CN113328719B - 具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，将布拉格反射层位于衬底上，布拉格反射层由低声阻抗层和高声阻抗层相互交替形成；第一温度补偿层位于布拉格反射层上；由从下至上依次排布的下电极、压电层和上电极构成的压电振荡堆位于第一温度补偿层上；第二温度补偿层位于上电极上；第一温度补偿和第二温度补偿层均采用正温度系数材料。本发明通过在谐振器中加入双层温度补偿结构，显著降低器件的频率温度系数，使得器件能够适应当今大功率、高频率的工作环境；同时，位于布拉格顶层的第一温度补偿层不仅能够反射纵波，也对剪切波有一个较高的反射系数，避免器件在谐振处剪切波能量泄露到衬底之中，因此提高了器件Q值。

Description

具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器

技术领域

本发明涉及射频滤波器技术领域，具体涉及一种具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器。

背景技术

近年来，随着现代无线通信技术的不断发展，其对射频滤波器、双工器提出了更高的要求，器件需要工作在更高的频率范围内以及具备更低的插损等。体声波谐振器(BAW)因其具备工作频段宽、高品质因数、体积小等优点已经成为目前射频滤波器应用最广泛的器件之一。

目前市场上应用的体声波谐振器主要分为两种结构：空腔型薄膜体声波谐振器(FBAR)与固体装配型谐振器(SMR)。固体装配型谐振器相较于传统的空腔结构可以显著提高器件的机械强度，其主要由顶电极、压电层、底电极构成的有源三明治结构堆叠在布拉格反射层之上形成；其中布拉格反射层由多层声阻抗高低交替的薄膜组成，每一层厚度均控制为波长的四分之一。布拉格层的反射机理是：由电信号在压电层激发出的声波在布拉格结构每一层界面均会发生全反射，将大部分能量反射回压电层。由于布拉格结构在谐振频率处对纵波的反射系数较高，对剪切波的反射系数相对较低，因此会有部分剪切波能量泄露到衬底之中，导致器件Q值偏低。此外，由于SMR器件中使用的电极、压电层、高声阻抗反射层均属于负温度系数的材料，因此当器件的工作温度升高时，器件会产生明显的温度漂移现象。

发明内容

本发明的目的是为解决现有固体装配型体声波谐振器技术的不足，提供一种具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，使得器件具备较好的温度和频率稳定性，也即频率温度系数(TCF)较小；此外，该结构可以抑制横向寄生振动，提升器件的Q值。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括衬底、布拉格反射层、第一温度补偿层、下电极、压电层、上电极和第二温度补偿层；所述的布拉格反射层位于衬底上，布拉格反射层由低声阻抗层和高声阻抗层相互交替形成；所述的第一温度补偿层位于布拉格反射层上；由从下至上依次排布的下电极、压电层和上电极构成的压电振荡堆位于第一温度补偿层上；所述的第二温度补偿层位于上电极上；所述的第一温度补偿和第二温度补偿层均采用正温度系数材料。

优选地，所述衬底的材料为单晶硅、多晶硅、蓝宝石、铌酸锂、金刚石或蓝宝石。

优选地，所述布拉格反射层中高声阻抗层的材料为钼、钨、钛、钛钨合金、氮化铝或铌酸锂；所述低声阻抗层的材料为铝、二氧化硅、多孔硅或聚酯酰胺。

优选地，所述布拉格反射层的总层数为5～7层，每层的厚度为该谐振器在并联谐振处激发的声波信号在该层材料中波长的四分之一或四分之三；布拉格反射层中相邻高声阻抗层与低声阻抗层的声阻抗比值为1.5～4；且布拉格反射层的各低声阻抗层与第二温度补偿层的声阻抗比值均不大于1。

更优选地，所述布拉格反射层的最顶层为低声阻抗层，且布拉格反射层的总层数为基数，也即第一层和最后一层均为低声阻抗层。

优选地，所述上电极和下电极的材料均为铝、钼、金、钨、钛、银、铂或钛钨合金。

优选地，所述压电层的材料为氮化铝、铌酸锂、锆钛酸铅、钛酸锶钡、氧化锌或PZT。

优选地，所述第一温度补偿和第二温度补偿层的材料均为二氧化硅或氮化硅。

优选地，所述第一温度补偿层的厚度为布拉格反射层中低声阻抗层厚度的四分之一。

优选地，所述第二温度补偿的厚度为50nm～300nm。

本发明具有的有益效果：

本发明通过在谐振器中加入双层温度补偿结构，能够显著降低器件的频率温度系数，即器件的谐振频率不会随着器件温度改变而发生明显变化，使得器件能够适应当今大功率、高频率的工作环境；与此同时，位于布拉格顶层的第一温度补偿层不仅能够反射纵波，也同时对剪切波有一个较高的反射系数，该结构避免器件在谐振处剪切波能量泄露到衬底之中，因此提高了器件Q值。

附图说明

图1为本发明固体装配型体声波谐振器的结构示意图；

图2为本发明中布拉格反射层的结构示意图；

图3a为传统布拉格反射层结构中纵波与横波的传输损耗幅值示意图；

图3b为本发明布拉格反射层和第一温度补偿层组合结构中纵波与横波的传输损耗幅值示意图；

图4为本发明固体装配型体声波谐振器与传统固体装配型体声波谐振器的阻抗幅值对比图。

具体实施方式

为了更好地描述本发明，下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，包括衬底101、布拉格反射层102、第一温度补偿层103、下电极104、压电层105、上电极106和第二温度补偿层107；布拉格反射层102置于衬底101上，布拉格反射层102由低声阻抗层108和高声阻抗层109相互交替形成；第一温度补偿层103置于布拉格反射层上，由从下至上依次排布的下电极104、压电层105和上电极106构成的压电振荡堆置于第一温度补偿层上；第二温度补偿层107置于上电极106上，可作为上电极的保护层，防止上电极暴漏在空气中被氧化；第一温度补偿和第二温度补偿层均采用正温度系数材料。

其中，衬底101选用的材料包括，但不限于单晶硅、多晶硅、蓝宝石、铌酸锂、金刚石、蓝宝石；布拉格反射层102中低声阻抗层108选用的材料包括，但不限于铝、二氧化硅、多孔硅、聚酯酰胺；布拉格反射层102中高声阻抗层109选用的材料包括，但不限于钼、钨、钛、钛钨合金、氮化铝、铌酸锂。上电极106和下电极104选用的材料包括，但不限于铝、钼、金、钨、钛、银、铂。压电层105选用的材料包括，但不限于氮化铝、铌酸锂、锆钛酸铅、钛酸锶钡、氧化锌。第一温度补偿层103和第二温度补偿层107选用的材料包括，但不限于二氧化硅。

如图3a和图3b所示，对比本发明的布拉格反射层和第一温度补偿层103组合结构与传统布拉格结构在谐振频率处的传输损耗，可见，本发明的结构同时对纵波与横波均具有较大的衰减效果，相比于只对纵波具有衰减效果的传统布拉格结构，本发明能减少器件剪切波能量的泄露，提高器件的Q值。

如图4所示，在器件的并联谐振频率处，本发明固体装配型体声波谐振器的阻抗为2703欧姆，而传统固体装配型体声波谐振器在同样频率点处的阻抗仅为1238欧姆，因此本发明固体装配型体声波谐振器的相位相比传统固体装配型体声波谐振器更加陡峭，且在并联谐振点处的Q值远高于传统固体装配型体声波谐振器。

此外，本发明布拉格反射层与第一温度补偿和第二温度补偿层的组合结构相较于传统布拉格结构拥有双重温度补偿功能，传统谐振器只能在室温下工作，而本发明体声波谐振器因为具有接近于零的频率温度系数，因此可应用于长时间的大功率、高频率工作环境。

Claims (9)

1.具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，包括衬底、布拉格反射层、下电极、压电层和上电极，其特征在于：还包括第一温度补偿层和第二温度补偿层；所述的布拉格反射层位于衬底上，布拉格反射层由低声阻抗层和高声阻抗层相互交替形成；所述的第一温度补偿层位于布拉格反射层上；由从下至上依次排布的下电极、压电层和上电极构成的压电振荡堆位于第一温度补偿层上；所述的第二温度补偿层位于上电极上；所述的第一温度补偿和第二温度补偿层均采用正温度系数材料；所述第一温度补偿层的厚度为布拉格反射层中低声阻抗层厚度的四分之一。

2.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，其特征在于：所述衬底的材料为单晶硅、多晶硅、蓝宝石、铌酸锂、金刚石或蓝宝石。

3.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，其特征在于：所述布拉格反射层中高声阻抗层的材料为钼、钨、钛、钛钨合金、氮化铝或铌酸锂；所述低声阻抗层的材料为铝、二氧化硅、多孔硅或聚酯酰胺。

4.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，其特征在于：所述布拉格反射层的总层数为5～7层，每层的厚度为该谐振器在并联谐振处激发的声波信号在该层材料中波长的四分之一或四分之三；布拉格反射层中相邻高声阻抗层与低声阻抗层的声阻抗比值为1.5～4；且布拉格反射层的各低声阻抗层与第二温度补偿层的声阻抗比值均不大于1。

5.根据权利要求4所述具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，其特征在于：所述布拉格反射层的最顶层为低声阻抗层，且布拉格反射层的总层数为基数。

6.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，其特征在于：所述上电极和下电极的材料均为铝、钼、金、钨、钛、银、铂或钛钨合金。

7.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，其特征在于：所述压电层的材料为氮化铝、铌酸锂、锆钛酸铅、钛酸锶钡、氧化锌或PZT。

8.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，其特征在于：所述第一温度补偿和第二温度补偿层的材料均为二氧化硅或氮化硅。

9.根据权利要求1所述具有温度补偿功能的固体装配型体声波谐振器，其特征在于：所述第二温度补偿的厚度为50nm～300nm。