一种射频微机电压电谐振器

1.本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种射频微机电压电谐振器。


背景技术：

2.压电谐振器是通过压电材料中应力场与电场的耦合，来实现电能和机械能在谐振频率下的互相转换，能量转换的效率是对器件性能最直接的表征，通常使用有效机电耦合系数k
2eff
和品质因数q来量化压电谐振器的性能指标。文献[y.zhu,n.wang,c.sun,s.merugu,n.singh,and y.gu,“ahigh coupling coefficient2.3-ghz aln resonator for high band lte filtering application,”ieee electron device letters,vol.37,no.10,pp.1344
–
1346,oct.2016.]通过在谐振器压电层表面设置多对电势极性交替反向的叉指电极，来同时激发横向和纵向的压电效应，从而可以显著提高有效机电耦合系数k
2eff
，并且可以通过调整电极指的光刻尺寸来调节谐振频率，从而实现多谐振频率器件的单片集成。但是该结构相较于传统兰姆波谐振器，其主要优化的性能指标是针对有效机电耦合系数k
2eff
，器件的品质因数q难以得到提升，以压电材料选用aln为例仅在1000左右，这就限制了该结构谐振器的应用范围。
[0003]
品质因数q表征的是机械能和电能互相转换时，器件中的能量损失，通常来说更高的q值意味着更低的插入损耗，能够有效降低系统噪声，相对而言这项指标更为重要。在对器件进行材料或结构的优化过程中，品质因数q和有效机电耦合系数k
2eff
的变化趋势往往是负相关的，在当前技术条件下有效机电耦合系数k
2eff
很难得到进一步的提升，但是品质因数q还有相当大的提升空间，因而如何在减轻对有效机电耦合系数k
2eff
负面影响的前提下，尽可能地提升品质因数q，也是一个相当具有研究价值的方向。


技术实现要素：

[0004]
为解决上述问题，本发明提供了一种射频微机电压电谐振器，能够显著提升器件的品质因数q，同时也能够消除主谐振附近的杂散模态，使阻抗曲线更平滑。
[0005]
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
[0006]
一种射频微机电压电谐振器，包括压电层，固定在所述压电层的上侧的顶部电极，其特点在于，还包括：
[0007]
顶部电极填充层，包裹所述顶部电极；
[0008]
顶部覆盖层，覆盖在所述顶部电极填充层上，用于集中振动机械能，所述顶部覆盖层内部设有沟槽，用于消除杂散模态。
[0009]
进一步，在所述压电层的下侧固定有底部电极。
[0010]
进一步，所述底部电极由底部电极填充层包裹，该底部电极填充层下方覆盖有底部覆盖层。
[0011]
所述压电层104固定在硅衬底上，所述可选的底部电极105和顶部电极103分别位于压电层104的上方与下方。可选的底部叉指电极填充层106、顶部电极填充层102分别包裹
在叉指电极形式的可选底部电极105、以及顶部电极103的除与压电层104接触面以外的其它侧面。结构下方和上方最外侧，为所述可选的底部覆盖层107以及顶部覆盖层101。
[0012]
所述压电谐振器，通过压电层104固定在硅衬底上，谐振器有效区域的底部可以为空腔，也可以为声学反射层。
[0013]
所述压电层104的材料为aln及其掺杂物、zno及其掺杂物、linbo3、或litao3中的一种，所述掺杂物为稀土元素中的一种或几种。优选的，所述压电层104材料为aln，更优选的，所述压电层104的材料为scaln。
[0014]
所述压电层104的厚度为0.1～20μm。优选的，所述压电层104的厚度为1μm。
[0015]
所述可选的底部电极105的形式可以为：叉指电极，相邻电极指交替施加不同电势；平板电极接地；平板电极浮空；或者底部电极可以取消。优选的，所述可选的底部电极105的形式为叉指电极。
[0016]
所述顶部电极103的形式为叉指电极，相邻电极指施加的电势极性相反，当可选的底部电极105为叉指电极时，顶部电极指与上下相对的底部电极指也交替施加不同电势。
[0017]
所述可选底部电极105、顶部电极103的材料为铝、铂、钼、金、钨、铜、铱、钛中的一种、几种或合金。
[0018]
所述可选底部电极105、顶部电极103，其厚度与所述压电层厚度的比值范围为1:0.1～1，顶部电极103与可选底部电极105的厚度可以分别设置。
[0019]
当所述可选底部电极105形式为叉指电极时，需要设置可选底部叉指电极填充层106；当所述可选底部电极105形式为平板电极接地、平板电极浮空、以及可选底部电极取消时，可选底部叉指电极填充层106同时也要取消。
[0020]
所述可选的底部叉指电极填充层106、顶部电极填充层102，其材料为aln及其掺杂物、zno及其掺杂物、linbo3、litao3、以及al2o3、si3n4、sio2及其掺杂物，所述掺杂物为稀土元素中的一种或几种。
[0021]
所述可选的底部叉指电极填充层106、顶部电极填充层102，其厚度至少要完全覆盖叉指电极形式的可选的底部电极105以及顶部电极103，具体为，其厚度与其对应覆盖的电极厚度的比值范围为1:0.1～1，顶部电极填充层102与可选的底部叉指电极填充层106的厚度可以分别设置。
[0022]
所述顶部覆盖层101、可选的底部覆盖层107，其材料为aln及其掺杂物、zno及其掺杂物、linbo3、litao3、以及al2o3、si3n4、sio2及其掺杂物，所述掺杂物为稀土元素中的一种或几种。
[0023]
所述顶部覆盖层101、可选的底部覆盖层107，其厚度与压电层厚度的比值范围为1:0.1～10，所述顶部覆盖层101与可选的底部覆盖层107的厚度可以分别设置。
[0024]
所述顶部覆盖层101、可选的底部覆盖层107，其外侧面设有多组沟槽，沟槽的深度与相应覆盖层厚度的比值范围为1:0～1。
[0025]
所述可选的底部覆盖层107可以取消。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0027]
由于采用特定的填充及覆盖层结构，通过激发特定的模态，可以有效降低能量耗散，提高各谐振的品质因数q，并可以消除工作谐振频率附近的杂散谐振峰，改善频域响应。同时也保留了通过光刻尺寸来调节谐振频率的特性，并且通过调整覆盖层的规格还可以进
一步增加调频范围。
附图说明
[0028]
图1为本发明射频微机电压电谐振器的横截面示意图。
[0029]
图2a为实施例1射频微机电压电谐振器的横截面示意图。
[0030]
图2b为实施例1射频微机电压电谐振器的有限元仿真主谐振(n＝1)阻抗曲线。
[0031]
图3a为实施例2射频微机电压电谐振器的横截面示意图。
[0032]
图3b为实施例2射频微机电压电谐振器的有限元仿真主谐振(n＝1&2)阻抗曲线。
[0033]
图4为实施例3射频微机电压电谐振器的横截面示意图。
[0034]
图5为实施例4射频微机电压电谐振器的横截面示意图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0036]
实施例1
[0037]
图2a为实施例1射频微机电压电谐振器的横截面示意图，如图2a所示，，其结构由上至下包括顶部覆盖层201、顶部电极填充层202、顶部电极203、压电层204、以及底部电极205。底部电极205的形式为叉指电极。压电层204固定在硅衬底上，底部叉指电极205和顶部电极203分别位于压电层204的上方与下方，顶部电极填充层202包裹顶部电极203，顶部覆盖层201在结构的最上方。
[0038]
所述压电层204的材料为单晶aln，厚度为1μm。
[0039]
所述顶部电极203和底部叉指电极205的材料均为金属mo，厚度均为0.2μm，电极指宽度均为1μm，指间间隙均为1μm。
[0040]
所述顶部电极填充层202的材料为sio2，厚度为0.2μm。
[0041]
所述顶部覆盖层201的材料为sio2，厚度为1μm。所述顶部覆盖层201，其外侧面沟槽设在叉指电极的指间间隙上方，沟槽的对称轴与叉指电极指间间隙的对称轴在同一直线上，沟槽的深度为0.7μm，上侧开口长度为1.4μm，下侧开口长度为1.2μm。
[0042]
由图2b可见，本实施例所述谐振器的谐振频率(n＝1)为1.650ghz，有效机电耦合系数k
2eff
为1.536％，品质因数q为2800，并且在0.8～2.2ghz频段内除该模态以外不存在其它杂散模态。
[0043]
实施例2
[0044]
如图3a所示，本实施例所述的压电谐振器，其结构由上至下包括顶部覆盖层301、顶部电极填充层302、顶部电极303、压电层304、以及底部电极305。底部电极305的形式为叉指电极。压电层304固定在硅衬底上，底部叉指电极305和顶部电极303分别位于压电层304的上方与下方，顶部电极填充层302包裹顶部电极303，顶部覆盖层301在结构的最上方。
[0045]
所述压电层304的材料为单晶aln，厚度为1μm。
[0046]
所述顶部电极303和底部叉指电极205的材料均为金属mo，厚度均为0.2μm，电极指宽度均为1μm，指间间隙均为1μm。
[0047]
所述顶部电极填充层302的材料为sio2，厚度为0.2μm。
[0048]
所述顶部覆盖层301的材料为sio2，厚度为0.8μm。所述顶部覆盖层301，其外侧面沟槽设在叉指电极的指间间隙上方，沟槽的对称轴与叉指电极指间间隙的对称轴在同一直线上，沟槽的深度为0.8μm，上侧开口长度为0.8μm，下侧开口长度为0.8μm。
[0049]
由图3b可见，本实施例所述谐振器的谐振频率(n＝1)为1.562ghz，有效机电耦合系数k
2eff
为1.526％，品质因数q为2780。另外，本实施例在2.191ghz处还有一个谐振峰(n＝2)，其品质因数q可达5540。
[0050]
实施例3
[0051]
如图4所示，本实施例所述的压电谐振器，其结构由上至下包括顶部覆盖层401、顶部电极填充层402、顶部电极403、压电层404、底部电极405、底部叉指电极填充层406、底部覆盖层407。底部电极405的形式为叉指电极。所述压电层404固定在sio2和tiw层交替组成的布拉格反射层上，所述底部电极405和顶部电极403分别位于压电层404的上方与下方。底部叉指电极填充层406、顶部电极填充层402分别包裹底部电极405、以及顶部电极403。结构下方和上方最外侧，为底部覆盖层407以及顶部覆盖层401。
[0052]
所述压电层404的材料为单晶zno，厚度为2μm。
[0053]
所述顶部电极403和底部叉指电极405的材料均为金属al，厚度均为0.2μm，电极指宽度均为0.5μm，指间间隙均为0.5μm。
[0054]
所述顶部电极填充层402的材料为aln，厚度为0.5μm。
[0055]
所述底部叉指电极填充层406的材料为sio2，厚度为0.5μm。
[0056]
所述顶部覆盖层401的材料为al2o3，厚度为0.5μm。所述底部覆盖层407的材料为tiw，厚度为0.5μm。
[0057]
实施例4
[0058]
如图5所示，本实施例所述的压电谐振器，其结构由上至下包括顶部覆盖层501、顶部电极填充层502、顶部电极503、压电层504、底部电极505。底部电极505的形式为平板电极浮空.所述压电层504固定在硅衬底上，所述底部电极505和顶部电极503分别位于压电层504的上方与下方，顶部电极填充层502包裹顶部电极503，顶部覆盖层501在结构的最上方。
[0059]
所述压电层504的材料为单晶aln，厚度为0.5μm。
[0060]
所述顶部电极503的材料为金属al，底部电极505的材料为金属pt，厚度均为0.2μm，顶部电极503的电极指宽度为0.5μm，指间间隙为0.5μm。
[0061]
所述顶部电极填充层502的材料为si3n4，厚度为0.5μm。
[0062]
所述顶部覆盖层401的材料为sio2，厚度为0.5μm。
[0063]
根据本发明的技术方案，顶部和底部覆盖层的存在，能够促使振动机械能分布更加集中，有效减轻结构内部的能量耗散，经过对顶部和底部覆盖层的几何参数进行适当整定，即可显著提高器件的品质因数q值。覆盖层设置的沟槽可以起到消除杂散模态的作用，能够改善频域响应，使得阻抗曲线更加平滑。

技术特征：
1.一种射频微机电压电谐振器，包括压电层，固定在所述压电层的上侧的顶部电极，其特征在于，还包括：顶部电极填充层，包裹所述顶部电极；顶部覆盖层，覆盖在所述顶部电极填充层上，用于集中振动机械能，所述顶部覆盖层内部设有沟槽，用于消除杂散模态。2.根据权利要求1所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，在所述压电层的下侧固定有底部电极。3.根据权利要求2所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述底部电极由底部电极填充层包裹，该底部电极填充层下方覆盖有底部覆盖层。4.根据权利要求2所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述顶部电极和底部电极均为叉指电极，相邻电极指交替施加不同电势，且顶部电极指与上下相对的底部电极指也施加交替电势，叉指电极指间间隙的对称轴与所述沟槽对称轴在同一直线上。5.根据权利要求2所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述顶部电极为叉指电极、所述底部电极为平板电极接地或平板电极浮空。6.根据权利要求1-4任一所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述压电层的材料为aln及其掺杂物、zno及其掺杂物、linbo3、或litao3中的一种，所述掺杂物为稀土元素中的一种或几种；所述压电层的厚度为0.1～20μm。7.根据权利要求2-4任一所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述底部电极、顶部电极的材料为铝、铂、钼、金、钨、铜、铱、钛中的一种、几种或合金。所述底部电极、顶部电极与所述压电层厚度的比值范围为1:0.1～1。8.根据权利要求3-4任一所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述底部叉指电极填充层、顶部电极填充层，其材料为aln及其掺杂物、zno及其掺杂物、linbo3、litao3、以及al2o3、si3n4、sio2及其掺杂物，所述掺杂物为稀土元素中的一种或几种。9.根据权利要求3-4任一所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述底部叉指电极填充层、顶部电极填充层，其厚度至少要完全覆盖叉指电极形式的底部电极105以及顶部电极103，具体为，其厚度与其对应覆盖的电极厚度的比值范围为1:0.1～1，顶部电极填充层102与可选的底部叉指电极填充层106的厚度可以分别设置。10.根据权利要求2-4任一所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述顶部覆盖层、底部覆盖层，其材料为aln及其掺杂物、zno及其掺杂物、linbo3、litao3、以及al2o3、si3n4、sio2及其掺杂物，所述掺杂物为稀土元素中的一种或几种；其厚度与压电层厚度的比值范围为1:0.1～10。11.根据权利要求2-4任一所述的射频微机电压电谐振器，其特征在于，所述顶部覆盖层、底部覆盖层，其外侧面设有多组沟槽，沟槽的深度与相应覆盖层厚度的比值范围为1:0～1。

技术总结
一种射频微机电压电谐振器，包括压电层，固定在所述压电层的上侧的顶部电极，还包括：顶部电极填充层，包裹所述顶部电极；顶部覆盖层，覆盖在所述顶部电极填充层上，用于集中振动机械能，所述顶部覆盖层内部设有沟槽，用于消除杂散模态。本发明能够显著提升器件的品质因数Q，同时也能够消除主谐振附近的杂散模态，使阻抗曲线更平滑。使阻抗曲线更平滑。使阻抗曲线更平滑。


技术研发人员：王楠 马晨 蒋洁薇 杨丰瑗 陈建霖 汪志远 贺喜
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/14