板波谐振器的反射结构、板波谐振器和MEMS设备的制作方法

板波谐振器的反射结构、板波谐振器和mems设备
技术领域
1.本技术涉及谐振器技术领域，例如涉及一种板波谐振器的反射结构、板波谐振器和mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)设备。


背景技术：

2.目前，表面声波谐振器和体声波谐振器在很多领域已有广泛应用，但这两种谐振器的带宽、机电耦合系数等性能逐渐不能满足人类的需求。而具有sh0模态的板波谐振器可获得较大带宽和极高的机电耦合系数。
3.在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：板波谐振器的传统的反射结构，通常将叉指换能器设置在衬底上，且叉指换能器与衬底边缘会留有λ/8的间隙，而具有这种传统的反射结构的板波谐振器的纵向杂波严重。


技术实现要素：

4.为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
5.本公开实施例提供一种板波谐振器的反射结构、板波谐振器和mems设备，以降低板波谐振器的纵向杂波。
6.在一些实施例中，一种板波谐振器的反射结构，包括：压电绝缘体衬底，具有相对的第一边缘和第二边缘；所述压电绝缘体衬底的外表面设置有叉指换能器和反射部件；所述叉指换能器，用于声电换能，所述叉指换能器包括若干电极指；所述反射部件，包括第一反射电极和第二反射电极，所述第一反射电极与所述第一边缘齐平，所述第二反射电极与所述第二边缘齐平；所述第一反射电极和所述第二反射电极均与所述叉指换能器的电极指平行；所述第一反射电极和所述第二反射电极的宽度均为λ/8；与所述第一反射电极相邻的叉指换能器的电极指和所述第一反射电极之间的间隙宽度为λ/4；与所述第二反射电极相邻的叉指换能器的电极指和所述第二反射电极之间的间隙宽度为λ/4；λ为板波谐振器的波长。
7.在一些实施例中，各所述电极指的宽度均为λ/4。
8.在一些实施例中，各相邻电极指之间的间隙宽度为λ/4。
9.在一些实施例中，所述叉指换能器还包括第一汇流条和第二汇流条；所述第一反射电极连接所述叉指换能器的第一汇流条或所述叉指换能器的第二汇流条。
10.在一些实施例中，所述第二反射电极连接所述叉指换能器的第一汇流条或所述叉指换能器的第二汇流条。
11.在一些实施例中，所述压电绝缘体衬底由铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、氮化铝、氧化锌或压电陶瓷制成。
12.在一些实施例中，所述第一反射电极和第二反射电极均由铝、铂、镍或钼制成。
以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
30.本公开实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本公开实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本公开实施例中的具体含义。
31.另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开实施例中的具体含义。
32.除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。
33.本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，a/b表示：a或b。
34.术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，表示：a或b，或，a和b这三种关系。
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.结合图1所示，本公开实施例提供一种板波谐振器的反射结构，板波谐振器的反射结构包括：压电绝缘体衬底4、叉指换能器1和反射部件；压电绝缘体衬底4，具有相对的第一边缘和第二边缘；压电绝缘体衬底4的外表面设置有叉指换能器1和反射部件；叉指换能器1，用于声电换能，叉指换能器包括若干电极指；反射部件，包括第一反射电极2和第二反射电极3，第一反射电极2与第一边缘齐平，第二反射电极3与第二边缘齐平；第一反射电极2和第二反射电极3均与叉指换能器1的电极指平行；第一反射电极2和第二反射电极3的宽度均为λ/8；与第一反射电极2相邻的叉指换能器1的电极指和第一反射电极2之间的间隙宽度为λ/4；与第二反射电极3相邻的叉指换能器1的电极指和第二反射电极3之间的间隙宽度为λ/4；λ为板波谐振器的波长。
37.采用本公开实施例提供的板波谐振器的反射结构，反射结构设置有压电绝缘体衬底、叉指换能器和反射部件；其中，压电绝缘体衬底，具有相对的第一边缘和第二边缘；压电绝缘体衬底的外表面设置有叉指换能器和反射部件；叉指换能器，用于声电换能，叉指换能器包括若干电极指；反射部件，包括第一反射电极和第二反射电极，第一反射电极与第一边缘齐平，第二反射电极与第二边缘齐平；第一反射电极和第二反射电极均与叉指换能器的电极指平行；第一反射电极和第二反射电极的宽度均为λ/8；与第一反射电极相邻的叉指换能器的电极指和第一反射电极之间的间隙宽度为λ/4；与第二反射电极相邻的叉指换能器的电极指和第二反射电极之间的间隙宽度为λ/4；λ为板波谐振器的波长。这样的反射结构能够发生消波干涉，从而降低了应用这种反射结构的板波谐振器的纵向杂波。
38.结合图1所示，板波谐振器的反射结构还包括：板波谐振器输入端口5和板波谐振器输出端口6；板波谐振器输入端口5和板波谐振器输出端口6均连接叉指换能器。板波谐振器输入端口与板波谐振器输出端口均用于与外围电路连接。
39.可选地，叉指换能器的各电极指的宽度均为λ/4。
40.可选地，叉指换能器的各相邻电极指之间的间隙宽度为λ/4。
41.可选地，叉指换能器还包括第一汇流条和第二汇流条；第一反射电极连接叉指换能器的第一汇流条或叉指换能器的第二汇流条。
42.可选地，第二反射电极连接叉指换能器的第一汇流条或叉指换能器的第二汇流条。
43.在一些实施例中，结合图2所示，一种板波谐振器的反射结构包括：压电绝缘体衬底4、叉指换能器1、板波谐振器输入端口5、板波谐振器输出端口6和反射部件。压电绝缘体衬底4，具有相对的第一边缘和第二边缘；叉指换能器1和反射部件设置在压电绝缘体衬底4的外表面；叉指换能器1，用于声电换能，叉指换能器包括若干电极指、第一汇流条和第二汇流条；反射部件，包括第一反射电极2和第二反射电极3，第一反射电极2与第一边缘齐平，第二反射电极3与第二边缘齐平；第一反射电极2和第二反射电极3均与叉指换能器1的电极指平行；第一反射电极2和第二反射电极3的宽度均为λ/8；与第一反射电极2相邻的叉指换能器1的电极指和第一反射电极2之间的间隙宽度为λ/4；与第二反射电极3相邻的叉指换能器1的电极指和第二反射电极3之间的间隙宽度为λ/4。第一反射电极2连接叉指换能器1的第一汇流条，第二反射电极3连接叉指换能器1的第二汇流条；板波谐振器输入端口5和板波谐振器输出端口6均与叉指换能器1进行连接，用于与外围电路进行连接。这样的反射结构能够发生消波干涉，从而降低了应用这种反射结构的板波谐振器的纵向杂波。
44.可选地，压电绝缘体衬底由铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、氮化铝、氧化锌或压电陶瓷制成。
45.可选地，叉指换能器的电极指由铝、铂、镍或钼制成。
46.可选地，第一反射电极和第二反射电极均由铝、铂、镍或钼制成。
47.在一些实施例中，压电绝缘体衬底由厚度为10纳米至10微米的具有压电性能的铌酸锂晶体通过溅射或晶片键合工艺获得。在压电绝缘体衬底上使用蒸镀或溅射工艺获取金属薄膜层，对金属薄膜层进行光刻，然后通过剥离工艺或刻蚀工艺对金属薄膜层进行处理，得到叉指换能器的第一汇流条、第二汇流条、电极指、第一反射电极、第二反射电极。
48.在一些实施例中，本方案提出的板波谐振器的反射结构可应用于5种类型的板波谐振器中，图3为板波谐振器的结构示意图，其中，(1)为具有单层电极idt(interdigital transducer，叉指换能器)的板波谐振器，(2)为具有悬浮电极idt的板波谐振器，(3)为具有电极接地idt的板波谐振器，(4)为具有双层同相电极idt的板波谐振器，(5)为具有双层反相电极idt的板波谐振器。
49.在一些实施例中，saw(surface acoustic wave，声表面波滤波器)谐振器使用的声表面瑞利波或声表面剪切波都是不具有色散型的。paw(plate acoustic wave，板波谐振器)有两种类型的谐振模态，一种是具有纵向和剪切垂直分量的兰姆波，例如：s0、a0、s1或a1等，另一种是具有剪切水平分量的sh水平板波，例如：sh0或sh1等，并且所有的paw谐振模态，都具有色散特性；saw谐振器主要应用于滤波器，而paw谐振器由于其大带宽、低损耗的特点，通常会应用于振荡器、麦克风和传感器等领域。同时，在paw谐振器中存在的纵向杂波问题，不存在于saw谐振器中。
50.在一些实施例中，基于铌酸锂、钽酸锂等压电换能材料的sh0模态paw谐振器可获
得大带宽和极高的机电耦合系数，并且呈现出更缓慢的杂散响应。paw使用叉指换能器能有效地激发sh0平板模态，从而将电信号转换为压电材料的机械振动。
51.在一些实施例中，idt由压电材料、晶圆衬底、汇流条和多个电极指组成，通常需要通过调整电极指数ne、器件长度l、电极覆盖率η、末端间距gap-end等参数以优化其性能。其中，与衬底的边缘平行且相邻的叉指换能器的电极指与衬底的边缘的间距称为末端间距；然而，增加电极指数ne会导致在较小的频率范围内出现更多的杂散模态；而调整器件长度l的调整效率较低，并且在预测频率漂移方面也较为困难；若通过调节电极覆盖率η来选择频率，其对电极材料和厚度非常敏感。因此，末端间距gap-end的选择至关作用。传统反射结构的idt为了使电极电位和位移最大值与idt电极间距相匹配，将gap-end设置为λ/8。然而，具有传统反射结构的谐振器纵向杂波严重。本方案通过设置第一反射电极与压电绝缘体衬底的第一边缘齐平，第二反射电极与压电绝缘体衬底的第二边缘齐平，且第一反射电极和第二反射电极的宽度均为λ/8。这样的反射结构能够发生消波干涉，从而降低了应用这种反射结构的板波谐振器的纵向杂波。
52.本公开实施例提供一种板波谐振器，包括上述的反射结构，反射结构包括：压电绝缘体衬底、叉指换能器和反射部件；压电绝缘体衬底，具有相对的第一边缘和第二边缘；压电绝缘体衬底的外表面设置有叉指换能器和反射部件；叉指换能器，用于声电换能，叉指换能器包括若干电极指；反射部件，包括第一反射电极和第二反射电极，第一反射电极与第一边缘齐平，第二反射电极与第二边缘齐平；第一反射电极和第二反射电极均与叉指换能器的电极指平行；第一反射电极和第二反射电极的宽度均为λ/8；与第一反射电极相邻的叉指换能器的电极指和第一反射电极之间的间隙宽度为λ/4；与第二反射电极相邻的叉指换能器的电极指和第二反射电极之间的间隙宽度为λ/4；λ为板波谐振器的波长。
53.采用本公开实施例提供的板波谐振器，通过设置第一反射电极与压电绝缘体衬底的第一边缘齐平，第二反射电极与压电绝缘体衬底的第二边缘齐平，且第一反射电极和第二反射电极的宽度均为λ/8。这样的反射结构能够发生消波干涉，从而降低了应用这种反射结构的板波谐振器的纵向杂波。
54.可选地，各电极指的宽度均为λ/4。
55.可选地，各相邻电极指之间的间隙宽度为λ/4。
56.可选地，叉指换能器还包括第一汇流条和第二汇流条；第一反射电极连接叉指换能器的第一汇流条或叉指换能器的第二汇流条。
57.可选地，第二反射电极连接叉指换能器的第一汇流条或叉指换能器的第二汇流条。
58.在一些实施例中，板波谐振器输入端口连接叉指换能器的第二汇流条，板波谐振器输出端口连接叉指换能器的第一汇流条。板波谐振器输入端口的电压与板波谐振器输出端口的电压存在电压差。
59.可选地，压电绝缘体衬底由铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、氮化铝、氧化锌或压电陶瓷制成。
60.可选地，第一反射电极和第二反射电极均由铝、铂、镍或钼制成。
61.在一些实施例中，图4均为传统反射结构示意图，如图4所示，另一种传统反射结构，衬底具有相对的第一边缘和第二边缘，叉指换能器设置在衬底上，与衬底的第一边缘相
邻的叉指换能器的电极指与衬底的第一边缘的间距为λ/8，与衬底的第二边缘相邻的叉指换能器的电极指与衬底的第二边缘的间距为λ/8，该传统反射结构还设置有与外围电路连接的的输入端口和输出端口。
62.这样，具有传统反射结构的板波谐振器，使用自由边缘来代替大量栅级反射结构。然而基本的平板模态，例如：s0、a0和sh0等，在空的边缘处不存在模式转换，导致具有传统反射结构的板波谐振器的纵向杂波严重。而本技术的反射结构，通过设计第一反射电极和第二反射电极的宽度为λ/8，不仅工艺简便，并且可以有效地抑制甚至消除由自由边缘反射的纵向杂波。
63.在一些实施例中，一种板波谐振器包括30
°
yx的铌酸锂制成的厚度为0.1波长的衬底，厚度为4％波长的idt，其中波长为1μm，在该板波谐振器使用图4的传统反射结构的情况下，获得如图5所示的具有传统反射结构的板波谐振器的导纳响应示意图和图6所示的具有传统反射结构的板波谐振器的电导响应示意图，图5中，横坐标代表频率，纵坐标代表导纳，曲线a为具有传统反射结构的板波谐振器的导纳频率响应曲线。图6中，横坐标代表频率，纵坐标代表电导，曲线b为具有传统反射结构的板波谐振器的电导频率响应曲线。在该板波谐振器应用本技术的反射结构的情况下，获得如图7所示的具有本技术的反射结构的板波谐振器的导纳响应示意图和图8所示的具有本技术的反射结构的板波谐振器的电导响应示意图，图7中，横坐标代表频率，纵坐标代表导纳，其中曲线c为具有本技术的反射结构的板波谐振器的导纳频率响应曲线。图8中，横坐标代表频率，纵坐标代表电导，曲线d为具有本技术的反射结构的板波谐振器的电导频率响应曲线。如图7和图8所示，具有本技术的反射结构的板波谐振器的导纳和电导响应示意图非常干净，这是由于，反射发生在负最大位移点，而本技术的反射结构等同于无反弹点的无限长传播路径。同时，由图7和图8可见，频率响应曲线的纵向模态更平滑，且纵向杂波也被完全消除。同时使用本技术的反射结构可获得更大的带宽，在通带内的波动减小，降低了通带内的损失，从而能够获得更高的精度和灵敏度。将具有新型反射结构的板波谐振器运用于mems设备中，能够提高mems设备的性能。
64.本公开实施例提供一种mems设备，包括上述声波谐振器，声波谐振器包括上述反射结构，反射结构包括：压电绝缘体衬底、叉指换能器和反射部件；压电绝缘体衬底，具有相对的第一边缘和第二边缘；压电绝缘体衬底的外表面设置有叉指换能器和反射部件；叉指换能器，用于声电换能，叉指换能器包括若干电极指；反射部件，包括第一反射电极和第二反射电极，第一反射电极与第一边缘齐平，第二反射电极与第二边缘齐平；第一反射电极和第二反射电极均与叉指换能器的电极指平行；第一反射电极和第二反射电极的宽度均为λ/8；与第一反射电极相邻的叉指换能器的电极指和第一反射电极之间的间隙宽度为λ/4；与第二反射电极相邻的叉指换能器的电极指和第二反射电极之间的间隙宽度为λ/4；λ为板波谐振器的波长。
65.可选地，mems设备包括液位传感器、振荡器、麦克风、射频开关或滤波器。
66.采用本公开实施例提供的mems设备，通过设置第一反射电极与压电绝缘体衬底的第一边缘齐平，第二反射电极与压电绝缘体衬底的第二边缘齐平，且第一反射电极和第二反射电极的宽度均为λ/8。这样的反射结构能够发生消波干涉，从而降低了应用这种反射结构的板波谐振器的纵向杂波。从而，运用这种声波谐振器的mems设备的性能也会得到提升。
67.以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践
它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。