專利名稱：具有高溫度穩(wěn)定性的hbar諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有高溫度穩(wěn)定性的高體聲學(xué)諧振器(HABR)型諧振器、相應(yīng)制造方 法以及包括至少一個所述諧振器的振蕩器和濾波器。
背景技術(shù)：
電聲學(xué)諧振器用于電子振蕩器的溫度穩(wěn)定化，以及用于多個信號處理應(yīng)用(高選 擇性濾波、低帶檢測、編碼等)，其無源組件的基頻(base)處于50MHz-20GHz的頻率范圍內(nèi)。對這些設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化以用于其特定應(yīng)用，同時試圖最大化例如其品質(zhì)系數(shù)或耦合 系數(shù)。普遍有難度的是找到能在強(qiáng)電機(jī)械耦合、高品質(zhì)系數(shù)和熱穩(wěn)定性之間提供良好折 中的結(jié)構(gòu)。用于高達(dá)2. 5GHz頻率的應(yīng)用的基于聲表面波的多種方案能夠最小化諧振器頻率 的熱漂移，但鮮有能完全抵償(cancel out)熱漂移。關(guān)于體波，已經(jīng)知道的是使用石英作為具有高頻率穩(wěn)定性的壓電換能器，但是仍 然局限于IOOMHz以下的頻率。關(guān)于體波，使用氮化鋁(AlN)層作為換能器能夠改進(jìn)諧振器在50MHz-20GHz的頻 率范圍內(nèi)。因此，由 M. Lakin 在“1999 IEEE Ultrasonics Symposium”中發(fā)表的題為“Thin Film Resonators and Filters”的文獻(xiàn)描述了一種壓電換能器，其構(gòu)成為在硅或鎵砷化物 薄片形狀的襯底上通過陰極濺射沉積氮化鋁薄層，其間插入有空氣隔層或插入有四分之一 波長材料層，以從聲學(xué)角度將換能器與晶片襯底隔開。該文獻(xiàn)還描述了將二氧化硅(Sit)》層經(jīng)由縱向振動模式耦合到壓電換能器以穩(wěn) 定器溫度頻率漂移的可能性。但是，由于由壓電換能器和二氧化硅層形成的組件的平均聲品質(zhì)，仍然有存在頻 率熱漂移的問題且提出的方案在二階熱效應(yīng)補(bǔ)償方面并不是有說服力的。由 S. Ballandras 等人在 2006 IEEE Frequency Control Symposium 中發(fā)表的題 % "High Overtone Bulk Acoustic Resonators built using Aluminium Nitride Thin films deposited onto AT-cut Quartz plates”的文獻(xiàn)描述了在兩個電極之間嵌入一個氮 化鋁層，且通過其中一個電極粘合到另外的石英襯底。該文獻(xiàn)指出在氮化鋁中通過壓電效 應(yīng)耦合的模式是縱向的，且因此在下面的石英中的傳播模式具有相同的極化。由于在石英中縱波的溫度穩(wěn)定性品質(zhì)較差，因此頻率的溫度穩(wěn)定性品質(zhì)也較差， 在室溫下線性漂移超過20ppm(絕對值)。因此存在頻率熱漂移的問題仍然存在，且盡管能 夠從尤其高功能的頻率聲品質(zhì)(FQ)系數(shù)因子中受益(在400MHz以上，F(xiàn)Q大于1，3. IO13)， 但是不允許這種類型的方案來代替例如板載頻率合成應(yīng)用的體波諧振器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改進(jìn)電聲學(xué)諧振器的頻率熱穩(wěn)定性，其具有強(qiáng)壓電耦合和高功能頻率聲品質(zhì)系數(shù)因子。為此，本發(fā)明涉及一種用于在預(yù)定工作頻率工作的高體聲諧振器(HBAR)型諧振 器，包括由第一材料的具有第一厚度的層形成的壓電換能器，該第一材料沿由IEEE Md-176(1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(YXw) /識定義的角度識取向，且該角度識等于0，該第 一材料沿由IEEE Md-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語( (1)/θ定義的第一切割角θ 1被 切割，由此僅該材料的剪切波的電聲學(xué)耦合大于5%，該換能器具有作為第一切割角θ 1的 函數(shù)的一階頻率溫度系數(shù)CTFA ；由第二材料的具有第二厚度的第二層構(gòu)成的聲學(xué)襯底，該第二材料具有至少等 于5. IO12的功能頻率聲品質(zhì)系數(shù)因子，沿由IEEE Md-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語 (YXw) /識定義的角度識取向，且該角度識等于0，該第二材料沿由IEEE Md-176(1949修 訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語αχι)/θ定義的第二切割角θ 2被切割，具有對應(yīng)于振動的剪切模式的 至少一個極化方向; β1，該聲學(xué)襯底具有對應(yīng)于至少一個剪切模式且取決于第二切割角θ 2 的一階頻率溫度系數(shù)；由粘合到所述換能器的第一面和聲學(xué)襯底的一個面的金屬層形成的對電極；以及設(shè)置在所述換能器的第二面上的上電極，該第二面為所述換能器的第一面的相反 面且遠(yuǎn)離所述襯底；其特征在于，所述換能器和襯底的相對設(shè)置使得對應(yīng)于所述第一切割角θ 1的所述換能器的 剪切模式的極化方向與對應(yīng)于所述第二切割角θ 2的襯底的至少一個剪切模式的極化 方向？S1對齊；以及所述襯底的第二切割角θ 2使得對應(yīng)于所述至少一個剪切模式和所述第二切割 角θ 2的所述一階頻率溫度系數(shù)CTFBl為0，其在兩側(cè)的符號相反，或者在所述第二厚度與 第一厚度的比大于或等于0. 02時等于通過該第二厚度與第一厚度的比的遞增函數(shù)加權(quán)的 所述換能器的頻率溫度系數(shù)CTFA的相反數(shù)。根據(jù)特定的實(shí)施方式，HBAR諧振器包括以下一個或幾個特征對應(yīng)于所述第二切割角θ 2的二階頻率溫度系數(shù)也為0，其中，針對該第二切割角 θ 2，通過改變符號所述一階頻率溫度系數(shù)CTFBl抵償自身；當(dāng)所述第二厚度與第一厚度的比Re大于或等于0. 02時，所述第二切割角θ 2驗(yàn) 證形成關(guān)系α . Re+β . log(y . Re) = ( θ 2_ θ 2nul)* 斜率θ 2nul是第二切割角的值，針對該第二切割角的值一階頻率溫度系數(shù)CTFBl通過 改變符號來抵償自身；斜率是相對于在θ 2nul中選擇的θ 2的CTFBl的斜率；α，β和γ是與構(gòu)成聲學(xué)襯底和換能器有關(guān)的常數(shù)；所述換能器的材料被包括在由以下構(gòu)成的材料組中氮化鋁(AlN)、氧化鋅(SiO)、鈮酸鋰(LiNb03)、鉭酸鋰(LiTaCXB)以及鈮酸鉀；所述換能器的材料優(yōu)選被包括在由以下構(gòu)成的材料組中
鈮酸鋰(LiNb03)和鉭酸鋰(LiTa03)；所述聲學(xué)襯底的材料被包括在由以下組成的材料組中石英、正磷酸鎵(GaPo4)、鈮酸鉀、四硼酸鋰(LiB407)、蘭克賽(L￡t3Ga5Si014)、鉭酸鎵 鑭(Iangatate)及其硅酸鎵鑭(Ianganite)；所述聲學(xué)襯底的材料為石英；所述對電極是可熱壓金屬；所述對電極由金、銅或銦制成；所述諧振器的幾何尺寸適用于包括在從50MHz到20GHz的頻率范圍內(nèi)的頻帶的在頻率；所述聲學(xué)襯底具有極化方向，針對該極化方向所述頻率溫度系數(shù)CTFBl抵償自 身，該溫度系數(shù)在值Θ2ηιι11側(cè)和θ 2皿12側(cè)的符號相反，第一個值θ 2皿11與振動的慢剪 切模式相關(guān)聯(lián)，第二個值θ 2nul2與振動的快剪切模式相關(guān)聯(lián)；所述聲學(xué)襯底的材料為石英；所述換能器的材料為鈮酸鋰，以及當(dāng)θ ami等于+；35度時，α 等于 0.85，β 等于 3. 2，y 等于 200，以及斜率等于5. 10_6 ；當(dāng)θ 2nul等于-42度時，α 等于 1.25 X 50，β 等于 3. 2，y 等于 200，以及斜率等于2. 2. 10_6。本發(fā)明還涉及一種用于制造HBAR諧振器的方法，包括以下步驟在第一個步驟中，提供由第一材料的第一厚度的層構(gòu)成的壓電換能器，該第一材 料沿由IEEE Md-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(YXw) 定義的角度識取向，且該角度識 等于0，該第一材料并沿由IEEE Md-176(1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語( (1)/θ定義的第一 切割角θ 1被切割，由此剪切波的電聲學(xué)耦合大于5%，該換能器具有作為第一切割角θ 1 的函數(shù)的頻率溫度系數(shù)CTFA ；在第二個步驟中，提供由第二材料的具有第二厚度的第一層形成的聲學(xué)襯底， 該第二材料具有至少等于5. IO12的功能頻率聲品質(zhì)系數(shù)因子，沿由IEEE Std-176(1949 修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(YXw) 定義的角度識取向，且該角度爐等于0，并沿由IEEE Md-176(1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語αΧ1)/θ定義的第二切割角θ 2被切割，具有對應(yīng)于振 動的剪切模式的至少一個極化方向，該聲學(xué)襯底具有對應(yīng)于至少一個剪切模式且取決 于第二切割角θ 2的一階頻率溫度系數(shù)；所述襯底的第二切割角θ 2使得對應(yīng)于所述至少 一個剪切模式和所述第二切割角θ 2的所述一階頻率溫度系數(shù)CTFBl為0，其在兩側(cè)的符號 相反，或者在所述第二厚度與第一厚度的比大于或等于0. 02時等于通過該第二厚度與第 一厚度的比的遞增函數(shù)加權(quán)的所述換能器的頻率溫度系數(shù)CTFA的相反數(shù)；以及
在組裝步驟中，設(shè)置所述換能器和所述聲學(xué)襯底，使得對應(yīng)于所述第一切割角θ 1 的所述換能器的剪切模式的極化方向與對應(yīng)于所述第二切割角θ 2的襯底的至少一個 剪切模式的極化方向?qū)R。本發(fā)明還涉及一種零差振蕩器，包括上述的HBAR諧振器。本發(fā)明還涉及一種高阻濾波器，包括上述的基于HBAR諧振器的單元。


通過閱讀下面的被提供僅作為示例并參考附圖的一個實(shí)施方式的描述可以對本 發(fā)明有更好的理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的HBAR諧振器的立體圖；圖2是圖2中的諧振器沿線II-II的橫截面圖；圖3是形成壓電換能器的晶體的第一切割角θ 1的視圖；圖4是作為切割角θ 1的函數(shù)的鈮酸鋰晶體的體波的相速度的演變圖，該集的晶 體取向通常被稱為“單圈切割(single rotation cuts)”;圖5是作為角度θ 1的函數(shù)的鈮酸鋰的這些相同的波的耦合系數(shù)的演變圖；圖6是與換能器的剪切波極化的換能器板有關(guān)的平面示意圖；圖7是形成聲學(xué)襯底的晶體的第二切割角θ 2的示意圖；圖8是與聲學(xué)襯底的剪切波極化的聲學(xué)襯底板有關(guān)的平面示意圖；圖9是作為切割角θ 2的函數(shù)的具有石英剪切模式的持續(xù)極化的一階頻率溫度系 數(shù)的變化圖表；圖10是根據(jù)本發(fā)明的圖1中的諧振器的帶通頻率的典型溫度穩(wěn)定性性能的圖 表；圖11是圖2中所述的諧振器的制造方法的實(shí)施方式的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1和圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的高體聲學(xué)諧振器2的實(shí)施方式。諧振器2包括連續(xù)層的一疊層，其包括由鋁制成的厚度為ei的上電極4 ；由第一材料構(gòu)成的具有第一厚度、的壓電換能器6，該第一材料為單晶形態(tài)的鈮 酸鋰(LiNb03)；由金制成的厚度為％的嵌入的對電極8 ；由第二材料構(gòu)成的具有第二厚度t2的聲學(xué)襯底10，這里第二材料為單晶形態(tài)的石英。圖1中的層4、6、8和10都具有相同的長度1和寬度W，長度1明顯比寬度W和不 同層厚度61、、、62、以及、大。為了簡化圖1，電極4、8被顯示為與壓電換能器6共用表面。具體地，電極4、8的表面比壓電層6的表面小，且上電極4的表面小于或等于嵌入 的對電極的表面。在制作方法中，包括提供用作粘合層的嵌入層的步驟，通過平版印刷和金屬層沉積技術(shù)制造，對電極8的表面自然比上電極4的表面大。電極4、8的表面被設(shè)置為彼此相對并平行，各自的相對面的區(qū)域最大，邊緣盡量 平行。理想情況下，電極4、8的表面能完美重疊。因此，波的激勵被認(rèn)為與所謂的面-面諧振器配置相對應(yīng)，針對該配置，沉積在壓 電換能器6的兩個相對面上的非常薄的電極4、8在換能器6中剪切波的傳播方向上(根據(jù) 圖2中箭頭12所示)激勵波。
壓電換能器6具有根據(jù)由向量示出的沿諧振器長度L取向的極化的被激勵的剪 切模式。聲學(xué)襯底10具有兩種剪切模式，第一種是所謂的慢模式，第二種是所謂的快模 式。所謂的快剪切波和所謂的慢剪切波被定義為正交的極化剪切波，所謂的快波的相 速度比所謂的慢波的相速度大。在圖1中，對應(yīng)于換能器6的剪切模式的激勵的極化向量與對應(yīng)于聲學(xué)襯底的 剪切模式的極化向量(標(biāo)記為對齊。與示出的極化向量正交的對應(yīng)于剪切模式的極化向量在圖1中由^2示出，其 與; β,正交，且位于襯底10的延伸面中。換能器6與襯底10之間的經(jīng)熱壓的對電極8也用于諧振器2結(jié)構(gòu)的粘合。構(gòu)成換能器6的鈮酸鋰(LiNb03)層是從形成晶片的原單晶體材料中沿第一切割 角θ 1切下來的板。構(gòu)成聲學(xué)襯底10的石英層是從原單晶石英晶片中沿第二切割角θ 2切下來的板。根據(jù)圖3，鈮酸鋰板6是從晶片材料中沿著第一切割角θ 1切下來的，該晶片在圖 3中沒有示出，但標(biāo)記了其晶軸XpYpZ1, Z1軸是晶片的縱軸，晶軸^CpY1是在單晶制造過程 中預(yù)定的。這里角度θ 1在IEEE Std-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)中被定義為繞晶軸Xl的單圈 切割的角度θ 1，在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中該切割被注釋為(Y1X11VeLX11是與根據(jù)圖3所示的直的 下邊緣對齊的軸，該下邊緣的厚度為t1;長度為li。與切下的板6有關(guān)的標(biāo)記被示出為三個軸X’ ρΥ’ γ、ν 1;X’ i軸與Xl軸重合。兩 個軸Y’ V x通過分別將Y1軸、Z1軸繞Xl軸轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)角度θ 1而得到。圖4示出了繞鈮酸鋰換能器6的晶軸X11的單圈切割的縱波和剪切波的相速度的演變。曲線14示出了在換能器6中沿電極4和8的平面的法軸傳播的剪切波的相速度， 其為第一角度θ 1的函數(shù)。曲線16表示在換能器6中沿長度1的軸傳播的縱波的相速度(km/s)，其為第一切 割角θ 1(度)的函數(shù)。圖5示出了繞換能器6的晶軸&的單圈切割的縱波和剪切波的耦合。曲線18示出了剪切波的耦合系數(shù)K2t (表示為電能轉(zhuǎn)換成聲能的百分比)的演變， 該耦合系數(shù)K2t為第一切割角Θ1(度)的函數(shù)。曲線20示出了縱波的耦合系數(shù)K2t (表示為電能轉(zhuǎn)換成聲能的百分比)的演變，該耦合系數(shù)K2t為第一切割角Θ1(度)的函數(shù)。圖5示出了曲線18和20具有一角度區(qū)域22，在該角度區(qū)域22中，縱波幾乎不會 由于壓電性被耦合，因此對換能器6的電響應(yīng)不作出貢獻(xiàn)，因此，剪切波的激勵是特別有效 的，其電機(jī)械耦合在50 %與60 %之間。角度區(qū)域22以角度θ 1等于163°為中心，幅度等于10°。圖1中描述的換能器的切割角θ 1在圖6的區(qū)域22中被選擇等于163°。為了鈮酸鋰的轉(zhuǎn)動切割簡單，只有對應(yīng)于快剪切波的模式才具有通過壓電性的電 機(jī)械耦合。參考圖6中提供的換能器6的板沿平面軸X’ ρΥ’工的圖示，示出了由壓電性激 勵的剪切模式的標(biāo)量極化沿圖6中端點(diǎn)所示的軸V 1；即平面(X’ ,,Y'的法線，但是其空 間相關(guān)性由根據(jù)激勵平面的空間坐標(biāo)函數(shù)來描述。極化向量被選擇與軸Z’工共線。根據(jù)圖7，石英板10是從原單晶晶片中根據(jù)第二角度θ 2被切下來的，該晶片沒有 示出，但是標(biāo)記了石英的晶軸W” Z2軸是在水晶寶石形成期間顯露出的光軸C。這里角度θ 2在IEEE Md_176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)中被定義為繞晶軸)(2的單圈切 割的角度θ 2，在IEEE Std-176標(biāo)準(zhǔn)中該切割被注釋為(Y2, X12)/θ 2，X12是與根據(jù)圖4所 示的直的下邊緣對齊的軸，該下邊緣的厚度為t2，長度為L2。與切下的石英板10有關(guān)的標(biāo)記被示出為三個軸V 2、Y’ 2、V 2，V 2軸與\軸重 合，兩個軸Y’ 2、V 2通過分別將\軸、Z2軸繞軸轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)角度Θ 2而得到。參考與圖6中提供的換能器6的平面圖示類似的在圖8中提供的石英板10的沿平 面軸X’ 2、Υ’ 2的平面圖示，可以描述剪切模式的極化，希望在石英中利用該剪切模式的極化 以在被切割時一階或甚至二階熱敏感度能夠抵償自身。在石英情況中的剪切也是標(biāo)量的， 但是沿軸x’2建立，其根據(jù)激勵平面取決于與板有關(guān)的局部坐標(biāo)。對于根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)注解 1761949修訂本(關(guān)于壓電性的IEEE標(biāo)準(zhǔn)Std 176-1949，IRE學(xué)報(bào)，卷37，1378-1395頁， 1949)注釋的單圈石英和鈮酸鋰或鉭酸鋰板( α/θ )，所選的剪切波因此具有彼此正交的 極化，且只有在對換能器6和聲學(xué)襯底的晶軸的對齊進(jìn)行適當(dāng)選擇的情況下剪切波才會耦 合。在組裝換能器和聲學(xué)襯底的材料過程中必須考慮這些極化，以允許耦合希望在聲傳播 襯底10(例如石英)中激勵的聲波。這里，聲耦合效果通過將換能器6的Ζ’工軸與聲學(xué)襯底10的V 2軸對齊，或等效 地通過將換能器6的X’ i軸與聲學(xué)襯底10的V 2軸對齊來得到，由此在換能器6中的被激 勵模式的極化？/4與； 《1示出的聲學(xué)襯底10中的剪切模式的極化相同，由此能夠補(bǔ)償相應(yīng)波 的相速度的熱漂移。圖9示出了石英的剪切模式對靜態(tài)熱效應(yīng)的的敏感度，該敏感度為兩個一階頻率 溫度系數(shù)CTFBl和CTFB2的形式，其對應(yīng)于面-面聲學(xué)襯底10的彼此正交的持續(xù)極化(與 圖1中的類似，單位ppm. IT1 (頻率的百萬分率每開爾文))，且為第二切割角Θ2(度)的函數(shù)。實(shí)線形式的第一曲線30示出了為第二切割角θ 2的函數(shù)的沿X’ 2軸極化的剪切 波的第一一階頻率溫度系數(shù)CTFBl的演變，剪切波的極化對應(yīng)于圖1中的向量。虛線形式的第二曲線32示出了為第二切割角θ 2的函數(shù)的與上一段所述的剪切 波正交的被極化的剪切波的一階頻率溫度系數(shù)CTFB2的演變，該剪切波的極化對應(yīng)于圖1中的向量 δ2。所謂的快剪切波和所謂的慢剪切波被定義為具有正交極化的剪切波，所謂的快波 的相速度比所謂的慢波的相速度大。在石英的情況中，在切割角θ 2等于度附近，慢模式和快模式交換極化。針對 角度θ 2在度與-90度之間的切割，模式保持正交，但是快剪切模式替換慢剪切模式。 這種現(xiàn)象在圖8中看不出來，因?yàn)榍€30和32持續(xù)極化CTFB的圖示，不是通過快模式或 慢模式類型的圖示。對于在度與+90度之間的θ 2，沿&的極化的波對應(yīng)于慢剪切模式，而對于 在-90度與度之間的θ 2，沿X2的極化的波對應(yīng)于快剪切模式。曲線30示出了存在兩個角度區(qū)域34、36，在每個角度區(qū)域中分別有角度值(分別 記為Θ2ηιι11和Θ2ηιι12)，用于抵償(cancel out)沿X’ 2軸極化的剪切波的一階頻率溫 度系數(shù)CTFBl的。對于角度區(qū)域36，也稱為切割集AT，可以在35度與36度之間獲得及其精確的切 割值θ 2，由此能夠抵償二階溫度系數(shù)，為溫度的函數(shù)的頻率偏移，然后可以遵循三次開方定律。對于角度區(qū)域34，只有一階的系數(shù)可以抵償自身，但是已經(jīng)知道稱為BT的傳統(tǒng)切 割集具有比使用切割集AT所能得到的更好的諧振品質(zhì)因子。在石英的情況中，θ 2null ^P θ 2nul2分別等于-42度和+35度。以θ 2null為中心的第一角度區(qū)域34具有20度的幅度，優(yōu)選為10度，在該區(qū)域 曲線部分30可以近似于具有正斜率的直線段。以θ 2nul2為中心的第二角度區(qū)域36也具有20度的幅度，優(yōu)選為10度，在該區(qū) 域曲線部分30可以近似于具有負(fù)斜率的直線段。圖1中的換能器的第一切割角θ 1在區(qū)域22中選擇。聲學(xué)襯底10的第二角度θ 2在區(qū)域34或36之一中針對CTFBl為零或正(考慮 CTFA系數(shù)為負(fù)的事實(shí))的部分中選擇。在AT切割的情況中，即區(qū)域36中的θ 2且優(yōu)選等于35度，對于鈮酸鋰的厚度比 石英的厚度小得多的情況，即鈮酸鹽/石英的厚度比小于2%，對待檢測的充分耦合的第一 模式完全補(bǔ)償石英的溫度效應(yīng)。對于二階系數(shù)大約為lppb. Κ—2，一階諧振器溫度敏感度(記 為 CTFR)小于 lppm. IT1。但是對于具有最大電機(jī)械耦合的模式，會觀察到諧振器的一階溫度敏感度的絕對 值突然增加。這種現(xiàn)象可以通過以下事實(shí)來解釋用于激勵模式的能量在鈮酸鹽層中一直 比在石英中要大，直到該模式達(dá)到頻率的最大值，該最大值接近在鈮酸鋰中耦合的波的速 度除以鈮酸鹽層厚度的兩倍，該模式對應(yīng)于僅換能器層的基頻(fundamental)。然后諧振 器中產(chǎn)生的模式比其能量主要位于石英中的模式對由換能器和電極形成的激勵層的特性 更敏感。但是，諧振器的一階溫度敏感度CTFR不會達(dá)到僅換能器的一階溫度敏感度的值 CTFA，這使得通過調(diào)整石英的切割來最小化諧振器的敏感度的值成為可能。考慮計(jì)算后的僅換能器6的一階溫度敏感度的值在-90ppm. K—1附近，以及石英的 敏感度的值幾乎為Oppm. K—1，由最優(yōu)耦合模式的諧振器產(chǎn)生的一階CTFR的值可以根據(jù)以下 公式被估計(jì)為換能器和聲學(xué)襯底的一階頻率溫度系數(shù)的加權(quán)和
CTFR = CTFB1 (石英)+CTFA (鈮酸鹽)*Y(% )。因子Y為針對鈮酸鹽/石英厚度比等于1/50,2. 5/50和5/50分別為6、10、15，厚 度的數(shù)量級為一或幾ym。為了獲得對最強(qiáng)耦合模式的溫度效應(yīng)的補(bǔ)償，石英的CTFBl必須 大致分別等于+5、+10和+15ppm. K-1。示出了對于鈮酸鹽/石英厚度比Re等于10/50和20/50，Y的值為22%和32%。作為Re的函數(shù)的在最高耦合的模式的CTFR分布符合以下規(guī)律CTFR = 0. 85XRe+3. 21og0X5OXRe)，其中Re表示換能器的厚度與聲學(xué)襯底的厚度之比，以及Log是訥皮爾(N^ierian)算法函數(shù)，厚度單位為μ m(隱含)，CTFR單位為ppm.K-1。從作為繞X2軸的切割角θ 2的函數(shù)的僅石英的CTFBl的演變來看，其在θ 2等 于+35度附近(AT切割)由公式CTFBl = ( θ 2-35) *5. 10_6來表示，以及由CTFT分布 公式來表示，能夠補(bǔ)償最大耦合模式的溫度效應(yīng)的校正切割角(記為e2cor)通過等式 0. 85XRe+3. 21og(4X50XRe) = ( θ 2cor_;35)*5· 1(Γ6 來確定。根據(jù)該等式，對于厚度比 1/50,2. 5/50和5/50分別使用角度θ 2等于34,33和32的切割YXl/ θ 2。因此，對于AT 切割，切割角θ 2作為諧振器耦合模式的諧波等級(harmonic rank)和鈮酸鹽/石英厚度 比的函數(shù)來調(diào)節(jié)。由此獲得對溫度漂移的一階和二階補(bǔ)償。如果現(xiàn)在將石英及其附近的元件從AT切割(Θ2等于35度)替換成BT切割(在 切割角θ 2等于-48度附近的區(qū)域34中)，可以觀察到與AT切割類似的狀態(tài)。如果第一模式?jīng)]有很好被耦合，諧振器的CTFR完全等于石英的CTFB1，在BT切割 的情況中，補(bǔ)償僅是一階的。對于最大耦合模式，諧振器的CTFR大于并接近針對AT切割觀測的CTFR。針對厚 度比Re為1/50,2. 5/50和5/50，諧振器的一階CTFR值分別等于_6、-11和-16ppm. K-1。回到將最優(yōu)耦合模式的諧振器產(chǎn)生的一階CTFR的值表達(dá)為換能器和聲學(xué)襯底的 一階頻率溫度系數(shù)的加權(quán)和的關(guān)系，可以根據(jù)以下公式CTFR = CTFBl (石英)+CTFA (鈮酸鹽)*Y(%),發(fā)現(xiàn)對于厚度比 Re 為 1/50、2. 5/50 和5/50，Y分別約等于7、12和17，其對應(yīng)于與針對AT切割觀測的類似的過程。在BT切割附近(θ 2等于-42度)，石英的CTFBl的演變有利地由規(guī)律CTFBl = (θ 2+42) . 2. 10_6 來逼近。切割側(cè)θ 2的校正角θ 2被計(jì)算為針對厚度比Re為1/50、2. 5/50和5/50分別 等于-45、-43 和-41。還示出了在AT切割的情況中確定的作為鈮酸鹽/石英厚度比的函數(shù)的諧振器最 大耦合模式的CTFl的分布規(guī)律適用于在BT切割的情況中的系數(shù)中，該規(guī)律被寫成CTFR =1. 25X50XRe+3. 21og(4X50XRe)，其能夠在涉及調(diào)節(jié)鈮酸鹽/石英厚度比和石英的切 割角θ 2以補(bǔ)償最佳耦合模式的溫度效應(yīng)時通用化設(shè)計(jì)過程。不管鈮酸鹽層和石英層的厚度如何，這里獲得的結(jié)果可以被調(diào)換。具體地，如果諧 振模式之間的間隙取決于換能器和聲學(xué)襯底形成的疊層的總厚度，則僅厚度比Re確定作 為諧振模式的諧波等級的函數(shù)的諧振模式的一階CTFR。因此，可以形成溫度補(bǔ)償?shù)腍BAR諧振器結(jié)構(gòu)，其中，定義換能器的幾何尺寸由此諧振器在期望的調(diào)諧頻率諧振。定義換能器的幾何尺寸由此諧振器在期望的調(diào)諧頻率諧振，具有應(yīng)用的操作需求 所產(chǎn)生另外的電特性。另外的電特性例如是兩個諧振模式之間的頻譜隔離，其被定義為圍繞該缺少其他 諧振的諧振模式的頻譜區(qū)域；所選諧振模式的電機(jī)械耦合效率；諧振的特性阻抗；諧振處 的品質(zhì)系數(shù)以及諧振模式的熱穩(wěn)定性。頻譜隔離能夠定義HBAR諧振器層的疊層的總厚度，這是因?yàn)轭l譜隔離對應(yīng)于由 換能器和聲學(xué)襯底(包括嵌入的電極)形成的組件的基頻模式的頻率。由不同材料形成的HBAR諧振器的每個層的厚度被調(diào)節(jié)以獲得在期望諧振或調(diào)諧 頻率的模式。還考慮期望的電機(jī)械耦合來確定壓電換能器的厚度。當(dāng)所選模式接近僅在壓電換 能器中諧振的基頻模式時，耦合最大。換能器/聲學(xué)襯底厚度比作為期望的熱穩(wěn)定性和目標(biāo)諧振的品質(zhì)系數(shù)的函數(shù)來 調(diào)節(jié)，以用于已知的可靠地獲得在諧振的品質(zhì)參數(shù)的性能。有必要充分了解所使用材料的 粘彈性常數(shù)或具有復(fù)雜值的代表物理特性的其它物理系數(shù)，例如電介質(zhì)常數(shù)。這些常數(shù)的 虛部通常通過試探確定或通過調(diào)節(jié)預(yù)測模型的參數(shù)來確定。諧振的阻抗取決于所選模式的電機(jī)械耦合和面對的電極表面的值。對于給定阻 抗，例如50ohm，所選模式的電機(jī)械耦合越弱，面對的電極表面越大。對從Imm到幾μ m的疊層厚度來說，典型的電極表面在幾百μ m2與幾mm2之間。通過對電極8完成換能器6的電聲學(xué)振動的耦合，該對電極8用作換能器6的帶 通中的聲學(xué)短路。因此，聲學(xué)襯底10使換能器的諧振模式從動于其自身的諧振模式，由此允許換能 器6的諧振模式的大的溫度穩(wěn)定性，該諧振模式如果對其放任的話會漂移地很嚴(yán)重。實(shí)際 上，HBAR壓電換能器的一階頻率溫度系數(shù)具有較大值，例如對于鈮酸鋰在-80與-95ppm. Γ1 之間，對于鉭酸鋰為-35到-50ppm. IT1。因此，從動的換能器6的諧振模式的溫度穩(wěn)定性對應(yīng)于通過第二切割角θ 2選擇 的頻率溫度系數(shù)CTFBl的值和分別對應(yīng)于換能器6的剪切模式和石英10的耦合的剪切模 式的極化向量I、的對齊，且考慮了切割角θ 2的調(diào)節(jié)規(guī)律、諧振模式的諧波等級以及 諧振器的換能器/聲學(xué)襯底的厚度比Re。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的諧振器的溫度穩(wěn)定性性能的示例。圖8中示出了換能器6的頻率漂移被完全補(bǔ)償所針對的標(biāo)稱工作溫度等于50°C。 常規(guī)上，空間電子設(shè)備的標(biāo)稱工作溫度在20與60°C之間。在從_273°C到石英的居里溫度(+575°C )的溫度范圍中可以很輕松地調(diào)節(jié)諧振器 的標(biāo)稱工作溫度。實(shí)踐中，操作溫度范圍從液態(tài)氦或液態(tài)氮的溫度(低溫基準(zhǔn)(cryogenic reference))至Ij+400°C。盡管在極端溫度粘合的完整性仍然有待驗(yàn)證，但是已經(jīng)證明該設(shè)備在對應(yīng)于液態(tài) 氮的低溫和高達(dá)200°C的魯棒性。這里在圖8中，諧振頻率的變化和指示諧振器導(dǎo)通帶寬的反諧振頻率的變化低于lppm. KT10圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的制造圖1中諧振器2的方法100的流程圖。在第一個步驟102中，提供由第一材料的第一厚度的層形成的壓電換能器6，該第 一材料沿角度識(由IEEE Md-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(YXw)/識定義，且等于0)取 向，并沿第一切割角θ 1(由IEEE Md-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語( (1)/θ定義)被 切割，由此剪切波的電聲學(xué)耦合大于5%，換能器6具有作為第一切割角θ 1的函數(shù)的頻率 溫度系數(shù)CTFA。換能器6的材料被包括在由以下構(gòu)成的材料組中氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈮酸鋰(LiNb03)、鉭酸鋰(LiTaCXB)以及鈮酸鉀。優(yōu)選地，可以為了更容易掌握制造具有重要厚度的單晶體的方法而選擇鈮酸鋰 (LiNb03)和鉭酸鋰(LiTa03)中的材料。根據(jù)500 μ m和350 μ m的厚度標(biāo)準(zhǔn)，可以通過具有4”直徑的晶片制造鈮酸鋰和鉭酸鋰。在第二個步驟104中，提供由第二材料的第二厚度的層構(gòu)成的聲學(xué)襯底10，該第 二材料具有至少等于5. IO12的功能頻率聲品質(zhì)系數(shù)因子，沿角度識(由IEEE Std-176(1949 修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(YXw) /識定義，且等于0)取向，并沿第二切割角Θ2(由IEEE Md-176(1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(ΥΧ1)/Θ定義)被切割，具有對應(yīng)于振動的剪切模式 的至少一個極化方向^⑴，聲學(xué)襯底10具有對應(yīng)于至少一個剪切模式且取決于第二切割角 θ 2的一階頻率溫度系數(shù)。在步驟104中，聲學(xué)襯底10的第二切割角θ 2使得對應(yīng)于至少一個剪切模式和第 二切割角θ 2的一階溫度系數(shù)CFTBl為0，其在每一側(cè)的符號相反，或在第二厚度與第一厚 度的比大于或等于0. 02時，CFTBl等于通過第二厚度比第一厚度的遞增函數(shù)加權(quán)的換能器 6的頻率溫度系數(shù)CTFA的相反數(shù)。聲學(xué)襯底的材料被包括在由以下組成的材料組中石英及同晶型替代物，例如GeA和TeA型、正磷酸鎵(GaPo4)及其同晶型結(jié)構(gòu)、鈮 酸鉀、四硼酸鋰(LiB407)、蘭克賽(La3GiI5SiO14)、鉭酸鎵鑭(Iangatate)及其其它變種。優(yōu)選地，由于在結(jié)晶學(xué)領(lǐng)域中其顯著的溫度穩(wěn)定性特性和完備的知識，聲學(xué)襯底 的材料是石英。在接下來的步驟106中，換能器6的一個面和聲學(xué)襯底10的一個面被鍍有厚度在 100至200nm之間的熱壓或冷壓材料(例如金、銅或銦)的金屬，以粘合這兩個面從而形成 對電極。金是用于這類粘合的特別好的材料，其可塑特性和其機(jī)械魯棒性足以保證換能器 6和聲學(xué)襯底10之間的聲連接。在組裝步驟108中，換能器6和聲學(xué)襯底10被設(shè)置由此對應(yīng)于第一切割角θ 1的 換能器6的剪切模式的極化方向與對應(yīng)于第二切割角θ 2的襯底10的至少一個剪切模 式的極化方向?qū)R。在接下來的步驟110中，依據(jù)所使用的金屬而升高或不升高溫度，通過按壓來完 成粘合。
在使用金的情況中，消除熱相且由于金屬材料的面對的表面品質(zhì)以及延展性，能 夠?qū)崿F(xiàn)長久的擠壓以保證粘合。因此，幾個鈮酸鋰/石英復(fù)合層能夠通過在施加16小時的3000牛頓的壓力過程 中僅保持30°C的溫度以這種方式被制造而沒有瑕疵。在接下來的步驟112中，諧振器的層被燒灼并拋光。在步驟114中，在相對于襯底的換能器6的一個面上給電極鍍有例如鋁。該方法易于實(shí)施且能夠獲得良好的溫度穩(wěn)定性性能。此外，使用該方法得到的諧振器能夠在高達(dá)20GHz的頻率工作。諧振器很輕且體 積小，能夠提供高度集成。這種諧振器能夠例如集成在零差振蕩器中或集成在高阻(high reject)濾波器 中。當(dāng)然，可以考慮其它應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于在預(yù)定工作頻率工作的高體聲學(xué)諧振器型諧振器，包括由第一材料的具有第一厚度的層形成的壓電換能器(6)，該第一材料沿由IEEE Md-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(YXw) /爐定義的角度識取向，且該角度識等于0，該第 一材料沿由IEEE Md-176(1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語αΧ1)/θ定義的第一切割角θ 1被切 割，由此僅該材料的剪切波的電聲學(xué)耦合大于5%，該換能器具有作為所述第一切割角θ 1 的函數(shù)的一階頻率溫度系數(shù)CTFA ；由第二材料的具有第二厚度的第二層構(gòu)成的聲學(xué)襯底(10)，該第二材料具有至少 等于5. IO12的功能頻率聲品質(zhì)系數(shù)因子，沿由IEEE Md-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語 (YXw) /識定義的角度爐取向，且該角度φ等于0，該第二材料沿由IEEE Md-176(1949修 訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語αχι)/θ定義的第二切割角θ 2被切割，具有對應(yīng)于振動的剪切模式的 至少一個極化方向，該聲學(xué)襯底(10)具有對應(yīng)于至少一個剪切模式且取決于所述第二 切割角θ 2的一階頻率溫度系數(shù)CTFBl ；由粘合到所述換能器(6)的第一面和聲學(xué)襯底(10)的一個面的金屬層形成的對電極 (8)；以及設(shè)置在所述換能器(6)的第二面上的上電極，該第二面為所述換能器(6)的第一面 的相反面且遠(yuǎn)離所述襯底(10)；其特征在于，所述換能器(6)和襯底(10)的相對設(shè)置使得對應(yīng)于所述第一切割角θ 1的所述換能 器(6)的剪切模式的極化方向與對應(yīng)于所述第二切割角θ 2的襯底(10)的至少一個剪 切模式的極化方向？對齊；以及所述襯底(10)的第二切割角θ 2使得對應(yīng)于所述至少一個剪切模式和所述第二切割 角θ 2的所述一階頻率溫度系數(shù)CTFBl為0，其在兩側(cè)的符號相反，或者在所述第二厚度與 第一厚度的比大于或等于0. 02時等于通過該第二厚度與第一厚度的比的遞增函數(shù)加權(quán)的 所述換能器(6)的頻率溫度系數(shù)CTFA的相反數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HBAR諧振器，其特征在于，對應(yīng)于所述第二切割角θ2的二 階頻率溫度系數(shù)也為0，其中，針對該第二切割角θ 2，通過改變符號所述一階頻率溫度系 數(shù)CTFBl抵償自身。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的HBAR諧振器，其特征在于，當(dāng)所述第二厚度與第一厚度 的比Re大于或等于0. 02時，所述第二切割角θ 2驗(yàn)證形成關(guān)系α . Re+β . log(y . Re) = ( θ 2_ θ 2nul)* 斜率θ 2nul是第二切割角的值，針對該第二切割角的值一階頻率溫度系數(shù)CTFBl抵償自身 并改變符號；斜率是相對于在θ 2nul中選擇的θ 2的CTFBl的斜率；α，β和Y是與構(gòu)成聲學(xué)襯底(10)和換能器(6)有關(guān)的常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的HBAR型諧振器，其特征在于，所述換能器的材 料被包括在由以下構(gòu)成的材料組中氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈮酸鋰(LiNb03)、鉭酸鋰(LiTaCXB)以及鈮酸鉀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4型所述的HBAR諧振器，其特征在于，所述換能器的材料優(yōu)選被包括在由以下構(gòu)成的材料組中鈮酸鋰(LiNb03)和鉭酸鋰(LiTa03)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的HBAR型諧振器，其特征在于，所述聲學(xué)襯底的 材料被包括在由以下組成的材料組中石英、正磷酸鎵(GaPo4)、鈮酸鉀、四硼酸鋰(LiB407)、蘭克賽(La3(^5SiO14)、鉭酸鎵鑭 (Iangatate)及其娃酸鎵鑭(Ianganite)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的HBAR型諧振器，其特征在于，所述聲學(xué)襯底的材料為石英。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的HBAR型諧振器，其特征在于，所述對電極是可 熱壓金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的HBAR型諧振器，其特征在于，所述對電極由金、 銅或銦制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的HBAR型諧振器，其特征在于，所述諧振器的幾 何尺寸適用于包括在從50MHz到20GHz的頻率范圍內(nèi)的頻帶的諧振頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任意一項(xiàng)所述的HBAR諧振器，其特征在于，所述聲學(xué)襯底 (10)具有極化方向，針對該極化方向所述頻率溫度系數(shù)CTFBl抵償自身，該溫度系數(shù)在值 Θ2ηιι11側(cè)和θ 2皿12側(cè)的符號相反，第一個值θ 2皿11與振動的慢剪切模式相關(guān)聯(lián)，第二 個值Θ2ηιι12與振動的快剪切模式相關(guān)聯(lián)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的HBAR諧振器，其特征在于，所述聲學(xué)襯底(10)的材料為石英。
13.根據(jù)權(quán)利要求12和3所述的HBAR諧振器，其特征在于，所述換能器(6)的材料為 鈮酸鋰，以及當(dāng)θ ami等于+ 度時， α等于0.85， β等于3. 2， Y等于200， 以及斜率等于5. 10_6 ； 當(dāng)θ ami等于-42度時， α 等于 1. 25X50， β等于3. 2， Y等于200，以及斜率等于2. 2. 10_6。
14.一種用于制造HBAR諧振器的方法，該方法包括以下步驟在第一個步驟(102)中，提供由第一材料的第一厚度的層構(gòu)成的壓電換能器(6)，該第 一材料沿由IEEE Md-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(YXw)/識定義的角度識取向，且該角 度識等于0，該第一材料沿由IEEE Md-176(1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語αΧ1)/θ定義的第 一切割角θ 1被切割，由此剪切波的電聲學(xué)耦合大于5%，該換能器(6)具有作為第一切割 角θ 1的函數(shù)的頻率溫度系數(shù)CTFA ；在第二個步驟(104)中，提供由第二材料的具有第二厚度的第一層形成的聲學(xué) 襯底(10)，該第二材料具有至少等于5. IO12的功能頻率聲品質(zhì)系數(shù)因子，沿由IEEEMd-176 (1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(YXW) /爐定義的角度爐取向，且該角度爐等于0，并沿 由IEEE Md-176(1949修訂本)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語σΧ1)/θ定義的第二切割角θ 2被切割，具有 對應(yīng)于振動的剪切模式的至少一個極化方向^m，該聲學(xué)襯底(10)具有對應(yīng)于至少一個剪 切模式且取決于第二切割角θ 2的一階頻率溫度系數(shù)；所述襯底(10)的第二切割角θ 2使 得對應(yīng)于所述至少一個剪切模式和所述第二切割角θ 2的所述一階頻率溫度系數(shù)CTFBl為 0，其在兩側(cè)的符號相反，或者在所述第二厚度與第一厚度的比大于或等于0. 02時等于通 過該第二厚度與第一厚度的比的遞增函數(shù)加權(quán)的所述換能器(6)的頻率溫度系數(shù)CTFA的 相反數(shù)；以及在組裝步驟(108)中，設(shè)置所述換能器(6)和所述聲學(xué)襯底(10)，使得對應(yīng)于所述第一 切割角θ 1的所述換能器(6)的剪切模式的極化方向; ,與對應(yīng)于所述第二切割角θ 2的襯 底(10)的至少一個剪切模式的極化方向？對齊。
15.一種零差振蕩器，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任意一項(xiàng)所述的HBAR諧振器。
16.一種高阻濾波器，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任意一項(xiàng)所述的基于HBAR諧振器的單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及諧波體聲學(xué)諧振器HBAR型的諧振器，包括夾在具有強(qiáng)電聲學(xué)耦合的兩個電極(4，8)之間的壓電換能器(6)，且根據(jù)第一切割角θ1被切割；和具有至少等于5.1012的工作頻率聲品質(zhì)系數(shù)的聲學(xué)襯底(10)且根據(jù)具有至少一個剪切振動模式的第二切割角θ2被切割。換能器和襯底被設(shè)置由此換能器的剪切模式的極化方向與襯墊的剪切的極化方向?qū)R，且第二切割角θ2使得對應(yīng)于剪切模式和第二切割角θ2的一階頻率溫度系數(shù)CTFB1為0，其每側(cè)的符號相反，或者等于偏差。
文檔編號H03H9/02GK102057570SQ200980121075
公開日2011年5月11日 申請日期2009年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者D·加雄, S·巴朗德拉 申請人:科學(xué)研究國家中心