专利名称：经表面显微机械加工的声波压电晶体的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及压电器件，尤其是体声波压电谐振器和声表面波压电谐振器。
背景技术：
我们知道，压电器件包括各种类型的晶体谐振器和晶体滤波器。一般会在象蜂窝电话、寻呼机、双向无线电通信及无线电数据设备这样的通信设备中找到这些压电器件。由于频谱单元变得越来越满，且可使用的较低频带变得越来越挤，产生了使通信设备工作在更高射频频率(RF)上的需要。
IF频率目前被用在双向无线电通信中。蜂窝电话和寻呼机的范围从10.7兆赫兹一直到120兆赫兹(MHz)(17.9MHz、45MHz、73.35MHz、109.65MHz及114MHz仅仅是一些更通用的IF频率)。典型的是，将体声波(BAW)晶体器件用于有关IF的应用中。体声波晶体可工作于基频模式或更高的泛音频率模式(例如3阶泛音、5阶泛音等)。低成本基本模式石英器件已被成功地实现到50MHz。超过这一频率，则基本模式器件的成本就会大大地增加。因此，一般都使用泛音模式。
IF晶体工作的泛音模式具有若干缺点。晶体在泛音模式下的运行会提高工作阻抗。同样，为泛音操作而设计的滤波器一般都需要在其终端有电感器，这对无线电通信费用以及外来信号的灵敏度来说都是不希望出现的情况。同时，泛音模式需要比其基本模式的副本高得多的匹配终端阻抗，这在无线通信的灵敏度的观点来看是不合需要的。另外，用于泛音模式的晶体滤波器的可获得带宽要比基本模式晶体滤波器的可能带宽窄得多。使用泛音模式的体声波晶体不可能满足众多消费者对宽带滤波器的需求。
增加体声波晶体的基本模式频率的常规方法是使用机械研磨法从坯晶表面上除去石英材料。但是由于处于高频的石英会变得非常薄，所以机械研磨处理有使用局限。坯晶的这种极窄的外形引发了材料的处理问题以及断裂，这会导致产出下降并会增加成本。
为避免以及改善上述缺陷，在石英技术中使用了现今所知道的被称为“反转台面(inverted mesa)”坯晶技术的技术。在这种方法中，提供有经机械研磨的坯子，使反转台面坯晶的周边为一个指定厚度，以便改善其操作和工艺，同时通过除去坯晶中央的石英材料而使坯晶中心的频率得到提高。所形成的结构类似于一个反转的台面。反转台面处理是一种低生产率技术，它趋于在进行处理时逐渐降低表面品质。
虽然反转台面的原理达到了高频坯晶的需要，但是由现今已知技术的实践局限性可知其具有若干严重缺陷。用于大规模制造大量反转台面坯子的装置的费用非常昂贵。除去处于坯子中心的指定量材料所需的时间很长因而代价很高。有代表性的是，在台面上的被打薄的石英表面上，有不可接受的平面度以及平行度和可降低性能的附加缺陷。另外，还必须使用高级石英材料，通常是驱杂石英。由于在制造体声波反转台面晶体中的这些局限性，所以这些器件在工业界没有被广泛接受。
压电器件还被用于RF频率，且现在被用于频率从800MHz到1.5GHz的双向无线电通信和蜂窝电话寻呼。典型的情况是，已经使用声表面波(SAW)技术来产生这些极高频率的器件。但是这些器件得遭受比BAW器件更差的温度特性。另外，SAW器件的尺寸与频率呈反比，例如较低频率需要较大的器件。
对于声波器件来说，它需要在比100MHz还高的基频和泛音频率上也能工作。对于声波器件来说，它还需要有低成本、高产出、在处理时亦很结实、且使用常规装置能很容易地制造出它。
附图的简要说明
图1显示了依据本发明的经显微机械加工的压电谐振器的横截面的简化透视图；图2显示了依据本发明的压电谐振器的同相结构；图3显示了依据本发明的如图2所示结构的谐振器的频率响应的图形表示；图4显示了依据本发明的压电谐振器的反相结构的横截面；以及图5显示了依据本发明的如图4所示结构的谐振器的频率响应的反向图示。
最佳实施例的详细说明本发明提供了一种高频声波压电谐振器，它具有切入压电基片表面的经刻蚀的沟道，从而构成微加工的脊。可分别通过将AC电场加到分别位于脊上和沟道内的顶部和底部电极上，来使这些脊产生振动。当这些电极被电激励时，就会在顶部和底部电极之间的每一个脊内产生一个相当大的垂直电场，这种电场与基片的上表面垂直，并产生可直接垂直指入该基片的一种声波的压电变形。本发明还可能产生声表面波。这些脊是从基片表面伸出的悬臂，同时脊的垂直高度直接确定了脊的振动频率。使用通常可利用的装置，利用低成本、高产出的照相平板印刷和刻蚀技术能很容易地制造出这些脊。可将这些脊作得非常小以产生远远大于100MHz的频率。
图1显示了依据本发明的声波压电谐振器10的简化透视横截面。所提供的压电基片12具有由上表面16和下表面18所确定的预定厚度14。若干凸脊20与压电基片12的上表面16是一个整体，并从压电基片12的上表面16向上伸展。间隔22位于凸脊20之间。凸脊20具有位于基片上表面处的底部24以及顶部26，它们确定了高度28。脊20的高度28直接确定了谐振器10的工作频率。如图所示，这些脊还具有宽度34。每一个脊20都具有位于脊20顶部26上的相应的顶部电极30。每一个间隔22都具有位于其上的相应的一个底部电极32。在这种结构中，顶部电极30和底部电极32不直接相对。
应该认识到脊的高度是本发明的若干关键设计参数之一，但是其宽度和间隔也对频率有影响。由于器件的频率基本上是由脊的高度所激励的，所以确定器件频率时，基片的面积和长度就不重要了。相反，声表面波(SAW)器件的不利之处在于对较低频率，它会需要较大尺寸的基片。因此，本发明提供了优于SAW器件的基片尺寸，其中凸脊的高度要比脊宽或这些脊之间的间隔大。
在本发明中，脊不需要有统一尺寸的矩形边缘。脊可以具有不同形状，例如是圆形的、有棱角的或不规则的。同时脊也不需要彼此平行、具有相同的宽度或彼此之间具有相等的间隔。另外，脊不需要具有精确相同的高度，正如下面所要说明的那样。
但是在最佳实施例中，希望脊的高度和宽度实质上相同，并具有统一的形状，以便在每一个脊内都保持相似的工作频率。同时，最好是凸脊实质上彼此平行，且凸脊之间的间隔实质上是周期出现的。这种做法使得其制造非常容易，并减小了处于寄生工作模式的可能性。
对脊使用如图1所表示的方棱形状因数减少了寄生模式，并对顶部和底部电极上的金属沉积提供了自然屏障。当从上面镀东西时，可同时沉积在顶部和底部电极上。已发现，在一些情况中，方棱形可允许某些金属沉积在脊的侧面，这样将顶部和底部电极短路到一起。这一问题是通过在最佳实施例中应用镀铝而得以解决的。沉积在脊一边的任何铝都是非常薄的层，以致当其自然暴露在空气内的氧中时，会使铝迅速氧化而形成非短接的绝缘体。还有一种情况是，可让铝暴露在更强的氧化环境例如氧气等离子体中，从而能更快地断开脊一边的任何一个电短路。稍微有一点鸠尾形接合的因素，使得可提供用于沉积电极的更好的掩膜，但这很难进行批量制造，且不象前述说明那样是必须的。
图2显示了本发明第一实施例的截面示图。在这一实施例中，顶部电极30通常都是电连接在一起的，底部电极32通常也都是电连接在一起的。当偏压(+以及-)加在顶部和底部电极30和32之间时，即便电极30、32实际上并不相对，也能在电极30、32之间建立一个基本垂直电场38。正如本领域中所了解的那样，电场集中于具有较高介电常数的区域内。诸如象石英、铌酸锂、钽酸锂、PZT等压电材料具有比空气或真空更高的介电常数。因此，显然垂直电场38主要会聚集在顶部电极30之下的脊20内，尽管底部电极32实际上并不与顶部电极30相对。
垂直电场38在脊20内赋予了一种压电应变40。例如，在AT切割角的石英压电基片内，所开发的压电应变实质上是一种厚度切变模式。尽管对不同的基片定位会存在其它的应变。本发明可适用于各种基片材料、角以及机电模式，这些模式例如是厚度切变、外延、厚度扭曲、弯曲等，但并不仅限于此。此外，本领域人员还知道许多不同类型的压电材料及角度切割可提供适当的激励来驱动本发明的脊。上述内容可包括AT型切割的石英、BT型切割的石英、ST型切割的石英、X型切割的163°的铌酸锂、钽酸锂以及适当接入的PZT，但并不仅限于此。
应该认识到其它已知的或最新衍生出的切割法可能是最佳的，尤其是对于温度特性。对于所选出的这些材料中的任何一种，当电极30、32受到AC信号的压电驱动时，凸脊20被以同相振动模式(即所有脊一致地运动)驱动，如图2所示。与已有技术中SAW器件所产生的在所有电极中所共享的单一的表面横波不同，每个脊20的振动都驱使垂直体声波36进入基片。虽然并不必要，但图2还是显示了大约在1/2波长上振动的每一个脊20，该振动波长是由每个脊20的高度28确定的。脊20在基片12中产生一个体波36，该体波依据基片12的厚度14可以有许多种波长。除了偶和奇泛音模式(即2倍、3倍、4倍、5倍基频等)外，也可在基本模式下驱动本发明的器件。
应该认识到，由于这种悬臂脊结构，所以可将驱动压电模式与挠曲模式结合在一起。例如，用在与(如图2所示的)脊的宽度方向平行的厚度切变模式来驱动脊，将会自然与挠曲模式结合在一起。可将这种脊的波形系数修改为或是支持例如是混合模式，或是试图删除这些模式中的一种。另外基片的定位可围绕上表面的法线以任意角旋转，以便驱动与脊的宽度方向平行、与脊的宽度方向垂直的方向或在它们之间的任意角度上激活厚度切变模式。
在这一实施例中的垂直体声波36是同相的，并由于基片12的底表面18边界而设立了一个驻波。本发明可工作于任意一种基片厚度14上。但是，由于可能出现的反射，最好是基片12的厚度大约为脊高度28的整数倍，以便支持这些体声波36。应该理解，在一个封装内，在需要将基片12安装到该封装的底表面上的场合，体波36将被衰减，相应地会降低脊振动的Q值。
实际上，很难精确控制基片的厚度，尤其是在很大的晶片阵列工艺中制造这些器件时。因此，由于基片的体波谐振，所以会出现多重谐波模式。
图3显示了第一实施例器件的阻抗——频率特性图。这种器件是在可很容易得到的ST型切割石英晶片上制造的，这种晶片具有大约20密耳(0.5mm)的厚度、大约2微米的脊高度、大约3微米的脊宽度以及大约5微米的间隔。正如可看到的那样，当前所出现的多频率模式大约每隔3MHz出现一次。这些模式从大约150MHz一直延续到大约300Mhz，其中心大约在195MHz。将这种器件用于无线电通信设备中可能会引起跳频，除非提供了适当的滤波。
图4显示了本发明的最佳实施例，它可大大地消除基片体内部的垂直体声波36。波36的衰减是进入基片的深度的函数，并且还依赖于脊之间的距离。通过消除基片12体内的波36，可使能量保留在脊内，且在基片12内没有能量损失，这会降低脊振动的Q值。除具有以不同方式偏置的电极外，图4中的器件与图2中的器件相同，因此这里引入对图2的说明，以供参考。
在本实施例中，顶部电极30交替地与第一和第二线路连接(+及-)。如此偏置第一和第二线路，使得小电场(未示出)直接在顶部电极之间延伸。但是，由于压电基片具有比空气或真空更高的介电常数，所以电场38主要会在顶部电极30之下的每一个脊20内垂直延伸。
在这一实施例中，没有必要具有任何底部电极32。但是，使用底部电极有利于将电场38集中在脊20内。底部电极32可以是悬浮的，也可以与地连接。这一最佳实施例有利于允许其应用以及对底部电极32的电连接时有更大的自由度。这使得制造更容易。
应该能认识到最佳实施例的电场强度是第一实施例的一半。另外，脊之间的间隔越短，则顶部电极之间的耦合和输入电容越高。但是，最佳实施例提供了比第一实施例更清晰的频率响应。这是因为当第一和第二线路在AC信号下被驱动时，凸脊在反相模式下振动(即脊与其相邻脊之间以180°的异相振动)。
每一个脊的高度都确定了一种工作频率。但是，本发明还有可能产生一种具有与脊的高度、宽度和间隔相关的频率的声波。在本实施例中，每个脊20将会产生进入到基片12体内的垂直体声波36，来自每个脊的体声波36与来自其相邻的脊的声波相位相反，因此被消除在基片12内。在这种情况下，基本上所有的声能都在脊内或在脊附近保持平衡，就象一个局域化谐振，在基片12的体内只有很少的能量损耗。这防止了体波反射而离开基片的底面，因此提供了单一的谐振模式。此外，由于脊振动消除了基片12内部的体波36而使得在底部表面上基本上没有能量的这一特性，所以这一实施例的优势还在于对基片12的厚度14不敏感或对安装不敏感。
图5显示了图4中的最佳实施例的器件的阻抗——频率特性图。这种器件是在ST型切割的石英晶片上制造的，这是由于这种晶片的快速可用的特性。但是，应该认识到其它的晶片切割方法和定位方法对于温度特性和/或连接特性来说可能是最佳的，这些方法例如可以是AT型切割石英或Y型切割铌酸锂等。对于这一实施例，所使用的晶片具有大约20密耳(0.5mm)的厚度、大约3微米的脊高大约3微米的脊宽以及大约6微米的间隔。正如可看到的那样，单一频率模式当前出现在大约199MHz处，它是对图3的第一实施例的频率响应中所出现的多频率的一种改进。
如上所述的器件可提供成百的单个的脊谐振器，它们中的任何一个都可以串联或并联(并行)连接。这样可实现许多先进的器件。首先，可用不同的宽度和形状系数来设计单个的谐振器，以适当地调整该谐振器的频率，或者可使用象激光消融或涂敷这样的已知技术来单独调节每一个谐振器。有利的是，可将一组这样的谐振器连接在一个梯形网络中，以便使用已知的设计技术来提供特定的滤波函数。还有一种方案是可对谐振器进行设计，使其频率覆盖所需的频率范围。可将这些谐振器并联连接在一起，以提供一个有所需频率范围的滤波器。可以想象，以这种方式可得到一个非常宽的频率范围。相对地，压电陶瓷例如PZT的基片可沿宽度方向提供调整电极，且可使用顶部和底部电极在脊内提供一个调整电极，该脊与基片的调整电极成直角。在这种结构中，基片可在宽度伸展模式中被驱动，而脊可在长度伸展模式(即小型罗森变换器)中被驱动。之后，可将这些变换器或串联连接或并联连接，以提供宽范围变换比中的任何一个。
另外，可将本发明用于敏感传感器应用的简单的谐振器的实施例中。另外，可单片制造有极不相同的频率的谐振器和滤波器，以便能为无线电传输提供一个或更多个RF、IF和本机振荡器功能。与传统的体声波谐振器相比，本发明允许在一个小的单片石英基片上制造具有不同频率的几个谐振器和/或滤波器。有利的是，在处理过程中，除了变换一种简单的掩膜以及所需的后续的线焊接连接，不需要改变就可以获得上述任何一种实施例。同样，本发明允许通常制造一系列高频体声波压电器件，这对大规模生产是有利的。
在本发明的一个实施例中，提供了一种依据本发明的无线通信器件，它具有发射机或接收机中的至少一个，并具有包含一个压电谐振器的振荡器。尤其是，无线通信器件包括在微控制器控制下工作的一个接收机。该通信器件包括一个与接收机相连的一个IF振荡器。该IF振荡器结合了声波压电谐振器，该声波压电谐振器利用了本发明的原理。
现在将说明制造高频声波压电谐振器的方法。一般来说，高频体声波压电晶体制造工艺的头一个主要步骤是提供一个抛光的压电基片。第二步包括沉积一个金属层及一个光刻胶层。第三步包括通过一个预定图案来暴露光刻胶层，并冲洗光刻胶层。第四步包括刻蚀金属层，以形成一个金属掩膜，并除去光刻胶。第五步包括将金属掩膜之间的压电材料向下刻蚀一个预定距离，以在基片内形成刻蚀出的间隔，并留下经显微机械加工的脊。最好是使用活性离子刻蚀来执行这一步骤，以便能为脊提供方形的形状系数。第六步包括制造与该器件的电连接。
最好是，能加入附加的工艺步骤。第七步包括除去金属掩膜。第八步包括有选择地沉积铝，以同时形成顶部和底部电极，并制造与该器件的电连接。第九步包括将铝暴露在氧化环境中，以便能使在脊的侧边向下的任何短接电开路。尤其是，包含有封装步骤，其中器件是密封封装的，同时有若干脊被封在真空中。
虽然显示并说明了本发明的各种实施例，但是应该能理解，各种未脱离本发明的宽范围的各种修改和替换，同时还有对上述实施例的各种重新排列及组合，都可以由本领域技术人员制作出。
权利要求
1.一种声波压电器件，包括一种压电基片，具有由其上表面和下表面所确定的厚度；与压电基片上表面集成在一起的若干凸脊，在它们之间有间隔，所述凸脊具有在该基片的上表面的一个基底，还具有一个顶，该基底和顶确定脊的高度；若干顶部电极，这些电极沉积在所述凸脊的相应的顶上；以及若干底部电极，这些电极沉积在凸脊之间的间隔之内的压电衬底的上表面上，该顶部和底部电极实际上不相对，若干电极，当受到电激励时，能驱动脊振动，这样就产生了声波，并使该声波能直接垂直进入所述压电基片。
2.如权利要求1的压电器件，其特征在于所述凸脊实际上是彼此平行的，且这些凸脊之间的间隔也是周期性出现的。
3.如权利要求1的所述压电器件，其特征在于当电极受到电激励时，就在顶部和底部电极之间产生了一个垂直的电场，该电场与基片的上表面垂直，并能导致产生声波的压电应变。
4.如权利要求1的所述压电器件，其特征在于多个所述顶部电极通常都是连接在一起的，多个所述底部电极通常也是连在一起的，这样，当这些电极受到AC信号的驱动时，凸脊能以实际上是同相的模式振动。
5.如权利要求4的所述压电器件，其特征在于在同相模式中产生位于基片内的体驻波。
6.如权利要求1所述的压电器件，其特征在于所述顶部电极交替与第一和第二连接电路(connection)连接，这样，当第一和第二连接电路受到AC信号驱动时，所述凸脊就在基本反相模式下振动。
7.如权利要求6的所述压电器件，其特征在底部电极被电连接在一种结构中，该结构是从一组由浮置的并共同与地连接的结构中选出的。
8.如权利要求1的所述压电器件，其特征在于压电基片是由石英构成的，且当受到AC信号的驱动时，凸脊会被驱动在与挠曲模式相耦合的厚度切变模式中。
9.如权利要求1的压电谐振器，其特征在于单个的凸脊被电连接在一个梯形网络中，以便形成一个滤波器。
10.如权利要求1的压电谐振器，其特征在于多个单独的凸脊具有不同的谐振频率，并电并联在一起，以形成一个滤波器。
全文摘要
一种高频声表面波压电器件(10),具有切入压电基片的平行刻蚀的沟道,以便形成经显微机械加工的脊(20)。顶部电极(30)位于脊(20)的顶部(26),底部电极(32)位于脊(20)之间的间隔(22)内的沟道底部。顶部和底部电极(30,32)都相互错开且不直接相对。当激励脊(20)产生谐振时,电极(30,32)会产生足够的垂直电场(38)。脊(20)的高度(28)确定了工作频率。可以将脊(20)作得非常小,以便在主要的体声波模式下产生远远大于100MHz的频率。
文档编号H03H9/19GK1264505SQ98807379
公开日2000年8月23日 申请日期1998年2月4日 优先权日1997年5月27日
发明者B·沃亚克, J·杨, J·黄, J·曼特森 申请人:Cts公司