[發(fā)明專利]一種壓電薄膜體聲波諧振器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710333310.9
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107241077B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鐘慧;楊泰;霍振選;張根;秦康寧;張晨;石玉
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H03H9/17
• 分類號: H03H9/17;H03H3/02
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發(fā)明屬于射頻微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體提供一種新型壓電薄膜體聲波諧振器及其制造方法，包括襯底，支撐層、底電極層、壓電層及頂電極層；該諧振器的襯底上開設(shè)有一定數(shù)量凹槽，用以增大襯底外表面積；在襯底上設(shè)置支撐層，使用低聲阻抗柔性材料聚酰亞胺等填充凹槽內(nèi)部和支撐層上表面；然后在低聲阻抗層上依次設(shè)置底電極層、壓電層及頂電極層。該新型壓電薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)新穎，制備簡單，更重要的是能有效解決柔性基底體聲波諧振器熱穩(wěn)定性不足，功率容量不足等問題，具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于射頻微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型壓電薄膜體聲波諧振器及其制造方法。

背景技術(shù)

隨著無線通信系統(tǒng)向著小型化、高頻化、集成化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器和聲表面波濾波器也難以滿足小型化和高頻化的要求，薄膜體聲波諧振器構(gòu)成的濾波器具有陶瓷介質(zhì)濾波器不可比擬的體積優(yōu)勢、聲表面波諧振器不可比擬的工作頻率以及功率容量的優(yōu)勢；特別是MEMS技術(shù)越來越成熟，薄膜體聲波諧振器成為了當(dāng)今無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

薄膜體聲波諧振器的主體部分為底電極-壓電薄膜-頂電極構(gòu)成的“三明治”結(jié)構(gòu)，利用壓電層的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化成機械能，并以聲波的形式在器件中形成駐波；由于聲波的速度比電磁波小5個數(shù)量級，因此薄膜體聲波諧振器的尺寸比傳統(tǒng)器件小。對于體聲波諧振器來說最重要的部分將聲波限制在壓電層中，目前，根據(jù)限制聲波的方法將傳統(tǒng)薄膜體聲波諧振器分為兩大類：

其一，固態(tài)配裝型(SMR)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其工作原理是利用四分之一波長厚度的高聲阻抗層和低聲阻抗層相間排列構(gòu)成反射層，實現(xiàn)聲波的反射；這種固態(tài)配裝型體聲波諧振器具有較好的機械強度和功率容量，可以應(yīng)用在大功率條件下，但是SMR型諧振器的布拉格反射層對于每一層薄膜的厚度和粗糙度有著極高的要求，薄膜之間的應(yīng)力控制也需要嚴格控制，不然容易脫落，工藝上比較難以實現(xiàn)；

其二，空腔型薄膜體聲波諧振器，目前實現(xiàn)空腔的方式主要有兩種：空氣腔型(FBAR)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示；背刻蝕型，其結(jié)構(gòu)如圖5所示；空腔型薄膜體聲波諧振器的工作原理是利用聲波在底電極或支撐層與空氣的交界面發(fā)生反射，將聲波限制在壓電層，實現(xiàn)諧振；這類結(jié)構(gòu)的諧振器反射效率高，具有高Q值，低插損，可集成等優(yōu)點，但是空腔型薄膜體聲波諧振器的制備過程較為復(fù)雜，對薄膜應(yīng)力的控制和制備工藝都有嚴格的要求；因為其制作成本高，工藝門檻高，限制了國內(nèi)整個行業(yè)的發(fā)展。

目前在襯底對器件性能的分析中，提出了以聲阻抗接近于空氣的柔性基作為襯底，就能夠避免使用傳統(tǒng)空腔結(jié)構(gòu)或者布拉格反射結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)器件性能；這種柔性結(jié)構(gòu)的提出能極大的降低器件制備工藝復(fù)雜程度，同時可以將器件應(yīng)用擴展到生化傳感等領(lǐng)域。但是柔性材料相比于剛性材料，熱傳導(dǎo)能力較差，所以柔性基體聲波諧振器在熱穩(wěn)定性和功率容量上對比傳統(tǒng)體聲波諧振器需要進一步改善和提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種壓電薄膜體聲波諧振器及其制備方法，本發(fā)明的壓電薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝易于實現(xiàn)，即縮短了生產(chǎn)周期，又降低了生產(chǎn)成本，同時，提高了柔性基體聲波諧振器的熱穩(wěn)定性和功率容量，具有良好的應(yīng)用前景。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

一種壓電薄膜體聲波諧振器，其結(jié)構(gòu)包括襯底、支撐層、依次設(shè)置在襯底和支撐層上的底電極、壓電層及頂電極，其特征在于，所述諧振器還包括低聲阻抗層，所述襯底上表面設(shè)置有若干個垂直凹槽，所述支撐層圍繞所有垂直凹槽、設(shè)置于襯底上、并與襯底共同形成一個大的凹槽，所述低聲阻抗層完全填充凹槽、且具有平整的上表面；所述底電極、壓電層及頂電極依次設(shè)置于低聲阻抗層上。

進一步地，所述若干個垂直凹槽呈陣列分布，每個垂直凹槽形狀相同，其俯視形狀為多邊形，矩形或圓形，其側(cè)視形狀呈梳妝線形或鋸齒狀。

進一步地，所述的低聲阻抗壓電層材料為聚酰亞胺或交聯(lián)聚苯撐聚合物。