专利名称：具有高集成度的hbar共振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及温度稳定且具有高集成度的高块体声波共振器(HBAR)型共振器、相 应的生成方法、以及包括至少一个这种共振器的振荡器和滤波器。
背景技术：
机械共振器(即通过金属的机械加工制造，基于由金属壁限定的真空电磁腔)常 常用于电子振荡器的温度稳定以及用于在2GHz到20GHz频率范围内且以被动元件为基础 的多个信号处理应用(高选择性滤波、窄带检测、编码等)，特别是在空间活动领域。这种装置被优化以针对其具体应用，例如当寻求使其质量或耦合系数最大化时。当调整机械共振器以在强电耦合、高质量系数和热稳定性之间提供良好折衷时， 这种装置的主要缺陷是高质量和大体积。微带在被动元件的集成中构成重要步骤，其中被动元件用于在损失热漂移的控制 以及具有较低共振质量的情况下，在2GHz到20GHz频率范围内进行频带滤波。被动元件通 过在电介质衬底上平版印刷金属迹线而制成，因此允许尺寸显著地减小。然而，即使这些物 体的尺寸趋于随着频率升高而减小，但是其仍然具有若干厘米的尺寸。对于2GHz到20GHz 频率范围而言，它们仍然大于1厘米。技术问题在于，提高从2GHz到20GHz频率范围、具有高温度稳定性的高频电子共 振器的质量和体积上的集成度。
发明内容
为此，本发明涉及以预定工作频率进行操作的高块体声波共振器(HBAR)型共振 器，包括压电换能器，由具有第一厚度并具有沿着角Φ定向的第一材料的层形成并沿着 第一切割角θ 1被切割，所述角φ由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语(ΥΧ )/Φ 限定且等于零，所述第一切割角θ 1由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语( (1)/θ 限定，使得仅在材料内的切变波的电声耦合大于5%，换能器具有作为所述第一切割角θ 1 的函数的频率CTFA的温度系数，声学衬底，由具有第二厚度且具有沿着角Φ定向的第二材料的第二层形成并沿 着第二切割角θ 2被切割，所述第二材料具有至少等于5. IO12的工作频率声学质量系数积， 所述角Φ由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语(YXw)/Φ限定且等于零，所述第二 切割角Θ2由IEEE Md-176(1949年修订)标准的术语( (1)/θ限定，声学衬底具有与振
动的第一切变模式相对应的至少一个极化方向PB1,声学衬底具有与至少一个切变模式相
对应的一阶CTFBl的频率的温度系数并且取决于所述第二切割角θ 2，反电极，由与换能器的第一表面和所述声学衬底的表面粘附的金属层形成，电极，布置在换能器的与换能器的第一表面和衬底远离的第二表面上，其特征在于，
换能器和衬底相对彼此布置，使得换能器的切变模式的极化方向→PA与衬底的至 少一个切变模式的与所述第二切割角θ 2相对应的极化方向→Pb1对准，并且衬底的第二切割角θ 2被设置以使得相应的一阶CTFBl的频率的温度系数是绝对 值小于20ppm. Γ1的局部极值，并且CTFBl在该θ 2值附近的变化是微小的且绝对值小于 2ppm. IT1/ 度。根据具体实施方式
，HBAR型共振器包括以下特征中的一个或若干特征-仅当所述第一厚度与所述第二厚度的比Re小于5%时，对于与换能器的共振的 基波或奇次谐波不对应的HBAR共振器的模式而言，共振器的一阶CTFl的频率的温度系数 基本上等于一阶CTFBl的频率的温度系数；-仅当所述第一厚度与所述第二厚度的比Re小于5%时，对于与换能器的共振的 基波或奇次谐波不对应的HBAR共振器的模式而言，共振器的一阶CTFl的频率的温度系数 值等于由附加的校正项校正的一阶CTFBl的频率的温度系数，所述校正项被写作α.η，η整 数指示共振器的谐振模式的谐波阶数，α是取决于厚度的比Re的系数并作为Re的函数而 具有减小的绝对值；-换能器的材料包括在由以下组成的材料组中氮化铝(AlN)、氧化锌(SiO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸钾；-换能器的材料优选地包括在由以下组成的材料组中铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)；-声学衬底的材料包括在由以下组成的材料组中石英、铌酸钾、磷酸镓(GaPO4)、四硼酸锂(LiB4O7)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)、钽酸镓 镧、铌酸镓镧；-声学衬底的材料是石英；-所述反电极是热可压缩金属；-所述反电极由金或铜或铟制成；-共振器的几何尺寸适于包括在从50MHz至20GHz的频率范围内的频率带的共振
频率；-声学衬底的材料是石英，衬底(10)的第二切割角θ 2等于-32度，以及对于等于-32度的θ 2值而言，极化方向对应于石英的慢切变模式；以及-换能器的材料是铌酸钾，对于等于5%、2%、1 %、0. 5 %的相应的厚度的比而言， 系数 α 分别等于-3. 1(Γ7、-1，5. 10人 _3，75. 1(Γ8、-1，875. 1θΛ本发明还涉及制造HBAR共振器的方法，包括以下步骤提供(102)压电换能器(6)，所述压电换能器(6)由具有第一厚度并具有沿 着角Φ定向的第一材料的层形成并沿着第一切割角Θ1被切割，所述角φ由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语(YXw)/>限定且等于零，所述第一切割角θ 1由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语(TOD/ θ限定，使得仅该材料内的切变波的电声耦合大 于5%，换能器(6)具有作为所述第一切割角θ 1的函数的频率CTFA的温度系数，以及提供(104)声学衬底，所述声学衬底由具有第二厚度且具有沿着角Φ定向的第二材料的第二层形成并沿着第二切割角θ 2被切割，所述第二材料具有至少等于5. IO12的工 作频率声学质量系数积，所述角φ由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语(YXw)/Φ 限定且等于零，所述第二切割角θ 2由IEEE Std-176(1949年修订)标准的术语( (1)/ θ
限定，所述声学衬底具有与振动的第一切变模式相对应的至少一个极化方向，所述声学
衬底(10)具有与至少一个切变模式相对应的一阶CTFBl的频率的温度系数并且取决于所 述第二切割角θ 2，通过使用热可压缩金属使衬底(10)的一个表面和所述换能器(6)的第一表面金 属化(106)，组装(108)所述换能器(6)和衬底(10)，通过压缩(110)，使衬底(10)和所述换能器(6)的在步骤(106)中金属化的各自 表面粘附，其特征在于，在组装步骤(108)过程中，相对于衬底(10)布置所述换能器(6)，使得所述换能 器(6)和衬底(10)相对彼此布置以使得所述换能器(6)的切变模式的极化方向^^a与衬底
(10)的至少一个切变模式的与所述第二切割角θ 2相对应的极化方向]对准，以及
X B在提供衬底(10)的步骤(104)中，选择所述第二切割角θ 2以使得相应的一阶 CTFBl的频率的温度系数是绝对值小于20ppm. Γ1的局部极值，并且相对于所述的θ 2值的 CTFBl的变化是微小的且绝对值小于2ppm. K_7度。本发明还涉及零差式振荡器，其包括如上文所限定的HBAR共振器。本发明还涉及高阻滤波器，其包括基于如上文所限定的HBAR共振器的单元。
通过阅读仅作为示例提供的且参照附图进行的对一个实施方式的以下描述，可以 更好地理解本发明，在附图中-图1是根据本发明的HBAR共振器的立体图；-图2是图2的共振器沿着线II-II的横截面图；-图3是形成压电变换器的晶体的第一切割角θ1的示意图；-图4是作为切割角θ1的函数的铌酸锂晶体的体波的相速的变动的图，这族晶体 定向被称为“单独旋转切割”；-图5是对于铌酸锂而言的这些相同波的、作为θ1的函数的耦合系数的变动的视 图；-图6是与切变波的极化的换能器的板有关的平面图；-图7是形成声学衬底的晶体的第二切割角θ2的图示的视图；-图8是与声学衬底的切变波的极化的声学衬底的板有关的平面图；-图9是对于石英的切变模式而言的频率的、作为切割角θ2的函数的温度系数的 变化图；-图10是表示根据本发明的图1的共振器的带通中的典型温度稳定性性能的图； 以及
-图11是图2中所示的共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块体声波共振器2的实施方式。共振器2包括堆叠的连续的层，该堆叠的连续的层包括-上部电极4，由铝制成，厚度为-压电换能器6，由在这里是铌酸锂(LiNbCXB)的第一金属制成，呈具有第一厚度、 的单晶体形式，-嵌入反电极8，由金制成，厚度为％，-声学衬底10，由在这里是石英的第二材料制成，呈具有厚度t2的单晶体形式。图1中的层4、6、8和10全部都具有相同的长度L和宽度W以及不同的层厚度ei、 、、％、和t2，长度明显大于宽度W。为简化图1，电极4、8被示出为具有与压电换能器6的表面相同的表面。实际上，电极4、8具有比压电换能器6的表面更小的表面，且上部电极4的表面小 于或者等于嵌入反电极8的表面。在包括用作粘附层的嵌入层的制造方法中，反电极8自然地具有比通过平版印刷 和金属层沉积技术制造的上部电极4的表面更大的表面。电极4、8的表面彼此相对、彼此平行设置，朝向表面的相应区域是最大的，并且边 缘尽可能平行。理想地，电极4、8的表面完全重叠。因此，假设波的激励对应于共振器的所谓平面-平面配置，这种情况下，波由非常 薄的电极4和8在根据图2的箭头12所示的切变波在换能器6中传播的方向上激励，其中 非常薄的电极4和8设置在与压电换能器6相对的表面上。压电换能器6根据沿着共振器的由向量;^所示的长度1所定向的极化具有激励 切变模式。声学衬底10具有两种切变模式，第一种是所谓的慢模式，第二种是所谓的快模 式。所谓的快切变波和所谓的慢切变波被限定为正交极化切变波，所谓的快切变波具 有比所谓的慢切变波更高的相速度。在图1中，与换能器6的切变模式相对应的激励的极化向量；^和与声学衬底的慢 切变模式相对应的极化向量参考;^B1对准。与快切变模式的激励相对应的极化向量在图1中由示出，正交于并包 含在衬底10的延伸面中。插在换能器6与衬底10之间的反电极8还用于粘附至共振器2的结构。组成换能器6的铌酸锂(LiNb03)层是在形成晶片的单晶硅原材料中并沿着第一 切割角θ 1切割的板。组成声学衬底10的石英层是在原单晶石英晶片中并沿着第二切割角θ 2切割的 板。
根据图3，沿着第一切割角θ 1从晶片的材料切割铌酸锂板6，其中该晶片的材料 未示出，但是由其晶轴X” Y1^ Z1表示，晶轴Z1是晶片的纵轴线，而晶轴X” Y1在单晶体制造 过程中被预先确定。在这里，角θ 1在IEEE Std-176 (1949年修订)标准中被定义为绕晶轴Xl进行的 单个旋转切割的角θ 1，该切割在IEEE标准中被标注为(Y1 X11)/θ 1，并且根据图3所示， X11是在具有厚度、并具有长度11的直下边缘上对准的轴线。与切割的板6相关的坐标系由3个轴线V pY’ pZ’工示出，轴线V x和轴线&合 并。通过使轴线Xp Y1分别绕轴线&以旋转角θ 1旋转，获得两个轴线Y’ i、z’ i。图4示出对于绕换能器6的晶轴X11的单个旋转切割而言的纵波和切变波的相速 度的变动。曲线14代表在换能器6中并沿着正交于电极4和8的平面的正交轴线传播的切 变波的相速度，该相速度作为以度表示的第一切割角θ 1的函数。曲线16代表在换能器6中并沿着长度1的轴线传播的、以km/s表示的纵波的相 速度，该相速度作为以度表示的第一切割角θ 1的函数。图5示出对于绕换能器6的晶轴&的简单旋转切割而言的纵波和切变波的耦合。曲线18示出表示为电能转换为切变波的声能的百分比的耦合系数K2t的变动，其 中切变波作为以度表示的第一切割角θ 1的函数。曲线20示出表示为电能转换为纵波的声能的百分比的耦合系数K2t的变动，其中 纵波作为以度表示的第一切割角θ 1的函数。图5示出曲线18和20具有角区22，在该角区22中，纵波实际上未通过压电被耦 合并且因此未被电激励。切变波的激励特别有效，并且机电耦合由处于50%与60%之间的
K2T不出。角区22的中心在等于163°的角θ 1附近，并且具有等于10°的幅值。图1中描述的换能器的切割角θ 1在图6的角区22中被选择为等于163°。为对铌酸锂的进行简单的旋转切割，只有对应于快切变波的模式具有通过压电进 行的机电耦合。考虑到图6中沿着平面轴线X’ ρ Y’工对换能器6的板提供的平面图示，示 出了通过压电所激励的切变模式具有沿着从图6中的端部示出的轴线V x的标量极化，即 垂直于平面(X’ ι;Υ')的标量极化，但是其空间依赖性通过根据激励平面的空间坐标的函
数所描述。极化向量；^与轴线Z’工共线。根据图7，从晶片的原单晶中并根据第二切割角θ 2切割石英板10，其中该晶片的 原单晶未示出，但是由石英的晶轴\、Y2> Z2表示，轴线\是在晶体宝石生长过程中显现的 光轴C。在这里，角θ 2在IEEE Std-176 (1949年修订)中被定义为绕晶轴\进行的单个 旋转切割的角θ 2，该切割在IEEE Std-176标准中被标注为(Y2 X12)/ θ 2，根据图4所示， X12是在具有厚度t2并具有长度L2的直下边缘上对准的轴线。与切割的石英板10相关的坐标由3个轴线V 2、Y’ 2、Ζ’ 2示出，轴线V 2与轴线 &合并。通过使轴线)(2、t分别绕轴线&以旋转角9 2旋转获得两个轴线￥’2、2’2。考虑到与在图6中为换能器6提供的平面图示类似的、在图8中沿着轴线V 2、 Y’ 2为石英板10提供的平面图示，可以描述希望在具有切割的石英中利用的切变模式的极化，因为该切割，第一波的温度敏感性在不改变符号的情况下接近于零。石英的切变也是标 量，但是根据激发平面沿着X’ 2建立并且取决于连接到板的局部坐标。对于根据IEEE标准 注释 1949 年修订(IEEE standard on piezoelectricity Std 15 176-1949,Proc. of the IRE, vol. 37, pages 1378-1395，1949)所标记(YXl/ θ )的单个旋转铌酸锂或者钽酸锂板， 所选的切变波因此具有彼此正交的极化，并且仅当适当地选择换能器6的晶轴与声学衬底 的对准时才耦合。在对换能器和声学衬底的材料进行组装以允许希望在这里是石英的声学 传播衬底10中激发的声波的耦合的过程中，必须考虑这些极化。这里，通过使换能器6的轴线Z’工在声学衬底10的轴线V 2上对准，或者等同地 通过使换能器6的轴线χ’工在声学衬底 ο的轴线r 2上对准，获得这种声学耦合效果，使
得极化与由P〗示出的、声学衬底 ο中切变模式的极化相同，从而可以对相应的波的相
速度的热漂移进行补偿。图9示出对于与图1中的类似的平面-平面声学衬底10而言的、石英的切变模式 对静态热效应的以ppm. K—1 (每百万分之一频率每开尔文)表示的敏感度，其中静态热效应 呈一阶CTFBl和CTFB2的频率的两个温度系数的形式，该敏感度作为以度表示的第二切割 角θ 2的函数。呈实线的第一曲线30示出对于通过压电被耦合的所谓的慢切变波而言的、作为 第二切割角θ 2的函数的一阶CTFBl的频率的第一温度系数的变动，所谓的慢切变波的极
化对应于向量，当第二切割角θ 2的值处于-90度与度之间时，向量沿着轴线
JL Bl上 BI
X’ 2定向，当θ 2处于度与+90度之间时，向量；^81沿着轴线Ζ’ 2定向。呈虚线的第二曲线32示出对于未通过压电被耦合的所谓的快切变波而言的、作 为第二切割角θ 2的函数的第二阶CTFBl的频率的第二温度系数的变动，所谓的快切变波
的极化对应于向量ρΓΒ2，当第二切割角θ 2的值处于-90度与- 度之间时，向量jTB2沿着轴
线Ζ’ 2定向，当θ 2处于度与+90度之间时，向量1^沿着轴线X’ 2定向。所谓的快切变波或快模式切变波和所谓的慢切变波或慢模式切变波由具有正交 极化的切变波所限定，所谓的快波具有比所谓的慢波大的相速度。就石英而言，在等于度的切割角θ 2的附近，慢模式和快模式交换极化。这些 模式保持正交，但是对于具有处于度与-90度之间的角θ 2的切割而言，快切变模式代 替慢切变模式。在附图9中可以看到这种现象，其中两个模式的系数在等于度的切割 角θ 2的附近陡然变动。这具有以下后果图1的图示对应于小于度的切割角θ 2，而向量极化]^对
JL BI
应于带有轴线\的慢切变。在切割角θ 2大于度的情况下，图1的极化向量P^和ρ:互换，并且换能器的
板，即换能器的激发波的极化向量^^a应旋转90度，以在使向量&在慢切变极化向量jTBi上 对准，如果希望以恒定切变模式工作。曲线30示出角度区34的存在，在该角度区34中，对于慢切变波而言的一阶CTFBl的频率的第一温度系数接近零并略微靠近零。角度区34的中心在-35度附近，并且具有22 度的幅值，因而确保了具有小于20ppm. Γ1的绝对值的一阶CTFBl的频率的第一温度系数。在区域22中选择图1的换能器的第一切割角θ 1，在区域34中选择声学衬底的第 二角 θ 2。因此，可以形成一种HBAR共振器结构，其中换能器的几何尺寸被限定以使得共振 器以所需调谐频率共振，并具有因应用的操作需要而产生的附加电特征。例如，这种附加电特征是限定为在频谱区域附近的、缺少其它共振的两个共振模 式之间的谱分离；所选共振模式的机电耦合的效率；共振的特征阻抗；共振的质量系数；以 及共振模式的热稳定性。谱分离使得限定HBAR共振器的叠置的层的总厚度成为可能，因为谱分离与由换 能器和包括嵌入电极的声学衬底所形成的组件的基本模式的频率相对应。对由不同材料形成的HBAR共振器的每层的厚度进行调整，以获得处于所需共振 或调谐频率的模式。通过考虑所需的机电耦合，还确定压电换能器的厚度。当所选的模式接近仅在压 电换能器中的共振基波模式时，耦合最大。换能器/声学衬底厚度的比作为所需热稳定性和目标共振的质量系数的函数而 被调整，已知的是，为了可靠地实现共振的质量参数的性能，有必要充分地了解所使用材料 的粘弹性常数或者具有代表物理属性例如电解质常数的复杂值的其它物理参数。通常试探 地确定或者通过调整预测模型的参数来确定这些常数的虚数部分。共振处的阻抗取决于所选的模式的机电耦合以及面对它的电极表面的值。对于给 定阻抗，例如50ohm，所选的模式的机电耦合越弱，电极的面对的表面就越大。对于从Imm到几μ m的堆叠厚度，通常的电极表面处于几百μ m2与几μπι2之间。通过反电极8完成在快模式的声学衬底10上的换能器6的电声振动的耦合，该反 电极8在换能器6的带通中起到声短路的作用。因而，声学衬底10在自身的共振模式上从属于换能器6的共振模式并且因此赋予 换能器6的共振模式以大的温度稳定性，该共振模式在不受干预的情况下可能发生相当大 的漂移。实际上，HBAR压电换能器的一阶的频率的温度系数具有高的值，对于铌酸锂而言， 其绝对值大于80ppm. Γ1，对于钽酸锂而言，其绝对值大于40ppm. Γ1。因而从属的换能器6的共振模式的温度稳定性是这样的温度稳定性，对于换能和 声学传播介质的厚度比Re小于5%，例如2. 5μπι的铌酸钾与50 μπι的石英的比而言，该温 度稳定性与通过第二切割角θ 2以及使分别对应于换能器6的切变模式和石英10的慢切
变模式的极化向量;^a、；^bi对准而选择的频率CTFBl的温度系数的值相对应，而HBAR共振
器的结构的模式仅仅不与换能层的共振的基波或者奇次谐波相对应。在上述配置中，在第一近似值上，HBAR共振器的一阶的频率温度系数的最低可得 值等于Ippm-K—1。它对应于石英切割(Y2,X12)/-32°或-32°附近+/-5°。因为用于计算 HBAR共振器的尺寸的物理常数的不确定性，计算的可得值的精度等于+/_2ppm. Γ1。更精确地，HBAR共振器的一阶的频率温度系数的最低可得近似值必须通过另外的 校正项被校正，该校正项代表换能区的贡献并取决于共振模式的阶数和换能器厚度/声波 衬底厚度的比。该校正项被写作α. η，其中η整数指示共振模式的阶数，系数α取决于厚度的比Re，对于等于5%、2%、1%、0. 5%的厚度的比，校正项α. n分别等于-3. 10_7、_1，5. 1 0人-3，75. 10_8、-1，875. 10_8。一旦对应于最优耦合(换能层中的半波长)实现共振模式，那 么校正项的这个变化规律是无效的。图10表示根据本发明的HBAR共振器的温度稳定性性能。此图示出了在这里是HBAR型的共振器的一阶CTFBl的频率的温度系数的反转温 度Tinv的负号。反转温度Tinv是一阶的频率的第一温度系数消除自身且改变符号的温度。图10示出对于4个谐波次数的共振模式而言的、作为HBAR共振器的温度的函数 的以ppm(百万分之一)表示的相对频率变化的变动，该HBAR共振器由具有等于+163度的 切割角θ 1和1 μ m的厚度的铌酸锂换能器以及具有等于-32度的切割角θ 2和50 μ m的 厚度的石英声学衬底形成。对于这4个共振次数而言，变动基本上相同，并且对于等于-50°C的温度Tinv而 言，与共振器的一阶的频率的温度系数相对应的变动曲线的漂移消除自身。实际上，对于 约_50°C的反转温度而言，在石英上以铌酸锂为基础的HBAR共振器的一阶的频率的温度系 数等于Ippm-K—1。这里，共振器的二阶的频率的温度系数等于_16ppb.K_2，并且从以下典型公式获 得
CTFlT =T f--
L J X mv 上 ref 2 * CTF2其中，Tinv表示反转温度，Tref表示参考温度，这里根据图10其等于+50°C，CTFl表示共振器的一阶的频率的温度系数，CTF2表示HBAR类型共振器的二阶的频率的温度系数。与为了由一阶的热效应所补偿的切割、通常仅在石英上测量的二阶的效应相比， 所获得的HBAR共振器的CTF2的值一般大于16ppb. K_2。可以无难度地在从-50°C到_273°C的温度范围内调整HBAR共振器的名义操作温度。图11示出了根据本发明的制造图1的共振器2的方法100的流程图。在第一步骤102中，提供压电换能器6，其由具有第一厚度并具有沿着角Φ定向的 第一材料的层形成并且沿着第一切割角θ 1被切割，其中角φ由IEEE Md-176(1949年修 订)标准的术语(YXw)/Φ限定且等于零，第一切割角θ 1由IEEE Md-176 (1949年修订) 的术语αΧ1)/θ限定，使得切变波的电声耦合大于5%，换能器6具有作为第一切割角Θ1 的函数的频率CTFA的温度系数。换能器6的材料包括在由以下组成的材料组中氮化铝(Α1Ν)、氧化锌(ΖηΟ)、铌酸 锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸钾。优选地，可以在铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)之中选择材料，因为制造具有 显著厚度的单晶体的方法更容易掌握。铌酸锂和钽酸锂可被制造为根据500 μ m和350 μ m厚度标准的具有4”直径的晶片。
在第二步骤104中，提供声学衬底10，其由具有第二厚度并具有沿着角Φ定向的 第二材料的层组成并且沿着第二切割角θ 2被切割，第二材料具有至少等于5. IO12的工作 频率声学质量系数积，角Φ由IEEEMd-176 (1949年修)标准的术语(YXw)/Φ限定且等于 零，第二切割角Θ2由IEEE Md-176(1949年修订)标准的术语( (1)/θ限定，第二材料
具有与振动的第一切变模式相对应的第一极化方向ρΓ ,声学衬底10具有与至少一个切变
A Bl
模式相对应的一阶CTFBl的频率的温度系数并取决于第二切割角θ 2。在提供衬底10的步骤104中，选择衬底10的第二切割角θ 2，使得相应的一 阶CTFBl的频率的温度系数是绝对值小于20ppm. Γ1的局部极值，并且在该θ 2值附近的 CTFBl的变化是微小的变化并具有小于20ppm. K_7度的绝对值。声学衬底的材料包括在由以下组成的材料组中石英和例如GeA和TeA类型的 同晶形取代、也具有同晶形结构的磷酸镓(GaPO4)、铌酸钾、四硼酸锂(LiB4O7)、硅酸镓镧 (La3Ga5SiO14)、钽酸镓镧(Iangatate)、铌酸镓镧(Ianganite)以及它们的变体。优选地，声学衬底10的材料是石英，因为石英具有卓越的温度稳定性质以及在晶 体学领域中被完全了解。在随后的步骤106中，通过热可压缩或者冷可压缩材料例如金、铜、或铟，对换能 器6的一个表面和衬底10的一个表面依照100至200nm之间的厚度进行金属化，以使这两 个表面粘附并因此形成反电极。对于这种类型的粘附而言，金是特别好的材料，因为其具有塑性并且具有足以确 保换能器6与声学衬底10之间的声学连接的机械坚固性。在组装步骤108中，对换能器6和声学衬底10进行设置，使得换能器6的切变模式 的极化方向^^P与第二切割角θ 2相对应的衬底10的至少一个切变模式的极化方向J^bi 对准。在随后的步骤110中，根据所使用的金属，在使用或不使用温度升高的情况下通 过压缩来进行粘附。在使用金的情况下，排除了加热阶段，并实施长期持续的挤压以有益于面对的表 面的质量以及金属材料的展延性，以确保粘附。因而，通过在应用3000牛顿压力的16小时期间简单地保持30°C的温度，能够以此 方式且在无缺陷的情况下生产若干铌酸钾/石英合成物薄片。接下来在步骤112中，对共振器的薄片进行研磨并抛光。然后在步骤114中，在换能器6的与衬底相对的表面上使电极金属化。该方法容易实现，特别是由于第二切割角θ 2的宽范围的值，从而可以获得良好 的温度稳定性性能。此外，使用该方法获得的共振器可以以高达20GHz的频率进行操作。这种共振器 是轻的且体积不大，提供了高集成度。例如，可将这种共振器集成到零差振荡器或者集成到高抑制滤波器的单元中。当然，可以考虑其它应用。
权利要求
1.一种以预定工作频率进行操作的高块体声波共振器型共振器，包括压电换能器(6)，由具有第一厚度且具有沿着角Φ定向的第一材料的层形成并沿着第 一切割角θ 1被切割，所述角Φ由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语(YXw) / Φ限定 且等于零，所述第一切割角θ 1由IEEE Md-176(1949年修订)标准的术语( (1)/θ限定， 使得仅该材料内的切变波的电声耦合大于5%，换能器(6)具有作为所述第一切割角θ 1的 函数的频率CTFA的温度系数，声学衬底(10)，由具有第二厚度且具有沿着角Φ定向的第二材料的第二层形成并沿 着第二切割角θ 2被切割，所述第二材料具有至少等于5. IO12的工作频率声学质量系数积， 所述角Φ由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语(YXw)/Φ限定且等于零，所述第二 切割角Θ2由IEEE Md-176(1949年修订)标准的术语( (1)/θ限定，声学衬底具有与振动的第一切变模式相对应的至少一个极化方向，声学衬底(10)具有与至少一个切变模式相对应的一阶CTFBl的频率的温度系数并且取决于所述第二切割角θ 2，反电极(8)，由与换能器(6)的第一表面和声学衬底(10)的表面粘附的金属层形成， 电极G)，布置在换能器(6)的与换能器(6)的第一表面和衬底(10)远离的第二表面上，其特征在于，换能器(6)和衬底(10)相对彼此布置，使得换能器(6)的切变模式的极化方向^■八与衬底(10)的至少一个切变模式的与所述第二切割角θ 2相对应的极化方向；^⑴对准，并且衬底(10)的第二切割角θ 2被设置以使得相应的一阶CTFBl的频率的温度系数是绝 对值小于20ppm. Γ1的局部极值，并且CTFBl在该θ 2值附近的变化是微小的且绝对值小于 2ppm. IT1/ 度。
2.根据权利要求1所述的HBAR型共振器，其特征在于，仅当所述第一厚度与所述第二 厚度的比Re小于5%时，对于与换能器的共振的基波或奇次谐波不相对应的HBAR共振器的 模式而言，共振器的一阶CTFl的频率的温度系数基本上等于一阶CTFB 1的频率的温度系数。
3.根据权利要求1或2所述的HBAR型共振器，其特征在于，仅当所述第一厚度与所述 第二厚度的比Re小于5%时，对于与换能器的共振的基波或奇次谐波不相对应的HBAR共振 器的模式而言，共振器的一阶CTFl的频率的温度系数值等于由附加的校正项校正的一阶 CTFBl的频率的温度系数，所述校正项被写作α. n，n整数指示共振器的谐振模式的谐波阶 数，α是取决于厚度的比Re的系数并作为Re的函数而具有减小的绝对值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的HBAR型共振器，其特征在于，所述换能器的材料 包括在由以下组成的材料组中氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸钾。
5.根据权利要求4所述的HBAR型共振器，其特征在于，所述换能器的材料优选地包括 在由以下组成的材料组中铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的HBAR型共振器，其特征在于，所述声学衬底的材料包括在由以下组成的材料组中石英、铌酸钾、磷酸镓(GaPO4)、四硼酸锂(LiB4O7)、硅酸镓镧(La3(^i5SiO14)、钽酸镓镧、 铌酸镓镧。
7.根据权利要6所述的HBAR类型共振器，其特征在于，所述声学衬底(10)的材料是石英。
8.根据权利要求1至7任一项所述的HBAR型共振器，其特征在于，所述反电极是热可压缩金属。
9.根据权利要求1至8任一项所述的HBAR型共振器，其特征在于，所述反电极由金或 铜或铟制成。
10.根据权利要求1至9任一项所述的HBAR型共振器，其特征在于，共振器的几何尺寸 适于包括在从50MHz至20GHz的频率范围内的频率带的共振频率。
11.根据权利要求1至10任一项所述的HBAR型共振器，其特征在于， 声学衬底的材料是石英，衬底(10)的第二切割角θ 2等于-32度，以及对于等于-32度的θ 2值而言，极化方向;^bi对应于石英的慢切变模式。
12.根据权利要求11和3所述的HBAR型共振器，其特征在于，换能器的材料是铌酸钾， 对于等于5^^2%, 1^^0.5%的相应的厚度的比而言，系数α分别等于-3. 10_7、_1，5. 10_7、 -3，75. 1(Γ8、-1, 875. 1θΛ
13.一种制造HBAR共振器的方法，包括以下步骤提供(10 压电换能器(6)，所述压电换能器(6)由具有第一厚度且具有沿着角Φ定 向的第一材料的层形成并沿着第一切割角θ 1被切割，所述角φ由IEEE Md-176(1949年 修订)标准的术语(YXw)/Φ限定且等于零，所述第一切割角θ 1由IEEE Md-176(1949年 修订)标准的术语αχυ/θ限定，使得仅该材料内的切变波的电声耦合大于5%，换能器 (6)具有作为所述第一切割角θ 1的函数的频率CTFA的温度系数，以及提供(104)声学衬底，所述声学衬底由具有第二厚度且具有沿着角Φ定向的第二材 料的第二层形成并沿着第二切割角θ 2被切割，所述第二材料具有至少等于5. IO12的工作 频率声学质量系数积，所述角Φ由IEEE Md-176 (1949年修订)标准的术语(YXw)/Φ限 定且等于零，所述第二切割角θ 2由IEEE Md-176(1949年修订)标准的术语( (1)/ θ限定，所述声学衬底具有与振动的第一切变模式相对应的至少一个极化方向,所述声学衬底(10)具有与至少一个切变模式相对应的一阶CTFBl的频率的温度系数并且取决于所述 第二切割角θ 2，通过使用热可压缩金属使衬底(10)的一个表面和所述换能器(6)的第一表面金属化 (106)，组装(108)所述换能器(6)和衬底(10)，通过压缩(110)，使衬底(10)和所述换能器(6)的在步骤(106)中金属化的各自表面 粘附，其特征在于，在组装步骤(108)过程中，相对于衬底(10)布置所述换能器(6)，使得所述换能器(6)和衬底(10)相对彼此布置以使得所述换能器(6)的切变模式的极化方向卩八与衬底(10)的至少一个切变模式的与所述第二切割角θ 2相对应的极化方向P^对准，以及在提供衬底(10)的步骤(104)中，选择所述第二切割角θ 2以使得相应的一阶CTFBl 的频率的温度系数是绝对值小于20ppm. Γ1的局部极值，并且相对于所述的θ 2值的CTFBl 的变化是微小的且绝对值小于2ppm. Γ1/度。
14.一种零差式振荡器，其包括根据权利要求1至12任一项所限定的HBAR共振器。
15.一种高阻滤波器，其具有基于根据权利要求1至12所限定的HBAR共振器的单元。
全文摘要
本发明涉及一种以预定工作频率进行操作的高块体声波共振器型共振器，包括压电换能器(6)；声学衬底(10)；反电极(8)，由与换能器(6)的第一表面和声学衬底(10)的表面粘附的金属层形成；以及电极(4)，布置在换能器(6)的与换能器(6)的第一表面和衬底(10)远离的第二表面上。所述共振器的特征在于，换能器(6)和衬底(10)相对彼此布置，使得换能器(6)的切变模式的极化方向Pof与衬底(10)的至少一个切变模式的与第二切割角θ2相对应的极化方向Pof对准，衬底(10)的第二切割角θ2被设置以使得相应的一阶CTFB1的频率的温度系数是绝对值小于20ppm.K-1的局部极值，并且CTFB1相对于所述的θ2值的变化是微小的且绝对值小于20ppm.K-1/度。
文档编号H03H9/02GK102084590SQ200980125760
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月29日 优先权日2008年6月4日
发明者多瑞恩·卡冲, 赛尔韦恩·巴朗德拉斯 申请人:国家科研中心