本公開涉及一種聲諧振器設(shè)備。所述聲諧振器設(shè)備包括設(shè)置在介質(zhì)襯底上的壓電層，并且包括設(shè)置在所述介質(zhì)襯底和所述壓電層之間的叉指換能器(interdigitaltransducer，idt)結(jié)構(gòu)，其中，所述idt結(jié)構(gòu)可以固定連接到所述壓電層和所述介質(zhì)襯底兩者，用于諧振地激勵(lì)所述壓電層中的聲蘭姆波a1模態(tài)。

背景技術(shù)：

1、最近，提出了一種橫向激勵(lì)體聲諧振器(excited?bulk?acoustic?resonator，xbar)設(shè)備，該xbar設(shè)備利用亞微米厚度的晶體壓電薄膜(例如，由鈮酸鋰(lithiumniobate，ln)制成)作為壓電層。該設(shè)備可在5ghz頻率范圍內(nèi)工作，關(guān)鍵尺寸(criticaldimension，cd)大于0.3μm，可使用光學(xué)光刻技術(shù)制造。但是，xbar設(shè)備也有一些缺點(diǎn)。例如，xbar設(shè)備的制造非常困難，因?yàn)閴弘姳∧さ牡讉?cè)是開放且自由的。具體地，壓電薄膜懸掛在一個(gè)空腔上，用于聲隔離。因此，xbar設(shè)備很脆弱，尤其是因?yàn)閴弘姳∧し浅１?。此外，由于鈮酸鋰材料的?dǎo)熱性較低，而且壓電薄膜的厚度只有亞微米級(jí)，因此xbar設(shè)備的功率處理性能較差，熱量只能從薄膜向空腔兩側(cè)排出。必須使用細(xì)長(zhǎng)的idt電極將交流電電壓轉(zhuǎn)換為壓電薄膜中的聲波。這些idt電極的電阻率較高，排出所產(chǎn)生熱量的能力較差，從而增加了損耗并導(dǎo)致xbar設(shè)備過熱。

2、示例性xbar設(shè)備包括更厚的電極(甚至比壓電層本身更厚)，以試圖提高功率處理性能。然而，如此厚的電極可能會(huì)產(chǎn)生額外的聲諧振，使設(shè)備的損耗更大，降低了其q因子，并對(duì)導(dǎo)納曲線造成不可接受的擾動(dòng)。

3、另一個(gè)示例性xbar設(shè)備包括支撐懸掛薄膜的基座，以試圖降低設(shè)備的易碎性。然而，這只能部分克服上述缺點(diǎn)。具體地，產(chǎn)生熱量的idt電極通過導(dǎo)熱性較低的壓電薄膜與設(shè)備的襯底隔開。此外，基座的導(dǎo)熱性能也很有限。因此，示例性xbar設(shè)備的功率處理性能仍然不是最佳的。此外，示例性xbar設(shè)備的制造非常困難，因?yàn)閴弘姳∧さ膬蓚?cè)都要用到，一側(cè)用于連接基座，另一側(cè)用于應(yīng)用idt電極。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述內(nèi)容，本公開旨在提供一種改進(jìn)的聲諧振器設(shè)備。目標(biāo)是克服xbar設(shè)備的上述缺點(diǎn)。另一個(gè)目標(biāo)是，與xbar設(shè)備相比，聲諧振器設(shè)備還具有更強(qiáng)的機(jī)械魯棒性。例如，希望使用堅(jiān)固的厚襯底來穩(wěn)定設(shè)備。與xbar設(shè)備相比，提高聲諧振器設(shè)備的功率處理性能是又一個(gè)目標(biāo)。本公開的聲諧振器設(shè)備應(yīng)適于在5ghz頻率范圍下工作。此外，idt電極的臨界尺寸(critical?dimension，cd)應(yīng)大于0.3μm。

2、這些和其它目的通過獨(dú)立權(quán)利要求中描述的本公開方案來實(shí)現(xiàn)。有利的實(shí)現(xiàn)方式在從屬權(quán)利要求中進(jìn)一步定義。

3、本公開的一方面提供了一種聲諧振器設(shè)備，包括：介質(zhì)襯底；idt結(jié)構(gòu)，包括連接到第一匯流條的多個(gè)導(dǎo)電第一電極和連接到第二匯流條的多個(gè)導(dǎo)電第二電極，其中，所述第一電極和所述第二電極在所述介質(zhì)襯底的表面上周期性且交替地逐個(gè)設(shè)置；壓電層，與所述介質(zhì)襯底的所述表面間隔并平行設(shè)置；其中，所述壓電層設(shè)置在所述idt結(jié)構(gòu)的所述第一電極和第二電極上，以及設(shè)置在所述第一匯流條和第二匯流條上；其中，所述idt結(jié)構(gòu)用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述壓電層中的聲蘭姆波。

4、所述介質(zhì)襯底可以是非壓電或弱壓電的。例如，所述介質(zhì)襯底可以包括弱壓電材料，例如石英。

5、所述idt結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生在所述介質(zhì)襯底上，設(shè)置在所述介質(zhì)襯底和所述壓電層之間。所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極可以在沒有任何中間介質(zhì)的情況下接觸所述壓電層，以便與所述壓電層產(chǎn)生良好的熱耦合。所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極可以機(jī)械地和/或固定連接到所述壓電層。所述idt的所述電極可以通過粘性介質(zhì)或金屬層連接到所述介質(zhì)襯底上。然而，所述電極與所述介質(zhì)襯底也能夠產(chǎn)生良好的熱耦合。所述匯流條用于提供電壓，具體地，在所述第一電極和所述第二電極之間提供交流電壓。所述交流電壓可以被所述電極轉(zhuǎn)換為所述壓電層的振動(dòng)，從而激發(fā)所述壓電層中的所述聲蘭姆波。諧振頻率基本上可以由所述壓電層厚度確定。

6、所述聲諧振器設(shè)備具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于所述薄壓電層設(shè)置在所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極上，因此由所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極和所述匯流條支撐，因此所述設(shè)備比傳統(tǒng)的xbar設(shè)備具有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。具體地，所述壓電層的與所述匯流條重疊的部分可以接合到所述匯流條上，以提高設(shè)備的機(jī)械穩(wěn)定性。此外，由于所述idt電極產(chǎn)生的熱量可以通過所述電極的大面積底側(cè)直接排放到所述介質(zhì)襯底，而所述介質(zhì)襯底可以具有很高的導(dǎo)熱性，因此與傳統(tǒng)的xbar設(shè)備相比，所述聲諧振器設(shè)備的所述功率處理性能得到了顯著的提高。與傳統(tǒng)的xbar設(shè)備相比，由于所述聲諧振器設(shè)備的所述idt電極可以很厚，因此電阻損耗也可以降低。此外，由于所述idt電極固定在所述介質(zhì)襯底上，因此可以減少所述idt電極的寄生振動(dòng)或諧振。

7、本公開所述的聲諧振器設(shè)備可以用于“梯形”濾波器網(wǎng)絡(luò)。例如，要為5g移動(dòng)設(shè)備提供低損耗寬帶濾波器，諧振器設(shè)備最好在諧振時(shí)具有低阻抗(通常小于1ohm)，在反諧振時(shí)具有高阻抗(例如大于1000ohm)。這可以通過本公開所述的聲諧振器設(shè)備實(shí)現(xiàn)。此外，諧振與反諧振的相對(duì)頻率間隙(r-a-r)最好大于10％，甚至高達(dá)25％，工作頻率下的靜態(tài)電容約為j*50ohm。這也可以通過本公開所述的聲諧振器設(shè)備實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，僅在低電平容忍由其它傳播模式或諧振模式產(chǎn)生的寄生擾動(dòng)。

8、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述聲蘭姆波包括蘭姆波a1模態(tài)和/或蘭姆波a3模態(tài)。

9、值得注意的是，雖然理論上可以激發(fā)n＝5或更高階的蘭姆模態(tài)，但可能會(huì)導(dǎo)致與1/n2成比例的壓電耦合減弱。在任何情況下，本公開所述的聲諧振器設(shè)備可以利用所述壓電層中的所述聲蘭姆波a1、準(zhǔn)s2和a3的基階(n＝1)、二階(n＝2，帶沉積附加層)和三階(n＝3)。

10、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極在所述聲蘭姆波的振幅節(jié)點(diǎn)的位置處連接到所述壓電層。

11、因此，減少了泄漏到所述介質(zhì)襯底中的振動(dòng)能量。所述電極支持在所述壓電層中產(chǎn)生所述聲蘭姆波。所述壓電層可以根據(jù)聲蘭姆波自由振動(dòng)，所述壓電層通過位于振動(dòng)節(jié)點(diǎn)或振動(dòng)幅度最小且為零的地方的電極連接在所述襯底上。

12、或者，所述電極之間的所述振動(dòng)可以描述為駐波諧振，其諧振頻率由薄膜厚度dp＝λ/2(對(duì)應(yīng)于a1蘭姆模態(tài))或dp＝3/2*λ(對(duì)應(yīng)于a3模態(tài))確定。因此，所述諧振頻率主要由所述壓電層的所述厚度決定，可以只與所述電極之間的所述間距(pitch)p有微弱的依賴關(guān)系。

13、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述介質(zhì)襯底由金剛石、碳化硅或氮化硼制成。

14、因此，所述介質(zhì)襯底使用具有高聲波速度的材料。所述介質(zhì)襯底在機(jī)械上也是堅(jiān)固的，并且具有良好的導(dǎo)熱性?？梢允褂闷渌愃撇牧希缢{(lán)寶石、yag等。

15、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述介質(zhì)襯底的導(dǎo)熱性高于100w/m*k。

16、例如，所述導(dǎo)熱性可以等于或高于300w/m*k。所述壓電層的所述導(dǎo)熱性可以為1至10w/m*k，例如鈮酸鋰層的導(dǎo)熱性約為4.2w/m*k。所述電極產(chǎn)生的熱量可以直接排放到所述介質(zhì)襯底，所述介質(zhì)襯底可以充當(dāng)散熱器，甚至可以連接到額外的散熱器。

17、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述壓電層由晶體鈮酸鋰、鉭酸鋰或氮化鋁制成。

18、也可以使用摻雜鈧的alxsc1-xn，然而，如果需要較大的諧振-反諧振頻率間隙，最好使用具有強(qiáng)“剪切”壓電模塊的鈮酸鋰，例如e15或e24。

19、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述由晶體鈮酸鋰制成的壓電層是鈮酸鋰板的旋轉(zhuǎn)zy切面、120°y切面或128°y切面。

20、這些壓電材料，尤其是鈮酸鋰的所示切面，可增強(qiáng)蘭姆波a1模態(tài)和/或蘭姆波a3模態(tài)與水平電場(chǎng)的耦合。這可以大致對(duì)應(yīng)于e1,13＝e1,5壓電模塊的最大值。替代切面可能包括鈮酸鋰的zx切面、鉭酸鋰的類似切面等。

21、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述壓電層的厚度約為所述壓電層中沿所述厚度方向傳播且位移垂直于所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極的剪切體聲波的波長(zhǎng)的一半；和/或所述壓電層的所述厚度dp在400至600nm的范圍內(nèi)，和/或所述壓電層的所述厚度dp確定諧振頻率fr大致等于vs/(2*dp)，其中，vs是所述壓電層中沿所述厚度方向傳播且位移垂直于所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極的剪切體聲波的速度。

22、對(duì)于其它頻率，厚度dp可以在200至1500nm的范圍內(nèi)。

23、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極以間距周期性地設(shè)置在所述介質(zhì)襯底上，其中，所述間距在所述壓電層中的剪切體聲波2*dp的所述波長(zhǎng)的1至10倍的范圍內(nèi)。

24、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極以間距周期性地設(shè)置在所述介質(zhì)襯底上，其中，所述idt結(jié)構(gòu)的所述第一電極或所述第二電極的周期是由所述間距的兩倍決定，小于以所述聲諧振器設(shè)備的工作頻率在矢狀平面上在所述介質(zhì)襯底中傳播的任何體聲波的波長(zhǎng)。

25、根據(jù)上述實(shí)現(xiàn)方式，一方面，所述第一電極和所述第二電極之間的所述間距足夠小，另一方面，所述介質(zhì)襯底(例如，由金剛石制成)具有足夠高的聲波速度，能夠抑制到所述介質(zhì)襯底的聲損耗。

26、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極由金屬制成，例如由銅(copper，cu)、鋁(aluminum，al)、鉬(molybdenum，mo)、金(gold，au)或它們的任何合金制成。

27、所述電極還可以包括兩個(gè)或更多個(gè)不同的金屬層或材料，以提高粘附力，和/或防止al、cu等的聲遷移。

28、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極是導(dǎo)電基座，用于保持所述壓電層與所述介質(zhì)襯底的所述表面的距離。

29、所述導(dǎo)電基座有助于使所述聲諧振器設(shè)備在機(jī)械上更加堅(jiān)固。結(jié)合所述第一匯流條和第二匯流條，所述導(dǎo)電基座可以穩(wěn)定地支撐所述壓電層，而不影響其振動(dòng)和諧振的能力。

30、在所述方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述idt結(jié)構(gòu)的所述電極都包括具有相同電位的第一部分和第二部分；所述電極的所述第一部分為設(shè)置在所述介質(zhì)襯底上的導(dǎo)電基座，所述壓電層設(shè)置在所述導(dǎo)電基座上；所述電極的所述第二部分設(shè)置在所述壓電層中與所述第一部分相反的一側(cè)，其中，每個(gè)電極的所述第二部分將所述壓電層與所述電極的所述第一部分夾在一起。

31、所述導(dǎo)電基座可以由金屬制成，例如上文所述的電極，而所述襯底則是介質(zhì)。這種實(shí)現(xiàn)方式雖然制作起來有些復(fù)雜，但其優(yōu)點(diǎn)是水平電場(chǎng)更均勻，耦合更強(qiáng)。這樣，所述idt電極下方/之間的垂直電場(chǎng)就會(huì)減少，寄生模態(tài)的產(chǎn)生也會(huì)隨之減少。

32、在所述第一方面的一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述idt結(jié)構(gòu)的所述周期性地設(shè)置的電極中的至少一個(gè)最前的電極和至少一個(gè)最后的電極處于浮動(dòng)電位。

33、所述浮動(dòng)電位電極進(jìn)一步提高了所述聲諧振器設(shè)備的性能，因?yàn)橥ㄟ^結(jié)構(gòu)的兩端也可避免或減少聲能損失(從而獲得更高的q因子)。

34、總之，本公開解決了傳統(tǒng)xbar設(shè)備的上述缺點(diǎn)，同時(shí)保留了傳統(tǒng)xbar設(shè)備的大部分優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的xbar設(shè)備相反，本公開的聲諧振器設(shè)備包括設(shè)置在壓電層(例如，板或晶體薄膜)和介質(zhì)襯底(例如，具有高導(dǎo)熱性和/或高聲波速度的堅(jiān)固金剛石或碳化硅襯底)之間的idt電極。具體地，在介質(zhì)襯底具有高聲波速度的情況下，可以進(jìn)一步降低或避免體波輻射進(jìn)入介質(zhì)襯底所造成的相對(duì)較低的損耗。電極既用作穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(例如，基座)，又同時(shí)用作idt結(jié)構(gòu)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓電層中的聲蘭姆波。值得注意的是，可以設(shè)置在介質(zhì)襯底和壓電層之間的第一匯流條和第二匯流條也有助于支撐壓電層，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)聲諧振器設(shè)備的機(jī)械穩(wěn)定性。

35、在上述條件下，對(duì)于相對(duì)較小的間距，盡管idt結(jié)構(gòu)連接到襯底上，壓電層仍然是一個(gè)完美的聲波導(dǎo)，因?yàn)橛捎谳椛潴w波的破壞性干擾，進(jìn)入襯底體的輻射被抑制了。聲振動(dòng)可以只在壓電層中傳播，就好像懸浮在一個(gè)空腔上一樣。