[發明專利]調節超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數的系統及方法

在審

• 申請號: 202011486926.8
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112653413A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 孫成亮;謝英;王雅馨;童欣;谷曦宇;龍開祥;溫志偉
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02;H03H9/05;H03H9/17
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 彭艷君

本發明涉及超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數調節技術，具體涉及調節超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數的系統及方法。該系統包括正、負電極、壓電層、空腔及襯底，正電極、負電極依次交替排列，且均置于壓電層之上，壓電層置于襯底之上；正、負電極之間設置至少一根懸浮電極。在正負電極中添加極性相反的電壓，正負電極間會激發橫向電場，在橫向電場的作用下懸浮電極的表面會產生感應電荷，懸浮電極與正負電極間形成新的電場，削弱了原橫向電場的強度，從而減小壓電層中的壓電效應，最終改變諧振器的有效機電耦合系數。通過調節懸浮電極的厚度、寬度、數量或者材料屬性可以實現對諧振器的機電耦合系數的調節，使其應用于窄帶濾波器成為可能。

技術領域

本發明屬于超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數調節技術領域，尤其涉及調節超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數的系統及方法。

背景技術

無線和移動通信系統的迅猛發展，推動著組件性能和系統集成技術的快速創新。為了獲得更快的信號處理和減少集成的復雜性,小型化和與CMOS技術兼容的微機電系統(MEMS)諧振器成為了新一代的核心器件,因此高性能的MEMS諧振器技術作為先進的無線通信系統射頻前端的基礎組件具有很高的需求。

目前射頻濾波器一般由聲表面波諧振器(SAW)和薄膜體聲波諧振器(FBAR)搭建，但是對于更高頻段的濾波器，表面聲波諧振器的叉指電極需要更小的指寬，過小的電極寬度會增大能量的損失，影響諧振器的功率處理能力，以及增大加工難度；而薄膜體聲波諧振器在高頻應用中需要更薄的壓電薄膜，過薄的薄膜制造困難且存在的缺陷增多，因此一種低損耗，高有效機電耦合系數及大質量因子的超高頻體聲波諧振器應運而生。

超高頻體聲波諧振器的結構主要包括：帶有空腔的硅襯底，壓電層和叉指電極，結構上和表面聲波諧振器以及蘭姆波諧振器最大的區別是，它的叉指電極中每個相鄰電極的間距是電極寬度的若干倍，有時可達到電極寬度的40倍，甚至更大。工作時對相鄰電極通極性相反的電壓，壓電層中會激發出剪切波。超高頻體聲波諧振器的有效機電耦合系數很大，搭建出的濾波器相對帶寬也很大，這使得超高頻、大帶寬的濾波器成為了可能，但是這種諧振器由于過大的機電耦合系數，導致其在高頻窄帶濾波器的應用中受限。

發明內容

針對背景技術存在的問題，本發明提供一種調節超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數的系統及調節方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案，一種調節超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數的系統，包括正、負電極、壓電層、空腔及襯底，正電極、負電極依次交替排列，且均置于壓電層之上，壓電層置于襯底之上；正、負電極之間設置至少一根懸浮電極。

在上述調節超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數的系統中，正電極和負電極選用Mo、Pt、Au或Al的金屬薄膜材料；壓電層選擇LiNbO₃、LiTaO₃、AlN或PZT的壓電薄膜；懸浮電極選用Mo、Al、Cu、W、Au或Pt的金屬薄膜材料。

在上述調節超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數的系統中，襯底選擇Si、藍寶石或SOI襯底；襯底為帶有刻蝕空腔的襯底或無刻蝕空腔的襯底；刻蝕空腔通過犧牲層填充刻蝕或為背向刻蝕。

一種調節超高頻體聲波諧振器有效機電耦合系數的方法，包括：

步驟1、將正電極和負電極中添加極性相反的電壓，使正負電極間激發橫向電場，壓電層產生感應電荷，產生逆壓電效應；

步驟2、懸浮電極在橫向電場的作用下，兩側表面產生感應電荷，從而減弱正、負電極間的電場；

步驟3、通過調節懸浮電極的厚度、寬度、數量或材料屬性，減小壓電層的壓電效應，實現降低超高頻體聲波諧振器的有效機電耦合系數。