射频谐振器及滤波器的制作方法

1.本发明涉及谐振器技术领域，具体而言，涉及一种射频谐振器及滤波器。


背景技术：

2.射频谐振器主要分为声表面波谐振器(saw)和薄膜体声波谐振器(fbar)两种。其中，声表面波谐振器制造工艺简单，但是工作频率低于2ghz，所以已逐渐被薄膜体声波谐振器代替。薄膜体声波谐振器工作频率可达10ghz，基于氮化铝薄膜材料的fbar有效机电耦合系数可达7％，但由于其谐振频率取决于压电层的厚度，因此在不用外部电路以及不增加制程复杂度的基础上，很难单片晶圆集成多频率器件。为解决这个问题，可单片集成多种频率的兰姆波谐振器应运而生。
3.传统的兰姆波谐振器的结构是由大小均一的插指顶电极，压电层，底电极构成的三明治结构。现有的兰姆波谐振器可通过调节插指电极的间距来调整工作频率，但同时因为插指电极的存在，导致其具有较高的电极电阻、较大的电能损耗、过大的器件尺寸，因此它的品质因子和有效机电系数均低于fbar，而且伪模态也很明显，所以尚处于实验阶段，暂无法商用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种射频谐振器及滤波器，该射频谐振器及滤波器能够有效减少能量泄露、进一步激励压电层压电效应，并有效抑制伪模态。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本发明的一方面，提供一种射频谐振器，该射频谐振器包括衬底、位于衬底上的压电层以及位于压电层上的上电极；上电极包括第一电极阵列和与第一电极阵列电势相反的第二电极阵列，第一电极阵列和第二电极阵列分别包括多个并排设置的子电极，且第一电极阵列的子电极和第二电极阵列的子电极交替排布；其中，压电层包括位于其中心的第一区域和位于第一区域之外的第二区域，位于第一区域的子电极的平均宽度大于位于第二区域的子电极的平均宽度。该射频谐振器能够有效减少能量泄露、进一步激励压电层压电效应，并有效抑制伪模态。
7.可选地，位于第一区域的每个子电极的宽度均大于位于第二区域的任意一个子电极的宽度。
8.可选地，在第一区域内，相邻两个子电极的宽度不同。
9.可选地，第一电极阵列和第二电极阵列分别为叉指状电极。
10.可选地，第一电极阵列和第二电极阵列分别为环形电极阵列。
11.可选地，每个子电极包括多个电极块，相邻两个电极块通过电桥或电连接线相连。
12.可选地，电极块的形状为圆形、椭圆形和多边形中的任意一种；和/或，电桥的形状为直线形，圆形，弧形和多边形中的任意一种。
13.可选地，压电层的材料为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、钛酸锶钡或掺杂氮化铝、锆钛酸
铅系压电陶瓷中的任意一种或者至少两种的组合。
14.可选地，上电极的材料为铂、钼、金、钨、铜、铬、铝中的任意一种或者至少两种的组合。
15.本发明的另一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括上述的射频谐振器。
16.本发明的有益效果包括：
17.本技术提供的射频谐振器包括衬底、位于衬底上的压电层以及位于压电层上的上电极；上电极包括第一电极阵列和与第一电极阵列电势相反的第二电极阵列，第一电极阵列和第二电极阵列分别包括多个并排设置的子电极，且第一电极阵列的子电极和第二电极阵列的子电极交替排布；其中，压电层包括位于其中心的第一区域和位于第一区域之外的第二区域，位于第一区域的子电极的平均宽度大于位于第二区域的子电极的平均宽度。本技术提供的射频谐振器将位于压电层中间位置的子电极的平均宽度设置为大于位于压电层边缘位置的子电极的平均宽度，如此，能够使得射频谐振器的能量主要集中在射频谐振器中部，从根源上减少了能量的耗散、进一步激励压电层压电效应，并有效抑制伪模态。同时，本技术提出的中间位置的子电极宽度较大的结构完全符合微纳加工工艺流程，并不需要额外添加工艺步骤。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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为本发明一些实施例提供的射频谐振器的结构示意图之一；
20.图2为图1中位于压电层上的上电极的俯视图；
21.图3为本发明一些实施例提供的射频谐振器的结构示意图之二；
22.图4为图3中位于压电层上的上电极的俯视图；
23.图5为本发明一些实施例提供的上电极为环形电极阵列时的结构示意图；
24.图6为本发明一些实施例提供的上电极为二维分布状电极时的结构示意图；
25.图7为传统结构提供的射频谐振器仿真得到的模态图；
26.图8为本发明一些实施例提供的射频谐振器仿真得到的模态图；
27.图9为本发明一些实施例提供的射频谐振器和传统结构提供的射频谐振器的阻抗曲线对比图；
28.图10为传统结构提供的射频谐振器所测得的阻抗曲线；
29.图11为本发明一些实施例提供的射频谐振器所测得的阻抗曲线。
30.图标：10-衬底；11-空腔；20-压电层；21-第一区域；22-第二区域；30-上电极；31-第一电极阵列；32-第二电极阵列；33-子电极；331-电极块；332-电桥；40-下电极。
具体实施方式
31.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
术人员将了解本发明的概念，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发明和随附权利要求的范围内。
32.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，在不脱离本发明的范围的情况下，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。
33.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)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)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。
34.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。
35.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发明。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。
36.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)的含义与本发明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。
37.请参照图1，本实施例提供一种射频谐振器，该射频谐振器包括衬底10、位于衬底10上的压电层20以及位于压电层20上的上电极30；上电极30包括第一电极阵列31和与第一电极阵列31电势相反的第二电极阵列32，第一电极阵列31和第二电极阵列32分别包括多个并排设置的子电极33，且第一电极阵列31的子电极33和第二电极阵列32的子电极33交替排布；其中，压电层20包括位于其中心的第一区域21和位于第一区域21之外的第二区域22，位于第一区域21的子电极33的平均宽度大于位于第二区域22的子电极33的平均宽度。该射频谐振器能够有效减少能量泄露、进一步激励压电层20压电效应，并有效抑制伪模态。
38.其中，该射频谐振器可以为固态配装型谐振器，也可以为空腔型薄膜体声波谐振器。当为空腔型薄膜体声波谐振器时，衬底10靠近压电层20的一侧可以设有空腔11，衬底10内的空腔11可以是通过前期填充牺牲材料，后期对牺牲材料进行释放得到的，由于其为本
领域技术人员所熟知，故本技术不再赘述。当为固态配装型(smr，solidly mounted resonators)谐振器时，可以在衬底10和压电层20之间设置有高声阻抗层和低声阻抗层相间排列构成的布拉格反射层用以实现声波的反射。为便于理解和说明，本技术主要以该射频谐振器为空腔型薄膜体声波谐振器为例进行示例说明。
39.空腔11，压电层20和上电极30沿射频谐振器各层级的层叠方向的重叠区域形成射频谐振器的谐振区域。
40.需要说明的是，本技术提供的射频谐振器可以用于声表面波谐振器和体声波谐振器。
41.还有，在本实施例中，该射频谐振器可以包括下电极40也可以不设置下电极40。当未设置下电极40时，由于上电极30包括第一电极阵列31和第二电极阵列32，且第一电极阵列31和第二电极阵列32的电势相反(即第一电极阵列31和第二电极阵列32可以分别接通正向交流电和负向交流电)，这样，电信号可以通过第一电极阵列31和第二电极阵列32，进一步在压电层20内部激发纵向声波。
42.上述第一电极阵列31和第二电极阵列32分别包括多个并排设置的子电极33，如图2所示，即第一电极阵列31包括多个并排设置的子电极33，第二电极阵列32也包括多个并排设置的子电极33。在本实施例中，第一电极阵列31的子电极33和第二电极阵列32的子电极33交替排布，即如图2所示。
43.请参照图2所示，压电层20包括第一区域21和第二区域22，其中，第一区域21位于压电层20的中间部分，第二区域22位于压电层20的边缘。在本实施例中，位于第一区域21内的子电极33的平均宽度大于位于第二区域22内的子电极33的平均宽度。例如，以图2为例，位于第一区域21内的子电极33包括三个(其中一个为第二电极阵列32的子电极33，另外两个为第一电极阵列31的子电极33)，位于第二区域22内的子电极33包括四个(其中两个为第二电极阵列32的子电极33，另外两个为第一电极阵列31的子电极33)，这时，位于第一区域21内的三个子电极33的平均宽度是大于位于第二区域22的四个子电极33的平均宽度的。应理解，上述子电极33的宽度方向与第一电极阵列31和第二电极阵列32的排布方向相同，对应至图2中则为水平方向。
44.由于射频谐振器在工作时，电能主要集中在电极层，由电能激发出压电层20的压电效应，进而产生声波。因此，本发明通过增大射频谐振器上电极30中间部分的尺寸，增加射频谐振器的金属化率，则可以将能量集中在射频谐振器的中间位置，从而进一步激发射频谐振器中间位置的压电层20的压电效应，且削弱射频谐振器边缘区域的压电效应，如此，可以从根源上减少能量的泄露。
45.请参照图7和图8，图7为传统结构提供的射频谐振器仿真得到的模态图，图8为本技术提供的射频谐振器仿真得到的模态图。经过分析两者的模态图发现，很显然本技术提供的射频谐振器相对传统结构而言能够有效地将能量集中在谐振器的中间区域，并且可以有效激发压电层20的压电效应，在谐振频率点处，本发明结构的压电层20振动明显强于传统结构。
46.请再结合参照图9，图9为本技术提供的射频谐振器和传统结构提供的射频谐振器的阻抗曲线对比图(在图9中，本技术提供的射频谐振器的阻抗曲线用实线表示，传统结构提供的射频谐振器的阻抗曲线用虚线表示)。可以看出本技术提供的射频谐振器的阻抗曲
线明显比传统结构提供的射频谐振器的阻抗曲线更尖锐，综合上述仿真结果，可以得出本技术明显优于传统结构。
47.请结合参照图10和图11，图10为传统结构提供的射频谐振器所测得的阻抗曲线；图11为本技术提供的射频谐振器所测得的阻抗曲线。根据图11可得，本技术提供的射频谐振器能达到5ghz以上，带宽在25％以上，并且本技术的阻抗曲线相较于传统结构提供的射频谐振器更加光滑，能够有效减少杂散模态的产生，使得主模态振动更加明显，能量更加集中于主模态。并且相较于传统结构，可以有效抑制串联谐振频率和并联频率之间的伪模态，同时q值相较于传统结构有了提高，即，本发明能够有效抑制杂散模态，提升主模态的谐振，进而提升谐振器的性能。
48.综上所述，本技术提供的射频谐振器包括衬底10、位于衬底10上的压电层20以及位于压电层20上的上电极30；上电极30包括第一电极阵列31和与第一电极阵列31电势相反的第二电极阵列32，第一电极阵列31和第二电极阵列32分别包括多个并排设置的子电极33，且第一电极阵列31的子电极33和第二电极阵列32的子电极33交替排布；其中，压电层20包括位于其中心的第一区域21和位于第一区域21之外的第二区域22，位于第一区域21的子电极33的平均宽度大于位于第二区域22的子电极33的平均宽度。本技术提供的射频谐振器将位于压电层20中间位置的子电极33的平均宽度设置为大于位于压电层20边缘位置的子电极33的平均宽度，如此，能够使得射频谐振器的能量主要集中在射频谐振器中部，从根源上减少了能量的耗散、进一步激励压电层20压电效应，并有效抑制伪模态。同时，本技术提出的中间位置的子电极33宽度较大的结构完全符合微纳加工工艺流程，并不需要额外添加工艺步骤。
49.其中，在本实施例中，位于第一区域21的子电极33的平均宽度大于位于第二区域22的子电极33的平均宽度，可以至少包含以下两种情况：
50.在第一种可行的情况下，如图1和图2所示，位于第一区域21的每个子电极33的宽度均大于位于第二区域22的任意一个子电极33的宽度。
51.在第二种可行的情况下，如图3和图4所示，在第一区域21内，相邻两个子电极33的宽度不同。即，第一区域21的子电极33是由宽窄相间的子电极33构成的。其中，第一区域21的子电极33可以包括两种宽度(即第一宽度和第二宽度，其中，第一宽度大于第二宽度，相邻的两个子电极33的宽度分别为第一宽度和第二宽度)，也可以包括多种宽度(简言之，位于第一区域21内的各个子电极33的宽度可以各不相同，也可以部分相同部分不同等)。
52.还有，在本实施例中，可选地，上述第一电极阵列31和第二电极阵列32可以分别为叉指状电极，如图2和图4所示。
53.或者，可选地，上述第一电极阵列31和第二电极阵列32也可以分别为环形电极阵列，如图5所示。这时，第一电极阵列31的各个子电极33呈环形分布，且第二电极阵列32的各个子电极33也呈环形分布。
54.再或者，可选地，如图6所示，每个子电极33也可以包括多个电极块331，相邻两个电极块331通过电桥332或者电连接线相连。即，第一电极阵列31包括多个并排设置的子电极33，每个子电极33包括多个电极块331，相邻的两个电极块331通过电桥332或者电连接线连接；第二电极阵列32也包括多个并排设置的子电极33，每个子电极33包括多个电极块331，相邻的两个电极块331通过电桥332或者电连接线连接。如此，第一电极阵列31和第二
电极阵列32则分别为二维分布状电极。
55.需要说明的是，在这种情况下，由于位于第一区域21的子电极33的平均宽度大于位于第二区域22的子电极33的平均宽度，那么，则位于第一区域21的子电极33的电极块331的平均直径应该是大于位于第二区域22的子电极33的电极块331的平均直径的，如图6所示。
56.可选地，上述电极块331的形状可以为圆形、椭圆形和多边形中的任意一种(图6示出的电极块331的形状为圆形)；和/或，上述电桥332的形状可以为直线形，圆形，弧形和多边形中的任意一种(图6示出的电桥332的形状为直线形)。
57.在本实施例中，上述压电层20的材料可以为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、钛酸锶钡或掺杂氮化铝、锆钛酸铅系压电陶瓷中的任意一种或者至少两种的组合。
58.可选地，上电极30的材料可以为铂、钼、金、钨、铜、铬、铝中的任意一种或者至少两种的组合。
59.本发明的另一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括上述的射频谐振器。由于上述射频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，故本技术在此不再赘述。
60.以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
61.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，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。