声波谐振器及其设计方法、制造方法技术

本发明专利技术公开了一种声波谐振器，包括：衬底；压电层，压电层包括压电晶体，压电晶体的切向为110

【技术实现步骤摘要】
声波谐振器及其设计方法、制造方法


[0001]本专利技术的至少一种实施例涉及一种声波谐振器，尤其涉及一种毫米波频率的声波谐振器及其设计方法、制造方法。

技术介绍

[0002]随着5G/6G时代的来临，移动通信特别是蜂窝电话应用的需求不断增大以及Sub
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6 GHz（工作频段在6 GHz以下）的频段得到充分分配，不断发展的无线通信需要转向更高的频段（例如5G FR2，工作频段在24.25GHz至52.6GHz之间的毫米波频率）和更宽的带宽以实现更快的数据速率。在5G/6G无线通信系统中，射频前端技术被视为一项关键技术，而射频滤波器作为射频前端的核心部件，其性能的好坏直接决定了通信系统的抗干扰能力和信噪比。因此，如何在更高的频率下实现高性能滤波器将是未来学术界和工业界研究的重要目标。
[0003]机电耦合系数（k2），作为衡量滤波器、谐振器性能的重要指标之一，高的机电耦合系数能够保证滤波器具有足够大的通带带宽，从而能够实现更大数据量的传输。因此，在超高频段（5G FR2）实现大机电耦合系数的谐振器是实现宽带宽滤波器的关键。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种声波谐振器及其设计方法、制造方法，通过旋转欧拉角调整压电层的压电晶体的切向，并且通过旋转欧拉角调整金属电极层形成的横向电场与压电晶体在全局坐标系下的+X轴方向之间的夹角，在上述横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波，使声波谐振器在谐振频率大于20GHz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数。
[0005]作为本专利技术的一个方面，本专利技术提供一种声波谐振器，包括：衬底；压电层，形成在衬底上，压电层包括压电晶体，压电晶体的切向为110
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Y切~130
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Y切或者10
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Z切~30
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Z切，压电层适用于在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波；金属电极层，包括由多个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列，金属电极阵列形成横向电场，通过旋转欧拉角将金属电极层形成在压电层上，使横向电场的方向与压电晶体在全局坐标系下的+X轴方向成
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~+30
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，其中，+X轴方向表示初始声波的传播方向；其中，压电层激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波，使声波谐振器在谐振频率大于20GHz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数。
[0006]作为本专利技术的另一个方面，本专利技术提供一种声波谐振器的设计方法，适用于设计上述的声波谐振器，包括：调整压电层的切向，确定使压电层在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波的切向，上述兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波的谐振频率大于20GHz；调整横向电场的方向与压电层在全局坐标系下的+X轴方向的夹角，确定使声波谐振器在谐振频率大于20GHz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数的夹角。
[0007]作为本专利技术的又一个方面，本专利技术提供一种声波谐振器的制造方法，适用于制造上述的声波谐振器，包括：在衬底上形成压电层，通过旋转欧拉角使压电层的压电晶体的切向为110
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Z切，压电层适用于在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波；通过旋转欧拉角将金属电极层形成在压电层上，使横向电场的方向与压电晶体在全局坐标系下的+X轴方向成
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，其中，金属电极层包括由多个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列，金属电极阵列形成横向电场；在金属电极层上形成掩膜层，刻蚀掩膜层以形成图案化的掩膜层；利用图案化的掩膜层刻蚀压电层；在衬底与压电层之间形成空腔；以及利用缓冲氧化物刻蚀液去除图案化的掩膜层。
[0008]根据本专利技术上述实施例提供的声波谐振器，通过旋转欧拉角调整压电层的压电晶体的切向至特定切向（110
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Y切或者10
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Z切），并且通过旋转欧拉角调整金属电极层形成的横向电场方向与压电层的+X轴方向之间的夹角至特定角度（
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X），在横向电场的作用下在特定传播方向上（
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X）激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波，使声波谐振器在谐振频率大于20GHz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数。
附图说明
[0009]图1为根据本专利技术实施例的声波谐振器的截面示意图；图2为根据本专利技术实施例的兰姆波的示意图；图3为根据本专利技术实施例的金属电极层形成的横向电场的方向实现欧拉角旋转的示意图；图4为根据本专利技术实施例的声波谐振器的A3振动模态的谐振频率随压电层厚度变化的曲线；图5（a）~5（b）为根据本专利技术实施例的声波谐振器的横向电场与+X轴方向的夹角在
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~+30
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范围内的仿真性能图；图6为根据本专利技术实施例的声波谐振器的制造方法的流程图；图7（a）~7（e）为根据本专利技术实施例的声波谐振器的制造过程示意图；图8为根据本专利技术另一实施例的声波谐振器的制造方法的流程图；以及图9（a）~9（f）为根据本专利技术另一实施例的声波谐振器的制造过程示意图。
[0010]【附图标记说明】1
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衬底；2
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释放层；3
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压电层；4
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金属电极层；5
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掩膜层；6
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空腔。
具体实施方式
[0011]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照
附图，对本专利技术作进一步的详细说明。但是，本专利技术能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使专利技术彻底和完全，并且将本专利技术的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
[0012]在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本专利技术。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0013]目前，声波谐振器使用的压电材料主要有锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）、氮化铝（AlN）、掺钪氮化铝（AlScN）、铌酸锂（LiNbO3/LN）、钽酸锂（LiTaO3/LT）等。其中铌酸锂和钽酸锂具有较大的压电系数（e），能够很好地满足5G/6G频段本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声波谐振器，其特征在于，包括：衬底（1）；压电层（3），形成在所述衬底（1）上，所述压电层（3）包括压电晶体，所述压电晶体的切向为110
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Z切，所述压电层（3）适用于在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波；金属电极层（4），包括由多个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列，所述金属电极阵列形成所述横向电场，通过旋转欧拉角将所述金属电极层（4）形成在所述压电层（3）上，使所述横向电场的方向与所述压电晶体在全局坐标系下的+X轴方向成
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，其中，+X轴方向表示初始声波的传播方向；其中，所述压电层（3）在所述横向电场的作用下激发出所述兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波，使所述声波谐振器在谐振频率大于20GHz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数。2.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，在所述衬底（1）上靠近所述压电层（3）的一侧形成有空腔（6），以释放所述衬底（1）与所述压电层（3）之间的空间。3.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，还包括：释放层（2），形成在所述衬底（1）与所述压电层（3）之间，适用于形成空腔（6），以释放所述衬底（1）与所述压电层（3）之间的空间；所述释放层（2）包括一层或多层，每层的材料包括以下之一：二氧化硅、氮化硅、铌酸锂、多孔硅；所述释放层（2）的厚度为0.1μm~50μm。4.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述衬底（1）包括以下之一：硅、玻璃、石英、蓝宝石、氮化镓、碳化硅。5.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述压电层（3）的材料包括以下之一：铌酸锂，钽酸锂，铌酸锂和选自氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌中的一种或多种组成的复合层材料，钽酸锂和选自氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌中的一种或多种组成的复合层材料；所述压电层（3）的厚度为50nm~300nm。6.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述金属电极的材料包括以下之一：金、铝、钼、铂、铜、钛金合金、钛铝合金、钛铜合金、铬金合金、铬铝合金、铬铜合金；所述金属电极的厚度为10nm~100nm；所述金属电极的数量为2~50个；相邻两个所述金属电极之间的间距为所述声...

【专利技术属性】
技术研发人员：左成杰，杨凯，林福宏，陶浩然，方纪明，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：