体声波谐振器和滤波器的制作方法

1.本公开涉及谐振器技术领域，具体而言，涉及一种体声波谐振器和滤波器。


背景技术：

2.随着无线通讯技术的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频区域的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。体声波滤波器(baw)由于采用体声波作为信号传输媒介，相对于其他滤波器其功率容量高，其具有工作频率高、q值高、cmos工艺兼容、低损耗、低温度系数等优势已逐渐成为射频滤波器研究的热点。
3.体声波谐振器的结构主体由电极
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压电层
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电极组成，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，体声波谐振器能够利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。现有的体声波谐振器在压电层内传播时会引发上电极和下电极沿压电层的水平方向的变形和震荡，并向外传播、反射甚至引发二次声波或驻波，从而进一步影响体声波谐振器的品质因子。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种体声波谐振器和滤波器，其能够减少声波简并，从而减少杂波谐振峰、减少伪模态，以获得较纯净的大机电耦合系数的主模。
5.本公开的实施例是这样实现的：
6.本公开的一方面，提供一种体声波谐振器，该体声波谐振器包括具有空腔的衬底和依次设置于衬底上的底电极、压电层和顶电极；底电极、压电层和顶电极分别在衬底上的正投影的重合区域形成谐振区域；在谐振区域内，底电极和顶电极分别在衬底上的正投影的轮廓形状为由m条弧线首尾连接形成的封闭图形，且封闭图形为轴对称图形；其中，m为大于或等于2的整数，且弧线包括朝向谐振区域的中心凹设的内凹弧线和背向谐振区域的中心外凸的外凸弧线。该体声波谐振器能够减少声波简并，从而减少杂波谐振峰、减少伪模态，以获得较纯净的大机电耦合系数的主模。
7.可选地，内凹弧线和外凸弧线呈交替设置。
8.可选地，弧线包括依次首尾连接的第一弧线和第二弧线，第一弧线为外凸弧线，第二弧线为内凹弧线。
9.可选地，弧线包括依次首尾连接的第一弧线、第二弧线、第三弧线和第四弧线，第一弧线和第三弧线均为外凸弧线且相对第一方向呈对称设置，第二弧线和第四弧线均为内凹弧线且相对第二方向呈对称设置；其中，第一方向和第二方向垂直设置。
10.可选地，弧线包括依次首尾连接的第一弧线、第二弧线、第三弧线、第四弧线、第五弧线、第六弧线、第七弧线和第八弧线；第一弧线、第三弧线、第五弧线和第七弧线均为外凸弧线，第二弧线、第四弧线、第六弧线和第八弧线均为内凹弧线。
11.可选地，压电层的材料为氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅以及掺钪氮化铝中的任意一种。
12.可选地，底电极的材料为钼、铝、铂、银、钨和金中的任意一种。
13.可选地，顶电极的材料为钼、铝、铂、银、钨和金中的任意一种。
14.可选地，在谐振区域内，压电层在衬底上的正投影的轮廓形状为由m条弧线首尾连接形成的封闭图形，且封闭图形为轴对称图形；其中，m为大于或等于2的整数，且弧线包括朝向谐振区域的中心凹设的内凹弧线和背向谐振区域的中心外凸的外凸弧线。
15.本公开的另一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括上述的体声波谐振器。
16.本公开的有益效果包括：
17.本技术提供的体声波谐振器，包括具有空腔的衬底和依次设置于衬底上的底电极、压电层和顶电极；底电极、压电层和顶电极分别在衬底上的正投影的重合区域形成谐振区域；在谐振区域内，底电极和顶电极分别在衬底上的正投影的轮廓形状为由m条弧线首尾连接形成的封闭图形，且封闭图形为轴对称图形；其中，m为大于或等于2的整数，且弧线包括朝向谐振区域的中心凹设的内凹弧线和背向谐振区域的中心外凸的外凸弧线。本技术通过将顶电极和底电极设置成由外凸弧线和内凹弧线围合形成的封闭且对称图形，能够有效减少同一反射点反复出现的概率，从而可以减少在水平面产生的不需要的声波简并，导致不需要的声波振动模态相互抵消，从而使得不需要的吸收光谱尖峰的简并性大大降低，进而减少杂波谐振峰、减少伪模态，以获得较纯净的大机电耦合系数的主模。本技术提供的体声波谐振器能够有效地改善其自身的品质因子。
附图说明
18.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本公开的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本发明实施例提供的体声波谐振器的结构示意图；
20.图2为本发明实施例提供的底电极和顶电极在衬底上的正投影的轮廓形状示意图之一；
21.图3为本发明实施例提供的底电极和顶电极在衬底上的正投影的轮廓形状示意图之二；
22.图4为本发明实施例提供的底电极和顶电极在衬底上的正投影的轮廓形状示意图之三；
23.图5为图4对应阻抗效果图。
24.图标：10
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衬底；11
‑
空腔；20
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底电极；30
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压电层；40
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顶电极；50
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谐振区域；a
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第一方向；b
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第二方向。
具体实施方式
25.下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求的范围内。
26.应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
27.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底10)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底10)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
28.诸如“在
…
下方”或“在
…
上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。应当理解，这些术语和上文所论述的那些术语意图涵盖装置的除图中所描绘的取向之外的不同取向。
29.本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。
30.除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。
31.请参照图1，本实施例提供一种体声波谐振器，该体声波谐振器包括具有空腔11的衬底10和依次设置于衬底10上的底电极20、压电层30和顶电极40；底电极20、压电层30和顶电极40分别在衬底10上的正投影的重合区域形成谐振区域50；在谐振区域50内，底电极20和顶电极40分别在衬底10上的正投影的轮廓形状为由m条弧线首尾连接形成的封闭图形，且封闭图形为轴对称图形；其中，m为大于或等于2的整数，且弧线包括朝向谐振区域50的中心凹设的内凹弧线和背向谐振区域50的中心外凸的外凸弧线。该体声波谐振器能够减少声波简并，从而减少杂波谐振峰、减少伪模态，以获得较纯净的大机电耦合系数的主模。
32.其中，压电层30位于顶电极40和底电极20之间，在顶电极40和底电极20之间施加电压时，体声波谐振器可以在压电层30对应顶电极40和底电极20的区域内产生电场；根据逆压电效应，在压电层30产生的电能将会转换为以声波形式存在的机械能，且该声波是沿电场的方向传播的，即对应至图1中则为沿竖直方向传播。
33.在本实施例中，压电层30的材料为氮化铝、铌酸锂、钽酸锂和锆钛酸铅中的任意一
种。另外，在本实施例中，该压电层30还可以选用掺杂有稀土元素的压电材料，例如掺钪氮化铝。在本实施例中，底电极20和顶电极40的材料均可以为钼、铝、铂、银、钨和金中的任意一种。
34.如图1所示，谐振区域50即为底电极20、压电层30和顶电极40分别在衬底10上的正投影的重合区域，该谐振区域50即为谐振器的工作区域。由于谐振区域50属于本领域技术人员所熟知，故本技术对此不再赘述。
35.如图2至图4所示，在谐振区域50内，底电极20和顶电极40分别在衬底10上的正投影的轮廓形状由m条弧线首尾连接组成，且该轮廓形状为呈轴对称的封闭图形。其中，m为大于或等于2的整数。简言之，底电极20和顶电极40分别在衬底10上的正投影为由全弧线组成的封闭对称图形。
36.需要说明的是，当在顶电极40和底电极20之间施加电压时，由于压电层30的压电材料的逆压电效应，不同的压电应力系数耦合生成的机械应力可以激发在压电层30内纵向传播的声波，从而对应不同的振动模态，和滤波器吸收谱中的吸收带的谐波序列。这些频带将具有f＝ν
×
n/(2h)的中心频率，其中，ν为传播模态的声速，h为该模态传播的厚度(对应至图1中则为压电层30的厚度)，n为相同频率的反射点的个数。当具有相同频率的反射点的数量越多(即n值越大)，就会发生声波简并，从而形成共振模态，对应吸收谱中的谐振峰的振幅就越高。其中，这些声波的反射点主要产生在顶电极40和底电极20的表面以及边缘的密度突变处和空腔11的边缘处。另外，由于逆压电效应，在水平方向上也会产生声波(即横波)，当相同频率的反射点的数量增加时，也会形成杂波谐振峰，从而对器件获取纯净的谐振峰模态造成影响。本技术通过将谐振区域50的底电极20和顶电极40的形状设计成上述由m条弧线连接形成的封闭且对称图形，且弧线包括内凹弧线和外凸弧线，这样，能够有效增加声波的反射路径，进而能够有效减少自该反射点反射的声波在电极边缘处被反射回该反射点的概率(如图4所示，虚线是水平面上产生的声波的传播路径，从a点到b点，经过了多个反射点，本技术提供的顶电极40和底电极20的形状能够有效减少同一反射点反复出现的概率，从而可以减少在水平面产生的不需要的声波简并)，这样就能有效降低n值，导致不需要的吸收光谱尖峰的简并性大大降低，从而减少杂波谐振峰。
37.还有，需要说明的是，在本实施例中，封闭图形为轴对称图形。在这里，术语“对称”并不特指数学意义上的绝对对称，也可以包括近似对称的范围。即该封闭图形为轴对称图形仅是指相对封闭图形为不对称图形而言是呈对称设置的。以图3为例，图3中的第一弧线c1和第三弧线c2相对第一方向a呈左右近似对称设置，第二弧线c2和第四弧线c4相对第二方向b呈上下近似对称设置。
38.综上所述，本技术提供的体声波谐振器，包括具有空腔11的衬底10和依次设置于衬底10上的底电极20、压电层30和顶电极40；底电极20、压电层30和顶电极40分别在衬底10上的正投影的重合区域形成谐振区域50；在谐振区域50内，底电极20和顶电极40分别在衬底10上的正投影的轮廓形状为由m条弧线首尾连接形成的封闭图形，且封闭图形为轴对称图形；其中，m为大于或等于2的整数，且弧线包括朝向谐振区域50的中心凹设的内凹弧线和背向谐振区域50的中心外凸的外凸弧线。本技术通过将顶电极40和底电极20设置成由内凹弧线和外凸弧线围合形成的封闭且对称图形，能够有效增加声波的反射路径，进而减少同一反射点反复出现的概率，从而可以减少在水平面产生的不需要的声波简并，导致不需要
的声波振动模态相互抵消，从而使得不需要的吸收光谱尖峰的简并性大大降低，进而减少杂波谐振峰、减少伪模态，以获得较纯净的大机电耦合系数的主模。本技术提供的体声波谐振器能够有效地改善其自身的品质因子。
39.请参照图2至图4所示，可选地，在本实施例中，弧线包括朝向谐振区域50的中心凹设的内凹弧线和背向谐振区域50的中心外凸的外凸弧线。其中，弧线的曲率半径本技术不做限制，本领域技术人员可以根据实际情况自行确定，只要是平滑的弧线即可。还有，在本实施例中，弧线的数量大于或等于2条，具体的弧线数量及各自对应的长度本技术不做限定，本领域技术人员可以根据谐振区域50的大小自行选定。
40.需要说明的是，以图4为例，弧线c1、弧线c3、弧线c5和弧线c7均为外凸弧线；弧线c2、弧线c4、弧线c6和弧线c8均为内凹弧线。内凹弧线的顶点靠近谐振区域50的中心，外凸弧线的顶点远离谐振区域50的中心，本领域技术人员根据上述文字结合图4可以清楚知悉，故本技术不再赘述。
41.在一种实施例中，请参照图2至图4所示，可选地，m为大于或等于2的整数，且内凹弧线和外凸弧线呈交替设置。简言之，顶电极40和底电极20在衬底10上的正投影的轮廓形状为由全弧线组成的封闭图形，且内凹弧线和外凸弧线呈交替设置。
42.示例地，在第一种情况下，顶电极40和底电极20在衬底10上的正投影的轮廓形状还可以如图2所示，此时，弧线包括依次首尾连接的第一弧线c1和第二弧线c2，第一弧线c1为外凸弧线，第二弧线c1为内凹弧线。如图2所示，这种情况下，该封闭图形类似月牙形。
43.示例地，在第二种情况下，顶电极40和底电极20在衬底10上的正投影的轮廓形状还可以如图3所示，此时，弧线包括依次首尾连接的第一弧线c1、第二弧线c2、第三弧线c3和第四弧线c4，第一弧线c1和第三弧线c3均为外凸弧线且相对第一方向a呈对称设置，第二弧线c2和第四弧线c4均为内凹弧线且相对第二方向b呈对称设置；其中，第一方向a和第二方向b垂直设置。
44.示例地，在第三种情况下，顶电极40和底电极20在衬底10上的正投影的轮廓形状还可以如图4所示，此时，弧线包括依次首尾连接的第一弧线c1、第二弧线c2、第三弧线c3、第四弧线c4、第五弧线c5、第六弧线c6、第七弧线c7、第八弧线c8；其中，第一弧线c1和第三弧线c5均为外凸弧线且相对第二方向b呈对称设置，第二弧线c2和第八弧线c8均为内凹弧线且相对第一方向a呈对称设置，第三弧线c3和第七弧线c7均为外凸弧线且相对第一方向a呈对称设置，第四弧线c4和第六弧线c6均为内凹弧线且相对第一方向a呈对称设置；其中，第一方向a和第二方向b垂直设置。
45.此时，请参照图5所示，图5为图4的阻抗效果图，本技术通过对顶电极40和底电极20的形状进行上述改进，得到的响应曲线的平滑度较佳，阻抗毛刺的尖峰和凹陷部分相互弥补效果良好，能够显著提升滤波器响应曲线的平滑度。
46.另外，本技术除了将顶电极40和底电极20在衬底10上的正投影的轮廓形状设计为全弧线的形式之外，可选地，在谐振区域50内，压电层30在衬底10上的正投影的轮廓形状也可以为由m条弧线首尾连接形成的封闭图形，且封闭图形为轴对称图形；其中，m为大于或等于2的整数，且弧线包括朝向谐振区域50的中心凹设的内凹弧线和背向谐振区域50的中心外凸的外凸弧线。
47.即，压电层30在谐振区域50内的轮廓形状也可以与顶电极40和底电极20在谐振区
域50内的轮廓形状相似。这样，可以进一步充分反射压电层30中的声波，使不需要的声波振动模态相互抵消，获得纯净的大机电耦合系数的主模。
48.本公开的另一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括上述的体声波谐振器。其中，该体声波谐振器的具体结构及其有益效果均已在前文做了详细阐述与说明，故在此不再赘述。
49.其中，该滤波器可以由两个或多个体声波谐振器搭建而成，由于谐振器与滤波器的搭建方式为本领域技术人员所熟知，故本技术对此不再赘述。另外，需要说明的，当谐振器的数量大于2时，每个谐振器各自的顶电极40和底电极20的轮廓形状可以与其他谐振器的顶电极40和底电极20的轮廓形状相同，也可以不同，本技术不做限制，本领域技术人员可以根据实际需求而定。
50.以上所述仅为本公开的可选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
51.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。