一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器制造技术

本发明专利技术属于射频微机电系统技术领域，涉及横向激励薄膜体声波谐振器，具体提供一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器，用以解决现有横向激励薄膜体声波谐振器在悬梁系绳处的侧边能量泄漏问题。本发明专利技术在Freestanding型结构或SMR布拉格反射结构的宽带活塞模式谐振器的基础上，在叉值换能器的电极指条与宽带活塞结构之间引入声子晶体作为侧边能量辐射抑制结构，并匹配设计声子晶体的具体单元结构：贯穿压电薄膜的“十”字型孔或设置于压电薄膜上的圆形金属柱，从而将声波能量约束在叉指电极对谐振腔内，即解决侧边能量泄漏问题，显著提升带内品质因数，使得本发明专利技术谐振器尤其适用于做成5G频段(N77、N78、N79等高频大带宽频段)高品质因数滤波器。频大带宽频段)高品质因数滤波器。频大带宽频段)高品质因数滤波器。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器


[0001]本专利技术属于射频微机电系统
，涉及横向激励薄膜体声波谐振器，具体为一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的高品质因数薄膜体声波谐振器。

技术介绍

[0002]近年来，旋转Y形切割的铌酸锂LiNbO3(LN)压电基板上的A1型兰姆波谐振器在5G频段中的使用引起了很多关注；在这种类型的谐振器中，通过对谐振器的背部采用不同声阻抗材料进行堆叠形成固态装配结构(SMR型)或直接采用空气腔(Freestanding型)会对谐振器的能量有一定的限制作用，而通过在叉指电极指尖和电极母线之间、谐振器与外围保护接地金属之间分别放置横向宽带活塞结构和纵向宽带活塞结构(蚀刻窗口)，可以同时实现横向模式抑制和能量限制。尽管如此，侧面泄漏这种现象仍然发生在谐振器的两个相邻的横向宽带活塞结构之间，从而导致谐振器的能量损耗和品质因数的降低。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术中的上述不足，提出一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器，用以提升薄膜体声波谐振器的品质因数。本专利技术基于Freestanding型结构或SMR布拉格反射结构的宽带活塞模式谐振器，在叉值换能器的电极指条与宽带活塞结构之间引入声子晶体作为侧边能量辐射抑制结构，能够在宽频率范围内抑制谐振器侧边能量辐射，进而显著提升谐振器的品质因数、改善带内性能。
[0004]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器，包括：衬底202，衬底上依次层叠设置的高声阻抗薄膜204、低声阻抗薄膜203、压电薄膜201，压电薄膜上设置的叉指换能器、接地保护电极104；其中，所述叉指换能器位于压电薄膜201上表面的中心处，所述接地保护电极104围绕压电薄膜201的边缘设置、且包围所述叉指换能器，所述叉指换能器的电极指条与母线之间设置有横向宽带活塞结构301、叉指换能器与接地保护电极104之间设置有纵向宽带活塞结构303；其特征在于，所述叉指换能器的每一根电极指条的两侧对称设置有声子晶体302、并且声子晶体位于电极指条与横向宽带活塞结构301之间；并且，声子晶体与电极指条、声子晶体与横向宽带活塞结构之间保持相同间距。
[0006]一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器，包括：衬底202，衬底上设置的压电薄膜201，压电薄膜上设置的叉指换能器、接地保护电极104；其中，所述衬底202的底部开设背腔，位于叉指换能器的正下方；所述叉指换能器位于压电薄膜201上表面的中心处，所述接地保护电极104围绕压电薄膜201的边缘设置、且包围所述叉指换能器，所述叉指换能器的电极指条与母线之间设置有横向宽带活塞结构301、叉指换能器与接地保护电极104之间设置有纵向宽带活塞结构303；其特征在于，所述叉指换能器的每一根电极指条的两侧对称设置有声子晶体302、并且声子晶体位于电极指条与横向宽带活塞结构301之间；并且，声子晶体与电极指条、声子晶体与横向宽带活塞结构之间保持相同间距。
[0007]进一步的，上述两个薄膜体声波谐振器中，
[0008]所述声子晶体由呈阵列排布的若干个单元结构构成，所述单元结构为贯穿压电薄膜201、低声阻抗薄膜203与高声阻抗薄膜204的“十”字型孔；更进一步的，所述“十”字型孔声子晶体的阵列个数大小范围为长(4～16个)
×
宽(2～8个)；所述“十”字型孔内填充二氧化硅。
[0009]所述声子晶体由呈阵列排布的若干个单元结构构成，所述单元结构为设置于压电薄膜201上表面的圆形金属柱；更进一步的，所述圆形金属柱采用铂、钨或金刚石；所述圆形金属柱声子晶体的阵列个数大小范围为长(10～30个)
×
宽(3～12个)。
[0010]所述叉指换能器采用钨(W)、氮化铝(AlN)、钌(Ru)中的任意一种。
[0011]所述低声阻抗薄膜采用二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、硅(Si)、铝(Al)、氧化锌(ZnO)中的任意一种；所述高声阻抗薄膜采用钨、金刚石、蓝宝石、碳化硅、氮化硅中的任意一种。
[0012]所述压电薄膜采用铌酸锂、钽酸锂或者氮化铝材料。
[0013]本专利技术工作原理在于：
[0014]横向激励体声波谐振器主要利用的是材料本身横向压电系数项较大，而可以通过横向叉指电极对激励起以往只能通过上下电极激励的固体内部的声波，通过压电材料来实现电能到机械能再到电能的转换，而通过把电极交叉排列形成的叉指换能器来实现能量的输入与输出；通过输入电极，从外部施加电场，根据逆压电效应，压电材料会发生形变，整个固体产生体波的过程；基波的频率由压电材料的厚度决定，其波长与压电材料厚度的关系为：
[0015]λ＝2h
[0016]其中：λ为声波波长，h为压电材料的厚度；
[0017]根据本领域公知常识，谐振器的品质因数(Q)可由下式定义：
[0018][0019]其中：Q为品质因数，E
stored
表示谐振器储存的能量，E
dissipated
表示每个机电转换周期中损失的能量；
[0020]因此可以看出：减小能量损耗能够有效提高器件的品质因素；
[0021]同时，声子晶体是通过将两种声阻抗相差较大的材料周期性排列在一起，产生特定频率范围的声学带隙，带隙频率范围内的声波传播会被抑制，而带隙的频率范围和所处的位置都能够通过改变声子晶体单元的几何尺寸进行控制；声波在声子晶体内部的色散关系由以下关系式给出：
[0022]ω＝v
·
k
[0023]其中，ω是角频率，v是介质中的波速，k代表波矢量。
[0024]本专利技术的有益效果在于：
[0025]本专利技术提供采用声子晶体作为侧边能量辐射抑制结构的横向激励薄膜体声波谐振器，在Freestanding型结构或SMR布拉格反射结构的宽带活塞模式谐振器的基础上，通过结构分析，在叉值换能器的电极指条与宽带活塞结构之间引入声子晶体，并匹配设计得到声子晶体的具体单元结构：贯穿压电薄膜的“十”字型孔或设置于压电薄膜上的圆形金属
柱，从而将声波能量约束在叉指电极对谐振腔内，有效解决了横向激励薄膜体声波谐振器在悬梁系绳处的侧边能量泄漏问题，进行显著提升谐振器带内的品质因数，使得本专利技术尤其适用于做成5G频段(N77、N78、N79等高频大带宽频段)高品质因数滤波器。
附图说明
[0026]图1为实施例1中基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器的结构俯视图。
[0027]图2为如图1所示薄膜体声波谐振器的局部放大图。
[0028]图3为如图2所示薄膜体声波谐振器的AA
’
截面图。
[0029]图4为如图2所示薄膜体声波谐振器的BB
’
截面图。
[0030]图5为如图2所示薄膜体声波谐振器的CC
’...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器，包括：衬底202，衬底上依次层叠设置的高声阻抗薄膜204、低声阻抗薄膜203、压电薄膜201，压电薄膜上设置的叉指换能器、接地保护电极104；其中，所述叉指换能器位于压电薄膜201上表面的中心处，所述接地保护电极104围绕压电薄膜201的边缘设置、且包围所述叉指换能器，所述叉指换能器的电极指条与母线之间设置有横向宽带活塞结构301、叉指换能器与接地保护电极104之间设置有纵向宽带活塞结构303；其特征在于，所述叉指换能器的每一根电极指条的两侧对称设置有声子晶体302、并且声子晶体位于电极指条与横向宽带活塞结构301之间；并且，声子晶体与电极指条、声子晶体与横向宽带活塞结构之间保持相同间距。2.一种基于声子晶体抑制侧边能量辐射的薄膜体声波谐振器，包括：衬底202，衬底上设置的压电薄膜201，压电薄膜上设置的叉指换能器、接地保护电极104；其中，所述衬底202的底部开设背腔，位于叉指换能器的正下方；所述叉指换能器位于压电薄膜201上表面的中心处，所述接地保护电极104围绕压电薄膜201的边缘设置、且包围所述叉指换能器，所述叉指换能器的电极指条与母线之间设置有横向宽带活塞结构301、叉指换能器与接地保护电极104之间设置有纵向宽带活塞结构303；其特征在于，所述叉指换能器的每一根电极指条的两侧对称设置有声子晶体302、并且声子晶体位于电极指条与横向宽带活塞结构301之间；并且，声子晶体与电极指条、声子晶体与横向宽带活塞结构之间保持相同间距。3.按权利要求1或2所述基...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍景富，龚柯源，李亚伟，梁起，吴兆辉，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：