一种二维兰姆波谐振器

摘要

本发明属于谐振器技术领域，公开了一种二维兰姆波谐振器，压电层的上下两面布置第一电极阵列、第二电极阵列，第一电极阵列、第二电极阵列分别包括沿第一方向、第二方向排列的多条正电极列、第一负电极列，且正电极列和负电极列交替排布；正电极列包括多个正电极，相邻的两个正电极通过电桥连接，负电极列包括多个负电极，相邻的两个负电极通过电桥连接；第一方向和第二方向互相垂直；第一电极阵列中的任意一个正电极向第二电极阵列的正投影覆盖其中一个负电极，第一电极阵列中的任意一个负电极向第二电极阵列的正投影覆盖其中一个正电极。本发明提供的二维兰姆波谐振器可以提高谐振器机电耦合系数、减少寄生模式。

权利要求

1.一种二维兰姆波谐振器，其特征在于，包括：第一电极阵列、第二电极阵列；所述第一电极阵列、所述第二电极阵列分别布置于压电层的上下两面；

所述第一电极阵列包括沿第一方向排列的多条第一正电极列、多条第一负电极列，所述第一正电极列和所述第一负电极列交替排布；所述第一正电极列包括多个第一正电极，相邻的两个所述第一正电极通过电桥连接；所述第一负电极列包括多个第一负电极，相邻的两个所述第一负电极通过电桥连接；

所述第二电极阵列包括沿第二方向排列的多条第二正电极列、多条第二负电极列，所述第二正电极列和所述第二负电极列交替排布；所述第二正电极列包括多个第二正电极，相邻的两个所述第二正电极通过电桥连接；所述第二负电极列包括多个第二负电极，相邻的两个所述第二负电极通过电桥连接；

所述第一方向和所述第二方向互相垂直；所述第一电极阵列中的任意一个所述第一正电极向所述第二电极阵列的正投影覆盖其中一个所述第二负电极，所述第一电极阵列中的任意一个所述第一负电极向所述第二电极阵列的正投影覆盖其中一个所述第二正电极。

2.根据权利要求1所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，所述第一正电极、所述第一负电极、所述第二正电极、所述第二负电极的电极形状相同。

3.根据权利要求2所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，所述电极形状为圆形、方形、六边形、八边形中的一种。

4.根据权利要求1所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，所述第一正电极、所述第一负电极、所述第二正电极、所述第二负电极的电极材料相同，采用铂、钼、锌、铝中的一种，所述电桥的材料采用铂、钼、锌、铝中的一种。

5.根据权利要求1所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，还包括：沟槽；所述沟槽设置于所述电桥的下方。

6.根据权利要求5所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，所述沟槽穿透所述压电层的上下表面。

7.根据权利要求5所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，所述沟槽具有第一刻蚀深度，且所述沟槽不穿透所述压电层的上下表面。

8.根据权利要求5所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，所述沟槽中填充有具有正温漂系数的材料，所述压电层采用具有负温漂系数的材料。

9.根据权利要求8所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，所述具有正温漂系数的材料选用二氧化硅，所述具有负温漂系数的材料选用氮化铝、锆钛酸铅、铌酸锂、氧化锌中的一种。

10.根据权利要求8所述的二维兰姆波谐振器，其特征在于，所述压电层和所述电桥之间的缝隙中填充有所述具有正温漂系数的材料。

说明书

一种二维兰姆波谐振器

技术领域

[0001] 本发明涉及谐振器技术领域，尤其涉及一种二维兰姆波谐振器。

背景技术

[0002] 射频滤波器是通信领域的关键一环，滤波器是由谐振器搭建而成，因此，谐振器性能的好坏直接影响着通信质量。当前市场上，声表面波谐振器(SAW Resonator)和体声波谐振器(BAW Resonator)凭借各自优良的性能占据了主流射频领域，是目前应用最广泛，技术最成熟的器件。然而，这两种滤波器都有各自的缺陷。体声波谐振器的工作频率由电极和压电材料的厚度决定，在同一片晶圆上无法实现调频；声表面波谐振器的频率由叉指电极的间距决定，虽然可以实现调频，但由于光刻极限的存在和压电材料中声速低的原因，声表面波谐振器无法实现高频。兰姆波谐振器弥补了两者的缺陷，不仅能够实现高频传输信号，还可以实现同一晶圆上的调频，而且其体积小，可以与IC 工艺兼容的优势等，使其成为射频领域新一轮的研究热点。

[0003] 传统的兰姆波谐振器结构是一种三明治结构，如图1所示。在压电材料的上下表面布置交替施加相反激励电压的叉指电极。如图1所示建立笛卡尔坐标系，电极宽度方向为x轴，电极长度方向为y轴，电极厚度方向为z轴。分别由带正电和带负电的叉指电极激发相反的交流电压，在压电材料中产生形变，进而产生沿x轴传播的兰姆波。波在遇到边界后发生反射，形成驻波，引发谐振。此结构谐振器产生的兰姆波只沿着一个方向传播，故定义为一维兰姆波谐振器。

[0004] 兰姆波谐振器虽然有诸多优势，也有许多尚未解决的缺陷。其中，机电耦合系数和品质因子(Q-Factor)较低是兰姆波谐振器商业化的最大阻碍之一。此外，兰姆波谐振器的寄生模式也严重影响器件的性能，具体表现在阻抗曲线的谐振峰周围产生很多波纹，进而影响信号传输的品质。

[0005] 针对上述问题，天津大学的专利(CN 105337586 A)公开了一种可以显著消除兰姆波谐振器寄生模式的结构，然而其仍然是一维模式的兰姆波谐振器，并且对于谐振器的机电耦合系数和品质因子没有显著改善。当前研究领域内也只是对于一维兰姆波谐振器的性质展开研究，对于如何利用其他方向传播的兰姆波的耦合效应没有解决方案。

发明内容

[0006] 为解决上述问题，本发明提出了一种可以提高谐振器机电耦合系数、减少寄生模式的二维兰姆波谐振器结构。

[0007] 本申请实施例提供一种二维兰姆波谐振器，包括：第一电极阵列、第二电极阵列；所述第一电极阵列、所述第二电极阵列分别布置于压电层的上下两面；

[0008] 所述第一电极阵列包括沿第一方向排列的多条第一正电极列、多条第一负电极列，所述第一正电极列和所述第一负电极列交替排布；所述第一正电极列包括多个第一正电极，相邻的两个所述第一正电极通过电桥连接；所述第一负电极列包括多个第一负电极，相邻的两个所述第一负电极通过电桥连接；

[0009] 所述第二电极阵列包括沿第二方向排列的多条第二正电极列、多条第二负电极列，所述第二正电极列和所述第二负电极列交替排布；所述第二正电极列包括多个第二正电极，相邻的两个所述第二正电极通过电桥连接；所述第二负电极列包括多个第二负电极，相邻的两个所述第二负电极通过电桥连接；

[0010] 所述第一方向和所述第二方向互相垂直；所述第一电极阵列中的任意一个所述第一正电极向所述第二电极阵列的正投影覆盖其中一个所述第二负电极，所述第一电极阵列中的任意一个所述第一负电极向所述第二电极阵列的正投影覆盖其中一个所述第二正电极。

[0011] 优选的，所述第一正电极、所述第一负电极、所述第二正电极、所述第二负电极的电极形状相同。

[0012] 优选的，所述电极形状为圆形、方形、六边形、八边形中的一种。

[0013] 优选的，所述第一正电极、所述第一负电极、所述第二正电极、所述第二负电极的电极材料相同，采用铂、钼、锌、铝中的一种，所述电桥的材料采用铂、钼、锌、铝中的一种。

[0014] 优选的，所述二维兰姆波谐振器还包括：沟槽；所述沟槽设置于所述电桥的下方。

[0015] 优选的，所述沟槽穿透所述压电层的上下表面。

[0016] 优选的，所述沟槽具有第一刻蚀深度，且所述沟槽不穿透所述压电层的上下表面。

[0017] 优选的，所述沟槽中填充有具有正温漂系数的材料，所述压电层采用具有负温漂系数的材料。

[0018] 优选的，所述具有正温漂系数的材料选用二氧化硅，所述具有负温漂系数的材料选用氮化铝、锆钛酸铅、铌酸锂、氧化锌中的一种。

[0019] 优选的，所述压电层和所述电桥之间的缝隙中填充有所述具有正温漂系数的材料。

[0020] 本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

[0021] 在本申请实施例中，压电层的上下两面布置第一电极阵列、第二电极阵列，第一电极阵列、第二电极阵列分别包括沿第一方向、第二方向排列的多条正电极列、第一负电极列，且正电极列和负电极列交替排布；正电极列包括多个正电极，相邻的两个正电极通过电桥连接，负电极列包括多个负电极，相邻的两个负电极通过电桥连接；第一方向和第二方向互相垂直；第一电极阵列中的任意一个正电极向第二电极阵列的正投影覆盖其中一个负电极，第一电极阵列中的任意一个负电极向第二电极阵列的正投影覆盖其中一个正电极。即本申请在压电层的上下表面分别布置排布均匀的带正电压的电极和带负电压的电极，从而在压电材料的上下表面施加交流电压。带正电压的电极和带负电压的电极通过电桥连接。本申请提供的上述结构会激发沿着两个互相垂直的方向(例如x、y轴)传输的横波和沿着垂直于压电层(例如z轴)传输的纵波，当沿着x、y轴激发的波遇到压电材料的边界发生反射后形成驻波，既产生二维的兰姆波。相对于一维兰姆波谐振器中，激发的兰姆波沿x轴传播，在y方向上传播的波会导致伪模态的情况，本申请提供的一种二维兰姆波谐振器耦合了两个互相垂直的方向(例如x、y 轴)传播的兰姆波，所以消除了寄生模式的不利影响，利用的寄生模式的波增强了主模的电学反映，从而提高了机电耦合系数。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0023] 图1为传统的一维氮化铝兰姆波谐振器的结构示意图；

[0024] 图2为本发明实施例1提供的一种二维兰姆波谐振器的结构示意图；

[0025] 图3为本发明实施例1提供的一种二维兰姆波谐振器的俯视图；

[0026] 图4为本发明实施例1提供的一种二维兰姆波谐振器的底视图；

[0027] 图5为本发明实施例1提供的一种二维兰姆波谐振器的阻抗曲线；

[0028] 图6为本发明实施例2提供的一种二维兰姆波谐振器的结构示意图；

[0029] 图7为本发明实施例3提供的一种二维兰姆波谐振器的结构示意图；

[0030] 图8为本发明实施例4提供的一种二维兰姆波谐振器的结构示意图；

[0031] 图9为本发明实施例5提供的一种二维兰姆波谐振器的结构示意图；

[0032] 图10为本发明实施例6提供的一种二维兰姆波谐振器的结构示意图；

[0033] 图11为本发明实施例6提供的一种二维兰姆波谐振器的制作工艺流程图。

具体实施方式

[0034] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

[0035] 传统的一维兰姆波谐振器的结构示意图如图1所示，顶部的正叉指电极 01和顶部的负叉指电极02在压电材料03的表面同时施加相反的交流电压，使得压电材料产生形变。当叉指电极的间距04与压电材料的厚度在同一数量级时，在压电材料03的内部激发沿x轴方向传播的兰姆波。当兰姆波传输到压电材料03的边缘时，遇到固体和空气的界面反射形成驻波，激发的最强电学反应模式称为谐振器的主模式。然而，并不是所有激发的兰姆波都是沿着x 轴方向传播。当沿着非x轴传输的波反射后，会对主模式产生干扰，表现为在阻抗曲线上的寄生模式。寄生模式会影响谐振器的性能和品质，降低Q值，降低机电耦合系数K，增大插入损耗等等。

[0036] 本申请提供下列实施例以解决现有技术存在的问题。

[0037] 实施例1：

[0038] 实施例1提供了一种二维兰姆波谐振器，如图2所示，包括：第一电极阵列、第二电极阵列；所述第一电极阵列、所述第二电极阵列分别布置于压电层14的上下两面。

[0039] 所述第一电极阵列包括沿第一方向排列的多条第一正电极列、多条第一负电极列，所述第一正电极列和所述第一负电极列交替排布；所述第一正电极列包括多个第一正电极，相邻的两个所述第一正电极通过电桥13连接；所述第一负电极列包括多个第一负电极，相邻的两个所述第一负电极通过电桥 13连接。

[0040] 所述第二电极阵列包括沿第二方向排列的多条第二正电极列、多条第二负电极列，所述第二正电极列和所述第二负电极列交替排布；所述第二正电极列包括多个第二正电极，相邻的两个所述第二正电极通过电桥13连接；所述第二负电极列包括多个第二负电极，相邻的两个所述第二负电极通过电桥 13连接。

[0041] 所述第一方向和所述第二方向互相垂直；所述第一电极阵列中的任意一个所述第一正电极向所述第二电极阵列的正投影覆盖其中一个所述第二负电极，所述第一电极阵列中的任意一个所述第一负电极向所述第二电极阵列的正投影覆盖其中一个所述第二正电极。

[0042] 即在压电层14的上下表面布置排布均匀的正电极11和负电极12，从而在压电层14的上下表面施加交流电压。多个正电极11之间通过电桥13连接，多个负电极12之间通过电桥13连接。电桥13可以与压电材料的表面接触，也可以不接触压电材料的表面。

[0043] 为了方便理解，以所述第一方向和所述第二方向分别对应于x轴、y轴为例进行说明。

[0044] 若位于压电层14上表面的电桥13的方向沿着y轴并行排布，则位于压电层14下表面的电桥13的方向则沿着x轴排布。此外，位于压电层14上表面的正电极11正对着位于压电层14下表面的负电极12。此结构会激发沿着 x、y轴传输的横波和沿着z轴传输的纵波，当沿着x、y轴激发的波遇到压电材料的边界发生反射后形成驻波，既产生二维的兰姆波。此结构利用了两个方向传输的兰姆波，所以既消除了寄生模式的不利影响，也利用的寄生模式的波增强了主模的电学反映，从而提高了机电耦合系数。

[0045] 图3、图4分别为实施例1提供的二维兰姆波谐振器结构的俯视图和底视图。应用中需要定义电极的尺寸、位置要素包含：电极到压电层14的边缘距离15和相邻两正电极列中两正电极之间的间距16(或相邻两负电极列中两负电极之间的间距)以及正电极/负电极的尺寸17。正电极11和负电极12以及电桥13可以在底视图上看出。电极的形状不限，例如，正电极11、负电极12均为圆形电极。

[0046] 图5是根据实施例1所示的二维兰姆波谐振器的阻抗曲线示意图，其串联谐振频率fs和并联谐振频率fp之间的频率间隔Δf决定了谐振器的机电耦合系数 的大小，可用下列公式计算：

[0047]

[0048] 从阻抗曲线中也可以很明显的看出，二维兰姆波谐振器的结构很好地降低了寄生模式的影响。具体表现为在阻抗曲线上产生地纹波很小，可以忽略不计，对于主模式没有严重干扰，从而证明二维兰姆波谐振器地结构很明显地改善了谐振器的品质。

[0049] 实施例2：

[0050] 实施例2提供了一种二维兰姆波谐振器，如图6所示，为一种斜电桥的二维兰姆波谐振器。在压电层24的上下表面布置排布均匀的正电极21(带正电压的圆形电极)和负电极22(带负电压的圆形电极)，从而在压电层24的上下表面施加交流电压。多个正电极21之间通过电桥23连接，多个负电极 22之间通过电桥23连接。电桥23可以与压电材料的表面接触，也可以不接触压电材料的表面。电桥23的方向是非平行于x轴和y轴的。压电层24的上表面和下表面的电极方向是垂直交叉的。

[0051] 实施例3：

[0052] 实施例3提供了一种二维兰姆波谐振器，如图7所示，为一种方形电极二维兰姆波谐振器。在压电层34的上下表面布置排布均匀的带正电的方形电极31和带负电的方形电极32，从而在压电层34的上下表面施加交流电压。多个带正电压的方形电极31之间通过电桥
33连接，多个带负电压的方形电极32之间通过电桥33连接。电桥33可以与压电层34的表面接触，也可以不接触压电层34的表面。若压电层34上表面的电桥33方向沿着y轴并行排布，则压电层34下表面的电桥33方向则沿着x轴排布。

[0053] 实施例4：

[0054] 实施例4提供了一种二维兰姆波谐振器，如图8所示，为一种六边形电极二维兰姆波谐振器。在压电层4的上下表面布置排布均匀的带正电的六边形电极41和带负电的六边形电极42，从而在压电层44的上下表面施加交流电压。多个带正电压的六边形电极41之间通过电桥43连接，多个带负电压的六边形电极42之间通过电桥43连接。电桥43可以与压电层44的表面接触，也可以不接触压电层44的表面。若压电层44上表面的电桥43方向沿着 y轴并行排布，则压电层44下表面的电桥43方向则沿着x轴排布。

[0055] 实施例5：

[0056] 实施例5提供了一种二维兰姆波谐振器，如图9所示，为一种带有沟槽的二维兰姆波波谐振器结构。实施例5是在实施例1的基础上进行改进，在压电层54的表面，即正电极51和负电极52之间的电桥53下方，刻蚀一定深度，形成一定形状的沟槽55。沟槽55可以是通孔，即穿透压电层54的上下表面；沟槽55也可以是仅仅具有一定深度而不刻蚀通孔的结构。即所述沟槽55设置于所述电桥53的下方，所述沟槽55穿透所述压电层54的上下表面，或者所述沟槽55具有第一刻蚀深度，且所述沟槽55不穿透所述压电层 54的上下表面。由于沟槽
55的存在，更多的电学能量聚集在电极正下方的压电层54中，使得谐振器的机电耦合系数得以明显提高。

[0057] 实施例6：

[0058] 实施例6提供了一种二维兰姆波谐振器，如图10所示，为一种填充有具有正温漂系数的材料做温度补偿的二维兰姆波波谐振器结构。实施例6是在实施例5的基础上进行改进，在压电层64的沟槽65中填充二氧化硅等具有正温漂系数的材料，与具有负温漂系数的压电层64相互综合，降低谐振器的总温漂系数(TCF)，使得谐振器对于温度的改变不敏感，提高谐振器在变温环境下的工作性能。与此同时，填充的具有正温漂系数的材料不仅仅可以分布在沟槽65中，也可以填充在电桥63与压电层64之间的缝隙66中，不仅能够做温度补偿，也可以增加谐振器的稳定性。

[0059] 上述实施例中，所述第一正电极、所述第一负电极、所述第二正电极、所述第二负电极的电极形状相同；所述第一正电极、所述第一负电极、所述第二正电极、所述第二负电极的电极材料相同，采用铂、钼、锌、铝中的一种；所述电桥的材料采用铂、钼、锌、铝中的一种。

[0060] 所述具有正温漂系数的材料选用二氧化硅，所述具有负温漂系数的材料选用氮化铝、锆钛酸铅、铌酸锂、氧化锌中的一种。

[0061] 为了更好地理解本发明，下面对本发明提供的二维兰姆波谐振器的制作工艺进行说明。

[0062] 图11是根据实施例6提供的二维兰姆波谐振器的制作工艺流程图。如图 11所示，在SOI衬底a的上层高阻硅b中刻蚀保护墙c，再用二氧化硅d填充。经机械化学抛光(CMP)工艺后，沉积氮化铝种子层e生长底电极f。底电极f图形化后，在电极间的空隙中填充二氧化硅g和沉积电桥。再一次机械化学抛光后，沉积压电材料h并刻蚀通孔i，随后沉积顶电极j并引出底电极。最后沉积电桥k并释放通孔m，完全刻蚀掉保护墙c内部的硅形成空气腔，则具有电桥结构的二维兰姆波谐振器制作完毕。

[0063] 综上，本发明提供了一种可以提高谐振器机电耦合系数并进行温度补偿的二维兰姆波谐振器结构，包含对一维兰姆波谐振器的改进以及提出的在二维兰姆波谐振器的压电层表面刻蚀通孔和沟槽，在电桥和压电层的缝隙间填充具有正温漂系数的材料作为温度补偿的谐振器结构。此外，本发明公开了该二维兰姆波谐振器的制作工艺流程。本发明利用二维兰姆波的综合电学效应，显著提升了谐振器的品质和性能。

[0064] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。