CN113411065A - 一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，包括衬底、布拉格反射层和压电三明治结构；压电三明治结构由上到下依次为上电极、压电层与下电极；布拉格反射层置于衬底上，压电三明治结构置于布拉格反射结构上；布拉格声反射层由低声阻抗层与高声阻抗层交替堆叠形成，布拉格反射层的每一层中均嵌入散射体形成声子晶体，嵌入布拉格反射层的散射体与布拉格反射层共同构成器件底部声反射层；低声阻抗层中的散射体和高声阻抗层均为高声阻抗材料，高声阻抗层中的散射体和低声阻抗层均为低声阻抗材料。本发明利用声子晶体在禁带范围内对纵波与剪切波的高反射率特性，极大减少器件从布拉格泄露到衬底中的能量，提高器件Q值。
Description
技术领域
本发明涉及射频滤波器技术领域，具体涉及一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器。
背景技术
随着第五代通信技术在国际上的快速商业化，传统的射频滤波器不再满足高频通信的要求。薄膜体声波谐振器(FBAR)因其具有高Q值、大带宽、尺寸较小等优点已经成为5G通信系统射频前端器件的主流滤波器之一。固体装配型体声波谐振器(SMR—BAW)，由于不需要在衬底制备空腔，而是采用两种不同材料的薄膜交替构成的布拉格结构将声波反射回压电堆，因此具有较高的机械强度，器件良品率更高，且拥有较长的器件寿命。
布拉格声波反射结构是由高声阻抗薄膜与低声阻抗薄膜交替组合而成，当各层薄膜厚度满足布拉格反射条件时，可以实现在谐振频率附近对声波能量的反射，反射效率接近于空气。然而，仍会有部分能量将从布拉格结构泄露到衬底之中，这部分能量再经过衬底的反射回到压电堆中会造成寄生谐振，造成SMR的Q值要低于空腔型体声波谐振器。
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，提供一种新型的具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，将声子晶体嵌入布拉格结构中，该结构较传统布拉格结构可以有效地将声波能量限制在压电振荡堆中，极大提高布拉格结构对声波的反射效率，可以提高SMR器件的Q值。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括衬底、布拉格反射层和压电三明治结构；所述的压电三明治结构由上到下依次为上电极、压电层与下电极；所述的布拉格反射层置于衬底上，压电三明治结构置于布拉格反射结构上；布拉格反射层的每一层中均嵌入散射体形成声子晶体。
优选地，所述衬底的材料为单晶硅、碳化硅、多晶硅、蓝宝石、铌酸锂、金刚石或蓝宝石。
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，所述的布拉格声反射层由低声阻抗层与高声阻抗层交替堆叠形成，总层数为3～9层；其中，布拉格反射层每层的厚度为该体声波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的低声阻抗层与高声阻抗层的声阻抗比值范围为2～4。
优选地，所述嵌入布拉格反射层的散射体与布拉格反射层共同构成器件底部声反射层。
更优选地，所述低声阻抗层中的散射体和高声阻抗层均为高声阻抗材料，且低声阻抗层与该散射体的声阻抗比值为0.1～0.9。
更优选地，所述高声阻抗层中的散射体和低声阻抗层均为低声阻抗材料，且高声阻抗层与该散射体的声阻抗比值为2～8。
更优选地，所述低声阻抗层和高声阻抗层中的散射体直径均为50nm～1000nm。
更优选地，所述的低声阻抗材料为铝、二氧化硅、多孔硅或聚酯酰胺，高声阻抗层材料为钼、钨、钛、钛钨合金或氮化铝。
本发明具有的有益效果：
传统布拉格结构只能有效反射纵波，本发明通过在布拉格反射层中嵌入不同声阻抗的散射体形成声子晶体，利用声子晶体在较大范围的禁带内对声波具有低透射、高反射率的特性，对纵波与剪切波均具有更高的反射系数，有效地将能量抑制在压电振荡堆内，提高了器件Q值，并抑制了带外寄生。
附图说明
图1为本发明具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器的结构示意图；
图2为本发明中嵌入散射体的布拉格反射层结构示意图；
图3为本发明体声波谐振器与传统SMR器件的阻抗幅值对比图。
具体实施方式
为了更好的描述本发明，下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，包括衬底1、布拉格反射层2、下电极3、压电层4和上电极5；布拉格反射层2由低声阻抗层6与高声阻抗层7交替堆叠形成。其中，布拉格反射层2位于衬底1上，由从下至上依次排布的下电极3、压电层4和上电极5构成的有源三明治结构位于布拉格反射层2上；如图2所示，布拉格反射层2的每一层均嵌入散射体形成声子晶体，高声阻抗层7中的散射体为低声阻抗材料9，低声阻抗层6中的散射体为高声阻抗材料8。
散射体的截面包括，但不限于圆形、矩形；衬底1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；低声阻抗层6和低声阻抗材料9选用的材料包括，但不限于铝、二氧化硅、多孔硅、聚酯酰胺；高声阻抗层7和高声阻抗材料8选用的材料包括，但不限于钼、钨、钛、钛钨合金、氮化铝。上电极5和下电极3选用的材料包括，但不限于铝、钼、金、钨、钛、银、铂；压电层4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。
如图3所示，本发明体声波谐振器的阻抗曲线相较于传统SMR器件，在宽频带内曲线更加平滑。传统SMR器件在并联谐振点处往往会因为纵波与剪切波能量部分泄露到衬底之中，导致并联谐振点的Q值较低，但本发明在布拉格结构内嵌入声子晶体，利用声子晶体在禁带内对纵波与剪切波的高反射率特性，减小了器件的能量损失，提高了器件的Q值。
Claims (10)
1.一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，包括衬底、布拉格反射层和压电三明治结构，其特征在于：所述的压电三明治结构由上到下依次为上电极、压电层与下电极；所述的布拉格反射层置于衬底上，压电三明治结构置于布拉格反射结构上；布拉格反射层的每一层中均嵌入散射体形成声子晶体。
2.根据权利要求1所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，其特征在于：所述衬底的材料为单晶硅、碳化硅、多晶硅、蓝宝石、铌酸锂、金刚石或蓝宝石。
3.根据权利要求1所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，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。
4.根据权利要求1所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，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。
5.根据权利要求1所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，其特征在于：所述的布拉格声反射层由低声阻抗层与高声阻抗层交替堆叠形成，总层数为3～9层；其中，布拉格反射层每层的厚度为该体声波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的低声阻抗层与高声阻抗层的声阻抗比值范围为2～4。
6.根据权利要求1所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，其特征在于：所述嵌入布拉格反射层的散射体与布拉格反射层共同构成器件底部声反射层。
7.根据权利要求5所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，其特征在于：所述低声阻抗层中的散射体和高声阻抗层均为高声阻抗材料，且低声阻抗层与该散射体的声阻抗比值为0.1～0.9。
8.根据权利要求7所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，其特征在于：所述高声阻抗层中的散射体和低声阻抗层均为低声阻抗材料，且高声阻抗层与该散射体的声阻抗比值为2～8。
9.根据权利要求5、7或8所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，其特征在于：所述低声阻抗层和高声阻抗层中的散射体直径均为50nm～1000nm。
10.根据权利要求8所述一种具有布拉格反射栅结构的体声波谐振器，其特征在于：所述的低声阻抗材料为铝、二氧化硅、多孔硅或聚酯酰胺；高声阻抗材料为钼、钨、钛、钛钨合金或氮化铝。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210917 |