專利名稱：一種壓電諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種諧振器，尤其是涉及一種壓電諧振器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代通訊、導(dǎo)航設(shè)備、計算機(jī)、家用電器和醫(yī)療檢測等電子設(shè)備中，包含了大量的電子諧振器等頻率器件。然而，隨著科技的快速發(fā)展，對電子設(shè)備提出了越來越多的功能需求，這就對頻率器件的要求也越來越高、越來越多，比如微型化、高頻率、高性能、低功耗和低成本等。頻率器件通常采用的技術(shù)有微波介質(zhì)陶瓷技術(shù)、聲表面波技術(shù)和體聲波技術(shù)。微波介質(zhì)陶瓷諧振 器雖然具有很好的性能，但是體積較大；聲表面波諧振器(SAW)雖然體積較小，但是存在工作頻率不高、插入損耗較大、功率容量較低、性能隨溫度變化漂移明顯等缺點(diǎn)；體聲波諧振器(BAW)綜合了微波介質(zhì)陶瓷諧振器和聲表面波諧振器的優(yōu)點(diǎn)，同時又克服兩者的缺點(diǎn)，其工作頻率高(600MHz 20GHz )、溫度系數(shù)小、容量大、體積小、成本低。壓電薄膜體聲波諧振器(Film bulk acoustic resonator,簡稱FBAR)是近十幾年來出現(xiàn)的一種體聲波諧振器。其基本結(jié)構(gòu)是由一層壓電薄膜材料加上上下金屬電極而構(gòu)成的層合板三明治結(jié)構(gòu)。當(dāng)一交變電壓信號作用于這一金屬-薄膜-金屬三明治結(jié)構(gòu)上時，處于中間層的壓電薄膜材料由于逆壓電效應(yīng)，會產(chǎn)生機(jī)械形變，會使壓電薄膜層隨著電場的變化而產(chǎn)生膨脹、收縮，從而形成振動。從技術(shù)原理上來講，F(xiàn)BAR采用體聲波技術(shù)，更重要的是，F(xiàn)BAR可以制作在陶瓷、硅片等基體上，其制作工藝能與半導(dǎo)體工藝兼容，是可以和射頻集成電路(RFIC)或單片微波集成電路(MMIC)集成的諧振器，符合現(xiàn)代電子器件發(fā)展的方向。常見的壓電薄膜體聲波諧振器有薄膜型、空氣隙型和固態(tài)裝配型三種類型。薄膜型和空氣隙型的壓電薄膜體聲波諧振器主要包括上層電極、壓電薄膜體、下層電極、支持層和襯底層，這種類型的壓電薄膜體聲波諧振器主要利用空氣的近似零阻抗來限制聲波或者能量從壓電薄膜體中漏出，使彈性波限制在諧振器中振動；固態(tài)裝配型的壓電薄膜體聲波諧振器主要包括上層電極、壓電薄膜體、下層電極、聲反射層和襯底層，聲反射層由四分之一聲波波長厚度的低阻抗材料與高阻抗材料相互交替組成，聲反射層用于阻止聲波或者能量傳入襯底層。上述各種類型的壓電薄膜體聲波諧振器在工作過程中會產(chǎn)生主振動模式(包括厚度拉伸振動模式和厚度剪切振動模式),還會產(chǎn)生寄生振動模式。寄生振動模式是由壓電薄膜體側(cè)面邊界引起的，其對壓電薄膜體聲波諧振器的頻率的穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利影響，因此有必要通過改進(jìn)諧振器的結(jié)構(gòu)來消除和減弱寄生模式的振動。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠有效地減弱或消除寄生振動模式，且能夠有效地提高機(jī)電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器。[0007]本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種壓電諧振器，包括工作區(qū)，所述的工作區(qū)由壓電薄膜層及形成于所述的壓電薄膜層的上表面上的上金屬電極和形成于所述的壓電薄膜層的下表面上的下金屬電極組成，其特征在于所述的壓電薄膜層由等高度的一個中心方柱壓電體和多個邊長各不相同的中空方柱狀壓電體組成，小邊長的所述的中空方柱狀壓電體同軸位于大邊長的所述的中空方柱狀壓電體內(nèi)，所述的中心方柱壓電體同軸位于具有最小邊長的所述的中空方柱狀壓電體內(nèi)。所述的中心方柱壓電體為實心的方柱狀壓電體或為空心的方柱狀壓電體。所述的中空方柱狀壓電體的壁厚與所述的中空方柱狀壓電體的高度之比為(0.5 1.5):1。所述的中心方柱壓電體和所述的中空方柱狀壓電體的高度均為0.5 4Mm。相鄰兩個所述的中空方柱狀壓電體之間的間隙的寬度為0.2 0.5Mm，具有最小邊長的所述的中空方柱狀壓電體與所述的中心方柱壓電體之間的間隙的寬度為0.2
0.5Wn。所述的間隙由空氣或非壓電材料填充。具有最大邊長的所述的中空方柱狀壓電體的對稱兩外壁之間的距離為50Mm
200觸。該壓電諧振器還包括襯底層和設(shè)置于所述的襯底層與所述的工作區(qū)之間的支持層，所述的襯底層沿高度方向延伸至所述的支持層的下表面開設(shè)有空氣間隙，所述的空氣間隙使所述的支持層的下表面與空氣直接接觸，并將聲波能量限制在所述的工作區(qū)內(nèi)。該壓電諧振器還包括襯底層和設(shè)置于所述的襯底層與所述的工作區(qū)之間的支持層，所述的襯底層的頂端開設(shè)有空氣隙，所述的空氣隙使所述的支持層的下表面與空氣直接接觸，并將聲波能量限制在所述的工作區(qū)內(nèi)。該壓電諧振器還包括襯底層和設(shè)置于所述的襯底層與所述的工作區(qū)之間且用于將聲波能量限制在所述的工作區(qū)內(nèi)的布拉格聲波反射層，所述的布拉格聲波反射層由多個厚度為四分之一聲波波長的高阻抗層和多個厚度為四分之一聲波波長的低阻抗層交替疊合而成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:利用等高度的一個中心方柱壓電體和多個邊長各不相同的中空方柱狀壓電體組成壓電薄膜層，且將小邊長的中空方柱狀壓電體同軸設(shè)置于大邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，將中心方柱壓電體同軸設(shè)置于具有最小邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，使得中心方柱壓電體與最小邊長的中空方柱狀壓電體及不同邊長的中空方柱狀壓電體之間存在方形間隙，這種結(jié)構(gòu)不僅減小了寄生振動模式的幅度，而且能夠有效地提高機(jī)電耦合系數(shù)(可達(dá)0.115)，相比現(xiàn)有的壓電薄膜體聲波諧振器，可提高約30 40%，同時能夠有效地提高品質(zhì)因數(shù)。

圖1為實施例一的壓電諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施例二的壓電諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實施例三的壓電諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為壓電薄膜層的俯視示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實施例一:本實施例提出的一種壓電諧振器，如圖1和圖4所示，其為薄膜型壓電諧振器，其包括工作區(qū)1、由硅材料制成的襯底層2和設(shè)置于襯底層2與工作區(qū)I之間的支持層3，工作區(qū)I由壓電薄膜層11及形成于壓電薄膜層11的上表面上的上金屬電極12和形成于壓電薄膜層11的下表面上的下金屬電極13組成，壓電薄膜層11由等高度的一個中心方柱壓電體111和多個邊長各不相同的中空方柱狀壓電體112組成，小邊長的中空方柱狀壓電體同軸位于大邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，中心方柱壓電體111同軸位于具有最小邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，襯底層2沿高度方向延伸至支持層3的下表面開設(shè)有空氣間隙21，即在由硅材料制成的襯底層2上通過硅體反面刻蝕形成空氣間隙21，該空氣間隙21使得支持層3的下表面與空氣直接接觸，并將聲波能量限制在工作區(qū)I內(nèi)。在本實施例中，一般要求中空方柱狀壓電體112的壁厚與中空方柱狀壓電體112的高度之比為(0.5 1.5):1，同時通過有限元數(shù)值驗證，表明中空方柱狀壓電體112的壁越薄越能提高壓電諧振器的綜合性能，但由于如果中空方柱狀壓電體112的壁太薄，則制作難度大，因此可以根據(jù)實際情況折衷考慮，如將中空方柱狀壓電體112的壁厚與中空方柱狀壓電體112的高度之比設(shè)為0.7:1 ;另一方面，如果在實際制作過程中，為了降低制作成本，則可適當(dāng)犧牲壓電諧振器的性能，即可增加中空方柱狀壓電體112的壁的厚度，如可將中空方柱狀壓電體112的壁厚與中空方柱狀壓電體112的高度之比設(shè)為1.2:1。在本實施例中，中心方柱壓電體111和中空方柱狀壓電體112的高度與現(xiàn)有的薄膜型壓電薄膜體聲波諧振器中的壓電薄膜體的高度類似，一般可將中心方柱壓電體111和中空方柱狀壓電體112的高度均設(shè)為0.5 4Mm，在實際加工過程中可將中心方柱壓電體111和中空方柱狀壓電體112的高度均設(shè)為2Mm，如果中空方柱狀壓電體112的壁厚與中空方柱狀壓電體112的高度之比為0.7:1，則中空方柱狀壓電體112的壁厚為1.4Mm。在本實施例中，可將相鄰兩個中空方柱狀壓電體112之間的間隙、具有最小邊長的中空方柱狀壓電體與中心方柱壓電體111之間的間隙的寬度W均設(shè)為0.2 0.5Mm,在實際加工過程中可將相鄰兩個中空方柱狀壓電體112之間的間隙、具有最小邊長的中空方柱狀壓電體與中心方柱壓電體111之間的間隙的寬度W均設(shè)為0.3Mm，在此每個方形間隙可由空氣或現(xiàn)有的非壓電材料填充。在本實施例中，可將具有最大邊長的中空方柱狀壓電體的外邊長即對稱兩外壁之間的距離設(shè)為50Mm 200Mm，在具體操作過程中可根據(jù)具體情況確定具有最大邊長的中空方柱狀壓電體的外邊長即對稱兩外壁之間的距離的具體值，如可將具有最大邊長的中空方柱狀壓電體的外邊長即對稱兩外壁之間的距離設(shè)為lOOMffl。實施例二:本實施例提出的一種壓電諧振器，如圖2和圖4所示，其為空氣隙型壓電諧振器，其包括工作區(qū)1、由硅材料制成的襯底層2和設(shè)置于襯底層2與工作區(qū)I之間的支持層3，工作區(qū)I由壓電薄膜層11及形成于壓電薄膜層11的上表面上的上金屬電極12和形成于壓電薄膜層11的下表面上的下金屬電極13組成，壓電薄膜層11由等高度的一個中心方柱壓電體111和多個邊長各不相同的中空方柱狀壓電體112組成，小邊長的中空方柱狀壓電體同軸位于大邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，中心方柱壓電體111同軸位于具有最小邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，襯底層2的頂端開設(shè)有空氣隙22，即可通過在由硅材料制成的襯底層2的上表面上去除部分娃片形成空氣隙22,該空氣隙22使支持層3的下表面與空氣直接接觸，并將聲波能量限制在工作區(qū)I內(nèi)。在本實施例中，中空方柱狀壓電體112的壁厚與中空方柱狀壓電體112的高度之t匕、中心方柱壓電體111和中空方柱狀壓電體112的高度、相鄰兩個中空方柱狀壓電體112之間的間隙的寬度、具有最小邊長的中空方柱狀壓電體與中心方柱壓電體111之間的間隙的寬度等可結(jié)合具體情況根據(jù)實施例一給出的范圍確定具體值。實施例三:本實施例提出的一種壓電諧振器，如圖3和圖4所示，其為固態(tài)裝配型壓電諧振器，其包括工作區(qū)1、由硅材料制成的襯底層2和設(shè)置于襯底層2與工作區(qū)I之間且用于將聲波能量限制在工作區(qū)內(nèi)的布拉格聲波反射層4，工作區(qū)I由壓電薄膜層11及形成于壓電薄膜層11的上表面上的上金屬電極12和形成于壓電薄膜層11的下表面上的下金屬電極13組成，壓電薄膜層11由等高度的一個中心方柱壓電體111和多個邊長各不相同的中空方柱狀壓電體112組成，小邊長的中空方柱狀壓電體同軸位于大邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，中心方柱壓電體111同軸位于具有最小邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，布拉格聲波反射層4由多個厚度為四分之一聲波波長的高阻抗層41和多個厚度為四分之一聲波波長的低阻抗層42交替疊合而成，高阻抗層41和低阻抗層42按照低阻抗層-高阻抗層-低阻抗層-高阻抗層-低阻抗層-高阻抗層的順序交替疊合成布拉格聲波反射層4。在本實施例中，中空方柱狀壓電體112的壁厚與中空方柱狀壓電體112的高度之t匕、中心方柱壓電體111和中空方柱狀壓電體112的高度、相鄰兩個中空方柱狀壓電體112之間的間隙的寬度、具有最小邊長的中空方柱狀壓電體與中心方柱壓電體111之間的間隙的寬度等可結(jié)合具體情況根據(jù)實施例一給出的范圍確定具體值。在本實施例中，高阻抗層41的材料為鎢或鉬等，低阻抗層42的材料為錳或氧化鋅
坐寸ο上述實施例一和實施例二中，支持層3為由硅材料制成的薄膜。上述三個實施例中，襯底層2的材料為硅；壓電薄膜層11的材料為氮化鋁(A1N)、或為氧化鋅(ZnO)、或為錯鈦酸鉛(PZT)或為其它壓電材料。上述三個實施例中，可將中心方柱壓電體111設(shè)計為實心結(jié)構(gòu)的方柱狀壓電體，也可以將其設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)的方柱狀壓電體，通過有限元數(shù)值分析驗證，表明采用實心結(jié)構(gòu)的方柱狀壓電體和采用空心結(jié)構(gòu)的方柱狀壓電體在壓電諧振器的綜合性能上相差不大，一般在1%左右(實心結(jié)構(gòu)的方柱狀壓電體優(yōu)于空心結(jié)構(gòu)的方柱狀壓電體)。在上述三個實施例中，也可將中心方柱壓電體111和多個邊長各不相同的中空方柱狀壓電體112設(shè)計成橫截面為矩形的柱狀壓電體。
權(quán)利要求1.一種壓電諧振器，包括工作區(qū)，所述的工作區(qū)由壓電薄膜層及形成于所述的壓電薄膜層的上表面上的上金屬電極和形成于所述的壓電薄膜層的下表面上的下金屬電極組成，其特征在于所述的壓電薄膜層由等高度的一個中心方柱壓電體和多個邊長各不相同的中空方柱狀壓電體組成，小邊長的所述的中空方柱狀壓電體同軸位于大邊長的所述的中空方柱狀壓電體內(nèi)，所述的中心方柱壓電體同軸位于具有最小邊長的所述的中空方柱狀壓電體內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電諧振器，其特征在于所述的中心方柱壓電體為實心的方柱狀壓電體或為空心的方柱狀壓電體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種壓電諧振器，其特征在于所述的中空方柱狀壓電體的壁厚與所述的中空方柱狀壓電體的高度之比為(0.5 1.5):1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種壓電諧振器，其特征在于所述的中心方柱壓電體和所述的中空方柱狀壓電體的高度均為0.5 4Mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種壓電諧振器，其特征在于相鄰兩個所述的中空方柱狀壓電體之間的間隙的寬度為0.2 0.5Mm，具有最小邊長的所述的中空方柱狀壓電體與所述的中心方柱壓電體之間的間隙的寬度為0.2 0.5Mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種壓電諧振器，其特征在于所述的間隙由空氣或非壓電材料填充。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種壓電諧振器，其特征在于具有最大邊長的所述的中空方柱狀壓電體的對稱兩外壁之間的距離為50Mm 200Mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種壓電諧振器，其特征在于該壓電諧振器還包括襯底層和設(shè)置于所述的襯底層與所述的工作區(qū)之間的支持層，所述的襯底層沿高度方向延伸至所述的支持層的下表面開設(shè)有空氣間隙，所述的空氣間隙使所述的支持層的下表面與空氣直接接觸，并將聲波能量限制在所述的工作區(qū)內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種壓電諧振器，其特征在于該壓電諧振器還包括襯底層和設(shè)置于所述的襯底層與所述的工作區(qū)之間的支持層，所述的襯底層的頂端開設(shè)有空氣隙，所述的空氣隙使所述的支持層的下表面與空氣直接接觸，并將聲波能量限制在所述的工作區(qū)內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種壓電諧振器，其特征在于該壓電諧振器還包括襯底層和設(shè)置于所述的襯底層與所述的工作區(qū)之間且用于將聲波能量限制在所述的工作區(qū)內(nèi)的布拉格聲波反射層，所述的布拉格聲波反射層由多個厚度為四分之一聲波波長的高阻抗層和多個厚度為四分之一聲波波長的低阻抗層交替疊合而成。
專利摘要本實用新型公開了一種壓電諧振器，包括工作區(qū)，工作區(qū)由壓電薄膜層及形成于壓電薄膜層的上表面上的上金屬電極和形成于壓電薄膜層的下表面上的下金屬電極組成，壓電薄膜層由等高度的一個中心方柱壓電體和多個邊長各不相同的中空方柱狀壓電體組成，小邊長的中空方柱狀壓電體同軸位于大邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，中心方柱壓電體同軸位于具有最小邊長的中空方柱狀壓電體內(nèi)，優(yōu)點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)不僅減小了寄生振動模式的幅度，而且能夠有效地提高機(jī)電耦合系數(shù)。
文檔編號H03H9/02GK203071890SQ201320011348
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月9日
發(fā)明者黃德進(jìn), 張文亮, 羅昕逸, 王驥, 杜建科 申請人:寧波大學(xué)