[發明專利]體聲波諧振器及其制造方法

在審

• 申請號: 201811301901.9
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109546985A
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 龐慰;鄭云卓
• 申請（專利權）人: 天津大學;諾思（天津）微系統有限責任公司
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02;H03H3/02;H03H3/007
• 代理公司: 北京漢智嘉成知識產權代理有限公司 11682
• 代理人: 姜勁;谷惠敏

本發明提供一種體聲波諧振器及其制造方法。其中該體聲波諧振器包括自下而上依次布置的硅襯底、底電極、壓電層、頂電極，以及硅襯底中的空氣腔，其特征在于，體聲波諧振器還包括橫向聲阻抗結構，橫向聲阻抗結構的內邊緣位于體聲波諧振器的諧振有效區域之外。本發明的體聲波諧振器及其制造方法，由于設置了橫向聲阻抗結構，可以對橫向傳播的聲波模式加以限制，從而提高了諧振器的性能，還具有結構簡單、工藝易行的優點。

技術領域

本發明涉及微機電技術領域，特別地涉及一種體聲波諧振器及其制造方法。

背景技術

隨著無線通訊系統的快速發展，通訊協議從3G到4G已經實現大規模商業部署，目前正向5G時代邁進。通訊協議的不斷演進，對于通訊設備的實現提出了更高的要求，相對3G協議，4G和5G協議中的通訊頻帶呈現高頻化和密集化趨勢：通訊的頻率不斷提高，帶寬不斷增加，通訊頻帶的劃分更加密集。因此，通訊系統射頻前端中濾波器的作用日益凸顯。如何能夠實現低損耗，高頻率，高滾降的濾波器成為射頻元器件廠商的研究重點。

一個影響濾波器性能的重要因素是構成濾波器的諧振器的品質因數的高低。品質因數能夠衡量諧振器在諧振時的損耗情況。品質因數高，表明諧振器的損耗越小，最終組成的濾波器具有更優良的插入損耗和通帶滾降。傳統的濾波器由分離式的電容電感器件搭建而成，然而，這種濾波器受限于制作工藝，品質因數較低，通常為幾十，較難同時形成出色的通帶插入損耗和阻帶抑制。另一種常用的濾波器是由電磁諧振腔構成。雖然，電磁諧振腔能夠保證高品質因數，實現較好的濾波器性能，但是，由于電磁諧振腔使用電磁波作為諧振能量載體，在一定頻率下，諧振腔尺寸L＝c/2f。其中，c為光速，f為諧振頻率。由于c遠遠大于f，導致諧振腔的尺寸很大，較難滿足通訊系統小型化的需求。

近年來，隨著微機電系統的發展，出現了以薄膜壓電諧振器為基礎的濾波器。圖1是根據現有技術中的一種薄膜壓電諧振器的結構的示意圖。如圖1所示，諧振器制作在硅襯底104之上，102和101為金屬電極，厚度通常為幾百納米。103是壓電材料薄膜，通常使用氧化鋅或氮化鋁材料，厚度為幾百納米至幾微米。為了使得在其中產生的聲波能夠實現諧振，需要使得聲波在頂底電極表面產生反射。圖1中的頂電極101之上是能夠形成聲波反射的空氣，為了使得聲波在底電極下表面也產生反射，在底電極102下制作有空氣腔100。當交變電壓施加在頂電極101和底電極102上時，激發壓電材料薄膜103產生壓電效應產生機械聲波。聲波在頂底電極之間傳播并反射，形成駐波諧振，進而在電學響應上形成諧振。由于使用空腔形成反射，這種諧振器稱作空腔反射式體聲波諧振器。

圖2是根據現有技術中的另一種體聲波諧振器的結構的示意圖。如圖2所示。與空腔式體聲波諧振器不同，該諧振器利用沉積在硅襯底上的聲阻抗高低交替的材料作為反射層。圖2示出了兩組聲阻抗高低變換的層疊，206為低聲阻抗材料，205為高聲阻抗材料。當聲波向襯底204傳播時，由于聲阻抗的不連續，聲波能量被不斷反射和透射。透射過去的聲波又在下一處阻抗不連續界面被反射。最終，大部分能量反射集中在壓電薄膜內，形成諧振。這種結構被稱作固體堆疊式體聲波諧振器。

目前，兩種結構都被廣泛應用在無線通訊濾波領域。圖3是根據現有技術中的一個典型的空腔式諧振器響應的示意圖。如圖3所示，橫坐標表示頻率，縱坐標表示阻抗。諧振器具有兩個諧振頻率，串聯諧振頻率Fs和并聯諧振頻率Fp。當使用體聲波諧振器組成濾波器時，濾波器的品質因數對濾波器性能具有直接影響，如圖4所示，圖4是根據現有技術中的濾波器的品質因數對濾波器性能的影響的示意圖。其中，橫坐標表示頻率，縱坐標表示損耗，實線為高品質因數諧振器的性能曲線，虛線為低品質因數諧振器的性能曲線。從圖4可以看出，品質因數高的諧振器能夠提供更低的插入損耗和更陡峭的滾降特性。

目前能夠對諧振器的品質因數提升的技術手段主要是通過提升壓電薄膜的生長質量實現，例如改善底電極粗糙度，提高薄膜生長的機臺性能等，這通常會增加工藝的實現難度。

因此，如何在現有的工藝基礎上，通過改變濾波器結構，提高諧振器的品質因數成為濾波器領域的一個重要問題。