[發(fā)明專利]薄膜體波諧振器及提高其品質(zhì)因數(shù)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310428192.1
• 申請(qǐng)日: 2013-09-17
• 公開（公告）號(hào): CN103607178A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張浩;張孟倫;龐慰;張代化
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 諾思（天津）微系統(tǒng)有限公司
• 主分類號(hào): H03H9/17
• 分類號(hào): H03H9/17;H03H3/02
• 代理公司: 北京德恒律治知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11409
• 代理人: 章社杲;孫征

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及諧振器領(lǐng)域，并且特別地，涉及一種薄膜體波諧振器及提高其品質(zhì)因數(shù)的方法。

背景技術(shù)

目前，利用壓電薄膜在厚度方向的諧振（即縱向諧振）制成的薄膜體波諧振器（FBAR，F(xiàn)ilm?Bulk?Acoustic?Resonator，以下可以簡(jiǎn)稱為諧振器）已廣泛應(yīng)用。在通訊領(lǐng)域，薄膜體波諧振器替代聲表面波諧振器和石英晶體諧振器已成為可行方案，由薄膜體波諧振器組成的濾波器、雙工器可以提供更優(yōu)越的濾波特性，例如，更低的插入損耗，較大的功率容量等，由于這些優(yōu)勢(shì)，薄膜體波諧振器被廣泛地應(yīng)用在手機(jī)和其他無(wú)線終端設(shè)備中。并且，由于薄膜體波諧振器可以滿足振蕩電路穩(wěn)定、低功耗、低相位噪聲的要求，所以還可以在振蕩器電路中應(yīng)用薄膜體波諧振器。另外，薄膜體波諧振器具有質(zhì)量吸附敏感效應(yīng)，以薄膜體波諧振器為敏感元件的薄膜體波傳感器可用于生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。

圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的薄膜體波諧振器，包括：基底1、聲反射鏡5、第一電極2、第二電極4以及位于第一、二電極之間的壓電層3。第一電極2和第二電極4也可以稱為激勵(lì)電極，它們的作用是引起諧振器各層的機(jī)械振蕩。聲反射鏡5為嵌入在基底中的空氣腔，在第一電極和基底之間形成聲學(xué)隔離。

Q值是諧振器的一項(xiàng)重要參數(shù)，Q值為系統(tǒng)儲(chǔ)存的總能量與每周期內(nèi)諧振器通過(guò)各種途徑損耗的能量的比值，計(jì)算方法如公式（1）所示：

Q=ωEtotΔE---(1)]]>

其中，ω是角頻率，E_tot是系統(tǒng)儲(chǔ)存的總能量，ΔE是每周期內(nèi)諧振器通過(guò)各種途徑損耗的能量。另外，薄膜體波諧振器工作在串聯(lián)諧振頻率時(shí)的Q值記為Q_s，工作在并聯(lián)諧振頻率時(shí)的Q值記為Q_p。高Q值表明諧振器能量損耗低，由高Q值諧振器構(gòu)成的濾波器插入損耗低，滾降陡峭，濾波效果良好；由高Q值諧振器構(gòu)成的振蕩器工作穩(wěn)定，頻率波動(dòng)微小，相位噪聲低；由高Q值諧振器構(gòu)成的傳感器具有更高的探測(cè)精度。因此，提高諧振器Q值（尤其是使得Q_s值和Q_p值均大于2000）是諧振器設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。

由Q值定義可知，能量損耗決定Q值的大小，不同途徑的能量損耗共同影響Q值，如公式（2）所示：

1Qtot=Σ1Qi---(2)]]>

其中，Q_i表示第i種損耗途徑?jīng)Q定的Q值。薄膜體波諧振器的主要能量損耗途徑可以分為三大類：電學(xué)損耗、聲學(xué)材料損耗和聲波泄露。其中，電學(xué)損耗主要由諧振器結(jié)構(gòu)中的電極、導(dǎo)線、測(cè)試盤等電阻造成，電學(xué)損耗主要影響諧振器的Q_s。聲學(xué)材料損耗是由于聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，材料阻尼導(dǎo)致部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能而造成。聲波泄露是指部分聲波不能被局限于諧振器內(nèi)，造成能量泄露，部分聲波包括縱向聲波、橫向聲波和表面聲波泄露。

當(dāng)薄膜體波諧振器工作在縱向模式（主模）時(shí)，會(huì)存在橫向模式（寄生模式）。橫向模式造成的聲波泄露是并聯(lián)諧振時(shí)能量損耗的主要因素，即橫向模式的聲波泄露越小，Q_p值越高。通常將第一電極、第二電極以及壓電層在厚度方向上重疊的區(qū)域定義為諧振器的有效區(qū)域，如圖1所示，d表示諧振器的有效區(qū)域。定義有效區(qū)域d的聲阻抗為Z_s，非有效區(qū)域的聲阻抗為Z_L，則可以由公式（3）得到有效區(qū)域和非有效區(qū)域邊界處的反射系數(shù)γ：