声谐振器的制作方法

1.本技术要求于2018年8月20日提交的美国临时申请第62/720,107号和于2018年8月20日提交的美国临时申请第62/720,111号的优先权，并且通过引用将这两个在先申请的全部内容并入本文。


背景技术：

2.本发明涉及谐振器，并且更具体地涉及改变谐振器薄膜的形状或形式。


技术实现要素：

3.薄膜体声谐振器(fbar或tfbar)由夹在两个电极之间并与周围介质声学隔离的压电材料组成。使用压电薄膜的fbar装置通常在100mhz到10ghz的频率范围内谐振。厚度范围从几微米到几十微米的氮化铝(aln)和氧化锌(zno)是fbar中使用的两种常见压电材料。
4.broadcom
tm
(以前的avago technologies)是fbar装置的主要制造商之一。avago fbar的主要应用是在4g蜂窝电话中，并且它们具有极高的需求。avago fbar存在于和旗舰产品中，并且没有足够的制造能力来满足整个市场需求。avago几乎完全集中在生产用于蜂窝电话的fbar——其它正交市场除外。国内制造能力限制了avago fbar的可用性。
5.因此，长期以来需要改进的fbar。
附图说明
6.在附图中以举例而非限制的方式绘示了本发明，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：
7.图1a绘示了简化的薄膜体声谐振器(fbar)结构的侧视图的一个实施例。
8.图1b绘示了简化的固态装配谐振器(smr)结构的侧视图的一个实施例。
9.图2a和图2b示出了具有正方形fbar谐振器的脉冲模拟。
10.图2c绘示了重复孔眼掩模的波衍射效应。
11.图3a绘示了高帽电场的简单模型。
12.图3b绘示了图3a的高帽电场的简单模型的应力图。
13.图3c示出了基于从低波数截止到高波数截止(谐振器脉冲响应)的傅立叶分量的更精确的应力模型。
14.图3d绘示了用于构造高帽函数的10个最低谐波的简单平方和。
15.图3e绘示了各个谐波。
16.图3f绘示了示出响应强度变化的平方基波。
17.图3g仅绘示了高帽函数的基波分量。
18.图4a绘示了基态谐振器的一个实施例。
19.图4b绘示了基态谐振器的另一实施例。
20.图4c绘示了基态谐振器的另一实施例。
21.图5a绘示了聚焦谐振器的透镜实施例。
22.图5b绘示了聚焦谐振器的另一透镜实施例。
23.图5c绘示了聚焦谐振器的另一实施例。
24.图5d绘示了声束腰的几何形状的一个实施例。
25.图5e绘示了谐振器的几何形状的一个实施例。
26.图5f绘示了使用具有失配的声学特性的结合层的添加的材料来实现增厚的一个实施例。
27.图6a绘示了聚焦基态谐振器的一个实施例。
28.图6b绘示了聚焦基态谐振器中的注入图案的一个实施例。
29.图6c绘示了在谐振器薄膜和电极中存在注入的注入图案的一个实施例。
30.图7a绘示了循环轴锥镜谐振器的一个实施例。
31.图7b是循环轴锥镜图案的一个实施例。
32.图7c和图7d绘示了循环轴锥镜谐振器的脉冲模拟。
具体实施方式
33.本发明公开了通过改变所使用的谐振器薄膜的形状或形式来改进声谐振器设计的方法。在一个实施例中，一个实施例中的改进可以基于掺杂谐振器薄膜。在一个实施例中，另一实施例中的改进可以基于在谐振器薄膜上沉积附加材料以产生凸或凹结构。另一实施例中的改进可以基于在谐振器薄膜叠层中蚀刻或沉积图案。在一个实施例中，沉积的图案或蚀刻产生类似于光学轴锥镜透镜的衍射实施例的结构。
34.下面的详细描述参考了附图，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，以图示的方式示出了实施本发明的具体实施例。这些实施例的描述足够详细，以使本领域技术人员能够实施本发明。本领域技术人员理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其它实施例，并且可以进行逻辑的、机械的、电的、功能的和其它的改变。因此，下面的详细描述不是限制性的，本发明的范围仅由所附权利要求限定。
35.术语表
36.fbar：薄膜体声谐振器，由夹在两个电极之间并与周围介质声学隔离的压电材料组成。fbar包含通过悬挂在空隙上方而隔离的谐振器和通过定位在反射器(smr)上方而隔离的谐振器。使用压电薄膜的fbar装置通常在100mhz到10ghz的频率范围内谐振。
37.q因数：品质因数是描述振荡器或谐振器如何欠阻尼以及表征谐振器相对于其中心频率的带宽的无量纲参数。q越高表示相对于存储的谐振器能量的能量损耗率越低；振荡消失得更慢。在空气中振荡悬挂在高质量轴承上的摆锤具有高q，而浸入油中的摆锤具有低q。具有高品质因数的谐振器具有低阻尼，因此它们环较长。谐振器的带宽可以根据其q定义为：δf＝f0/q。
38.声谐振器：声谐振器，或体声谐振器，是由夹在两个电极之间的压电材料组成的装置，其与周围介质声学隔离。fbar被用作蜂窝电话和其它无线应用中的射频(rf)滤波器。此类滤波器由谐振器网络制成，并且被设计成仅允许接收或发送特定的频率范围。
39.傅立叶变换：傅立叶变换将作为时间的函数的信号分解成组成信号的频率。定义
傅立叶变换的等式对于任何实数θ是：
[0040][0041]
其中，自变量x表示时间，并且变换变量θ表示频率。
[0042]
高帽函数：在从
‑
l到 l的区间上的“高帽”函数可以通过对以下形式的无穷级数求和来构造(忽略归一化)：
[0043][0044]
其中，l是“高帽”函数的长度，并且n是级数的n次谐波。注意，以x＝0为中心的“高帽”仅由奇次谐波构成，因为它是对称函数(因此(2n
‑
1)表示法仅将指数n从 1变换为奇数到无穷大)。可以通过对谐波的子集求和来构造近似高帽函数。图3c绘示了用于构造高帽函数的10个最低谐波的简单平方和。图3d绘示了各个谐波本身。注意，对于x小于
‑
l且大于 l的值，这里定义的“高帽”函数被截断为零。换句话说，对于
–
l<＝x<＝ l，它是以上函数乘以1，并且对于|x|>l，它是以上函数乘以0。
[0045]
声透镜：声透镜是对声波波前的某些部分赋予相对延迟的结构。在“会聚”或“凸”透镜的情况下，透镜中心区域中的材料具有比周围透镜材料更低的声速或比周围透镜材料更厚。相反，在“发散”或“凹”透镜的情况下，透镜中心区域中的材料具有比周围透镜材料更高的声速或比周围透镜材料更薄。这种效应可以被称为“声透镜化”。
[0046]
概述
[0047]
fbar是4g蜂窝电话的使能技术，而saw滤波器是模拟蜂窝电话的使能技术。在大多数情况下，此类谐振器悬挂在空隙上方，但是也可以使用固态装配谐振器(smr)。蜂窝电话的数据通信电子装置中的fbar的目的是区分相邻的数据信道(在频率空间中)。越有选择性地区分数据信道，在给定的蜂窝电话频带中可以使用的信道就越多。可以使用多少数据信道的一个限制因素是用作信道滤波器的fbar的质量因数或“q”。q越高，可以定义的信道越窄，并且可以适合给定rf传输或接收带宽的信道就越多。目前，典型的蜂窝电话具有10到20个fbar装置。这些fbar被用于定义数据信道。
[0048]
缩小数据信道间距有若干直接的好处：因为可以利用更多的数据信道，所以用户具有更好的数据性能，并且制造商的fbar销售额与数据信道的数量成正比。q的改进取决于谐振器大小。因此，改进给定谐振器的q的另一个好处是，与现有设计相比，可以减小谐振器的大小，同时保持或甚至改进其q值。这增加了可以在单个晶片上制造的装置的数量，增加了产量，并降低了成本。因此，改进fbar装置的q是有利的。
[0049]
振荡器具有有限q的原因(主要)是在实际的物理系统中总是存在能量损耗机制。振荡器系统的q可以通过其能量损耗率定义为：
[0050][0051]
由于各种机制，fbar装置都容易发生能量损耗。最重要的能量损耗机制之一是机械耦合到它们的基板。其它能量损耗机制包含电极中的电阻损耗和fbar“叠层”中的压电和其它材料中的机械(声)损耗。减小这些损耗机制中的最坏损耗的影响将改进q。
[0052]
有两种主要的方式来减少进入基板的能量损耗：通过将fbar悬挂在凹坑上方使得其底面不与任何东西接触，或者通过在声反射器(smr)上构建压电薄膜。为了讨论的目的，术语“fbar”包含两种类型的谐振器。实际上，smr在隔离谐振器结构的能力方面似乎比悬挂方法差，因为除了类似悬挂设计的边缘损耗之外，它还有声反射器的损耗。另外，通过使声能不会被引导到谐振器的边缘并从那里进入基板的方式形成压电薄膜，可以进一步减少能量损耗。
[0053]
悬挂在空隙上方的fbar中的基板损耗仅在fbar物理接触基板的地方，通常是fbar的周边。通常，这导致fbar q大致具有面积/周长关系(较大的装置趋向于具有较高的q)。在smr装置的情况下，整个谐振器薄膜经由反射器叠层与基板机械接触，但是反射器的目的是将谐振器的底面与基板声学地去耦。然而，即使smr的边缘可能与基板机械分离，smr仍可能具有由与其表面相切传播的声波引起的过多寄生模式的不期望行为。另外，在smr没有边缘耦合到基板的情况下，寄生模式可能比在类似的fbar中的寄生模式大得多。
[0054]
图1a绘示了简化的fbar 100结构的一个实施例。在此实施例中，压电薄膜110悬挂在空隙或凹坑120上方。薄膜110具有在顶部130a和底部表面130b上的导电电极130，以提供耦合到薄膜110的电场并限定谐振器轮廓的形状。薄膜110在底部电极和顶部电极之间的部分是处于压电应力下的区域160。
[0055]
图1b绘示了简化的fbar结构的另一实施例，其中压电薄膜被构造在反射器上方，而不是凹坑或空隙上方。此类装置被称为固态装配谐振器(smr)。smr或固态装配谐振器类似于fbar，但它利用声反射器代替底切隔离空隙。在一个实施例中，反射器是声布拉格反射器叠层。尽管下面的图示使用了带有空隙的fbar结构，但是对fbar结构的现有改进可以用于任何一种结构。
[0056]
fbar的简单形式被构造为平面材料层的叠层。谐振器150本身由顶部电极130a、压电材料层140和底部电极130b组成。在一个实施例中，压电材料140是氮化铝(aln)或氧化锌(zno)。
[0057]
谐振器150在其下方构建有空腔120(或反射器125，如果是smr)，并且仅在其边缘处附接到硅基板180。在一个实施例中，使用化学蚀刻工艺通过在aln层中切割一个或多个通孔来制造空腔120。由于谐振器150被构造在空腔120上方，因此仅其边缘可以机械地耦合到基板180。如果注意将谐振器材料设计为低损耗(机械上非常均匀和坚硬，并且电极和互连非常导电)，则唯一显著的损耗将在与基板接触的谐振器边缘处。
[0058]
实际到达边缘的能量的多少取决于波能够在fbar 100的表面上来回反弹的程度，并且取决于谐振器的形状。对于设计而言，正方形由于其高度对称性和平行边而是一个糟糕的选择。波可以在正方形的表面上来回反射，并经由相长干涉积累到显著的振幅。在一个实施例中，fbar结构利用具有不合理长度比的不规则五边形或其它不对称多边形。每一条边的长度不同，以减少反射。
[0059]
图2a和图2b示出了具有正方形fbar谐振器的脉冲模拟。存在显著的“带状”结构的是表面有相长干涉的证据。
[0060]
图2c绘示了重复孔眼掩模的波衍射效应。这示出了横向(寄生)模式结构的演变。这里所示的实例是以两倍(有效)声学薄膜厚度间隔的一系列重复的方形孔眼。此实例模拟了smr结构，因此谐振器的底部表面不具有孔眼掩模，而顶部表面具有孔眼掩模(顶部电极
轮廓)。假设衍射到孔眼边缘的波能损失到装置基板中。所示的数字是第n个孔眼。第1帧含有脉冲能量的初始分布，并且所有随后的帧含有来自装置边缘的重复衍射。将谐振器中的驻波建模为相同谐振器的“叠层”中的行波促进了物理见解。
[0061]
可以解释为什么使用这种建模的类比是具有以重复间隔设置的无门门框的长走廊，使得沿走廊直线行进的人将穿过每个门框。在人走过走廊的位置中有一些位置不确定性或模糊性。旅客的位置不确定性使得他们不可能“干净地”通过门框而不会被门框稍微偏转。当旅客沿着走廊行进时，他们在他们的行进方向上积累了不确定性，因为他们重复地(尽管(最初)微弱地)与门框相互作用。当它们的行进方向沿着走廊变得越来越不直时，它们与门框的相互作用变得越来越强。最终，旅客的行进方向变得混乱，使得与门框的碰撞支配了它们的运动。显然，尽量减少与门框的相互作用对旅客沿着走廊走得更远很重要。
[0062]
在“走廊类比”中，走廊和门框呈线性布置，其只被旅客横穿一次。尽管更容易理解，但是它等同于这样类似的类比，其中走廊被“房间”的厅门的单个段代替，在每个端部上的门框包括“反射器”，所述反射器将导致行进到门框的旅客使其沿着厅门的运动分量反向(类似于“球从墙壁反弹”)。在这种类比中，旅客将在小“房间”中的门框中的反射器之间“来回反弹”。然而，旅客仍将具有微弱的位置不确定性，如在上述走廊类比中，这将导致(最初)与门框的微弱相互作用，并且在它们的运动方向上积累不确定性。最终，旅客的运动将变得与走廊中一样混乱，尽管更难以理解为什么因为“反射器”的存在，以及在说明书中旅客在房间内的前后运动给想象带来干扰。
[0063]
一种方法是将谐振器中的驻波建模为相同谐振器的重复“叠层”中的行波，很像使用“走廊”描述而不是“房间”描述。两种方法是等效的，尽管它们促进了不同的物理见解。图2c的模拟利用这种类比。
[0064]
另一种减少在谐振器边缘损失的能量的方法是抑制由于驱动整个谐振器表面而引入的谐波。在标准谐振器中，跨谐振器薄膜的驱动力从一个区域到下一个区域是恒定的(恒定应力)，因为两个平行平面电极之间的电场是恒定的(除了在边缘处)。
[0065]
在fbar薄膜中感应的应力是所施加的电场和材料对电场的压电响应的函数。在fbar装置的情况下，rf电场在顶部电极和底部电极之间的整个材料体上趋于在空间上恒定。表示由电场感应的波的模式结构的一种方式是驱动场的傅立叶分析。在典型的施加的rf电场在顶部电极和底部电极之间的任何地方都是恒定的，而在其它地方是零的情况下，我们可以使用高帽函数并研究得到的傅立叶波分量。高帽函数在指定范围之外为零，并且在指定范围内具有恒定的有限值。通常，对函数进行归一化，使得其长度和振幅的乘积为一。
[0066]
在图1a所示的fbar 100中，电场(和产生的材料应力)在电极之间的材料体中是恒定的，并且在电极区域之外迅速下降到零。这可以如图3a所示表示，示出高帽电场的简单模型。因为压电薄膜的响应被建模为线性的并且与所施加的电场成比例，所以在材料中感应的应力在电极之间应该是常数，并且在电极外部降到零，如图3b所示。
[0067]
(脉冲)响应中的傅立叶分量通常不应包含具有比在体材料中驱动的谐振更高频率的波分量。除非薄膜例如通过非线性效应被驱动到比基波更高阶的激励模式，则傅立叶合成应该包括的最短波长(高波数截止)大约是fbar的声学厚度的两倍。傅立叶合成可以包括的最长波长(低波数截止)是fbar装置的声学长度(或宽度)的两倍。因此，有限范围的波
累加并表示材料对驱动电场的响应。这种分析忽略了非线性效应。
[0068]
图3c示出了基于范围从低波数截止到高波数截止的傅立叶分量的更精确的应力模型。通过对在低波数截止和高波数截止之间的范围内的高帽函数的傅立叶分量求和并且然后对所得到的合成函数求平方来计算响应。在此模型中，谐振器边缘附近的振幅的快速波动变得明显。
[0069]
到fbar装置边缘的能量转移取决于谐波的数量、空间频率和振幅。减少这些谐波的存在将防止它们建设性地干扰和积累以传输大量能量。由于存在可用于构造实际响应的傅立叶分量的频率的有限上限，所以对于空间恒定但随时间变化的(电场)激励的响应可能会存在显著的空间调制。
[0070]
仅有少数最低谐波分量可用于构造近似的高帽函数导致了在响应函数中具有大的空间波动的表面上不希望的结果。然而，能量传输取决于合成函数的强度变化和变化发生的速度的乘积。因此，即使所得波形的强度偏离理想高帽函数的变化大也不一定指示能量传输大。如果波形在空间中缓慢变化，则到装置边缘的能量传输可能仍然很小。在仅使用图3f中所示的一阶谐波(图3g中所示的高帽函数的基波分量)来近似高帽的限制下，发生了一些有趣的情况：响应强度的变化率被保持为最小，因此到响应场的边缘(装置边缘)的能量传输被最小化。
[0071]
因此，使平面谐振器结构在其表面上具有恒定的高帽应力分布不是制造低损耗谐振器的好方法。在一个实施例中，可以用于在与高帽函数的基波分量相似的谐振器中产生空间应力分布的设计的变化包含：
[0072]
·
基态谐振器
[0073]
·
聚焦谐振器
[0074]
·
聚焦基态谐振器
[0075]
·
循环轴锥镜谐振器
[0076]
改进的fbar的实施例
[0077]
基态谐振器
[0078]
这种设计利用了以下事实：如果电极没有一直延伸到薄膜的边缘，则压电薄膜内的电场强度是锥形的，并且与薄膜的压电轴对准。
[0079]
图4a绘示了基态谐振器400的一个实施例，其中压电薄膜410下面的凹坑440相当深，并且底部电极430被置于凹坑440的底部上。底部电极仅跨越谐振器的一部分以产生朝向谐振器边缘的锥形电场和朝向其中心的更强的电场。此图示示出了不均匀电场。
[0080]
图4b绘示了基态谐振器fbar 450的可替代实施例，其中底部电极480位于基板470的底部上，具有绝缘和低损耗基板。
[0081]
图4c绘示了利用氧化物晶片的图4b的基态谐振器的一个实施例。si装置层496用于支撑谐振器薄膜。当蚀刻凹坑时，蚀刻在氧化物基板498上停止。底部电极499位于氧化物基板498的背面。
[0082]
在基态谐振器中，底部电极480的大小小于薄膜410。这将导致电场朝向谐振器边缘的相当大的边缘。边缘场的作用是减小压电薄膜边缘附近的机电响应。通过调整薄膜的响应以更接近地匹配(理想化的)半余弦形偏转，将减小与谐振器表面相切的较高频率模式。这将减少到装置边缘的能量传输并改善q因数。
[0083]
然而，任何移动顶部或底部电极远离压电材料的实施例都存在缺点。最重要的缺点是驱动压电材料的电场强度与电极之间的距离成反比。
[0084]
聚焦谐振器
[0085]
可以通过使谐振器成形来聚焦声波，以在谐振器的至少一部分中产生锥形凸区域。成形是为了改变谐振器的声学厚度，使得它形成比平的平行片结构更多的凸(或凹)透镜。
[0086]
图5a绘示了聚焦谐振器的一个实施例。在谐振器510的顶部上形成凸结构520。在一个实施例中，凸结构520位于顶部电极上方。在一个实施例中，顶部电极515可以位于凸结构520的顶部上。
[0087]
在另一实施例中，凸结构530可以通过对谐振器540的中心部分进行增厚而形成，如图5b所示。在一个实施例中，凸结构535可以通过将材料附加沉积在谐振器的中心部分而形成。在一个实施例中，此类沉积物可以是锥形的，从而形成凸区域。在一个实施例中，像透镜一样将谐振器540增厚使得谐振器540像透镜一样工作，并且远离边缘对声功率进行聚焦。在一个实施例中，增厚可以通过经由孔眼掩模溅射施加附加的压电材料来实现。可以使用在谐振器中形成此形状的替代方法，包含蚀刻或沉积附加材料层。
[0088]
在一个实施例中，通过在谐振器中心使用原子的稀疏部分覆盖，附加材料厚度可以是几个原子层或更少，诸如分数原子层。
[0089]
在另一实施例中，作为增厚装置的中心部分的替代方案，装置的边缘可以改为变薄。在一个实施例中，可以通过离子铣削或允许适当的空间选择性的一些其它蚀刻技术(湿或干)来实现减薄，使得装置的仅需要减薄的部分受到蚀刻。添加材料或减去材料的任一方法将是等效的，因为最终结果是相对于装置的声学厚度的凸(或凹)透镜形状。然而，根据装置设计增加或减少材料可能是有利的，并且使用哪一种将取决于设计细节和可用的制造工艺
[0090]
图5c绘示了聚焦谐振器的另一实施例，其中硬化电极结构包含在装置的“材料叠层”中。硬化电极结构555向装置边缘提供dc静电偏置场。垂直于装置平面的所施加的dc场的分量将预加载谐振器560的压电材料，导致其硬化并具有稍高的声速(或在需要发散透镜的情况下，谐振器电极可具有施加在其上的dc偏压，并添加附加的边缘场以减小边缘处的总场)。这种局部硬化将导致处于应力下的区域具有较短的声路径，而未处于应力下的区域在装置中心附近具有较长的声路径，即使薄膜的物理厚度是恒定的。这个实施例的优点是对于可调谐的装置行为是电可调的。然而，它确实需要稳定的偏置电压来调整焦点。
[0091]
聚焦谐振器的工作原理是产生在谐振器中心区域比其边缘更长的声路径。这使得谐振器中的波前的曲率被校正，以减少通过衍射在谐振器边缘处传播到基板中的能量。通常，对于给定的波长和谐振器大小，声路径将伸长大约相同的量，而不管伸长是通过改变材料厚度、硬度还是其它方式来完成。
[0092]
在一个实施例中，增加的厚度基于对波前衍射的考虑。抑制进入基板的衍射损耗的标准是对在谐振器内传播的波前的曲率进行校正，所述曲率与由衍射引起的曲率相反。这样，波前保持垂直于谐振器的表面，并且不将能量传播到谐振器的边缘。
[0093]
如果谐振器内的波被视为行波而不是在谐振器边界之间反射的波，则可以采用类似于标准程序的程序来找到高斯光束束腰的发散。波前的曲率在束腰处为零并且也如z
→
±
∞那样接近零。它等于1/r，其中r(z)是作为沿着光束的位置的函数的曲率半径，由下式给出
[0094][0095]
其中，束腰是w0，并且z
r
是瑞利范围。图5d示出了束腰的几何形状。
[0096]
因此，在将束腰设置为谐振器直径w0＝d，瑞利范围和设置z＝λ/2(对于半波长厚谐振器)的替换之后，r(z)的几何形状为：
[0097][0098]
用于求解谐振器厚度或波长的一半与束腰的距离的曲率的等式用于计算增加的厚度。也就是说，束腰位于谐振器的底部表面上，并且计算确定了顶部表面处波前的曲率。计算涉及非常接近束腰的波前(非常接近衍射近场)。一旦计算出曲率，并且给定谐振器的大小，就可以确定添加到谐振器中心的声路径长度所需的距离。
[0099]
给定在距离束腰给定距离处的波前的曲率，我们可以使用简单的几何形状来找到增加的厚度z。
[0100][0101]
使用θ＝(d/2)/r的小角度近似
[0102][0103]
为了简化r(z)，我们注意到括号内的1在z
r
>>z的情况下贡献很小，因此通过消除：
[0104][0105]
对于z＝λ/2，
[0106][0107]
使用此等式来计算一些实例表明，增加的厚度是很容易增加的。对于f＝2.5ghz，λ＝4μm(假设aln)，并且d＝100λ/2＝200μm，埃。f＝600mhz，λ＝16.7μm(假设aln)，并且d＝400μm，埃。
[0108]
因此，fbar中心的几个原子的增加的厚度可以显著提高其q。增加的厚度不必是aln(或电极材料或装置叠层中的其它材料)分子的连续片。在一个实施例中，它可以是仅为部分单层的稀疏分子密度，并且仍然有助于声学厚度的变化，所述声学厚度是分子层厚度的平均分数。在一个实施例中，添加的材料可以由具有声学特性的附加结合层构成，即既不是谐振器也不是电极结构。在一个实施例中，此类添加的材料可以具有声学失配，使得所述层可以在物理上比由以上公式表示的更厚，但是仍然引入与由以上公式描述的非常小的厚度变化所引入的相位延迟类似的相位延迟。在一个实施例中，可以结合的材料的厚度的关系可以取决于材料的声学特性。
[0109]
图5e绘示了谐振器的中心区域的几何形状的一个实施例，示出对谐振器材料进行相对增厚的尺寸。相对增厚可以通过在中心区域添加额外的材料或通过减薄边缘区域来实
现。在一个实施例中，被添加以增厚谐振器的中心部分的材料将具有与现有图5a和/或图5b中所示的相同的形式，除了所添加的厚度将更大(物理上更厚)，但是延伸到添加的材料中的声波将具有大大减小的振幅，因为失配的材料将在声学上仅最小地耦合到谐振器结构本身。
[0110]
在一个实施例中，谐振器可以朝向其边缘减薄以产生凸形状。在一个实施例中，可以通过蚀刻或铣削机械地实现减薄。在一个实施例中，可以通过使用如下描述的离子注入对压电材料进行被动加压或者通过使用如上讨论的不均匀静电场对压电材料进行主动加压来实现减薄。
[0111]
引起谐振器上声学厚度变化的任何方法将导致装置谐振频率的一些扩展，因为装置的谐振频率由其声学厚度确定。然而，必须注意优化设计。由于来自聚焦的能量损耗减少量和来自在更宽的带宽上扩展谐振器的工作频率的q的减少，在q改进之间存在隐含的折衷。然而，具有极低质量电极的2.5ghz谐振器将具有约d＝v/2f＝2μm的薄膜厚度。如果厚度变化是几个原子层，比方说半纳米，则带宽仅加宽了千分之几十分之一。这似乎提供了q限值：
[0112][0113]
由于厚度变化导致带宽加宽。由于当前最佳装置具有低于10,000的q阱，因此与从谐振器的成形得到的益处相比，这种加宽相对较小。
[0114]
谐振器将自动寻找具有最小损耗的谐振频率。因此，谐振器本身将优选谐振的低频部分，因为这将使波传播到离装置边缘最远。如果将脉冲响应提供给谐振器，则具有最低损耗的频率将持续最长并且具有由谐振器的反馈放大器电子装置施加给它们的最大增益。因此，对应于装置中心的谐振频率范围的谐振部分将占主导。然而，在一个实施例中，可以通过将谐振器的驱动频率稍微拉向其工作频带的下肩部来加强这种效果。fbar可以优先驱动与成形谐振器结构的中心较低频率部分匹配的谐振部分。这种技术通过有效地将装置的响应修改为在中心处大于在边缘处，来改进装置的性能。这将导致偏向图3e的半余弦的响应，并且远离图3a的高帽响应。通过调整驱动频率，所述系统减轻了由于装置厚度(凸度)的变化而带来的来自谐振器带宽扩展的q损耗，并且通过减少谐振器边缘的激励(通过谐振失配)来提供对谐振器边缘处的能量损耗的附加减轻。
[0115]
聚焦基态谐振器
[0116]
另一种调整装置压电材料对所施加电场的响应的方式是在谐振器边缘附近的装置压电材料中注入离子。这改变了材料的物理性质。在一个实施例中，在构造谐振器压电材料之后但在创建fbar之前执行注入。在另一实施例中，可以对电极结构而不是fbar的压电材料进行硬化，因为装置内的声波穿过电极以及压电材料。声路径长度的局部改变对于改变沿着声学路径发生的位置在某种程度上是不可知的。例如，离子注入可用于金属的硬化。
[0117]
显然，电极结构而不是压电材料的硬化将使装置的压电响应与其普通的均匀响应保持不变。在不改变压电响应的情况下硬化可能具有设计优点。可替代地，如果需要对压电材料进行比单独声学聚焦的情况更多的改变，则在压电材料的一些区域中“过度暴露”离子注入，并且在电极结构的中心部分注入离子以进行补偿可能是有利的。例如，可以在谐振器压电材料的边缘附近对离子注入进行过度曝露，然后可以在电极结构的中心部分注入附加
的离子。通过对压电材料和电极结构的单独离子注入图案，可以允许设计灵活性。
[0118]
在一个实施例中，所述工艺在均匀基板上沉积均匀薄膜，然后后处理所述薄膜层。在一个实施例中，注入的离子的浓度在谐振器的中心区域将近似为零，并且然后具有数密度，使得其朝着装置的边缘逐渐改变材料的压电特性，从而产生向下的抛物线形压电响应。这允许使用简单的平面电极结构，所述平面电极结构对于fbar构造是熟悉的并且适合于在晶片上大规模制造装置。当然，可以适当地改变作为空间函数的电场强度以及调整材料响应。
[0119]
离子注入梯度的密度随着距离装置中心的半径而增加，这也使压电材料硬化，从而导致声音穿过材料的局部速度向上变化。由于注入在装置边缘附近更大，所以声速在边缘附近更大。增加声速与减小装置材料的声学厚度相同。声学厚度的这种有效减薄用于构造自聚焦效应，以进一步限制声能远离装置的边缘。
[0120]
图6a绘示了聚焦基态谐振器600的一个实施例。谐振器薄膜610具有底部电极625和顶部电极620。谐振器610位于基板635中的凹坑630上方。谐振器薄膜610的点画615示出了离子的注入梯度的一个实施例。在一个实施例中，穿透深度约为1
‑
2μm。对于工作在1
‑
2ghz以下的谐振器，这可以通过在薄膜的顶部部分注入来实现。在一个实施例中，所述系统在离子浓度方面是灵活的——离子总数大致与使材料完全硬化所需的离子总数相同，但是密度集中在薄膜的上表面附近。在一个实施例中，离子密度在材料中离子的停止深度处最大，而不是在顶部表面处。
[0121]
通过选择性地部分破坏谐振器的压电薄膜的机电响应，即使当薄膜本身具有恒定的物理厚度并且即使当来自电极结构的电场是均匀的，其对驱动场的响应也近似于半余弦函数。注入的离子破坏对于压电行为所必需的薄膜的晶体结构，通过将薄膜的离子注入部分置于压缩应力下使材料的结构硬化，并且可以通过提供局部作用在压电材料的任何局部部分上的电场来增加注入的电极化以进一步增强压缩预加载，所述压电材料的任何局部部分仍然保持与未断裂的晶体结构相关联的压电行为。
[0122]
压电材料对电场的响应的空间结构退化(及其产生电场的能力)将致使装置的响应更接近于基态，即谐振的基本模式。通过三维平面谐振器结构(诸如截面图1a和图1b所示，其中尺寸“伸出页面”已经被抑制)的非常简单的理论二维截面切片的谐振的“基本模式”是适合谐振器边缘之间的最大半余弦函数。它具有任何模式的最长波长。对于平面谐振器，“基本模式”将是二维结构的最低阶谐波模式(类似于半余弦，但在多于一维中)。与装置表面相切的有源声模式的伴随减少将减少从谐振器结构中传输出的能量并提高其q因数。有源声模式是指可用振动模式的能量含量。
[0123]
注意，这里所示的简化结构示出了通过谐振器结构的时间切片，而不是作为实际平面结构的谐振器的精确响应。所述描绘是穿过3d平面结构的2d截面切片。这抑制了“伸出页面”的应力/偏转(响应)图案的部分，仅留下响应的2d描绘。然而，由于谐振器的厚度被看作是重复结构中的一个切片(类似于上面的走廊)，声波沿一个方向通过，而不是来回反弹，因此它实际上是“时间”尺寸，而不是空间尺寸。偏转图案不是仅在1d中的余弦函数，而是两个函数的乘积，一个是“跨页”，一个是“页内/页外”。
[0124]
平面谐振器的完全响应取决于三维谐振器形状。例如(当从顶部看时)，方形谐振器将具有沿其宽度的余弦函数乘以沿其高度的余弦函数。在截面中，选择余弦函数中的一
个作为代表。圆形谐振器结构将贝塞尔模式结构作为其谐振模式，而不是余弦模式。因此，通过正方形的切片给出了沿着所示截面部分的响应的实际解决方案，但是通过圆形谐振器的切片将不具有作为其响应的余弦模式。相反，响应看起来有些像余弦函数，在中心较大而在边缘为零，并且它类似于正方形的最低阶模式，但它并非完全相同。因此，虽然正方形谐振器的侧视截面与圆形谐振器的侧视截面是不可区分的，但是由于在图中被抑制的材料的形状，这两者中的模式将是不同的。
[0125]
使用离子注入的压电材料的空间结构化压缩预加载增加了其机械硬度并增加了声音穿过材料的速度。局部声速的增加用于减小材料中的局部声学距离，致使其声学形状在谐振器薄膜的离子注入的区域中为凸透镜状。
[0126]
在一个实施例中，在压电材料的上部和下部体积中具有互补电荷的离子的空间结构化注入可用于将附近的材料置于局部产生的静电场中。
[0127]
图6b绘示了离子注入图案680的一个实施例。如果经受此注入的静电场的压电材料没有让其机电响应被注入过程完全破坏，则由于所施加的(注入的)静电场，将使其处于拉伸或压缩应力下，以延伸或收缩。注入的离子在材料的上部部分和/或下部部分中的放置将影响所产生的静电场是沿着还是逆着材料的压电活性轴定向。注入的离子的适当布置可以被用于将材料置于压缩压电作用下，从而增强离子注入的压缩效应并且改进所得声透镜的行为。例如，提供嵌入aln薄膜顶部部分的正电荷的注入正离子将建立通过aln向下指向下面的接地平面的电场。如果aln薄膜的取向使得嵌入电场导致薄膜压电收缩，则由于预加载，与不经受嵌入电场的区域相比，薄膜将稍微更硬。相反，注入离子以使得所得到的嵌入电场导致压电材料膨胀，这也将通过使其处于拉伸应力而不是压缩应力下而对薄膜进行预加载。拉伸预载荷与压缩预载荷的行为存在差异，可能导致薄膜和装置行为的有利调整。图6c绘示了另一种注入方法，其中离子注入应用于谐振器以及电极。此图示中的电极示出为较厚以允许说明示范性注入图案。注意，谐振器在电极下面的部分也具有离子注入。在一个实施例中，这种设计将单独的离子注入用于谐振器和电极。
[0128]
循环轴锥镜谐振器
[0129]
图7a绘示了循环轴锥镜谐振器的一个实施例。“循环轴锥镜谐振器”谐振器700设计的一个实施例由装置顶部电极720上的环730的蚀刻图案组成。蚀刻顶部电极720使得到的“波纹”结构具有最尖锐、最垂直的侧壁，这在得到的声学结构中具有最尖锐的反差台阶。在厚度上的尖锐台阶给出有利的衍射图案的情况下，这可能是所期望的。可以使用产生环图案的其它方式，诸如材料沉积、切割、离子注入以硬化和改变压电材料或改变电极结构的硬度，或其它方法。这些方法可以在轴锥镜环的声学深度上给出更渐进的变化，从而导致不同的衍射行为，所述衍射行为与由具有尖锐深度台阶的轴锥镜掩模产生的衍射行为相比，具有不同的优点。
[0130]
圆形“波纹”730的蚀刻深度对于具有多ghz工作频率的谐振器是几十纳米，对于具有亚ghz工作频率的谐振器710可能超过一微米。相对于谐振器薄膜厚度的蚀刻深度决定了所得衍射声学元件的对比度，因此对谐振器中的声波转换成贝塞尔束状构型的强度有影响。圆形波纹的间距与谐振器的自然工作频率光刻匹配。因此，在一个实施例中，特定大小和厚度的每个谐振器可以具有在环间距和环深度方面经优化以匹配的结构。
[0131]
图7b绘示了使用图7c和图7d所示的脉冲模拟的示范性循环轴锥镜掩模。可以看
出，在图7d所示的稳态图案发展之后，它基本上不变，表明与外部环境的耦合非常低。
[0132]
在一个实施例中，这种设计可以解决已知的圆形fbar的中心处的机械薄膜破裂问题。机械破裂是由贝塞尔函数在其中心处的每单位面积功率的发散趋势引起的。例如，在贝塞尔光束的情况下，光束的环状结构中的每一个承载等量的功率，并且因此中心点的功率密度高。在一个实施例中，这可以通过改变圆形波纹的中心部分的高度来解决，使得功率稍微偏离结构的中心。在一个实施例中，轴锥镜掩模(环组)可以应用于非圆形谐振器形状，诸如不规则五边形形状的谐振器。
[0133]
循环轴锥镜谐振器设计的变化可以使用与平面相交的球面波前的衍射结构，而不是均匀间隔的同心环。这种衍射图案被称为牛顿环或连续波带片或阶梯波带片。衍射图案类似于图7a至图7d所示的循环轴锥镜图案，其中环的间距是不均匀的。环的间距由它们构造的波的波长和它们想要再现的焦距限定。衍射设计的牛顿环变化被用作将类似于由球形表面引起的声曲率赋予谐振器表面的方法。可以使用包含声速变化的衍射结构的其它变化。
[0134]
在前述说明书中，已经参考本发明的具体示范性实施例描述了本发明。然而，显而易见的是，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的更宽的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。