CN112003581B - 体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体声波谐振器。所述体声波谐振器包括：衬底，以及依次设于所述衬底上的反射结构、底电极、压电层和顶电极；所述体声波谐振器包括谐振区，所述谐振区包括边缘区，所述边缘区中设有至少一个空腔，且每个空腔的顶部和/或底部位于所述压电层的内部。本发明能够避免侧向波在共振时形成寄生模态，降低侧向波的能量泄露。

Description

体声波谐振器

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器。

背景技术

FBAR(film bulk acoustic resonator，薄膜腔声谐振滤波器)由于其体积小、半导体工艺兼容性、高Q值等优点，被广泛应用于移动通信领域中。谐振器是构成滤波器的基本元件，其性能直接影响滤波器的性能。

谐振器工作时会形成纵向体声波，但纵向体声波在压电层传播时，由于压电层的物理泊松效应，会在压电层内产生侧向波。而侧向波会导致能量泄露，且在共振时形成寄生模态。

发明内容

本发明提供一种体声波谐振器，能够避免侧向波在共振时形成寄生模态，降低侧向波的能量泄露。

本发明提供了一种体声波谐振器，包括衬底，以及依次设于所述衬底上的反射结构、底电极、压电层和顶电极；

所述体声波谐振器包括谐振区，所述谐振区包括边缘区，所述边缘区中设有至少一个空腔，且每个空腔的顶部和/或底部位于所述压电层的内部。

优选地，所述空腔的顶部位于所述压电层的内部，所述空腔的底部延伸至所述底电极的顶表面、所述底电极的内部或者所述底电极的底表面。

优选地，所述空腔的底部位于所述压电层的内部，所述空腔的顶部延伸至所述顶电极的底表面、所述顶电极的内部或者所述顶电极的顶表面。

优选地，所述谐振区还包括中心区，所述边缘区环绕所述中心区设置；

所述至少一个空腔在环绕方向上的间距小于预设阈值。

优选地，所述至少一个空腔包括至少一个第一空腔；

所述第一空腔环绕所述中心区设置，且所述第一空腔在所述衬底上的正投影为闭合形状。

优选地，所述至少一个空腔包括至少一个第二空腔；

所述第二空腔环绕所述中心区设置，且所述第二空腔在所述衬底上的正投影为具有开口的非闭合形状，所述开口的距离小于所述预设阈值。

优选地，所述至少一个空腔包括多个第三空腔；

所述多个第三空腔在所述环绕方向上间隔设置，且任意相邻的两个第三空腔的间隔距离小于所述预设阈值。

优选地，所述预设阈值为50μm。

优选地，所述边缘区在朝向所述谐振区中心方向上的长度小于3μm。

优选地，所述空腔中填充空气和非金属材料中的任意一种，所述非金属材料包括二氧化硅。

本发明的有益效果为：通过在谐振区的边缘区中设置至少一个空腔，使每个空腔的顶部和/或底部位于压电层的内部，使传播至空腔(即压电层谐振区的边缘区)的侧向波能够经空腔反射改变传播方向，保证压电层谐振区的边缘区的侧向波不会泄露至非谐振区，从而降低侧向波的能量泄露，且避免侧向波在共振时形成寄生模态，提高谐振器质量。

附图说明

为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的体声波谐振器的第一个结构示意图；

图2为本发明实施例提供的体声波谐振器的第二个结构示意图；

图3为本发明实施例提供的体声波谐振器的第三个结构示意图；

图4为本发明实施例提供的体声波谐振器的第四个结构示意图；

图5为本发明实施例提供的体声波谐振器的第五个结构示意图；

图6为本发明实施例提供的体声波谐振器的第六个结构示意图；

图7为本发明实施例提供的体声波谐振器的第七个结构示意图；

图8为本发明实施例提供的体声波谐振器的第八个结构示意图；

图9为本发明实施例提供的体声波谐振器中空腔在边缘区的第一个示意图；

图10为本发明实施例提供的体声波谐振器中空腔在边缘区的第二个示意图；

图11为本发明实施例提供的体声波谐振器中空腔在边缘区的第三个示意图；

图12为本发明实施例提供的体声波谐振器中空腔在边缘区的第四个示意图；

图13为本发明实施例提供的滤波器的一个电路图；

图14为本发明实施例提供的滤波器的另一个电路图。

具体实施方式

这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本发明的示例性实施例的目的。但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

参见图1，是本发明实施例提供的体声波谐振器的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的体声波谐振器包括衬底1，以及依次设于所述衬底上的反射结构2、底电极3、压电层4和顶电极5。具体地，反射结构2位于衬底1上，底电极3位于反射结构2和衬底1上，压电层4位于底电极3和衬底1上，顶电极5位于压电层4上。

其中，反射结构2可以为谐振腔或反射器，例如布拉格反射器(Bragg reflector)。在反射结构2为谐振腔时，衬底1上可以先形成牺牲层(图中未示出)，牺牲层可以具有相对于衬底1的上表面呈斜坡状的侧壁，且侧壁的坡度可以为35度。由于牺牲层为过渡材料，在衬底1和牺牲层上依次形成底电极3、压电层4和顶电极5后，可以通过释放孔对牺牲层进行释放，使牺牲层处形成空腔，即谐振腔，谐振腔的纵截面可以呈等腰梯形，且等腰梯形的底角可以为35°。谐振腔为形成谐振器振动的边界条件。

衬底1可以为硅、玻璃、蓝宝石、氮化镓、砷化镓、铌酸锂、钽酸锂等。底电极3可以为钼、钨、铬、铝、铜、石墨烯(Graphene)中的一种或多种组合。压电层4具有<002>的结晶优选，可以为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅，或掺杂有稀土元素的上述材料。顶电极5可以为钼、钨、铬、铝、铜、石墨烯(Graphene)中的一种或多种组合。

体声波谐振器包括谐振区6和非谐振区。谐振区6是指当电能施加到底电极3和顶电极5以在压电层4中引起电场时，通过压电现象沿预定方向振动以产生谐振的区域，例如反射结构2、底电极3、压电层4和顶电极5相重叠的区域为谐振区6。非谐振区是指即使电能被施加到底电极3和顶电极5，也不会通过压电现象发生谐振的区域。非谐振区可以分为位于谐振区6两侧的第一非谐振区71和第二非谐振区72。

具体地，底电极3位于第一非谐振区71和谐振区6中，压电层4位于谐振区6、第一非谐振区71和第二非谐振区72中，顶电极5位于谐振区6和第二非谐振区72中。底电极3以及顶电极5在衬底1上的形状相同，可以包括半圆、三角形、矩形和不规则多边形中的任意一个或多个的组合形状。例如，底电极3和顶电极5均为半圆和三角形形成的组合形状。

如图1所示，谐振区6可以包括中心区61以及环绕于中心区61设置的边缘区62。优选地，边缘区62在朝向谐振区6中心方向上的长度小于3μm。边缘区62中设有至少一个空腔7，每个空腔7的顶部和/或底部位于所述压电层4的内部。需要说明的是，压电层4的内部是指压电层4的底表面与顶表面之间的位置，不包括压电层4的底表面和顶表面。也就是说，每个空腔7的顶部和底部中的至少一个设置在压电层4中，以保证侧向波传播至空腔7中后能够经顶部和/或底部处的压电层4反射，改变传播方向，达到降低侧向波的能量泄露，且避免侧向波在共振时形成寄生模态的目的。

若一个空腔7的顶部位于压电层4的内部，则该空腔7的底部可以设置在压电层4的内部，如图1所示；该空腔7的底部可以延伸至底电极3的顶表面，即压电层4的底表面，如图2所示；该空腔7的底部可以延伸至底电极3的内部，如图3所示；该空腔7的底部可以延伸至底电极3的底表面，即贯穿底电极3，以与谐振腔相连通，如图4所示。

若一个空腔7的底部位于压电层4的内部，则该空腔7的顶部可以设置在压电层4的内部，如图1所示；该空腔7的顶部可以延伸至顶电极5的底表面，即压电层4的顶表面，如图5所示；该空腔7的顶部可以延伸至顶电极3的内部，如图6所示；该空腔7的顶部可以延伸至顶电极3的顶表面，即贯穿顶电极3，如图7所示。

边缘区62中可以设置一个空腔7，也可以设置多个空腔7，不同空腔7在垂直于衬底1方向上的长度、位置可以相同，也可以不同。例如，图8中的边缘区62设有三个空腔71、72、73。空腔71的顶部位于压电层4的内部，底部延伸至底电极3的顶表面；空腔72的底部位于压电层4的内部，顶部延伸至顶电极5的内部；空腔73的底部和顶部均位于压电层4的内部，即空腔73位于压电层4的内部。

另外，空腔7中可以填充空气，也可以填充其他的非金属材料，例如二氧化硅SiO₂。在空腔7中填充空气时，可以采用与谐振腔类似的方法来制作。例如，在制作图1所示的空腔7时，先在底电极3和衬底1上形成第一压电子层(图中未示出)，在第一压电子层中形成凹槽，并在凹槽中填充牺牲材料，进而在第一压电子层上形成第二压电子层(图中未示出)，第一压电子层和第二压电子层构成压电层4，在第二压电子层上形成顶电极5后，通过释放孔对凹槽中的牺牲材料进行释放，以形成填充有空气的空腔7。又例如，在制作图6所示的空腔7时，先在压电层4上形成第一顶电极层(图中未示出)，在压电层4和第一顶电极层中形成凹槽，并在凹槽中填充牺牲材料，进而在第一顶电极层上形成第二顶电极层，第一顶电极层和第二顶电极层构成顶电极5，通过释放孔对凹槽中的牺牲材料进行释放，以形成填充有空气的空腔7。

进一步地，如图9至12所示，边缘区62中的至少一个空腔7环绕中心区61设置，且至少一个空腔7在环绕方向A上的间距小于预设阈值。也就是说，边缘区62在环绕方向A上不具有空腔的连续长度小于预设阈值，以使边缘区62中的至少一个空腔7满足谐振器侧向波共振的破坏性干涉条件。优选地，该预设阈值可以为50μm。

如图9所示，边缘区62中的至少一个空腔7可以包括至少一个第一空腔74，第一空腔74环绕中心区61设置，即第一空腔74沿环绕方向A延伸，且第一空腔74在衬底1上的正投影为闭合形状。也就是说，第一空腔74可以为环绕中心区61的闭合结构。其中，闭合形状可以为环形、矩形、不规则多边形等，在此不做具体限定。

由于第一空腔74为闭合结构，因此边缘区62在环绕方向A上均设有空腔，即边缘区61中至少一个空腔在环绕方向A上的间距为0。若边缘区62中设有多个第一空腔74，多个第一空腔74可以沿朝向中心区61的方向上依次排列。边缘区62中还可以设置其他空腔7，其他空腔7在衬底1上的正投影的形状和位置不做具体限定。

如图10所示，边缘区62中的至少一个空腔7可以包括至少一个第二空腔75，第二空腔75环绕中心区61设置，即第二空腔75沿环绕方向A延伸，且第二空腔75在衬底1上的正投影为具有开口的非闭合形状。也就是说，第二空腔75可以为环绕中心区61的非闭合结构。其中，非闭合形状可以为具有开口的环形、矩形、不规则多边形等，在此不做具体限定。

由于第二空腔75为具有开口的非闭合结构，因此边缘区62在环绕方向A上不具有空腔的间距为开口的距离D1，开口的距离D1小于预设阈值。若边缘区62中设有多个第二空腔75，多个第二空腔75可以沿朝向中心区61的方向上依次排列，且不同第二空腔75中的开口位置可以相同，也可以不同。边缘区62中还可以设置其他空腔7，其他空腔7在衬底1上的正投影的形状和位置不做具体限定。

如图11所示，边缘区62中的至少一个空腔7可以包括多个第三空腔76，多个第三空腔76在环绕方向A上间隔设置，即多个第三空腔76在衬底1上的正投影间隔设置。边缘区62在环绕方向A上不具有空腔的连续长度为任意相邻的两个第三空腔76在环绕方向A上的间距，即边缘区62中至少一个空腔在环绕方向A上的间距为任意相邻的两个第三空腔76在环绕方向A上的间距。

如图11所示，若相邻的两个第三空腔76在朝向中心区61方向上不重叠，则该相邻的两个第三空腔76在环绕方向A上的间距D2大于0，且小于预设阈值。如图12所示，若相邻的两个第三空腔76的一端在朝向中心区61方向上相重叠，则重叠处，该相邻的两个第三空腔76在环绕方向A上的间距为0，非重叠处，该相邻的两个第三空腔76在环绕方向A上的间距D2大于0，且小于预设阈值。边缘区62中还可以设置其他空腔7，其他空腔7在衬底1上的正投影的形状和位置不做具体限定。

需要说明的是，边缘区62中可以仅设有第一空腔74、第二空腔75或第三空腔76，也可以同时设有第一空腔74、第二空腔75和第三空腔76中的多种空腔。在此基础上，边缘区62中还可以设置其他空腔7。

进一步地，第一非谐振区71中的压电层4还设有开口，并在开口中填充第一焊盘(图中未示出)，以使第一焊盘与底电极3电性连接，用于与外部传输信号。第二非谐振区72中的顶电极5上设有第二焊盘(图中未示出)，以使第二焊盘与顶电极5电性连接，用于与外部传输信号。

由上述可知，本发明实施例提供的体声波谐振器，能够通过在谐振区的边缘区中设置至少一个空腔，使每个空腔的顶部和/或底部位于压电层的内部，使传播至空腔(即压电层谐振区的边缘区)的侧向波能够经空腔反射改变传播方向，保证压电层谐振区的边缘区的侧向波不会泄露至非谐振区，从而降低侧向波的能量泄露，且避免侧向波在共振时形成寄生模态，提高谐振器质量。

相应地，本发明实施例还提供一种滤波器，可以包括至少一个上述实施例中的体声波谐振器。

如图13所示，本实施例中的滤波器可以为梯形滤波器，该梯形滤波器包括第一谐振器91和第二谐振器92，每个谐振器均为上述实施例中的体声波谐振器，在此不再详细赘述。其中，第一谐振器91的顶电极电性连接的第二焊盘与第二谐振器92的顶电极电性连接的第二焊盘为同一焊盘，构成信号输入端；第一谐振器91的底电极连接的第一焊盘，构成接地端，第二谐振器92的底电极连接的第一焊盘，构成信号输出端。

另外，本实施例中的滤波器还可以为网格型滤波器，网格型滤波器包括四个谐振器10，每个谐振器10均为上述实施例中的体声波谐振器，在此不再详细赘述。网格型滤波器的电路图如图14所示。

由上述可知，本发明实施例提供的滤波器，能够能够通过在谐振区的边缘区中设置至少一个空腔，使每个空腔的顶部和/或底部位于压电层的内部，使传播至空腔(即压电层谐振区的边缘区)的侧向波能够经空腔反射改变传播方向，保证压电层谐振区的边缘区的侧向波不会泄露至非谐振区，从而降低侧向波的能量泄露，且避免侧向波在共振时形成寄生模态，提高谐振器质量，进而提高滤波器质量。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括衬底，以及依次设于所述衬底上的反射结构、底电极、压电层和顶电极；

所述体声波谐振器包括谐振区和中心区，所述谐振区包括边缘区，所述边缘区中设有至少一个空腔，且每个空腔的顶部和/或底部位于所述压电层的内部，所述边缘区环绕所述中心区设置；所述至少一个空腔在环绕方向上的间距小于预设阈值；

所述至少一个空腔包括至少一个第一空腔；所述第一空腔环绕所述中心区设置，且所述第一空腔在所述衬底上的正投影为闭合形状；

所述至少一个空腔还包括两个第三空腔，所述第三空腔与对应的所述中心区的形状相同，所述中心区的形状为一条弧形和两条直线首尾相连形成的闭合图形，所述第三空腔中的每一空腔均跨越所述中心区形状的弧形和直线相连的至少一个部位，且所述每一个第三空腔的形状均包括弯曲部分和平直部分；

其中，两个所述第三空腔至所述中心区的垂直距离不等，所述两个第三空腔在所述环绕方向上的一端相互重叠，另一端相互间隔，且所述两个第三空腔的间隔距离小于所述预设阈值。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空腔的顶部位于所述压电层的内部，所述空腔的底部延伸至所述底电极的顶表面、所述底电极的内部或者所述底电极的底表面。

3.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空腔的底部位于所述压电层的内部，所述空腔的顶部延伸至所述顶电极的底表面、所述顶电极的内部或者所述顶电极的顶表面。

4.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述至少一个空腔包括至少一个第二空腔；

所述第二空腔环绕所述中心区设置，且所述第二空腔在所述衬底上的正投影为具有开口的非闭合形状，所述开口的距离小于所述预设阈值。

5.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述预设阈值为50μm。

6.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述边缘区在朝向所述谐振区中心方向上的长度小于3μm。

7.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空腔中填充空气和非金属材料中的任意一种，所述非金属材料包括二氧化硅。