压电谐振器结构的制作方法

专利名称：压电谐振器结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电谐振器。特别是涉及一种可以提高其电学特性的压电谐振器 结构。
背景技术：
用于无线通信设备的射频(RF)滤波器中的压电体声波谐振器一股分为两个类 型。一种类型称为薄膜体声波谐振器(FBAR)。典型的FBAR结构是由两个金属电极层中间 夹着压电材料层组成。两个金属电极都直接与空气接触使声能被控制在压电谐振器腔内。 在实际的结构配置中，会在金属电极加附加层以提高FBAR的性能如物理强度，钝化作用及 温度补偿。另一种类型称为固态装配型谐振器(SMR)。在SMR中，含有高、低声阻抗层的声 反射层起到FBAR—侧或两侧的空气的作用。声反射层表现为极高或极低的声阻抗，因此声 能可以被很好地控制在SMR的谐振腔内。两种类型的压电体声波谐振器都能提供足够的机电耦合系数和品质因数 (Q)以使无线通信设备(如手机)中的滤波器和双工器具有较高性能。&2<和9的乘积反 映了谐振器的品质因数(FOM)。通常，FOM值越大基于该谐振器的滤波器更容易达到预期的 性能。每种压电材料都有其固有的机电耦合系数(<)，表明了压电材料中电能和声能间 的转换效率。当压电材料层两侧都附有金属电极和附加层时，整个器件的可以由串联 谐振频率(fs)和并联谐振频率(fp)的计算公式得出。已经证明得出其与电极厚度有关，并 且在金属电极层厚度与压电层厚度比为某一定值时&大于 <。一股来说，具有较大&2<值 的谐振器可以使滤波器具有较宽的带宽。Q值是谐振器储存的总能量与谐振器通过各种途径损耗的能量的比值。如果谐振 器工作在纯活塞模式(piston mode)，Q值主要受到与谐振器材料相关的机械Q值限制。在 一个尺寸确定的谐振器中，其他的工作模式与其主要活塞模式共存。由于活塞模式是首要 考虑的，因此其他模式称为寄生模式，横向模式就是寄生模式的一种。横向模式是受到活塞 模式激发而形成的并且在谐振器表面一个边缘向另一边缘传播。横向模式在谐振器边缘经 反射形成反射波并于入射波干涉会在谐振器有效激励区内形成驻波。横向模式的声波会在 谐振器两侧泄露并进入基底，导致并联谐振频率附近的Q值下降。与大尺寸压电谐振器相比，小尺寸压电谐振器中更容易形成横向模式，因为横波 由谐振器对边反射回到原来边时经过较短的路径。减小小尺寸谐振器横向模式的一个方法 是将两个尺寸放大两倍的谐振器串联代替单一谐振器以抑制寄生模式，提高谐振器Qp值。 这样做尽管性能得到改善，但是每个芯片大小增加，每个芯片的制造成本也相应增加。这与 降低成本这一目标形成矛盾。另一种降低横向模式的方法是对谐振器边缘“裁剪”，即去掉谐振器一部分，这样 谐振器任何两条边都不平行。相对于正方形或矩形谐振器，横向声波在剪切谐振器中由于反射回原边界前需经过多重反射，增加了横向声波的传播路径并降低了横向模式谐振基 频。然而，横向模式的变弱并不意味着Qp得到改善，因为泄露到谐振器外的声能可能没有 减少。实际上，非平行边谐振器的Qp值可能因此而减小，因为在相同面积下非平行边谐振 器周长大于方形或矩形谐振器周长，声能的损失实际上略有增加，从而导致较低的Qp值。美国专利号为7280007名称为“带有加载周长的薄膜体声波谐振器”的专利，公开 了通过在谐振器周边处添加一层凸起的围栏结构提高Qp值的一种技术。增加的结构导致谐 振器有效激励区和外区声阻抗不匹配，这样将声能更好的限制在有效激励区。附加的凸起 结构可以是谐振器中的相同材料也可以是密度不同的其他材料。尽管Qp值通过上述方法 可以得到提高，串联谐振频率附近的Q值(Qs)却减小。这种方法在同时需要较大Qs和&2< 值的应用(如UMTSband 1双工器)中并不合适。此外，频率低于fs的寄生谐振模式的强 度因此而被放大，寄生谐振模式会在滤波器通带内引起强烈波动。因此，我们希望得到一种谐振器结构在不影响谐振器值、Qs值和寄生模式强 度的情况下能够提高其Qp值。上述的诸多缺陷和不足需要得到很好的解决。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种在不影响谐振器^iir值、Qs值和寄生模 式强度的情况下能够提高其Qp值的压电谐振器结构。本发明所采用的技术方案是一种压电谐振器结构，包括(a)基底，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分；(b)声反射层，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分，所述的 底面置于基底的顶面；(c)第一电极，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分，所述的 底面置于声反射层的顶面；(d)压电层，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分，所述的底 面置于第一电极的顶面；(e)第二电极，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分，所述的 底面置于压电层的顶面；其中，基底、声反射层、第一电极、压电层和第二电极的重叠区域定义为有效激励 区。由第二电极的第一末端延伸出的第一干涉结构和由第二电极的第二末端延伸出 的第二干涉结构，在压电层第一末端形成第一空气间隙，在压电层第二末端形成第二空气 间隙。所述的由第二电极两末端延伸出的第一、第二干涉结构分别置于第一、第二空气 间隙上方。在第二电极的顶面还设置具有第一末端和第二末端的干涉结构，且该干涉结构的 宽度大于第二电极宽度，这样在第二电极的两末端分别形成了第一空气间隙和第二空气间 隙。还设置有第一支撑结构和第二支撑结构，所述的第一支撑结构置于干涉结构的第 一末端和压电层上表面之间，所述的第二支撑结构置于干涉结构第二末端和压电层上表面之间，这样在第一支撑结构和第二电极的第一末端之间以及第二支撑结构和第二电极的第 二末端之间分别形成了第一空气间隙和第二空气间隙。还设置有具有第一末端和第二末端的第一干涉结构，并置于第二电极顶面，且所 述的第一干涉结构的第二末端位于第二电极第一末端上，第一干涉结构的第一末端悬在有 效激励区上方以形成第一空气间隙；以及还设置有具有第一末端和第二末端的第二干涉结 构，并置于第二电极顶面，且所述的第二干涉结构的第二末端位于第二电极的第二末端上， 第二干涉结构的第一末端悬在有效激励区上方以形成第二空气间隙。还设置有具有第一末端和第二末端的第一干涉结构，并置于第二电极顶面，且所 述的第一干涉结构的第二末端在第二电极第一末端上，第一干涉结构的第一末端悬停在第 二电极和压电层第一末端上方以形成第一空气间隙；以及还设置有具有第一末端和第二末 端的第二干涉结构，并置于第二电极顶面，且所述的第二干涉结构的第二末端在第二电极 第二末端上，第二干涉结构的第一末端悬停在第二电极和压电层第二末端上方以形成第二 空气间隙。还设置有具有第一末端和第二末端的梯形第一干涉结构，并置于第二电极上表 面，且所述的第一干涉结构的第二末端置于第二电极的第一末端，第一干涉结构的第一末 端在有效激励区中，形成第一空气间隙；以及还设置有具有第一末端和第二末端的梯形第 二干涉结构置于第二电极上表面，且所述的第二干涉结构的第二末端置于第二电极的第二 末端，第二干涉结构的第一末端在有效激励区中，形成第二空气间隙。还设置有具有第一末端和第二末端的梯形第一干涉结构，所述的第一干涉结构的 第一末端置于第二电极的第一末端，第一干涉结构的第二末端置于压电层第一末端顶面以 形成第一空气间隙；以及还设置有具有第一末端和第二末端的梯形第二干涉结构，所述的 第二干涉结构的第一末端置于第二电极的第二末端，第二干涉结构的第二末端置于压电层 第二末端顶面以形成第二空气间隙。还设置有在第一、第二末端对应具有第一、第二拱形干涉结构的干涉结构，并置于 第二电极顶面，且所述的干涉结构的第一拱形干涉结构悬停在第二电极和压电层第一末端 顶面上以形成第一空气间隙，干涉结构的第二拱形干涉结构悬停在第二电极和压电层第二 末端顶面上以形成第二空气间隙。还设置有在第一、第二末端对应具有第一、第二梯形干涉结构的干涉结构，并置于 第二电极顶面，且所述的干涉结构的第一梯形干涉结构悬停在第二电极和压电层第一末端 顶面上以形成第一空气间隙，干涉结构的第二梯形干涉结构悬停在第二电极和压电层第二 末端顶面上以形成第二空气间隙。所述的第二电极的第一末端在压电层第一末端顶面上呈拱形形状以形成第一空 气间隙，第二电极的第二末端在压电层第二末端顶面上呈拱形形状以形成第二空气间隙。将所述的第二电极的第一末端在压电层第一末端顶面上呈梯形形状以形成第一 空气间隙，第二电极的第二末端在压电层第二末端顶面上呈梯形形状以形成第二空气间 隙。将所述的压电层的第一末端在第一电极顶面呈拱形形状以形成第一空气间隙，压 电层的第二末端在第一电极顶面呈拱形形状以形成第二空气间隙。所述的第二电极上表面覆盖一绝缘层以形成具有第一末端和第二末端的多层干涉结构，多层干涉结构的第一末端在压电层上表面呈拱形形状以形成第一空气间隙，多层 干涉结构的第二末端在压电层上表面呈拱形形状以形成第二空气间隙。所述的第二电极上表面覆盖一绝缘层以形成一个具有第一末端和第二末端的多 层干涉结构，所述的多层干涉结构的第一末端在压电层上表面呈梯形形状以形成第一空气 间隙，多层干涉结构的第二末端在压电层上表面呈梯形形状以形成第二空气间隙。本发明的压电谐振器结构，极大提高了谐振器在并联谐振频率附近的Q值，同时 不影响谐振器在串联谐振频率附近的Q值和寄生模式强度，也不会降低谐振器的机电耦合 系数&。采用本发明谐振器结构的滤波器具有更优越的电学特性，如更低的通带插入损
耗等O


图1是本发明在压电层带有空气间隙的压电谐振器截面图；图2是本发明第二实施例的在压电层带有空气间隙的压电谐振器截面图；图3是本发明在压电层带有干涉结构层的压电谐振器截面图；图4是本发明在压电层带有干涉结构层和支撑结构层的压电谐振器截面图；图5是本发明在有效激励区上悬有一对拱形干扰层的压电谐振器截面图；图6是本发明在第二电极两末端悬有拱形干扰层的压电谐振器截面图；图7是本发明在第二电极两末端顶面带有梯形干扰层的压电谐振器截面图；图8是本发明在第二电极和压电层两末端顶面都带有梯形干扰层的压电谐振器 截面图；图9是本发明在压电层和第二电极两末端上表面都带有拱形干扰层的压电谐振 器截面图；图10是本发明在压电层和第二电极两末端上表面都带有梯形干扰层的压电谐振 器截面图；图11是本发明在第二电极两末端上表面带有拱形干扰层的压电谐振器截面图；图12是本发明在第二电极两末端上表面带有梯形干扰层的压电谐振器截面图；图13是本发明在压电层两末端及第一电极上表面带有拱形干扰层的压电谐振器 截面图；图14是本发明在压电层两末端顶面带有多层拱形干扰层的压电谐振器截面图；图15是本发明在压电层两末端上表面带有多层梯形干扰层的压电谐振器截面 图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的压电谐振器结构做出详细说明。本发明的压电谐振器结构通过下面的实施例详细描述，此是为了使该发明的技术 方案上许多修改和变化更显而易见。该发明的各种细节体现将在此进行详细介绍。参考附 图，相同的数字表明相同的组成部分。说明书里使用的权利要求在该说明书技术领域，在每 个权利要求使用的特定情况下一股有其普遍含义。用于描述下面讨论的专利或说明书中其 他地方出现的一些特定权利要求，是为了给从事本专利研究领域的从业者提供额外指导说明。在本说明书任何地方实施例的使用仅仅是起说明作用，绝对不是限制该专利或任何实 施例的范围和意义。同样，该专利也不局限于该说明书中给出的几种不同的实施例体现。该说明连同附图1-15可以作为该专利的体现。依据本专利的目的，正如在此详细 描述的，本专利从一方面来讲涉及到压电谐振器的结构。图1所示的实施例中，压电谐振器结构包括(i)基底5，(ii)声反射层4，(iii)第 一电极11，(iv)压电层2，(ν)第二电极12。基底5，声反射层4，第一电极11，压电层2和 第二电极12都有一个顶面、一个底面、一个第一末端和对应的第二末端以及中间部分。声 反射层4的底面置于基底5的顶面。第一电极11的底面置于声反射层4的顶面。压电层 2的底面置于第一电极11的顶面。第二电极12的底面置于压电层2的顶面。基底5，声反 射层4，第一电极11，压电层2和第二电极12的重叠部分定义为有效激励区Α，具有第一声 阻抗。声反射层4可以是空气层或者是层叠的声波反射镜。本实施例具有如下特点第 一干涉结构301由第二电极12的第一末端延伸出，第二干涉结构302由第二电极12的第 二末端延伸出。第一空气间隙61在第一干涉结构301和压电层2的第一末端间形成，空气 间隙62在第二干涉结构302和压电层的2的第二末端之间形成。第一干涉结构301和第 二干涉结构302都分别有一部分悬在互不接触的第一空气间隙61和第二空气间隙62上。 因此，形成双自由度振动，并使第一空气间隙61和第二空气间隙62上悬停的第一干涉结构 301和第二干涉结构302产生与有效激励区A的第一声阻抗不同的第二声阻抗。第一干涉结构301和第二干涉结构302与有效激励区A相连以形成不匹配阻抗边 界。第一干涉结构301和第二干涉结构302分别置于有效激励区A周围两侧。由于第一干 涉结构301和第二干涉结构302的第二声阻抗与第一声阻抗不匹配，在边界处声波传输不 连续，第一干涉结构301和第二干涉结构302干扰前面讨论过的横向模式的声传播。因此 一部分声能耦合且反射到有效激励区A中，并且转换成与压电层2表面垂直的活塞声波模 式。干扰结构的尺寸需仔细确定以使横向模式边缘反射回来的声波的反射系数和从横向声 波模式转换到活塞声波模式的转换效率为最大，从而提高Qp。因为第一干涉结构301和第 二干涉结构302没有改变有效激励区外加电场方向的机械位移分布，因此不会降低谐振器 的Qs值，也不会对寄生谐振模式强度有影响。第一干涉结构301，第二干涉结构302和第二 电极12可以是由相同或者不同的导电材料制作。倘若第一干涉结构301和第二干涉结构 302由绝缘或非导电材料制作，为了产生声波(特别是横向谐振声波)与第一干涉结构301 和第二干涉结构302之间相互作用，第一干涉结构301，第二干涉结构302和第二电极12的 交界处最好分别置于空气间隙61和62上方或者附近。在本实施例中，第一干涉结构301的 一部分长度d置于空气间隙61上方，并在有效激励区第二末端形成类似的结构。d的长度 小于第一空气间隙61的长度，第二电极12的长度大于重叠的有效激励区A的宽度，这样第 一空气间隙61和第二空气间隙62被第二电极12，第一干涉结构301和第二干涉结构302 完全覆盖。在图2所示的压电谐振器结构与图1所示的实施例结构类似。不同之处在于第一 空气间隙61和第二空气间隙62没有被第二电极12和第一，第二干涉结构301，302完全覆 盖。第一干涉结构和第二干涉结构的长度d被缩短，这样第一干涉结构301和第二干涉结 构302分别成为空气间隙61和空气间隙62上方的悬臂。此外，改变d的长度可以改变反射声能的数量。图3所示的实施例中，压电谐振器结构包括(i)基底5，(ii)声反射层4，(iii) 第一电极11，(iV)压电层2，(ν)第二电极12，(Vi)干涉结构300。所述的基底5、声反射 层4、第一电极11、压电层2、第二电极12和干涉结构300都有一个顶面，一个底面，一个第 一末端和对应的第二末端以及中间部分。声反射层4的底面置于基底5的顶面。第一电极 11的底面置于声反射层4的顶面。其中，压电层2的底面置于电极11的顶面；第二电极的 底面置于压电层2的顶面；具有第一末端301和第二末端302的干涉结构300的底面置于 第二电极12的顶面。所述的基底5、声反射层4、第一电极11、压电层2、第二电极12和干 涉结构300的重叠部分定义为有效激励区，具有第一声阻抗。干涉结构300的宽度大于第二电极12的宽度，这样干涉结构300的第一末端301 可以在其底面和压电层2第一末端间顶面间形成第一空气间隙61，干涉结构300的第二末 端302在其底面和压电层2第二末端顶面间形成第二空气间隙62。反射的声能和相应的Qp 可以通过改变第二电极12上的干涉结构长度d而改变。图4给出的是本发明的带有干涉结构层和支撑结构的压电谐振器截面图。该压电 谐振器结构与图3中的实施例具有相似的结构。不同之处是为了提高干涉结构300的物理 强度，增加了第一支撑结构71和第二支撑结构72，所述的第一支撑结构71和第二支撑结 构72分别对应的置于干涉结构300的第一末端301和第二末端302的末端下方。第一支 撑结构71和第二支撑结构72可以由导电材料或绝缘材料制作。第一支撑结构71和第二 支撑结构72与第二电极12之间没有电导。图5所示的是本发明的在有效激励区上方带有一对拱形干涉结构的压电谐振器 截面图。该压电谐振器结构包括(i)基底5，(ii)声反射层4，(iii)第一电极11，(iv)压 电层2，(ν)第二电极12，(vi)置于第二电极12顶面第一末端的第一干涉结构301和第二 末端的第二干涉结构302。所述的基底5、声反射层4、第一电极11、压电层2和第二电极12 都有一个顶面、一个底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分。声反射层4的底面置 于基底5的顶面；第一电极11的底面置于声反射层4的顶面；压电层2的底面置于第一电 极11的顶面；第二电极12的底面置于压电层2的顶面。所述的基底5、声反射层4、第一电 极11、压电层2和第二电极12的重叠区定义为有效激励区，具有第一声阻抗。第一干涉结 构301的第一末端3011和第二末端3012的底面置于第二电极12的第一末端的顶面，第二 干涉结构302的第一末端3021和第二末端的底面3022置于第二电极12第二末端的顶面。第一干涉结构301和第二干涉结构302为悬臂梁形状，第一干涉结构301的第一 末端3011和第二干涉结构302的第一末端3021悬在有效激励区A的上方，且第一干涉结 构301的第二末端3012和第二干涉结构302的第二末端3022分别与第二电极12上表面 的第一末端和第二末端相接触。第一干涉结构301，第二干涉结构302和第二电极12可以 由相同或不同材料制作。第一干涉结构301的第二末端3012和第二干涉结构302的第二 末端3022分别在压电谐振器有效激励区A上方以悬停的方式支撑第一干涉结构301的第 一末端3011和第二干涉结构302的第一末端3021，以形成第一空气间隙61和第二空气间 隙62。第一干涉结构301和第二干涉结构302通过将材料弯曲成三部分而形成，第一末端 3011和3021以及第二末端3012和3022与第二电极12上表面平行，中间部分与第二电极 12上表面成α角度。与第一声阻抗不匹配的第二声阻抗的值可以通过改变α角度和第一，第二干涉结构301，302的总尺寸(如宽度和厚度)而改变。图6所示是本发明的一个实施例得到的在第二电极两末端上都悬有拱形干涉结 构的压电谐振器截面图。该谐振器与图5所示的谐振器具有类似结构。不同之处在于第一 干涉结构第一末端3011和第二干涉结构302的第一末端3021与图5中所处的位置相颠倒。第一干涉结构301和第二干涉结构302呈悬臂梁形状，其第一末端3011和第一末 端3021分别悬在压电层2第一末端、第二电极12的第一末端上表面、压电层2的第二末端 以及第二电极的第二末端上表面。第一干涉结构301的第二末端3012和第二干涉结构302 的第二末端3022分别连接到第二电极12上表面的第一末端和第二末端。第一，第二干涉 结构301，302和第二电极12可以由相同或不同的材料制作。第一干涉结构301的第二末 端3012和第二干涉结构302的第二末端3022分别支撑第一干涉结构301的第一末端3011 和第二干涉结构302的第一末端3021悬停在压电谐振器压电层2上表面，第二电极12的 第一末端和第二末端形成第一空气间隙61和第二空气间隙62。第一干涉结构301和第二干涉结构302通过将材料弯曲成三部分而形成，第一末 端3011和3021以及第二末端3012和3022与第二电极12上表面平行，中间部分弯曲成 与第二电极12上表面成α角度。将第二电极12第一末端多出第一干涉结构301的第二 末端3012与第二电极12第一末端接点的长度定义为dl，且将干涉结构301超出其第二末 端3012和第二电极12第一末端接点的长度定义为d2。dl和d2的长度会影响第一干涉结 构301和第二干涉结构302的固有谐振频率。改变第一、第二干涉结构301、302的α角度 和参数dl、d2的长度会直接影响第二声阻抗的值并且会影响通过第一，第二干涉结构301， 302反射到有效激励区中的声能强度。图7所示是本发明的在第二电极上表面两末端置有梯形干涉结构的压电谐振器 截面图。该压电谐振器结构包括(i)基底5、(ii)声反射层4、(iii)第一电极11、(iv) 压电层2、(ν)第二电极12和(vi)第一，第二干涉结构301、302。所述的基底5、声反射层 4、第一电极11、压电层2和第二电极12都具有一个顶面，一个底面，第一末端和对应的第 二末端以及中间部分。声反射层4的底面置于基底5的顶面；第一电极11的底面置于声 反射层4的顶面；压电层2的底面置于第一电极11的顶面；第二电极12的底面置于压电 层2的顶面。基底5、声反射层4、第一电极11、压电层2和第二电极12的重叠区域称为有 效激励区，具有第一声阻抗。具有第一，第二末端3011，3012的第一干涉结构和具有第一， 第二末端3021,3022的第二干涉结构置于第二电极12的顶面。具有第一，第二末端3011， 3012的梯形的第一干涉结构301和具有第一，第二末端3021，3022的梯形的第二干涉结构 302分别连接在有效激励区A中的第二电极12上。第一，第二干涉结构301，302和第二电 极12可以由相同或不同的材料制作。在第一干涉结构和第二干涉结构底面，第二电极12 上表面间分别形成了第一空气间隙61和第二空气间隙62。第一干涉结构301和第二干涉 结构302通过将材料弯成5部分而形成梯形结构，包含第一干涉结构301的第一，第二末端 3011,3012和第二干涉结构302的第一，第二末端3021，3022以及平行于第二电极12上表 面的梯形中间部分，另外两个面在第二电极12上表面形成对称角度。图8所示是本发明的在第二电极12和压电层2上表面两末端置有梯形干涉结构 的压电谐振器截面图。该压电谐振器与图7所示的实施例具有类似的结构。不同之处在于 第一，第二干涉结构置于不同的表面上，而不是只在第二电极的顶面。
第一干涉结构301和第二干涉结构302都为梯形形状。第一干涉结构301的第一 末端3011置于第二电极12第一末端顶面。第一干涉结构301的第二末端3012置于压电 层2第一末端顶面。第二干涉结构302的第一末端3021和第二末端3022分别置于第二电 极12的第二末端和压电层2的第二末端顶面。第一干涉结构301的第一末端3011与第二电极12上表面第二末端相连，第二干 涉结构302的第一末端3021与第二电极12上表面第二末端相连，第一干涉结构301和第 二干涉结构302的第二末端3012,3022分别与压电层2顶面的第一，第二末端相连。第一，第二干涉结构301，302将材料弯成5部分而形成梯形结构，包含第一干涉结 构301的第一，第二末端3011，3012和第二干涉结构302的第一，第二末端3021，3022以及 平行于第二电极12上表面的梯形中间部分。另外两个面在第二电极12上表面形成对称角 度。第一空气间隙61在第一干涉结构301，压电层2的第一末端和第二电极12的第一末端 间形成，第二空气间隙62在第二干涉结构302，压电层2的第二末端和第二电极12第二末 端间形成。如图9所示的实施例中，压电谐振器结构包括(i)基底5，(ii)声反射层4，(iii) 第一电极11，(iv)压电层2，(ν)第二电极12和(vi)干涉结构300。所述的基底5、声反射 层4、第一电极11、压电层2、第二电极12和干涉结构300都具有一个顶面，一个底面，第一 末端和对应的第二末端以及中间部分。其中，声反射层4的底面置于基底5的顶面；第一电 极11的底面置于声反射层4的顶面；压电层2的底面置于第一电极11的顶面；第二电极 12的底面置于压电层2的顶面。基底5、声反射层4、第一电极11、压电层2和第二电极12 的重叠区域称为有效激励区Α，具有第一声阻抗。干涉结构300的宽度大于第二电极12的宽度。干涉结构300的第一末端301以 预定角度α向上弯曲然后再次弯曲使301平行于第二电极12和压电层2上表面的第一末 端。干涉结构300的第二末端302以预定角度α向上弯曲然后再次弯曲使302平行于第 二电极12和压电层2上表面的第二末端。第一空气间隙61在干涉结构300的第一末端301、压电层2的第一末端和第二电 极12的第一末端间形成。第二空气间隙62在干涉结构300的第二末端302、压电层2的第 一末端和第二电极12的第二末端间形成。干涉结构300可以由绝缘材料制作。绝缘的干涉结构300也可作为压电谐振器的 钝化层使用。干涉结构300的第一末端301连接点到第二电极12第一末端的距离定义为 dl，第一末端301连接点到第一末端301末端点的距离定义为d2。改变干涉结构300第一 末端301和第二末端302的角度、长度等参数可以直接影响通过干涉结构反射的声能强度 以及谐振器的Qp值。图10所示的是本发明的在第二电极和压电层两末端上表面具有梯形绝缘干涉结 构的压电谐振器截面图。该压电谐振器结构与图9相似。不同之处在于干涉结构300的第 一，第二末端301，302进一步弯曲形成梯形形状，且第一，第二末端301和302分别与压电 层2上表面的第一末端和第二末端相连接。第一空气间隙61在干涉结构300的第一末端301、压电层2的第一末端和第二电 极12的第一末端间形成，同时，第二空气间隙62在干涉结构300的第二末端302、压电层2 的第二末端和第二电极12的第二末端间形成。
图11所示是本发明在第二电极两末端及压电层上表面上带有拱形干涉结构的压 电谐振器截面图。该压电谐振器结构包括(i)基底5、(ii)声反射层4、(iii)第一电极 11、(iv)压电层2和(ν)第二电极12。所述基底5、声反射层4、第一电极11、压电层2和 第二电极12都具有一个顶面、一个底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分。其中， 声反射层4的底面置于基底5的顶面，第一电极11的底面置于声反射层4的顶面，压电层 2的底面置于第一电极11的顶面，第二电极12的底面置于压电层2的顶面。基底5、声反 射层4、第一电极11、压电层2和第二电极12的重叠区域称为有效激励区A，具有第一声阻 抗。声反射层4可以是空气层或者是层叠的声波反射镜。该实施例具有如下特点第 一拱形干涉结构121在第二电极12的第一末端及压电层2的第一末端上表面形成，第二拱 形干涉结构122在第二电极12的第二末端及压电层2的第二末端上表面形成。第一空气 间隙61和第二空气间隙62分别在第一干涉结构121和压电层2的第一末端之间以及第二 干涉结构122和压电层2的第二末端之间形成。第一干涉结构121和第二干涉结构122分 别悬在互不接触的第一空气间隙61和第二空气间隙62上方。因此可以产生一个双自由度 振动，使悬在第一空气间隙61和第二空气间隙62上方的第一，第二干涉结构121，122形成 与有效激励区A的第一声阻抗值不同的第二声阻抗。第一，第二干涉结构121，122与有效激励区A相连以形成不匹配阻抗边界。第一， 第二干涉结构121，122被置于有效激励区A周围两侧。由于第一，第二干涉结构121，122 的第二声阻抗与第一声阻抗不匹配，第一，第二干涉结构121，122会干扰前面提到的横向 模式的声传播。因此，一部分横向模式的声波能量反射到有效激励区A中并转换成垂直于 压电层2表面的活塞声波模式。干涉结构的尺寸需仔细确定以使横向模式边缘反射回来的 声波的反射系数和从横向声波模式到活塞声波模式的转换最大，进而提高Qp值。第一，第 二干涉结构121，122可以由导电或非导电材料制作。将第二电极第一末端材料向上弯曲超过有效激励区A的宽度，并与压电层2第一 末端形成预定α角度，然后再次弯曲材料使其与压电层2第一末端上表面平行，形成第一 干涉结构121。将第二电极第二末端材料向上弯曲超过有效激励区A的宽度，并与压电层2 第二末端形成预定α角度，然后再次弯曲材料使其与压电层2第二末端上表面平行，形成 第二干涉结构122。在该实施例中，第一干涉结构121和第二干涉结构122的长度dl的一 部分分别悬在第一空气间隙61和第二空气间隙62上方。图12所示本发明的在第二电极两末端及压电层上表面带有梯形干涉层的压电谐 振器截面图。该压电谐振器与图11所示的实施例具有类似结构。不同之处在于第一，第二 干涉结构121，122由梯形结构代替了拱形结构。第一，第二干涉结构121，122通过将材料弯曲成四部分呈梯形而形成。第一空气 间隙61在第一干涉结构121和压电层2第一末端间形成，第二空气间隙62在第二干涉结 构122和压电层2第二末端间形成。图13所示是本发明在压电层两末端都带有拱形干涉结构的压电谐振器截面图。 该压电谐振器结构包括(i)基底5、(ii)声反射层4、(iii)第一电极11、(iv)压电层2和 (ν)第二电极12。所述基底5、声反射层4、第一电极11、压电层2和第二电极12都具有一 个顶面、一个底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分。其中，声反射层4的底面置于基底5的顶面，第一电极11的底面置于声反射层4的顶面，压电层2的底面置于第一电 极11的顶面，第二电极12的底面置于压电层2的顶面。基底5，声反射层4，第一电极11， 压电层2和第二电极12的重叠区域称为有效激励区A，具有第一声阻抗。声反射层4可以是空气层或者是层叠的声波反射镜。该实施例具有如下特点第一拱形干涉结构201在压电层2的第一末端以及第一电极11或声反射层4的 第一末端上表面形成，第二拱形干涉结构202在压电层2的第二末端以及第一电极11或声 反射层4的第二末端上表面形成。第一空气间隙61在第一干涉结构201和第一电极11或 声反射层4的第一末端上表面之间形成，第二空气间隙62在第二干涉结构202和第一电极 11或声反射层4的第二末端上表面之间形成。第一干涉结构201和第二干涉结构202分别 悬在互不接触的第一空气间隙61和第二空气间隙62上方。因此，形成双自由度振动使悬 在第一、二空气间隙61，62上方的第一，二干涉结构201，202产生与有效激励区A的第一声 阻抗不同的第二声阻抗。第一、第二干涉结构201、202与有效激励区A相连以形成不匹配阻抗边界。第一、 第二干涉结构201、202被置于有效激励区A周边。由于第一、第二干涉结构201、202的第二 声阻抗与第一声阻抗不匹配，第一、第二干涉结构201、202影响前面讨论过的横向模式的 声传播。因此一部分声波能量反射到有效激励区A中并转换成与电极11表面垂直的活塞 声波模式，从而提高Qp。所述的第一干涉结构201、第二干涉结构202和压电层2可以由相 同或不同的材料制作。第一、第二干涉结构201、202实际位于有效激励区A范围之外。第 一、第二干涉结构201、202可以由绝缘或非导电材料制作。为了形成声波(特别是横向声 波)与第一、第二干涉结构201、202的相互干涉作用，第一、第二干涉结构201、202与第一 电极连接远端位置最好接近有效激励区A的边界。压电层2的第一末端向上弯曲超出有效激励区A的范围与第一电极11的第一末 端形成预定α角度，然后再次弯曲与第一电极11的第一末端平行。压电层2第二末端向 上弯曲超出有效激励区A的范围与第一电极11的第二末端形成预定α角度，然后再次弯 曲与第一电极11的第二末端平行。在这个实施例中，第一、第二干涉结构201、202分别悬 停在第一、第二空气间隙61、62的上方。第一、第二干涉结构201、202和第一电极11在有效激励区A形成不同水平高度以 产生自由振动。因此，第一、第二干涉结构201、202形成与有效激励区A的第一声阻抗不匹 配的第二声阻抗。则损耗的声能减少，Qp值增加。第一、第二干涉结构201、202的尺寸也会影响声能的反射，且可根据需要进行调 整以达到最优化。例如，第一、第二干涉结构201、202可以形成不同的厚度。在有效激励区 A周围的第一、第二干涉结构201、202也可以具有不同的宽度。通过调整压电层2的尺寸、 厚度和角度，可以达到预期的器件性能。图14所示是本发明在压电层2两末端都带有拱形多层干涉结构的压电谐振器截 面图。该压电谐振器结构包括⑴基底5、(ii)声反射层4、(iii)第一电极11、(iv)压电 层2、(ν)第二电极12和(vi)干涉结构300。所述的基底5、声反射层4、第一电极11、压电 层2、第二电极12和干涉结构300都具有一个顶面、一个底面、第一末端和对应的第二末端 以及中间部分。其中，声反射层4的底面置于基底5的顶面上，第一电极11的底面置于声 反射层4的顶面，压电层2的底面置于第一电极11的顶面，第二电极12的底面置于压电层
132的顶面，具有第一末端301和第二末端302的干涉结构300的底面置于第二电极12的顶 面。基底5、声反射层4、第一电极11、压电层2和第二电极12的重叠区域称为有效激励区 A，具有第一声阻抗。第二电极12和干涉结构300结合在一起形成一个多层结构，并且具有第一末端 301和第二末端302。多层结构第一末端301超出有效激励区A的部分向上弯曲与压电层2 上表面成预定α角度，然后再次弯曲与压电层2上表面平行并在多层结构的第一末端301 和压电层2第二末端上表面间形成第一空气间隙61 ；多层结构第二末端302超出有效激励 区A的部分向上弯曲与压电层2上表面成预定α角度，然后再次弯曲与压电层2上表面平 行并在多层结构的第二末端302和压电层2第二末端上表面间形成第二空气间隙62。反射 的声波能量可以通过改变在压电层2上的多层结构长度dl来改变。因为干涉结构300没 有改变有效激励区A沿外加电场方向机械位移分布，不会降低谐振器的Qs值且对寄生模式 的强度也没有影响。图15所示是本发明在压电层两末端上表面带有梯形多层干涉结构的谐振器截面 图。该压电谐振器与图14中的实施例具有相似的结构。不同之处在于拱形干涉结构由梯形 多层干涉结构301和302代替。第一空气间隙61和第二空气间隙62分别在第二电极12、 压电层2的第一末端之间和第二电极12、压电层2的第二末端之间形成。梯形多层干涉结 构301和302的顶部宽度定义为d。多层干涉结构一股由底部金属层和顶部绝缘层组成。 顶层也可以由导电或非导电材料制作。关于本发明如上所述的各实施例仅起到说明和描述的目的，不是扩大或限制该发 明到精确形式。许多修改和变化是鉴于先前的学习。实施例的选择和描述是为了解释该发明的原理和实际应用，以便刺激该领域的其 他技术使用该发明和各种实施例，并根据特定用途进行适当的修改。不偏离该发明精神和 范围，应用该领域的技术对实施例进行改变是很容易的。因此，该发明的范围由附加权利要 求定义，而不是由上述描述和其中讨论的实施例决定。
权利要求
一种压电谐振器结构，其特征在于，包括(a)基底，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分；(b)声反射层，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分，所述的底面置于基底的顶面；(c)第一电极，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分，所述的底面置于声反射层的顶面；(d)压电层，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分，所述的底面置于第一电极的顶面；(e)第二电极，具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分，所述的底面置于压电层的顶面；其中，基底、声反射层、第一电极、压电层和第二电极的重叠区域定义为有效激励区。
2.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，进一步还包括由第二电极的 第一末端延伸出的第一干涉结构和由第二电极的第二末端延伸出的第二干涉结构，在压电 层第一末端形成第一空气间隙，在压电层第二末端形成第二空气间隙。
3.根据权利要求2所述的压电谐振器结构，其特征在于，所述的由第二电极两末端延 伸出的第一、第二干涉结构分别置于第一、第二空气间隙上方。
4.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，在第二电极的顶面还设置具 有第一末端和第二末端的干涉结构，且该干涉结构的宽度大于第二电极宽度，这样在第二 电极的两末端分别形成了第一空气间隙和第二空气间隙。
5.根据权利要求4所述的压电谐振器结构，其特征在于，还设置有第一支撑结构和第 二支撑结构，所述的第一支撑结构置于干涉结构的第一末端和压电层上表面之间，所述的 第二支撑结构置于干涉结构第二末端和压电层上表面之间，这样在第一支撑结构和第二电 极的第一末端之间以及第二支撑结构和第二电极的第二末端之间分别形成了第一空气间 隙和第二空气间隙。
6.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，还设置有具有第一末端和第 二末端的第一干涉结构，并置于第二电极顶面，且所述的第一干涉结构的第二末端位于第 二电极第一末端上，第一干涉结构的第一末端悬在有效激励区上方以形成第一空气间隙； 以及还设置有具有第一末端和第二末端的第二干涉结构，并置于第二电极顶面，且所述的 第二干涉结构的第二末端位于第二电极的第二末端上，第二干涉结构的第一末端悬在有效 激励区上方以形成第二空气间隙。
7.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，还设置有具有第一末端和第 二末端的第一干涉结构，并置于第二电极顶面，且所述的第一干涉结构的第二末端在第二 电极第一末端上，第一干涉结构的第一末端悬停在第二电极和压电层第一末端上方以形成 第一空气间隙；以及还设置有具有第一末端和第二末端的第二干涉结构，并置于第二电极 顶面，且所述的第二干涉结构的第二末端在第二电极第二末端上，第二干涉结构的第一末 端悬停在第二电极和压电层第二末端上方以形成第二空气间隙。
8.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，还设置有具有第一末端和第 二末端的梯形第一干涉结构，并置于第二电极上表面，且所述的第一干涉结构的第二末端 置于第二电极的第一末端，第一干涉结构的第一末端在有效激励区中，形成第一空气间隙；以及还设置有具有第一末端和第二末端的梯形第二干涉结构置于第二电极上表面，且所述 的第二干涉结构的第二末端置于第二电极的第二末端，第二干涉结构的第一末端在有效激 励区中，形成第二空气间隙。
9.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，还设置有具有第一末端和第 二末端的梯形第一干涉结构，所述的第一干涉结构的第一末端置于第二电极的第一末端， 第一干涉结构的第二末端置于压电层第一末端顶面以形成第一空气间隙；以及还设置有具 有第一末端和第二末端的梯形第二干涉结构，所述的第二干涉结构的第一末端置于第二电 极的第二末端，第二干涉结构的第二末端置于压电层第二末端顶面以形成第二空气间隙。
10.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，还设置有在第一、第二末端 对应具有第一、第二拱形干涉结构的干涉结构，并置于第二电极顶面，且所述的干涉结构的 第一拱形干涉结构悬停在第二电极和压电层第一末端顶面上以形成第一空气间隙，干涉结 构的第二拱形干涉结构悬停在第二电极和压电层第二末端顶面上以形成第二空气间隙。
11.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，还设置有在第一、第二末端 对应具有第一、第二梯形干涉结构的干涉结构，并置于第二电极顶面，且所述的干涉结构的 第一梯形干涉结构悬停在第二电极和压电层第一末端顶面上以形成第一空气间隙，干涉结 构的第二梯形干涉结构悬停在第二电极和压电层第二末端顶面上以形成第二空气间隙。
12.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，所述的第二电极的第一末端 在压电层第一末端顶面上呈拱形形状以形成第一空气间隙，第二电极的第二末端在压电层 第二末端顶面上呈拱形形状以形成第二空气间隙。
13.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，将所述的第二电极的第一末 端在压电层第一末端顶面上呈梯形形状以形成第一空气间隙，第二电极的第二末端在压电 层第二末端顶面上呈梯形形状以形成第二空气间隙。
14.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，将所述的压电层的第一末端 在第一电极顶面呈拱形形状以形成第一空气间隙，压电层的第二末端在第一电极顶面呈拱 形形状以形成第二空气间隙。
15.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，所述的第二电极上表面覆盖 一绝缘层以形成具有第一末端和第二末端的多层干涉结构，多层干涉结构的第一末端在压 电层上表面呈拱形形状以形成第一空气间隙，多层干涉结构的第二末端在压电层上表面呈 拱形形状以形成第二空气间隙。
16.根据权利要求1所述的压电谐振器结构，其特征在于，所述的第二电极上表面覆盖 一绝缘层以形成一个具有第一末端和第二末端的多层干涉结构，所述的多层干涉结构的第 一末端在压电层上表面呈梯形形状以形成第一空气间隙，多层干涉结构的第二末端在压电 层上表面呈梯形形状以形成第二空气间隙。
全文摘要
本发明公开一种压电谐振器结构，包括具有顶面、底面、第一末端和对应的第二末端以及中间部分的基底、声反射层、第一电极、压电层和第二电极，其中，基底、声反射层、第一电极、压电层和第二电极由下到上依次设置，并且，基底、声反射层、第一电极、压电层和第二电极的重叠区域定义为有效激励区。一系列的空气间隙和干涉结构在压电层和第二电极的第一末端和第二末端处形成以提高谐振器的电学性能。本发明的压电谐振器结构极大提高了谐振器在并联谐振频率附近的Q值，同时不影响谐振器在串联谐振频率附近的Q值和寄生模式强度，也不会降低谐振器的机电耦合系数采用本发明谐振器结构的滤波器具有更优越的电学特性，如更低的通带插入损耗等。
文档编号H03H9/02GK101924529SQ20101026763
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者庞慰, 张 浩 申请人:庞慰;张浩