基于梁檐尺寸调整声学谐振器性能的装置和方法与流程

本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器，一种具有该谐振器的滤波器，一种体声波谐振器性能特别是有效机电耦合系数的控制方法，以及一种具有该滤波器或谐振器的电子设备。

背景技术：

体声波滤波器具有低插入损耗、高矩形系数、高功率容量等优点，因此，被广泛应用在当代无线通讯系统中，是决定射频信号进出通讯系统质量的重要元器件。

而滤波器的好坏与谐振器的各项性能指标息息相关。体声波谐振器一般具有两个谐振频率，定义阻抗最小的频率点为串联谐振频率fs，相应阻抗为串联阻抗rs，定义阻抗最大的频率点为并联谐振频率fp，相应阻抗为并联阻抗rp，定义有效机电耦合系数近似为来衡量谐振器中压电转换效率。通常，谐振器的串联谐振频率决定了滤波器的中心频率，而谐振器的有效机电耦合系数决定了滤波器的带宽以及滚降特性，谐振器的串联阻抗和并联阻抗决定了通带插入损耗及回波损耗。一般而言，谐振器的rp越高，rs越低，相应滤波器的通带插入损耗越好。对于特定滤波器设计，通常希望能够提高谐振器的rp，同时保证谐振器的有效机电耦合系数基本不变。而当前大多数提高谐振器rp的结构均会导致有效机电耦合系数下降，因此，如何设计谐振器结构尺寸来获得整体性能提升是滤波器设计中一个重要的问题。

此外，体声波滤波器的性能由构成它的体声波谐振器决定，如：体声波谐振器的谐振频率决定了滤波器的工作频率，有效机电耦合系数决定了滤波器的带宽和滚降，品质因数决定滤波器插入损耗。在频带资源越来越紧俏的时代中，高品质滤波器通常需要谐振器具备多种而谐振器的是由其层叠厚度决定的，通常在整片硅片内所有谐振器具有相同的因此如何实现谐振器的在一定小范围内微调是高性能滤波器设计急需解决的一个重要问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中的上述技术问题的至少一个方面或者提供解决上述技术问题的至少一个方面的途径，提出本发明。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极，设置在基底上方；顶电极；和压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间，其中：所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；所述顶电极的连接部分处设置有梁结构，所述梁结构包括第一梁部，所述第一梁部在谐振器的厚度方向的投影落入所述声学镜的区域内，第一梁部形成的空隙具有梁隙高度和第一梁隙宽度。

可选的，所述第一梁隙宽度在0.75um到3.5um之间。更进一步的，所述第一梁隙宽度为0.75um到2um，进一步可选的，所述第一梁隙宽度约为1um。

可选的，所述梁隙高度在100a-4000a范围内。

可选的，所述梁结构还包括第二梁部，所述第二梁部在谐振器的厚度方向的投影处于声学镜的区域之外且与所述底电极重叠，所述第二梁部具有所述梁隙高度和第二梁隙宽度。进一步可选的，所述第二梁隙宽度在2um-8um范围内。

可选的，所述谐振器还包括在所述顶电极一侧的边缘形成的檐结构，所述檐结构沿谐振器的厚度方向的投影落入所述声学镜的区域内，所述檐结构形成的空隙具有檐隙高度和檐隙宽度。可选的，所述檐隙宽度不同于所述梁结构的第一梁隙宽度。

可选的，所述谐振器的有效机电耦合系数在参照谐振器的有效机电耦合系数的95％-102％的范围内，更进一步的，所述谐振器的有效机电耦合系数与参照谐振器的有效机电耦合系数相同。

根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种体声波谐振器的有效机电耦合系数的控制方法。所述谐振器包括：基底；声学镜；底电极，设置在基底上方；顶电极；和压电层，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间，其中：所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；所述顶电极一侧的边缘形成檐结构，所述檐结构沿谐振器的厚度方向的投影落入所述声学镜的区域内，所述檐结构形成的空隙具有檐隙宽度；所述顶电极的连接部分处设置有梁结构，所述梁结构包括第一梁部和第二梁部，所述第一梁部在谐振器的厚度方向的投影落入所述声学镜的区域内，第一梁部形成的空隙具有第一梁隙宽度，所述第二梁部在谐振器的厚度方向的投影处于声学镜的区域之外且与所述底电极重叠。所述方法包括步骤：选择所述檐隙宽度和所述第一梁隙宽度，使得所述谐振器的有效机电耦合系数在参照谐振器的有效机电耦合系数的95％-102％的范围内。可选的，选择所述檐隙宽度和所述第一梁隙宽度，使得所述谐振器的有效机电耦合系数与参照谐振器的有效机电耦合系数相同。可选的，所述方法包括选择梁隙高度和/或檐隙高度。

根据本发明的实施例的还一方面，提出了一种滤波器，包括：串联支路，包括多个串联谐振器；多个并联支路，每个并联支路包括至少一个并联谐振器，其中：所述至少一个并联谐振器和所述多个串联谐振器中的至少一个谐振器的有效机电耦合系数不同于其他谐振器的有效机电耦合系数，所述至少一个谐振器具有上述的第一梁隙宽度或者檐隙宽度。进一步的，至少两个谐振器基于所述第一梁隙宽度不同或所述檐隙宽度不同，而具有彼此不同的有效机电耦合系数。或者所述至少两个谐振器基于所述第一梁隙宽度与所述檐隙宽度不同，而具有彼此不同的有效机电耦合系数。

根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种滤波器，包括：串联支路，包括多个串联谐振器；多个并联支路，每个并联支路包括至少一个并联谐振器，其中：所述至少一个并联谐振器和所述多个串联谐振器中的至少一个谐振器具有上述的梁结构和上述的檐结构，且所述至少一个谐振器的有效机电耦合系数在参照谐振器的有效机电耦合系数的95％-102％的范围内。进一步的，所述至少一个谐振器的有效机电耦合系数与参照谐振器的有效机电耦合系数相同。

本发明的实施例还涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者谐振器。

附图说明

以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：

图1为现有技术中的体声波谐振器的结构示意图；

图2为图1中的体声波谐振器的有效区域的等效机电模型图；

图3为图1中的体声波谐振器的bvd模型；

图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的结构示意图；

图5为图4中的体声波谐振器的bvd模型；

图6为图4中的体声波谐振器的有效区域的等效机电模型图；

图7为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的结构示意图；

图8为图7中的体声波谐振器的有效区域的等效机电模型图；

图9为图7中的体声波谐振器的bvd模型；

图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的结构示意图；

图11为不同的梁结构尺寸(梁隙宽度)情况下，檐结构尺寸与体声波谐振器的并联阻抗的曲线图，其中，横轴为檐结构的尺寸，纵轴为并联阻抗值；

图12为体声波谐振器中存在的横向传播的s0、s1、a0、a1四种兰姆波模式的典型色散曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

图1为现有技术中的谐振器的基本结构示意图，图1中c所示区域为谐振器的有效区域，由主体区域b和临界区域a组成，含顶电极500、压电层400、底电极300、声学镜200和高阻硅基底100。当给谐振器施加特定频率的交流电时，因压电层400材料具有逆压电效应，电能会转换成机械能，此机械能主要表现为与压电层表面垂直的活塞声波模式。而谐振器的边界结构会显著影响谐振器性能，具体来看，谐振器有效区域在顶电极连接边和非连接边的边界情况不同，在图1中，左侧表示顶电极非连接边情况，右侧表示顶电极连接边情况。可以看到，在有效区域的左侧，声波会通过悬空的压电层和底电极传播到基底100及其上方的压电层400中；而在有效区域右侧，声波会通过a2区域泄露到高阻硅基底100和压电层400中。而在区域a2中，由于压电层上下均有电极，因此形成了一个同频率的高次调谐型体声波谐振器，从而会消耗更多的声波能量。声能的泄露会导致器件的并联阻抗rp降低、有效机电耦合系数降低，最终造成器件的整体性能降低。

有效区域c可认为是有效区域b与临界区域a并联而成，其等效机电模型如图2所示，其总电容c1为：

c1＝cb+ca(1)

图1所示图形的bvd模型如图3所示，其串联谐振频率、并联谐振频率、有效机电耦合系数分别为：

为改善器件有效区域右侧的性能，可将顶电极500在顶电极的连接边一侧加工成梁结构700，如图4所示。图4中b所示区域为谐振器的有效区域，具有第一声阻抗；a为梁结构700在有效区域内部的距离，有效区域内梁结构700距离压电层400的高度为a。

有效区域b与梁结构700的在区域a的部分(对应于第一梁部)的等效机电模型如图6所示，cb为b区域的电容。ceq2为腔ba的电容cair与压电层400材料的电容ca串联而成。各公式为：

c2＝cb+ceq2(7)

通过公式(5)得知：区域a的空气电容与区域a的长度成正比。由公式(6)得知：ceq2小于ca；对比公式(1)和公式(7)得知：c2小于c1，即梁部增加使谐振器电容较基准情况降低。

图4所示图形的bvd模型如图5所示，其串联谐振频率、并联谐振频率、有效机电耦合系数分别为：

对比公式(2)和公式(8)可知，梁部的增加不改变谐振器的串联谐振频率。对比公式(3)和公式(9)可知，因c1大于c2，可知ωp小于ωp,2，即梁部的增加使谐振器的并联谐振频率增大。对于公式(4)和(10)可知，小于即梁部的增加使谐振器的有效机电耦合系数增大。而梁的引入又使得a2区域的高次调谐型谐振器在主谐振器工作频率变成一个较小的等效电容，减少了声波能量的消耗，从而有助于提高谐振器的整体有效机电耦合系数。

基于以上，本发明提出了一种体声波谐振器，包括：

基底100；

声学镜200；

底电极300，设置在基底上方；

顶电极500；和

压电层400，设置在底电极上方以及底电极与顶电极之间，

其中：

所述声学镜200、底电极300、压电层400和顶电极500在谐振器厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域b；

所述顶电极的连接部分处设置有梁结构700，所述梁结构包括第一梁部，所述第一梁部在谐振器的厚度方向的投影落入所述声学镜的区域内，第一梁部形成的空隙具有梁隙高度a和第一梁隙宽度a。

在可选的实施例中，所述第一梁隙宽度a在0.75um到3.5um之间。或者，所述第一梁隙宽度a约为所述谐振器的并联频率处主谐振区域的s1模式兰姆波波长的四分之一(参见图12)；或者所述第一梁隙宽度a在所述谐振器的并联频率处主谐振区域的s1模式兰姆波波长的四分之一与所述谐振器的并联频率处主谐振区域的s0模式兰姆波波长的四分之一(参见图12)之间。

进一步的实施例中，所述第一梁隙宽度为0.75um到2um。更进一步的，所述第一梁隙宽度约为1um或2um。

在体声波谐振器工作时，三明治结构中会产生大量的振动，若将这些振动按照其频率(f)和波数(k)的关系绘制成色散曲线，则可获得多种模式的曲线。图12是体声波谐振器中存在的横向传播的s0、s1、a0、a1四种兰姆波模式的典型色散曲线图，该色散曲线的数值由谐振器的层叠结构具体决定。其纵轴为振动频率，横轴为波数(k)，相应的波长为λ＝2π/k。如图12所示，其中1种模式的曲线称为s1模式，振动频率为并联谐振频率fp时，对应的波数为kp，而s1模式的波长λ定义为下式：

在可选的实施例中，所述梁隙高度d在100a-4000a范围内，例如可以为100a，300a，500a，2000a，4000a等。

如图4所示，所述梁结构700还包括第二梁部(对应于图4中的a2部分)，所述第二梁部在谐振器的厚度方向的投影处于声学镜的区域之外且与所述底电极重叠，所述第二梁部具有所述梁隙高度d和第二梁隙宽度a2。可选的，所述第二梁隙宽度在2um-8um范围内，例如可以为2um、4um、6um、8um等。

为改善声波在有效区域左侧的声波泄露情况，可将顶电极110在左侧加工一种檐结构600，其长度为d，具有第二声阻抗，如图7所示。檐结构600所具有第二声阻抗与有效区域b的第一声阻抗不匹配，从而提升声波的反射能力和转换能力以及对寄生模式的抑制作用，使得谐振器的性能增加，其rp值进一步增加。除此之外，檐结构还能调整谐振器的电容。

图7中的有效区域b的等效机电模型如图8所示，cb为有效区域b的电容，ceq3为腔wa的电容cair3与压电层400材料的电容cd串联而成。各公式为：

c3＝cb+ca+ceq3(13)

对比公式(1)和公式(13)得知：c3大于c1，即檐部增加使谐振器电容较基准情况增加。

图7所示图形的bvd模型如图9所示，其串联谐振频率、并联谐振频率、有效机电耦合系数分别为：

对比公式(2)和公式(14)可知，檐部的增加不改变谐振器的串联谐振频率。对比公式(3)和公式(15)可知，因c1小于c3，可知ωp大于ωp,3，即檐部的增加使谐振器的并联谐振频率减小。

对于公式(4)和(16)可知，大于即檐部的增加使谐振器的有效机电耦合系数减小。

由上可知，梁的增加会使有效机电耦合系数增加，而檐的增加会使有效机电耦合系数减小，故当谐振器的其他参数一定，可通过调整第一梁部的区域a的宽度和檐结构的区域d的宽度，使谐振器的有效机电耦合系数基本保持不变。

如图7所示，在所述顶电极一侧的边缘形成的檐结构600，所述檐结构600沿谐振器的厚度方向的投影落入所述声学镜的区域内，所述檐结构形成的空隙具有檐隙高度d和檐隙宽度d。所述檐隙宽度可在0.5um-7um范围内，例如0.5um、4um、5um、7um等。所述檐隙高度可与梁隙高度相同。

另一方面，第一梁部的宽度a和檐隙宽度d还会影响rp的高低。对于某一特定膜层厚度组合，通过仿真不同梁檐结构尺寸的组合，从仿真结果(如图10所示)可以看到，当檐的宽度从0.5um变化至5um时，随着梁的宽度增加，从0.5um变化到3um时，谐振器的rp会有一个先上升后下降的现象，当梁的有效区域a的宽度为1um时，相同檐尺寸的谐振器的rp值均最高。进一步，当梁有效区域尺寸a为1um，檐尺寸为0.75um，1.75um，3um，3.75um时，会产生全局rp较高的最优解。可见，通过优化梁檐尺寸的组合而不是限定梁檐尺寸相等，会进一步提高谐振器性能，可保证有效机电耦合系数基本不变。而对于不同厚度的膜层组合情况，梁结构的可选宽度在0.75um到3.5um之间，进一步的，在0.75um到2um之间，约为并联频率fp处主谐振区域s1模式兰姆波波长的四分之一，或介于并联频率fp处主谐振区域s1模式兰姆波波长的四分之一和并联频率fp处主谐振区域s0模式兰姆波波长的四分之一之间。

图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的结构示意图。如图10所示，该谐振器具有基底100、声学镜200、底电极300、压电层400、顶电极500、檐结构600、梁结构700，b所示区域为谐振器的有效区域。在图10中，梁结构700具有第一梁部(对应于图10中的a所在区域)，梁结构700形成梁隙ba，檐结构600具有檐隙wa，檐隙的高度为d，梁隙的高度为a，檐隙的宽度为d，梁隙的第一梁部的宽度为a。

在本发明中，可以通过选择檐隙的尺寸(例如檐隙宽度)和第一梁隙的尺寸(例如第一梁隙宽度)，使得设置有檐结构和梁结构的谐振器的有效机电耦合系数在参照谐振器(与设置有檐结构和梁结构的谐振器相比，除了设置檐结构和梁结构之外，其他完全相同)的有效机电耦合系数的95％-102％的范围内，例如为95％、99％、100％、102％等。当然，也可以通过选择檐隙的尺寸(例如檐隙宽度)和第一梁隙的尺寸(例如第一梁隙宽度)，使得设置有檐结构和梁结构的谐振器的有效机电耦合系数与参照谐振器(与设置有檐结构和梁结构的谐振器相比，除了设置檐结构和梁结构之外，其他完全相同)的有效机电耦合系数不同。

在本发明中，也可以仅仅通过选择第一梁隙的尺寸(例如第一梁隙宽度)，使得设置有梁结构的谐振器的有效机电耦合系数与参照谐振器(与设置有梁结构的谐振器相比，除了设置梁结构之外，其他完全相同)的有效机电耦合系数不同。

基于以上，本发明也提出了一种体声波谐振器的有效机电耦合系数的控制方法，包括步骤：选择所述檐隙宽度和所述第一梁隙宽度，使得所述谐振器的有效机电耦合系数在参照谐振器的有效机电耦合系数的95％-102％的范围内。可选的，选择所述檐隙宽度和所述第一梁隙宽度，使得所述谐振器的有效机电耦合系数与参照谐振器的有效机电耦合系数相同。可选的，还可选择梁隙高度和/或檐隙高度来调整有效机电耦合系数。

相应的，本发明也提出了一种滤波器，包括：串联支路，包括多个串联谐振器；多个并联支路，每个并联支路包括至少一个并联谐振器，其中：所述至少一个并联谐振器和所述多个串联谐振器中的至少一个谐振器的有效机电耦合系数不同于其他谐振器的有效机电耦合系数，所述至少一个谐振器设置有上述的梁结构。

可选的，所述并联谐振器和所述多个串联谐振器中的至少两个谐振器均设置有上述的梁结构和檐结构，且所述至少两个谐振器基于所述第一梁隙宽度与所述檐隙宽度不同，而具有彼此不同的有效机电耦合系数。

或者可选的，所述并联谐振器和所述多个串联谐振器中的至少两个谐振器均设置有上述的梁结构和檐结构，且所述至少两个谐振器基于所述第一梁隙宽度与所述檐隙宽度不同，而具有彼此不同的有效机电耦合系数。

本发明也提出了一种滤波器，包括：串联支路，包括多个串联谐振器；多个并联支路，每个并联支路包括至少一个并联谐振器，其中：所述至少一个并联谐振器和所述多个串联谐振器中的至少一个谐振器包括上述的檐结构和梁结构，且所述至少一个谐振器的有效机电耦合系数在参照谐振器的有效机电耦合系数的95％-102％的范围内。可选的，所述至少一个谐振器的有效机电耦合系数与参照谐振器的有效机电耦合系数相同。

下面示例性的简单说明根据本发明的体声波谐振器的部件的材料。

在本发明中，电极组成材料可以是金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)，钌(ru)、铱(ir)、钛钨(tiw)、铝(al)、钛(ti)、锇(os)、镁(mg)、金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)、钌(ru)、铱(ir)、锗(ge)、铜(cu)、铝(al)、铬(cr)、砷掺杂金等类似金属形成。

在本发明中，压电层材料可以为氮化铝(aln)、掺杂氮化铝(dopedaln)氧化锌(zno)、锆钛酸铅(pzt)、铌酸锂(linbo3)、石英(quartz)、铌酸钾(knbo3)或钽酸锂(litao3)等材料，其中掺杂aln至少含一种稀土元素，如钪(sc)、钇(y)、镁(mg)、钛(ti)、镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)等。

在本发明中，基底材料包括但不限于：单晶硅(si)，砷化镓(gaas)，蓝宝石，石英等。

本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者谐振器。需要指出的是，这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、wifi、无人机等终端产品。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。