具有高温度稳定性的hbar谐振器的制作方法

专利名称：具有高温度稳定性的hbar谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有高温度稳定性的高体声学谐振器(HABR)型谐振器、相应制造方 法以及包括至少一个所述谐振器的振荡器和滤波器。
背景技术：
电声学谐振器用于电子振荡器的温度稳定化，以及用于多个信号处理应用(高选 择性滤波、低带检测、编码等)，其无源组件的基频(base)处于50MHz-20GHz的频率范围内。对这些设备进行优化以用于其特定应用，同时试图最大化例如其品质系数或耦合 系数。普遍有难度的是找到能在强电机械耦合、高品质系数和热稳定性之间提供良好折 中的结构。用于高达2. 5GHz频率的应用的基于声表面波的多种方案能够最小化谐振器频率 的热漂移，但鲜有能完全抵偿(cancel out)热漂移。关于体波，已经知道的是使用石英作为具有高频率稳定性的压电换能器，但是仍 然局限于IOOMHz以下的频率。关于体波，使用氮化铝(AlN)层作为换能器能够改进谐振器在50MHz-20GHz的频 率范围内。因此，由 M. Lakin 在“1999 IEEE Ultrasonics Symposium”中发表的题为“Thin Film Resonators and Filters”的文献描述了一种压电换能器，其构成为在硅或镓砷化物 薄片形状的衬底上通过阴极溅射沉积氮化铝薄层，其间插入有空气隔层或插入有四分之一 波长材料层，以从声学角度将换能器与晶片衬底隔开。该文献还描述了将二氧化硅(Sit)》层经由纵向振动模式耦合到压电换能器以稳 定器温度频率漂移的可能性。但是，由于由压电换能器和二氧化硅层形成的组件的平均声品质，仍然有存在频 率热漂移的问题且提出的方案在二阶热效应补偿方面并不是有说服力的。由 S. Ballandras 等人在 2006 IEEE Frequency Control Symposium 中发表的题 % "High Overtone Bulk Acoustic Resonators built using Aluminium Nitride Thin films deposited onto AT-cut Quartz plates”的文献描述了在两个电极之间嵌入一个氮 化铝层，且通过其中一个电极粘合到另外的石英衬底。该文献指出在氮化铝中通过压电效 应耦合的模式是纵向的，且因此在下面的石英中的传播模式具有相同的极化。由于在石英中纵波的温度稳定性品质较差，因此频率的温度稳定性品质也较差， 在室温下线性漂移超过20ppm(绝对值)。因此存在频率热漂移的问题仍然存在，且尽管能 够从尤其高功能的频率声品质(FQ)系数因子中受益(在400MHz以上，FQ大于1，3. IO13)， 但是不允许这种类型的方案来代替例如板载频率合成应用的体波谐振器。

发明内容
本发明的目的是改进电声学谐振器的频率热稳定性，其具有强压电耦合和高功能频率声品质系数因子。为此，本发明涉及一种用于在预定工作频率工作的高体声谐振器(HBAR)型谐振 器，包括由第一材料的具有第一厚度的层形成的压电换能器，该第一材料沿由IEEE Md-176(1949修订本)标准的术语(YXw) /识定义的角度识取向，且该角度识等于0，该第 一材料沿由IEEE Md-176 (1949修订本)标准的术语( (1)/θ定义的第一切割角θ 1被 切割，由此仅该材料的剪切波的电声学耦合大于5%，该换能器具有作为第一切割角θ 1的 函数的一阶频率温度系数CTFA ；由第二材料的具有第二厚度的第二层构成的声学衬底，该第二材料具有至少等 于5. IO12的功能频率声品质系数因子，沿由IEEE Md-176 (1949修订本)标准的术语 (YXw) /识定义的角度识取向，且该角度识等于0，该第二材料沿由IEEE Md-176(1949修 订本)标准的术语αχι)/θ定义的第二切割角θ 2被切割，具有对应于振动的剪切模式的 至少一个极化方向; β1，该声学衬底具有对应于至少一个剪切模式且取决于第二切割角θ 2 的一阶频率温度系数；由粘合到所述换能器的第一面和声学衬底的一个面的金属层形成的对电极；以及设置在所述换能器的第二面上的上电极，该第二面为所述换能器的第一面的相反 面且远离所述衬底；其特征在于，所述换能器和衬底的相对设置使得对应于所述第一切割角θ 1的所述换能器的 剪切模式的极化方向与对应于所述第二切割角θ 2的衬底的至少一个剪切模式的极化 方向？S1对齐；以及所述衬底的第二切割角θ 2使得对应于所述至少一个剪切模式和所述第二切割 角θ 2的所述一阶频率温度系数CTFBl为0，其在两侧的符号相反，或者在所述第二厚度与 第一厚度的比大于或等于0. 02时等于通过该第二厚度与第一厚度的比的递增函数加权的 所述换能器的频率温度系数CTFA的相反数。根据特定的实施方式，HBAR谐振器包括以下一个或几个特征对应于所述第二切割角θ 2的二阶频率温度系数也为0，其中，针对该第二切割角 θ 2，通过改变符号所述一阶频率温度系数CTFBl抵偿自身；当所述第二厚度与第一厚度的比Re大于或等于0. 02时，所述第二切割角θ 2验 证形成关系α . Re+β . log(y . Re) = ( θ 2_ θ 2nul)* 斜率θ 2nul是第二切割角的值，针对该第二切割角的值一阶频率温度系数CTFBl通过 改变符号来抵偿自身；斜率是相对于在θ 2nul中选择的θ 2的CTFBl的斜率；α，β和γ是与构成声学衬底和换能器有关的常数；所述换能器的材料被包括在由以下构成的材料组中氮化铝(AlN)、氧化锌(SiO)、铌酸锂(LiNb03)、钽酸锂(LiTaCXB)以及铌酸钾；所述换能器的材料优选被包括在由以下构成的材料组中
铌酸锂(LiNb03)和钽酸锂(LiTa03)；所述声学衬底的材料被包括在由以下组成的材料组中石英、正磷酸镓(GaPo4)、铌酸钾、四硼酸锂(LiB407)、兰克赛(L￡t3Ga5Si014)、钽酸镓 镧(Iangatate)及其硅酸镓镧(Ianganite)；所述声学衬底的材料为石英；所述对电极是可热压金属；所述对电极由金、铜或铟制成；所述谐振器的几何尺寸适用于包括在从50MHz到20GHz的频率范围内的频带的在频率；所述声学衬底具有极化方向，针对该极化方向所述频率温度系数CTFBl抵偿自 身，该温度系数在值Θ2ηιι11侧和θ 2皿12侧的符号相反，第一个值θ 2皿11与振动的慢剪 切模式相关联，第二个值θ 2nul2与振动的快剪切模式相关联；所述声学衬底的材料为石英；所述换能器的材料为铌酸锂，以及当θ ami等于+；35度时，α 等于 0.85，β 等于 3. 2，y 等于 200，以及斜率等于5. 10_6 ；当θ 2nul等于-42度时，α 等于 1.25 X 50，β 等于 3. 2，y 等于 200，以及斜率等于2. 2. 10_6。本发明还涉及一种用于制造HBAR谐振器的方法，包括以下步骤在第一个步骤中，提供由第一材料的第一厚度的层构成的压电换能器，该第一材 料沿由IEEE Md-176 (1949修订本)标准的术语(YXw) 定义的角度识取向，且该角度识 等于0，该第一材料并沿由IEEE Md-176(1949修订本)标准的术语( (1)/θ定义的第一 切割角θ 1被切割，由此剪切波的电声学耦合大于5%，该换能器具有作为第一切割角θ 1 的函数的频率温度系数CTFA ；在第二个步骤中，提供由第二材料的具有第二厚度的第一层形成的声学衬底， 该第二材料具有至少等于5. IO12的功能频率声品质系数因子，沿由IEEE Std-176(1949 修订本)标准的术语(YXw) 定义的角度识取向，且该角度炉等于0，并沿由IEEE Md-176(1949修订本)标准的术语αΧ1)/θ定义的第二切割角θ 2被切割，具有对应于振 动的剪切模式的至少一个极化方向，该声学衬底具有对应于至少一个剪切模式且取决 于第二切割角θ 2的一阶频率温度系数；所述衬底的第二切割角θ 2使得对应于所述至少 一个剪切模式和所述第二切割角θ 2的所述一阶频率温度系数CTFBl为0，其在两侧的符号 相反，或者在所述第二厚度与第一厚度的比大于或等于0. 02时等于通过该第二厚度与第 一厚度的比的递增函数加权的所述换能器的频率温度系数CTFA的相反数；以及
在组装步骤中，设置所述换能器和所述声学衬底，使得对应于所述第一切割角θ 1 的所述换能器的剪切模式的极化方向与对应于所述第二切割角θ 2的衬底的至少一个 剪切模式的极化方向对齐。本发明还涉及一种零差振荡器，包括上述的HBAR谐振器。本发明还涉及一种高阻滤波器，包括上述的基于HBAR谐振器的单元。


通过阅读下面的被提供仅作为示例并参考附图的一个实施方式的描述可以对本 发明有更好的理解，其中图1是根据本发明的HBAR谐振器的立体图；图2是图2中的谐振器沿线II-II的横截面图；图3是形成压电换能器的晶体的第一切割角θ 1的视图；图4是作为切割角θ 1的函数的铌酸锂晶体的体波的相速度的演变图，该集的晶 体取向通常被称为“单圈切割(single rotation cuts)”;图5是作为角度θ 1的函数的铌酸锂的这些相同的波的耦合系数的演变图；图6是与换能器的剪切波极化的换能器板有关的平面示意图；图7是形成声学衬底的晶体的第二切割角θ 2的示意图；图8是与声学衬底的剪切波极化的声学衬底板有关的平面示意图；图9是作为切割角θ 2的函数的具有石英剪切模式的持续极化的一阶频率温度系 数的变化图表；图10是根据本发明的图1中的谐振器的带通频率的典型温度稳定性性能的图 表；图11是图2中所述的谐振器的制造方法的实施方式的流程图。
具体实施例方式图1和图2示出了根据本发明的高体声学谐振器2的实施方式。谐振器2包括连续层的一叠层，其包括由铝制成的厚度为ei的上电极4 ；由第一材料构成的具有第一厚度、的压电换能器6，该第一材料为单晶形态的铌 酸锂(LiNb03)；由金制成的厚度为％的嵌入的对电极8 ；由第二材料构成的具有第二厚度t2的声学衬底10，这里第二材料为单晶形态的石英。图1中的层4、6、8和10都具有相同的长度1和宽度W，长度1明显比宽度W和不 同层厚度61、、、62、以及、大。为了简化图1，电极4、8被显示为与压电换能器6共用表面。具体地，电极4、8的表面比压电层6的表面小，且上电极4的表面小于或等于嵌入 的对电极的表面。在制作方法中，包括提供用作粘合层的嵌入层的步骤，通过平版印刷和金属层沉积技术制造，对电极8的表面自然比上电极4的表面大。电极4、8的表面被设置为彼此相对并平行，各自的相对面的区域最大，边缘尽量 平行。理想情况下，电极4、8的表面能完美重叠。因此，波的激励被认为与所谓的面-面谐振器配置相对应，针对该配置，沉积在压 电换能器6的两个相对面上的非常薄的电极4、8在换能器6中剪切波的传播方向上(根据 图2中箭头12所示)激励波。
压电换能器6具有根据由向量示出的沿谐振器长度L取向的极化的被激励的剪 切模式。声学衬底10具有两种剪切模式，第一种是所谓的慢模式，第二种是所谓的快模 式。所谓的快剪切波和所谓的慢剪切波被定义为正交的极化剪切波，所谓的快波的相 速度比所谓的慢波的相速度大。在图1中，对应于换能器6的剪切模式的激励的极化向量与对应于声学衬底的 剪切模式的极化向量(标记为对齐。与示出的极化向量正交的对应于剪切模式的极化向量在图1中由^2示出，其 与; β,正交，且位于衬底10的延伸面中。换能器6与衬底10之间的经热压的对电极8也用于谐振器2结构的粘合。构成换能器6的铌酸锂(LiNb03)层是从形成晶片的原单晶体材料中沿第一切割 角θ 1切下来的板。构成声学衬底10的石英层是从原单晶石英晶片中沿第二切割角θ 2切下来的板。根据图3，铌酸锂板6是从晶片材料中沿着第一切割角θ 1切下来的，该晶片在图 3中没有示出，但标记了其晶轴XpYpZ1, Z1轴是晶片的纵轴，晶轴^CpY1是在单晶制造过程 中预定的。这里角度θ 1在IEEE Std-176 (1949修订本)标准中被定义为绕晶轴Xl的单圈 切割的角度θ 1，在IEEE标准中该切割被注释为(Y1X11VeLX11是与根据图3所示的直的 下边缘对齐的轴，该下边缘的厚度为t1;长度为li。与切下的板6有关的标记被示出为三个轴X’ ρΥ’ γ、ν 1;X’ i轴与Xl轴重合。两 个轴Y’ V x通过分别将Y1轴、Z1轴绕Xl轴转动旋转角度θ 1而得到。图4示出了绕铌酸锂换能器6的晶轴X11的单圈切割的纵波和剪切波的相速度的演变。曲线14示出了在换能器6中沿电极4和8的平面的法轴传播的剪切波的相速度， 其为第一角度θ 1的函数。曲线16表示在换能器6中沿长度1的轴传播的纵波的相速度(km/s)，其为第一切 割角θ 1(度)的函数。图5示出了绕换能器6的晶轴&的单圈切割的纵波和剪切波的耦合。曲线18示出了剪切波的耦合系数K2t (表示为电能转换成声能的百分比)的演变， 该耦合系数K2t为第一切割角Θ1(度)的函数。曲线20示出了纵波的耦合系数K2t (表示为电能转换成声能的百分比)的演变，该耦合系数K2t为第一切割角Θ1(度)的函数。图5示出了曲线18和20具有一角度区域22，在该角度区域22中，纵波几乎不会 由于压电性被耦合，因此对换能器6的电响应不作出贡献，因此，剪切波的激励是特别有效 的，其电机械耦合在50 %与60 %之间。角度区域22以角度θ 1等于163°为中心，幅度等于10°。图1中描述的换能器的切割角θ 1在图6的区域22中被选择等于163°。为了铌酸锂的转动切割简单，只有对应于快剪切波的模式才具有通过压电性的电 机械耦合。参考图6中提供的换能器6的板沿平面轴X’ ρΥ’工的图示，示出了由压电性激 励的剪切模式的标量极化沿图6中端点所示的轴V 1；即平面(X’ ,,Y'的法线，但是其空 间相关性由根据激励平面的空间坐标函数来描述。极化向量被选择与轴Z’工共线。根据图7，石英板10是从原单晶晶片中根据第二角度θ 2被切下来的，该晶片没有 示出，但是标记了石英的晶轴W” Z2轴是在水晶宝石形成期间显露出的光轴C。这里角度θ 2在IEEE Md_176 (1949修订本)标准中被定义为绕晶轴)(2的单圈切 割的角度θ 2，在IEEE Std-176标准中该切割被注释为(Y2, X12)/θ 2，X12是与根据图4所 示的直的下边缘对齐的轴，该下边缘的厚度为t2，长度为L2。与切下的石英板10有关的标记被示出为三个轴V 2、Y’ 2、V 2，V 2轴与\轴重 合，两个轴Y’ 2、V 2通过分别将\轴、Z2轴绕轴转动旋转角度Θ 2而得到。参考与图6中提供的换能器6的平面图示类似的在图8中提供的石英板10的沿平 面轴X’ 2、Υ’ 2的平面图示，可以描述剪切模式的极化，希望在石英中利用该剪切模式的极化 以在被切割时一阶或甚至二阶热敏感度能够抵偿自身。在石英情况中的剪切也是标量的， 但是沿轴x’2建立，其根据激励平面取决于与板有关的局部坐标。对于根据IEEE标准注解 1761949修订本(关于压电性的IEEE标准Std 176-1949，IRE学报，卷37，1378-1395页， 1949)注释的单圈石英和铌酸锂或钽酸锂板( α/θ )，所选的剪切波因此具有彼此正交的 极化，且只有在对换能器6和声学衬底的晶轴的对齐进行适当选择的情况下剪切波才会耦 合。在组装换能器和声学衬底的材料过程中必须考虑这些极化，以允许耦合希望在声传播 衬底10(例如石英)中激励的声波。这里，声耦合效果通过将换能器6的Ζ’工轴与声学衬底10的V 2轴对齐，或等效 地通过将换能器6的X’ i轴与声学衬底10的V 2轴对齐来得到，由此在换能器6中的被激 励模式的极化？/4与； 《1示出的声学衬底10中的剪切模式的极化相同，由此能够补偿相应波 的相速度的热漂移。图9示出了石英的剪切模式对静态热效应的的敏感度，该敏感度为两个一阶频率 温度系数CTFBl和CTFB2的形式，其对应于面-面声学衬底10的彼此正交的持续极化(与 图1中的类似，单位ppm. IT1 (频率的百万分率每开尔文))，且为第二切割角Θ2(度)的函数。实线形式的第一曲线30示出了为第二切割角θ 2的函数的沿X’ 2轴极化的剪切 波的第一一阶频率温度系数CTFBl的演变，剪切波的极化对应于图1中的向量。虚线形式的第二曲线32示出了为第二切割角θ 2的函数的与上一段所述的剪切 波正交的被极化的剪切波的一阶频率温度系数CTFB2的演变，该剪切波的极化对应于图1中的向量 δ2。所谓的快剪切波和所谓的慢剪切波被定义为具有正交极化的剪切波，所谓的快波 的相速度比所谓的慢波的相速度大。在石英的情况中，在切割角θ 2等于度附近，慢模式和快模式交换极化。针对 角度θ 2在度与-90度之间的切割，模式保持正交，但是快剪切模式替换慢剪切模式。 这种现象在图8中看不出来，因为曲线30和32持续极化CTFB的图示，不是通过快模式或 慢模式类型的图示。对于在度与+90度之间的θ 2，沿&的极化的波对应于慢剪切模式，而对于 在-90度与度之间的θ 2，沿X2的极化的波对应于快剪切模式。曲线30示出了存在两个角度区域34、36，在每个角度区域中分别有角度值(分别 记为Θ2ηιι11和Θ2ηιι12)，用于抵偿(cancel out)沿X’ 2轴极化的剪切波的一阶频率温 度系数CTFBl的。对于角度区域36，也称为切割集AT，可以在35度与36度之间获得及其精确的切 割值θ 2，由此能够抵偿二阶温度系数，为温度的函数的频率偏移，然后可以遵循三次开方定律。对于角度区域34，只有一阶的系数可以抵偿自身，但是已经知道称为BT的传统切 割集具有比使用切割集AT所能得到的更好的谐振品质因子。在石英的情况中，θ 2null ^P θ 2nul2分别等于-42度和+35度。以θ 2null为中心的第一角度区域34具有20度的幅度，优选为10度，在该区域 曲线部分30可以近似于具有正斜率的直线段。以θ 2nul2为中心的第二角度区域36也具有20度的幅度，优选为10度，在该区 域曲线部分30可以近似于具有负斜率的直线段。图1中的换能器的第一切割角θ 1在区域22中选择。声学衬底10的第二角度θ 2在区域34或36之一中针对CTFBl为零或正(考虑 CTFA系数为负的事实)的部分中选择。在AT切割的情况中，即区域36中的θ 2且优选等于35度，对于铌酸锂的厚度比 石英的厚度小得多的情况，即铌酸盐/石英的厚度比小于2%，对待检测的充分耦合的第一 模式完全补偿石英的温度效应。对于二阶系数大约为lppb. Κ—2，一阶谐振器温度敏感度(记 为 CTFR)小于 lppm. IT1。但是对于具有最大电机械耦合的模式，会观察到谐振器的一阶温度敏感度的绝对 值突然增加。这种现象可以通过以下事实来解释用于激励模式的能量在铌酸盐层中一直 比在石英中要大，直到该模式达到频率的最大值，该最大值接近在铌酸锂中耦合的波的速 度除以铌酸盐层厚度的两倍，该模式对应于仅换能器层的基频(fundamental)。然后谐振 器中产生的模式比其能量主要位于石英中的模式对由换能器和电极形成的激励层的特性 更敏感。但是，谐振器的一阶温度敏感度CTFR不会达到仅换能器的一阶温度敏感度的值 CTFA，这使得通过调整石英的切割来最小化谐振器的敏感度的值成为可能。考虑计算后的仅换能器6的一阶温度敏感度的值在-90ppm. K—1附近，以及石英的 敏感度的值几乎为Oppm. K—1，由最优耦合模式的谐振器产生的一阶CTFR的值可以根据以下 公式被估计为换能器和声学衬底的一阶频率温度系数的加权和
CTFR = CTFB1 (石英)+CTFA (铌酸盐)*Y(% )。因子Y为针对铌酸盐/石英厚度比等于1/50,2. 5/50和5/50分别为6、10、15，厚 度的数量级为一或几ym。为了获得对最强耦合模式的温度效应的补偿，石英的CTFBl必须 大致分别等于+5、+10和+15ppm. K-1。示出了对于铌酸盐/石英厚度比Re等于10/50和20/50，Y的值为22%和32%。作为Re的函数的在最高耦合的模式的CTFR分布符合以下规律CTFR = 0. 85XRe+3. 21og0X5OXRe)，其中Re表示换能器的厚度与声学衬底的厚度之比，以及Log是讷皮尔(N^ierian)算法函数，厚度单位为μ m(隐含)，CTFR单位为ppm.K-1。从作为绕X2轴的切割角θ 2的函数的仅石英的CTFBl的演变来看，其在θ 2等 于+35度附近(AT切割)由公式CTFBl = ( θ 2-35) *5. 10_6来表示，以及由CTFT分布 公式来表示，能够补偿最大耦合模式的温度效应的校正切割角(记为e2cor)通过等式 0. 85XRe+3. 21og(4X50XRe) = ( θ 2cor_;35)*5· 1(Γ6 来确定。根据该等式，对于厚度比 1/50,2. 5/50和5/50分别使用角度θ 2等于34,33和32的切割YXl/ θ 2。因此，对于AT 切割，切割角θ 2作为谐振器耦合模式的谐波等级(harmonic rank)和铌酸盐/石英厚度 比的函数来调节。由此获得对温度漂移的一阶和二阶补偿。如果现在将石英及其附近的元件从AT切割(Θ2等于35度)替换成BT切割(在 切割角θ 2等于-48度附近的区域34中)，可以观察到与AT切割类似的状态。如果第一模式没有很好被耦合，谐振器的CTFR完全等于石英的CTFB1，在BT切割 的情况中，补偿仅是一阶的。对于最大耦合模式，谐振器的CTFR大于并接近针对AT切割观测的CTFR。针对厚 度比Re为1/50,2. 5/50和5/50，谐振器的一阶CTFR值分别等于_6、-11和-16ppm. K-1。回到将最优耦合模式的谐振器产生的一阶CTFR的值表达为换能器和声学衬底的 一阶频率温度系数的加权和的关系，可以根据以下公式CTFR = CTFBl (石英)+CTFA (铌酸盐)*Y(%),发现对于厚度比 Re 为 1/50、2. 5/50 和5/50，Y分别约等于7、12和17，其对应于与针对AT切割观测的类似的过程。在BT切割附近(θ 2等于-42度)，石英的CTFBl的演变有利地由规律CTFBl = (θ 2+42) . 2. 10_6 来逼近。切割侧θ 2的校正角θ 2被计算为针对厚度比Re为1/50、2. 5/50和5/50分别 等于-45、-43 和-41。还示出了在AT切割的情况中确定的作为铌酸盐/石英厚度比的函数的谐振器最 大耦合模式的CTFl的分布规律适用于在BT切割的情况中的系数中，该规律被写成CTFR =1. 25X50XRe+3. 21og(4X50XRe)，其能够在涉及调节铌酸盐/石英厚度比和石英的切 割角θ 2以补偿最佳耦合模式的温度效应时通用化设计过程。不管铌酸盐层和石英层的厚度如何，这里获得的结果可以被调换。具体地，如果谐 振模式之间的间隙取决于换能器和声学衬底形成的叠层的总厚度，则仅厚度比Re确定作 为谐振模式的谐波等级的函数的谐振模式的一阶CTFR。因此，可以形成温度补偿的HBAR谐振器结构，其中，定义换能器的几何尺寸由此谐振器在期望的调谐频率谐振。定义换能器的几何尺寸由此谐振器在期望的调谐频率谐振，具有应用的操作需求 所产生另外的电特性。另外的电特性例如是两个谐振模式之间的频谱隔离，其被定义为围绕该缺少其他 谐振的谐振模式的频谱区域；所选谐振模式的电机械耦合效率；谐振的特性阻抗；谐振处 的品质系数以及谐振模式的热稳定性。频谱隔离能够定义HBAR谐振器层的叠层的总厚度，这是因为频谱隔离对应于由 换能器和声学衬底(包括嵌入的电极)形成的组件的基频模式的频率。由不同材料形成的HBAR谐振器的每个层的厚度被调节以获得在期望谐振或调谐 频率的模式。还考虑期望的电机械耦合来确定压电换能器的厚度。当所选模式接近仅在压电换 能器中谐振的基频模式时，耦合最大。换能器/声学衬底厚度比作为期望的热稳定性和目标谐振的品质系数的函数来 调节，以用于已知的可靠地获得在谐振的品质参数的性能。有必要充分了解所使用材料的 粘弹性常数或具有复杂值的代表物理特性的其它物理系数，例如电介质常数。这些常数的 虚部通常通过试探确定或通过调节预测模型的参数来确定。谐振的阻抗取决于所选模式的电机械耦合和面对的电极表面的值。对于给定阻 抗，例如50ohm，所选模式的电机械耦合越弱，面对的电极表面越大。对从Imm到几μ m的叠层厚度来说，典型的电极表面在几百μ m2与几mm2之间。通过对电极8完成换能器6的电声学振动的耦合，该对电极8用作换能器6的带 通中的声学短路。因此，声学衬底10使换能器的谐振模式从动于其自身的谐振模式，由此允许换能 器6的谐振模式的大的温度稳定性，该谐振模式如果对其放任的话会漂移地很严重。实际 上，HBAR压电换能器的一阶频率温度系数具有较大值，例如对于铌酸锂在-80与-95ppm. Γ1 之间，对于钽酸锂为-35到-50ppm. IT1。因此，从动的换能器6的谐振模式的温度稳定性对应于通过第二切割角θ 2选择 的频率温度系数CTFBl的值和分别对应于换能器6的剪切模式和石英10的耦合的剪切模 式的极化向量I、的对齐，且考虑了切割角θ 2的调节规律、谐振模式的谐波等级以及 谐振器的换能器/声学衬底的厚度比Re。图10示出了根据本发明的谐振器的温度稳定性性能的示例。图8中示出了换能器6的频率漂移被完全补偿所针对的标称工作温度等于50°C。 常规上，空间电子设备的标称工作温度在20与60°C之间。在从_273°C到石英的居里温度(+575°C )的温度范围中可以很轻松地调节谐振器 的标称工作温度。实践中，操作温度范围从液态氦或液态氮的温度(低温基准(cryogenic reference))至Ij+400°C。尽管在极端温度粘合的完整性仍然有待验证，但是已经证明该设备在对应于液态 氮的低温和高达200°C的鲁棒性。这里在图8中，谐振频率的变化和指示谐振器导通带宽的反谐振频率的变化低于lppm. KT10图11示出了根据本发明的制造图1中谐振器2的方法100的流程图。在第一个步骤102中，提供由第一材料的第一厚度的层形成的压电换能器6，该第 一材料沿角度识(由IEEE Md-176 (1949修订本)标准的术语(YXw)/识定义，且等于0)取 向，并沿第一切割角θ 1(由IEEE Md-176 (1949修订本)标准的术语( (1)/θ定义)被 切割，由此剪切波的电声学耦合大于5%，换能器6具有作为第一切割角θ 1的函数的频率 温度系数CTFA。换能器6的材料被包括在由以下构成的材料组中氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNb03)、钽酸锂(LiTaCXB)以及铌酸钾。优选地，可以为了更容易掌握制造具有重要厚度的单晶体的方法而选择铌酸锂 (LiNb03)和钽酸锂(LiTa03)中的材料。根据500 μ m和350 μ m的厚度标准，可以通过具有4”直径的晶片制造铌酸锂和钽酸锂。在第二个步骤104中，提供由第二材料的第二厚度的层构成的声学衬底10，该第 二材料具有至少等于5. IO12的功能频率声品质系数因子，沿角度识(由IEEE Std-176(1949 修订本)标准的术语(YXw) /识定义，且等于0)取向，并沿第二切割角Θ2(由IEEE Md-176(1949修订本)标准的术语(ΥΧ1)/Θ定义)被切割，具有对应于振动的剪切模式 的至少一个极化方向^⑴，声学衬底10具有对应于至少一个剪切模式且取决于第二切割角 θ 2的一阶频率温度系数。在步骤104中，声学衬底10的第二切割角θ 2使得对应于至少一个剪切模式和第 二切割角θ 2的一阶温度系数CFTBl为0，其在每一侧的符号相反，或在第二厚度与第一厚 度的比大于或等于0. 02时，CFTBl等于通过第二厚度比第一厚度的递增函数加权的换能器 6的频率温度系数CTFA的相反数。声学衬底的材料被包括在由以下组成的材料组中石英及同晶型替代物，例如GeA和TeA型、正磷酸镓(GaPo4)及其同晶型结构、铌 酸钾、四硼酸锂(LiB407)、兰克赛(La3GiI5SiO14)、钽酸镓镧(Iangatate)及其其它变种。优选地，由于在结晶学领域中其显著的温度稳定性特性和完备的知识，声学衬底 的材料是石英。在接下来的步骤106中，换能器6的一个面和声学衬底10的一个面被镀有厚度在 100至200nm之间的热压或冷压材料(例如金、铜或铟)的金属，以粘合这两个面从而形成 对电极。金是用于这类粘合的特别好的材料，其可塑特性和其机械鲁棒性足以保证换能器 6和声学衬底10之间的声连接。在组装步骤108中，换能器6和声学衬底10被设置由此对应于第一切割角θ 1的 换能器6的剪切模式的极化方向与对应于第二切割角θ 2的衬底10的至少一个剪切模 式的极化方向对齐。在接下来的步骤110中，依据所使用的金属而升高或不升高温度，通过按压来完 成粘合。
在使用金的情况中，消除热相且由于金属材料的面对的表面品质以及延展性，能 够实现长久的挤压以保证粘合。因此，几个铌酸锂/石英复合层能够通过在施加16小时的3000牛顿的压力过程 中仅保持30°C的温度以这种方式被制造而没有瑕疵。在接下来的步骤112中，谐振器的层被烧灼并抛光。在步骤114中，在相对于衬底的换能器6的一个面上给电极镀有例如铝。该方法易于实施且能够获得良好的温度稳定性性能。此外，使用该方法得到的谐振器能够在高达20GHz的频率工作。谐振器很轻且体 积小，能够提供高度集成。这种谐振器能够例如集成在零差振荡器中或集成在高阻(high reject)滤波器 中。当然，可以考虑其它应用。
权利要求
1.一种用于在预定工作频率工作的高体声学谐振器型谐振器，包括由第一材料的具有第一厚度的层形成的压电换能器(6)，该第一材料沿由IEEE Md-176 (1949修订本)标准的术语(YXw) /炉定义的角度识取向，且该角度识等于0，该第 一材料沿由IEEE Md-176(1949修订本)标准的术语αΧ1)/θ定义的第一切割角θ 1被切 割，由此仅该材料的剪切波的电声学耦合大于5%，该换能器具有作为所述第一切割角θ 1 的函数的一阶频率温度系数CTFA ；由第二材料的具有第二厚度的第二层构成的声学衬底(10)，该第二材料具有至少 等于5. IO12的功能频率声品质系数因子，沿由IEEE Md-176 (1949修订本)标准的术语 (YXw) /识定义的角度炉取向，且该角度φ等于0，该第二材料沿由IEEE Md-176(1949修 订本)标准的术语αχι)/θ定义的第二切割角θ 2被切割，具有对应于振动的剪切模式的 至少一个极化方向，该声学衬底(10)具有对应于至少一个剪切模式且取决于所述第二 切割角θ 2的一阶频率温度系数CTFBl ；由粘合到所述换能器(6)的第一面和声学衬底(10)的一个面的金属层形成的对电极 (8)；以及设置在所述换能器(6)的第二面上的上电极，该第二面为所述换能器(6)的第一面 的相反面且远离所述衬底(10)；其特征在于，所述换能器(6)和衬底(10)的相对设置使得对应于所述第一切割角θ 1的所述换能 器(6)的剪切模式的极化方向与对应于所述第二切割角θ 2的衬底(10)的至少一个剪 切模式的极化方向？对齐；以及所述衬底(10)的第二切割角θ 2使得对应于所述至少一个剪切模式和所述第二切割 角θ 2的所述一阶频率温度系数CTFBl为0，其在两侧的符号相反，或者在所述第二厚度与 第一厚度的比大于或等于0. 02时等于通过该第二厚度与第一厚度的比的递增函数加权的 所述换能器(6)的频率温度系数CTFA的相反数。
2.根据权利要求1所述的HBAR谐振器，其特征在于，对应于所述第二切割角θ2的二 阶频率温度系数也为0，其中，针对该第二切割角θ 2，通过改变符号所述一阶频率温度系 数CTFBl抵偿自身。
3.根据权利要求1和2所述的HBAR谐振器，其特征在于，当所述第二厚度与第一厚度 的比Re大于或等于0. 02时，所述第二切割角θ 2验证形成关系α . Re+β . log(y . Re) = ( θ 2_ θ 2nul)* 斜率θ 2nul是第二切割角的值，针对该第二切割角的值一阶频率温度系数CTFBl抵偿自身 并改变符号；斜率是相对于在θ 2nul中选择的θ 2的CTFBl的斜率；α，β和Y是与构成声学衬底(10)和换能器(6)有关的常数。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的HBAR型谐振器，其特征在于，所述换能器的材 料被包括在由以下构成的材料组中氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNb03)、钽酸锂(LiTaCXB)以及铌酸钾。
5.根据权利要求4型所述的HBAR谐振器，其特征在于，所述换能器的材料优选被包括在由以下构成的材料组中铌酸锂(LiNb03)和钽酸锂(LiTa03)。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的HBAR型谐振器，其特征在于，所述声学衬底的 材料被包括在由以下组成的材料组中石英、正磷酸镓(GaPo4)、铌酸钾、四硼酸锂(LiB407)、兰克赛(La3(^5SiO14)、钽酸镓镧 (Iangatate)及其娃酸镓镧(Ianganite)。
7.根据权利要求6所述的HBAR型谐振器，其特征在于，所述声学衬底的材料为石英。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的HBAR型谐振器，其特征在于，所述对电极是可 热压金属。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的HBAR型谐振器，其特征在于，所述对电极由金、 铜或铟制成。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的HBAR型谐振器，其特征在于，所述谐振器的几 何尺寸适用于包括在从50MHz到20GHz的频率范围内的频带的谐振频率。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的HBAR谐振器，其特征在于，所述声学衬底 (10)具有极化方向，针对该极化方向所述频率温度系数CTFBl抵偿自身，该温度系数在值 Θ2ηιι11侧和θ 2皿12侧的符号相反，第一个值θ 2皿11与振动的慢剪切模式相关联，第二 个值Θ2ηιι12与振动的快剪切模式相关联。
12.根据权利要求11所述的HBAR谐振器，其特征在于，所述声学衬底(10)的材料为石英。
13.根据权利要求12和3所述的HBAR谐振器，其特征在于，所述换能器(6)的材料为 铌酸锂，以及当θ ami等于+ 度时， α等于0.85， β等于3. 2， Y等于200， 以及斜率等于5. 10_6 ； 当θ ami等于-42度时， α 等于 1. 25X50， β等于3. 2， Y等于200，以及斜率等于2. 2. 10_6。
14.一种用于制造HBAR谐振器的方法，该方法包括以下步骤在第一个步骤(102)中，提供由第一材料的第一厚度的层构成的压电换能器(6)，该第 一材料沿由IEEE Md-176 (1949修订本)标准的术语(YXw)/识定义的角度识取向，且该角 度识等于0，该第一材料沿由IEEE Md-176(1949修订本)标准的术语αΧ1)/θ定义的第 一切割角θ 1被切割，由此剪切波的电声学耦合大于5%，该换能器(6)具有作为第一切割 角θ 1的函数的频率温度系数CTFA ；在第二个步骤(104)中，提供由第二材料的具有第二厚度的第一层形成的声学 衬底(10)，该第二材料具有至少等于5. IO12的功能频率声品质系数因子，沿由IEEEMd-176 (1949修订本)标准的术语(YXW) /炉定义的角度炉取向，且该角度炉等于0，并沿 由IEEE Md-176(1949修订本)标准的术语σΧ1)/θ定义的第二切割角θ 2被切割，具有 对应于振动的剪切模式的至少一个极化方向^m，该声学衬底(10)具有对应于至少一个剪 切模式且取决于第二切割角θ 2的一阶频率温度系数；所述衬底(10)的第二切割角θ 2使 得对应于所述至少一个剪切模式和所述第二切割角θ 2的所述一阶频率温度系数CTFBl为 0，其在两侧的符号相反，或者在所述第二厚度与第一厚度的比大于或等于0. 02时等于通 过该第二厚度与第一厚度的比的递增函数加权的所述换能器(6)的频率温度系数CTFA的 相反数；以及在组装步骤(108)中，设置所述换能器(6)和所述声学衬底(10)，使得对应于所述第一 切割角θ 1的所述换能器(6)的剪切模式的极化方向; ,与对应于所述第二切割角θ 2的衬 底(10)的至少一个剪切模式的极化方向？对齐。
15.一种零差振荡器，包括根据权利要求1-13中任意一项所述的HBAR谐振器。
16.一种高阻滤波器，包括根据权利要求1-13中任意一项所述的基于HBAR谐振器的单元。
全文摘要
本发明涉及谐波体声学谐振器HBAR型的谐振器，包括夹在具有强电声学耦合的两个电极(4，8)之间的压电换能器(6)，且根据第一切割角θ1被切割；和具有至少等于5.1012的工作频率声品质系数的声学衬底(10)且根据具有至少一个剪切振动模式的第二切割角θ2被切割。换能器和衬底被设置由此换能器的剪切模式的极化方向与衬垫的剪切的极化方向对齐，且第二切割角θ2使得对应于剪切模式和第二切割角θ2的一阶频率温度系数CTFB1为0，其每侧的符号相反，或者等于偏差。
文档编号H03H9/02GK102057570SQ200980121075
公开日2011年5月11日 申请日期2009年5月29日 优先权日2008年6月4日
发明者D·加雄, S·巴朗德拉 申请人:科学研究国家中心