频率可调声表面波谐振器的制作方法

本发明属于微机电谐振器技术领域，特别是一种频率调节灵活、方便的频率可调声表面波谐振器。

背景技术：

声表面波谐振器由制作在压电基片上的两个反射阵构成谐振腔，置于谐振腔内适当位置的叉指换能器所激发的声表面波在两个反射阵之间来回反射，并形成驻波而输出谐振信号。谐振信号的谐振频率决定于压电基片的材料参数、叉指换能器叉指电极和反射阵反射电极的结构参数和材料参数，以及由此确定的电负载和质量负载效应，具有频率范围宽、频率稳定性好等优点。但另一方面，由于其谐振频率主要决定于与设计和工艺有关的结构和材料参数，不便于进行谐振频率的调控。

现有技术中，对声表面波谐振器谐振频率进行微调的方法有：

⑴在声表面波谐振器叉指换能器及反射阵结构上覆盖介质膜，改变声表面波波速，调整声表面波谐振器的谐振频率(frequencytrimmingofsurfacetransversewaveresonatorsusingresistiveevaporationofthinsio2dielectricfilm,1998ieeeinternationalfrequencycontrolsymposium,pp.497-501)；

⑵刻蚀叉指换能器及反射阵指电极间的压电基片表面，使形成下凹的沟槽，改变指结构的反射率及声表面波的波速，调整声表面波谐振器的谐振频率(frequencytrimmingofsawresonators,ieeetransactionsonsonicandultrasonics,vol.su-29,no.6,july1982,pp.231-234)；

⑶将完成叉指换能器及反射阵金属指电极制作的声表面波谐振器芯片浸入腐蚀液中轻度漂洗，减小金属指电极的台阶高度，改变指结构反射率和声表面波波速，从而微调声表面波谐振器的谐振频率(frequencytrimmingofsawdevices,1994ultrasonicssymposium,pp.181-187)。

但以上方法均属工艺性调整，调整过程不可逆，且方法⑵容易同时产生对金属指电极的损伤，方法⑶中可能残留的腐蚀液会继续侵蚀金属指电极结构，使声表面波谐振器的谐振频率产生非期望的漂移。

总之，现有技术存在的问题是：声表面波谐振器的谐振频率调节不灵活、不方便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种频率可调声表面波谐振器,频率调节灵活、方便。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种频率可调声表面波谐振器，包括压电基片1、依次叠合在压电基片1之上的金属结构层、中间介质层和电压调控电极层；

所述金属结构层包括叉指换能器2、分置于叉指换能器2两侧的第一短路反射阵31和第二短路反射阵32；

所述中间介质层包括第一中间介质层51、第二中间介质层52和第三中间介质层53，所述第一中间介质层51叠合于叉指换能器2之上且与叉指换能器2同形，所述第二中间介质层52叠合于第一短路反射阵31之上且与第一短路反射阵31同形，所述第三中间介质层53叠合于第二短路反射阵32之上且与第二短路反射阵32同形；

所述电压调控电极层包括第一电压调控电极层61、第二电压调控电极层62和第三电压调控电极层63，所述第一电压调控电极层61叠合于第一中间介质层51之上且与第一中间介质层51同形，所述第二电压调控电极层62叠合于第二中间介质层52之上且与第二中间介质层52同形，所述第三电压调控电极层63叠合于第三中间介质层53之上且与第三中间介质层53同形；

还包括上层为金属、下层为介质的多个过桥7，所述多个过桥7通过其上层金属72将电压调控电极层的三个电压调控电极层61、62、63连通，通过下层介质71将金属结构层的叉指换能器2与第一短路反射阵31、第二短路反射阵32隔离；

所述金属结构层的叉指换能器2通过高频输入电极41和高频输出电极42与外界电路相连，通过直流接地电极45接地，通过直流偏置电极44与调节谐振频率的直流偏置电源相连，

所述第一短路反射阵31和第二短路反射阵32均通过各自的高频接地电极43和直流接地电极45接地。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、频率调节灵活、方便：本发明通过在上下金属层之间施加直流偏置电压，改变电压调控电极层、中间介质层及声表面波谐振器金属结构层之间的作用力，进而改变声表面波谐振器金属结构层中叉指电极和反射指电极的等效质量负载，从而改变声表面波谐振器的谐振特性，最终改变声表面波谐振器的谐振频率，调节所施加的直流偏置电压，即可调控声表面波谐振器的谐振频率，可实现声表面波谐振器谐振频率可重复、实时和在线调控，频率调节灵活、方便；

2、易于实现：采用常规的微结构加工方法制作，工艺简单，易于实现。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明频率可调声表面波谐振器的总体结构示意图。

图2为图1的a-a剖视图；

图3是图1中底层结构示意图，包括声表面波谐振器金属结构层、高频输入电极、高频输出电极、高频接地电极、直流偏置电极和直流接地电极；

图4为图1中中间层结构示意图，包括中间介质层、过桥上层介质；

图5为图1中顶层结构示意图，包括电压调控电极层、过桥下层金属；

图6为实施例中频率可调声表面波谐振器芯片外连示意图，包括频率可调声表面波谐振器芯片、片外高频输入电极、片外高频输出电极、片外高频接地电极、片外直流接地电极、键合引线、高频电感；

图7为实施例中高频振荡电路结构示意图，包括频率可调声表面波谐振器芯片、反馈放大电路、移相网络、片外高频输入端口、片外高频输出端口、片外直流偏置输入端口、片外可调直流电源；

图中：1压电基片、2叉指换能器、21输入汇流电极、22输出汇流电极、23第1组叉指电极、24第2组叉指电极、

31第一短路反射阵、32第二短路反射阵、311第一接地汇流电极、312第二接地汇流电极、313第1组反射指电极、321第三接地汇流电极、322第四接地汇流电极、323第2组反射指电极、

41高频输入电极、42高频输出电极、43高频接地电极、44直流偏置电极、45直流接地电极、

51第一中间介质层、52第二中间介质层、53第三中间介质层、

61第一电压调控电极层、62第二电压调控电极层、63第三电压调控电极层、

7过桥、71过桥上层介质、72过桥下层金属、

81片外高频输入电极、82片外高频输出电极、83片外高频接地电极、84片外直流接地电极、

91片外高频输入端口、92片外高频输出端口、93片外直流偏置输入端口、

10、键合引线、11、高频电感、12反馈放大电路、13移相网络、

14片外可调直流电源、141片外可调直流电源正端电极、142片外可调直流电源接地端电极。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明频率可调声表面波谐振器，包括压电基片1、依次叠合在压电基片1之上的金属结构层、中间介质层和电压调控电极层；

如图3所示，所述金属结构层包括叉指换能器2、分置于叉指换能器2两侧的第一短路反射阵31和第二短路反射阵32；

如图4所示，所述中间介质层包括第一中间介质层51、第二中间介质层52和第三中间介质层53，所述第一中间介质层51叠合于叉指换能器2之上且与叉指换能器2同形，所述第二中间介质层52叠合于第一短路反射阵31之上且与第一短路反射阵31同形，所述第三中间介质层53叠合于第二短路反射阵32之上且与第二短路反射阵32同形；

如图5所示，所述电压调控电极层包括第一电压调控电极层61、第二电压调控电极层62和第三电压调控电极层63，所述第一电压调控电极层61叠合于第一中间介质层51之上且与第一中间介质层51同形，所述第二电压调控电极层62叠合于第二中间介质层52之上且与第二中间介质层52同形，所述第三电压调控电极层63叠合于第三中间介质层53之上且与第三中间介质层53同形；

如图2所示，还包括上层为金属、下层为介质的多个过桥7，所述多个过桥7通过其上层金属72将电压调控电极层的三个电压调控电极层61、62、63连通，通过下层介质71将金属结构层的叉指换能器2与第一短路反射阵31、第二短路反射阵32隔离；

如图1所示，

所述金属结构层的叉指换能器2通过高频输入电极41和高频输出电极42与外界电路相连，通过直流接地电极45接地，通过直流偏置电极44与调节谐振频率的片外可调直流电源14相连，

所述第一短路反射阵31和第二短路反射阵32均通过各自的高频接地电极43和直流接地电极45接地。

如图3所示，

所述叉指换能器2包括输入汇流电极21、输出汇流电极22、第1组叉指电极23和第2组叉指电极24，所述输入汇流电极21与输出汇流电极22相对平行放置，所述第1组叉指电极23的一端汇集于输入汇流电极21，另一端指向输出汇流电极22，所述第2组叉指电极24一端汇集于输出汇流电极22另一端指向输入汇流电极21，第1组叉指电极23与第2组叉指电极24的各个指电极交错排列；

所述输入汇流电极21的上侧分别与一高频输入电极41和一直流接地电极45相连，输出汇流电极22的下侧分别与一高频输出电极42和一直流接地电极45相连，输入汇流电极21的上侧和输出汇流电极22的下侧各设有一直流偏置电极44，所述直流偏置电极44与输入汇流电极21和输出汇流电极22间均存在间隙。

如图3所示，

所述第一短路反射阵31包括第一接地汇流电极311、第二接地汇流电极312和第1组反射指电极313，所述第一接地汇流电极311、第二接地汇流电极312相对平行放置，所述第1组反射指电极313一端汇集于第一接地汇流电极311，另一端汇集至第二接地汇流电极312；

所述第二短路反射阵32包括第三接地汇流电极321、第四接地汇流电极322和第2组反射指电极323，所述第三接地汇流电极321、第四接地汇流电极322相对平行放置，所述第2组反射指电极323一端汇集于第三接地汇流电极321，另一端汇集至第四接地汇流电极322；

所述第一接地汇流电极311的右上侧和左端各与一高频接地电极43相连，所述第二接地汇流电极312的左端与一高频接地电极43相连，其右下侧与一直流接地电极45相连；

所述第三接地汇流电极321的右端与一高频接地电极43相连，其左上侧与一直流接地电极45相连，所述第四接地汇流电极322的左下侧和右端各与一高频接地电极43相连；

如图1所示，

所述过桥7为四个，分别位于括输入汇流电极21两端与第一接地汇流电极311、第三接地汇流电极321之间，以及输出汇流电极22两端与第二接地汇流电极312、第四接地汇流电极322之间，

如图2所示，

每个过桥7的上层金属72厚度与电压调控电极层的厚度相等，其下层介质71厚度为金属结构层与中间介质层厚度之和，其底部附着于压电基片1之上，其顶部与电压调控电极层上沿平齐，上层金属72将第一电压调控电极层61分别与第二电压调控电极层62和第三电压调控电极层63导通。

本发明的工作原理如下：

图6所示为本发明的具体实施例中结构外连示意图，包括频率可调声表面波谐振器芯片、片外高频输入电极81、片外高频输出电极82、片外高频接地电极83、片外直流接地电极84、键合引线10、高频电感11。

芯片上的高频输入电极41和高频接地电极43构成高频输入端口，高频输出电极42和高频接地电极43构成高频输出端口，直流偏置电极44与直流接地电极45构成直流调控电压输入端口。

本发明通过所述频率可调声表面波谐振器芯片的高频输入端口和高频输出端口连接声表面波谐振器芯片与片外测试系统，检测声表面波谐振器的谐振频率；

从所述频率可调声表面波谐振器芯片的直流调控电压输入端口输入直流偏置电压，并施加在声表面波谐振器金属结构层和电压调控电极层之间；

调节上述所施加直流偏置电压的大小，改变电压调控电极层、中间介质层以及声表面波谐振器金属结构层之间的作用力，从而改变声表面波谐振器金属结构层中叉指电极和反射指电极的等效质量负载，调控声表面波谐振器的谐振频率。

采用引线键合或者焊接导线的方式连接电压调控电极层与直流偏置电极44，并连接直流偏置电极44与片外可调直流电源正端电极141；

当采用引线键合方式进行芯片外连时，将对应于声表面波谐振器金属结构层各个部分的直流接地电极45与片外电路中对应的片外直流接地电极84相连，并通过串接的高频电感11将各个片外直流接地电极84与片外电路中的片外可调直流电源接地端电极142相连，使声表面波谐振器金属结构层的各个部分直流互连并直流接地，并使声表面波谐振器金属结构层的各个部分相互高频隔离；

或者当采用焊接导线方式进行芯片外连时，通过串接的高频电感11将对应于声表面波谐振器金属结构层各个部分的直流接地电极45与片外电路中的片外可调直流电源接地端电极142相连，使声表面波谐振器金属结构层的各个部分直流互连并直流接地，并使声表面波谐振器金属结构层的各个部分相互高频隔离；

利用片外可调直流电源14通过直流调控电压输入端口输入直流偏置电压，并施加在声表面波谐振器金属结构层和电压调控电极层之间，改变顶层的电压调控电极层、中间介质层以及底层的声表面波谐振器金属结构层之间的作用力，即改变声表面波谐振器金属结构层中叉指电极和反射指电极的等效质量负载，从而改变包括谐振频率的声表面波谐振器谐振特性，实现对声表面波谐振器谐振频率的调控或校正。

本发明中的声表面波谐振器为单端对声表面波谐振器，或者双端对声表面波谐振器。

进一步的，可以通过高频输出端口和高频输入端口将上述频率可调声表面波谐振器芯片与片外反馈放大电路12和移相网络13连接，构成高频振荡电路，高频振荡电路产生其频率与声表面波谐振器谐振频率一致的高频振荡信号，调节所施加的直流偏置电压，即可调控高频振荡电路所产生的高频振荡信号的频率；

本发明利用片外可调直流电源14通过直流调控电压输入端口施加直流偏置电压，对声表面波谐振器谐振频率进行调控，或者利用相关器件、电路或装置从直流调控电压输入端口输入可控的直流偏置电压，对声表面波谐振器谐振频率进行调控；

进一步的，可以通过特定传感元件，将所需感测的物理量转换为电压量，通过直流调控电压输入端口施加在本发明的声表面波谐振器谐振频率电压调控结构上，改变声表面波谐振器的谐振频率，并依据被感测物理量与声表面波谐振器谐振频率的相关关系，通过检测声表面波谐振器谐振频率及其变化，确定被感测物理量的大小及其变化；

本发明中所用压电基片1的材料为st石英单晶或者铌酸锂单晶，声表面波谐振器金属结构层、电压调控电极层、高频输入电极41、高频输出电极42、高频接地电极43、直流偏置电极44、直流接地电极45和过桥下层金属72的材料为铝、铝铜合金、铜或者金，中间介质层和过桥上层介质71的材料为二氧化硅或者氮化硅；

本发明中的电压调控电极层、高频输入电极41、高频输出电极42、高频接地电极43、直流偏置电极44和直流接地电极45的外引出方式为键合引线或者焊接导线，键合引线方式中所用的外引出线为金丝或者硅铝丝。

本发明频率可调声表面波谐振器芯片可参考下述步骤制得。

(1)st石英单晶基片1表面旋涂正性光刻胶、前烘；

(2)曝光并显影，去除待制声表面波谐振器金属结构层、高频输入电极41、高频输出电极42、高频接地电极43、直流偏置电极44和直流接地电极45处的光刻胶胶膜；

(3)磁控溅射，覆盖铝铜合金膜；

(4)去胶，连同去除覆盖在光刻胶胶膜上的铝铜合金膜，完成声表面波谐振器金属结构层、高频输入电极41、高频输出电极42、高频接地电极43、直流偏置电极44和直流接地电极45的制作；

(5)上述结构层表面旋涂正性光刻胶、前烘；

(6)曝光并显影，去除中间介质层所在位置处的光刻胶胶膜；

(7)磁控溅射，覆盖二氧化硅膜；

(8)去胶，连同去除覆盖在光刻胶胶膜上的二氧化硅膜，完成中间介质层的制作；

(9)上述结构层表面旋涂正性光刻胶、前烘；

(10)曝光并显影，去除电压调控电极层所在位置处的光刻胶胶膜；

(11)磁控溅射，覆盖铝铜合金膜；

(12)去胶，连同去除覆盖在光刻胶胶膜上的铝铜合金膜，完成电压调控电极层的制作；

(13)上述结构层表面旋涂正性光刻胶、前烘；

(14)曝光并显影，去除过桥上层介质71所在位置处的光刻胶胶膜；

(15)磁控溅射，上述结构层表面覆盖二氧化硅层；

(16)去胶，连同去除覆盖在光刻胶胶膜上的二氧化硅膜，完成过桥上层介质71的制作；

(17)上述结构层表面旋涂正性光刻胶、前烘；

(18)曝光并显影，去除过桥下层金属72所在位置处的光刻胶胶膜；

(19)磁控溅射，上述结构层表面覆盖铝铜合金膜；

(20)去胶，连同去除覆盖在光刻胶胶膜上的铝铜合金膜，完成过桥下层金属72的制作，从而完成频率可调声表面波谐振器芯片的制作。

本发明频率可调声表面波谐振器的应用实例可参照下述方法。

⑴芯片直流外连

采用硅铝丝键合引线方式，将芯片中的电压调控电极层与直流偏置电极44相连并将直流偏置电极44与片外电路中的片外可调直流电源正端电极141相连；

采用硅铝丝键合引线方式，将芯片中的各个直流接地电极45分别与片外电路中对应的片外直流接地电极84相连，再将各个片外直流接地电极84通过串接的高频电感11与片外电路中的片外可调直流电源接地端电极142相连，如图6所示。

⑵芯片高频外连，组成高频振荡电路

采用硅铝丝键合引线方式，将芯片中的高频信号输出端口和高频信号输入端口的高频输出电极42、高频输入电极41和高频接地电极43分别与片外电路中片外高频信号输入端口91和片外高频信号输出端口92中的片外高频输入电极81、片外高频输出电极82和片外高频接地电极83相连，再通过片外高频信号输入端口91和片外高频信号输出端口92将声表面波谐振器与片外反馈放大电路12和移相网络13相连，构成高频振荡电路，如图7所示。

⑶调节直流偏置电压以调控声表面波谐振器的谐振频率

调节片外可调直流电源14输出电压的幅值，即可调控声表面波谐振器的谐振频率，进而调控高频振荡电路所产生的高频振荡信号的频率。

本发明在声表面波谐振器金属结构层上依次叠合中间介质层和电压调控电极层，形成一种底层金属层-中间介质层-底层金属层的三层复合结构，通过在上下金属层之间施加直流偏置电压，改变电压调控电极层、中间介质层及声表面波谐振器金属结构层之间的作用力，进而改变声表面波谐振器金属结构层中叉指电极和反射指电极的等效质量负载，从而改变声表面波谐振器的谐振特性，最终改变声表面波谐振器的谐振频率，调节所施加的直流偏置电压，即可调控声表面波谐振器的谐振频率。本发明原理独特、设计新颖，可实现声表面波谐振器谐振频率可重复、实时和在线调控，操作简便易行，采用常规的微结构加工方法制作，工艺简单，易于实现。