1和图2所示,一种薄膜体声波谐振器,其包括:基板100,硅结构层200,至少一组纵向布拉格反射栅300,压电堆叠结构以及至少一组横向反射栅900。其中,基板100包括承载面(如图1中基板100的顶面),并在该承载面上设置有第一凹槽101。硅结构层200设置在基板100的承载面上。硅结构层200设置在基板100上,如图1所示,硅结构层200可以位于基板100的边缘区域处。各组纵向布拉格反射栅300沿基板100的厚度方向依次层叠设置在承载面上,纵向布拉格反射栅300沿其长度方向的一端与硅结构层200相接,每组纵向布拉格反射栅300均包括至少两层具有不同声阻抗的薄膜材料层(301、302)。压电堆叠结构的边缘区域位于硅结构层200背离基板100的一侧以及最顶层的一组纵向布拉格反射栅300背离基板100的一侧,压电堆叠结构的中央区域与第一凹槽101相连通。各组横向反射栅900均设置在压电堆叠结构的边缘区域,且各组横向反射栅900沿基板110的长度方向交替设置。
本实施例的薄膜体声波谐振器,在基板厚度方向设置有至少一组纵向布拉格反射栅,可以有效的减少纵向声波的损耗,在沿基板长度方向相应设置至少一组横向反射栅,可以有效减少横向声波的损耗。并且,纵向和横向上所设置的反射栅均至少具有两层层叠且声阻抗不同的薄膜材料层,能够利用相邻薄膜材料层阻抗的差别反射声波,实现声波能量的最大利用,能够将期望模式返回有源区,有利于将声波能量限制在器件有效区域,实现能陷作用,可以进一步提高器件的Q值,从而使谐振器具有较高的频率稳定度。
需要说明的是,对于横向反射栅900的具体结构并没有作出限定,例如,该横向反射栅900可以为基于空气隙的横向反射栅,或者,该横向反射栅900也可以为基于布拉格的横向反射栅,除此以外,本领域技术人员还可以根据实际需要,设计其他一些横向反射栅结构。
进一步需要说明的是,对于第一凹槽101的形状和尺寸均并没有作出限定,例如,该第一凹槽101的纵截面可以呈如图1所示的矩形,该第一凹槽101的深度可以为0.1μm至基板100的整个厚度,可以根据实际需要具体设定。此外,基板100任意一面均可作为承载面。
如图1和图2所示,压电堆叠结构包括依次设置在最顶层的一组纵向布拉格反射栅300上的下电极500、压电层600和上电极700。其中,下电极500的中央区域与第一凹槽101连通,下电极500的边缘区域与最顶层的一组纵向布拉格反射栅300接触,压电层600的边缘区域覆盖硅结构层200。
可选地,下电极500和/或上电极700的材料包括钨、银、锆、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铜、钛、铬、铪和铝中的至少一者。
可选地,压电层600的材料包括氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅、氧化锌和四硼酸锂中的至少一者。
如图1所示,各组横向反射栅900均可以设置在压电层600的边缘区域,且各组横向反射栅900沿基板100的长度方向交替设置,每组横向反射栅900均环绕设置在第一凹槽101的四周。
具体的,作为横向反射栅900的第一种具体结构,如图1所示,在压电层600的边缘区域设置有贯穿其厚度的至少一个第二凹槽901以及被第二凹槽901分隔形成的压电部902,至少一个第二凹槽901与纵向布拉格反射栅300相连通。其中,各第二凹槽901与其相邻的压电部902组成基于空气隙的横向反射栅。
需要说明的是,由于基于空气隙的横向反射栅具有空气隙结构901与相邻压电部902,能够利用空气隙结构与其相邻压电层不同的阻抗来反射声波,实现声波能量的最大利用。
具体的,作为横向反射栅900的第二种具体结构,如图2所示,在各第二凹槽901内设置有第一薄膜材料层903,该第一薄膜材料层903与压电部902的声阻抗不同,至少一个第一薄膜材料层903与纵向布拉格反射栅300相连通。其中,各第一薄膜材料层903与其相邻的压电部902组成基于布拉格的横向反射栅。
需要说明的是,填充在第二凹槽中的第一薄膜材料层903为二氧化硅,所述压电部902的材料为氮化铝。当然,本领域技术人员还可以根据实际需要,选择其他一些具有不同阻抗值的薄膜材料,在此并不作具体限定,例如,第一薄膜材料层903还可以是氮化硅、氮氧化硅、碳化硅等。
图1和图2为截面示意图,纵向布拉格反射栅300均环绕设置在第一凹槽的四周。其中,纵向布拉格反射栅300沿长度方向的另一端延伸至所述第一凹槽101内。
具体的,每组纵向布拉格反射栅300均包括依次层叠设置在基板100承载面上的第二薄膜材料层301和第三薄膜材料层302,第二薄膜材料层301和第三薄膜材料层302具有不同的声阻抗。其中,最顶层的一组纵向布拉格反射栅中的第三薄膜材料层302与硅结构层齐平。
需要说明的是,每组纵向布拉格反射栅中的第二薄膜材料层301为二氧化硅,第三薄膜材料层302为氮化铝,但不局限于此两种材料,例如:第二薄膜材料层301还可以是氮化硅、氮氧化硅、碳化硅等,第三薄膜材料层302还可以是钨、氧化钛、***等,当然,本领域技术人员还可以根据实际需要,选择其他一些具有不同阻抗的材料,在此并不作具体限定。
如图1和图2所示,薄膜体声波谐振器还包括设置在上电极700背离基板100一侧的钝化层800、贯穿压电层600厚度并与下电极500电连接的下电极引出线1001以及贯穿钝化层800厚度并与上电极700电连接的上电极引出线1002。
具体地,在实际制作下电极引出线1001与上电极引出线1002时,分别对压电层600与对钝化层800进行刻蚀,形成过孔,以使得该过孔能够将下电极500与上电极700暴露出。
如图1和图2所示,在第一凹槽上方均环绕设置有释放通道1100,该释放通道1100沿基板100厚度方向依次贯穿压电堆叠厚度,并与第一凹槽101连通,例如,释放通过1100可以依次贯穿压电层600、下电极500与第一凹槽101连通,释放通道1100也可以依次贯穿钝化层800、上电极700、压电层600、下电极500与第一凹槽101连通。
本实用新型提供了一种薄膜体声波谐振器,分别在薄膜体声波谐振器的沿基板长度方向设置至少一组纵向布拉格反射栅,可以有效的减少纵向声波的损耗,在沿基板厚度方向相应设置至少一组横向反射栅,该横向反射栅具有两种结构,一种为基于空气隙的横向反射栅,另一种是基于布拉格的横向反射栅,两种横向反射栅均可以有效减少横向声波的损耗。由于两个方向上设置的每组反射栅均具有至少两层层叠的薄膜材料层,且该薄膜材料层具有不同声阻抗,能够利用相邻薄膜材料层阻抗的差别反射声波,实现声波能量的最大利用,能够将期望模式返回有源区,有利于将声波能量限制在器件有效区域,实现能陷作用,可以进一步提高器件的Q值,从而使谐振器具有较高的频率稳定度。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型而采用的示例性实施方式,然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器,其特征在于,包括:
基板,所述基板包括承载面,所述承载面上设置有第一凹槽;
硅结构层,所述硅结构层设置在所述承载面上;
至少一组纵向布拉格反射栅,各组所述纵向布拉格反射栅沿所述基板的厚度方向依次层叠设置在所述承载面上,所述纵向布拉格反射栅沿长度方向的一端与所述硅结构层相接,每组所述纵向布拉格反射栅均包括至少两层具有不同声阻抗的薄膜材料层;
压电堆叠结构,所述压电堆叠结构的边缘区域位于所述硅结构层背离所述基板的一侧以及最顶层的一组所述纵向布拉格反射栅背离所述基板的一侧,所述压电堆叠结构的中央区域与所述第一凹槽相连通;
至少一组横向反射栅,各组所述横向反射栅均设置在所述压电堆叠结构的边缘区域,且各组所述横向反射栅沿所述基板的长度方向交替设置。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,每组所述横向反射栅均环绕设置在所述第一凹槽的四周。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述压电堆叠结构包括依次设置在最顶层的一组所述纵向布拉格反射栅上的下电极、压电层和上电极;
其中,所述下电极的中央区域与所述第一凹槽连通,所述下电极的边缘区域与最顶层的一组所述纵向布拉格反射栅接触,所述压电层的边缘区域覆盖所述硅结构层;并且,
各组所述横向反射栅均设置在所述压电层的边缘区域。
4.根据权利要求3所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述压电层的边缘区域设置有贯穿其厚度的至少一个第二凹槽以及被所述第二凹槽分隔形成的压电部,至少一个所述第二凹槽与所述纵向布拉格反射栅相连通;
其中,各所述第二凹槽与其相邻的所述压电部组成基于空气隙的横向反射栅。
5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,各所述第二凹槽内设置有第一薄膜材料层,所述第一薄膜材料层与所述压电部的声阻抗不同;
其中,各所述第一薄膜材料层与其相邻的所述压电部组成基于布拉格的横向反射栅。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,各所述纵向布拉格反射栅沿长度方向的另一端延伸至所述第一凹槽内。
7.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,每组所述纵向布拉格反射栅均环绕设置在所述第一凹槽的四周。
8.根据权利要求7所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,每组所述纵向布拉格反射栅均包括依次层叠设置在所述承载面上的第二薄膜材料层和第三薄膜材料层,所述第二薄膜材料层和所述第三薄膜材料层具有不同的声阻抗。
9.根据权利要求8所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述最顶层的一组纵向布拉格反射栅中的所述第三薄膜材料层与所述硅结构层齐平。
10.根据权利要求9所述的薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述第二薄膜材料层为二氧化硅,所述第三薄膜材料层为氮化铝;和/或,
所述横向反射栅包括第二凹槽和压电部时,填充在第二凹槽中的第一薄膜材料层为二氧化硅,所述压电部的材料为氮化铝。
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CN112816109A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-18 | 武汉大学 | 射频压力传感器 |
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