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一种基于环形电极的超高频谐振器结构

阅读:249发布:2024-01-01

专利汇可以提供一种基于环形电极的超高频谐振器结构专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于环形 电极 的超高频 谐振器 结构,具体指一种大带宽且可以有效抑制伪模式和其他模态的超高频谐振器结构;包括压电材料、电极和 连接线 ,在压电材料表面沉积形成多圈结构的环形电极,相邻两圈电极间距是大于电极宽度至少一个 波长 的距离,所述电极间距是波长的倍数关系,电极通过连接线引出。本发明有效提高了谐振器的机电耦合效率,抑制了伪模态和其他阶模态,为实现超高频、大带宽的 滤波器 等射频器件提供了高性能的 基础 元件。,下面是一种基于环形电极的超高频谐振器结构专利的具体信息内容。

1.一种基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,包括压电材料、电极和连接线,在压电材料表面沉积形成多圈结构的环形电极,相邻两圈电极间距是大于电极宽度至少一个波长的距离,所述电极间距是波长的倍数关系,电极通过连接线引出。
2.根据权利要求1所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,多圈结构的环形电极的形状包括:圆环、正多边形环、不规则多边形环。
3.根据权利要求1所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,多圈结构的环形电极中,各圈电极的宽度保持一致或成比例变化;各圈相邻两电极间距保持一致或成比例变化。
4.根据权利要求1所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,电极的排列方式包括:所有电极共用一个中心,呈中心对称排列;所有电极不共用一个中心,即偏心结构。
5.根据权利要求1所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,对电极施加的电压信号方式包括:正负电压交替施加;均施加正电压;均施加负电压;多个相邻的电极施加同一种电压,正负电压交替施加。
6.根据权利要求5所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,电极的引出方式包括:将施加相同电压的电极连接后引出,引出端在同一端或者不同端。
7.根据权利要求1所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,压电材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化、PZT、ZnO。
8.根据权利要求1所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,压电材料刻蚀形成的形状包括:与电极形状相同的形状;与电极形状不同的环形、椭圆形、正多边形、不规则多边形。
9.根据权利要求1所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,波长根据电极间距确定的方法具体为:
根据兰姆波在压电材料的传播方程:
f=v/λ,f为谐振器频率,v为声波传播的相速度,λ为声波波长,
在该超高频谐振器结构中:
p>n*λ,其中p为相邻两电极的间距,n为正实数,n>1,该超高频谐振器结构相邻两电极之间激发了波长λ小于电极间距p的波,实现了谐振器的高频,同时耦合了压电材料e24和e15的压电系数,实现了谐振器的大带宽。
10.根据权利要求9所述的基于环形电极的超高频谐振器结构,其特征在于,设计谐振器参数得到最优阻抗效果的方法具体为:
根据经典压电方程:
T=cS-eE
D=εE-eS
其中,T为应矩阵,S为应变矩阵,c为压电材料刚度矩阵,e为压电应力矩阵,ε为压电材料介电矩阵;
根据压力应力矩阵e对谐振器机电耦合系数进行调整,压电应力矩阵为:
其中,e15、e22、e24、e31、e33分别为对应压电材料各方向的压电系数;
通过耦合e15和e24两个方向的压电系数,耦合了这两个方向的电场,进而实现了谐振器的大带宽。

说明书全文

一种基于环形电极的超高频谐振器结构

技术领域

[0001] 本发明涉及MEMS谐振器领域,尤其涉及一种基于环形电极的超高频谐振器结构。

背景技术

[0002] MEMS射频器件在通信领域发挥着极其重要的作用。其中,声表面波谐振器(Surface Acoustic Wave Resonator)和体声波谐振器(Bulk Acoustic Wave Resonator)凭借其特有的优势,在主流市场中占据主导地位。声表面波谐振器工艺简单,制作成熟,但是由于光刻极限和压电材料声速的限制,其很难达到2.5GHz以上的频率;并且其自身结构中存在反射栅,相比较而言体积庞大,不能与IC工艺兼容,不利于微型化发展;体声波谐振器在高频领域凭借其优良的性能占据主导地位,然而其谐振频率由压电层的厚度决定,而单次工艺加工只能完成一种厚度薄膜的沉积,这也就意味着,在单片晶圆上,无法实现多频率的体声波器件。除此之外,体声波谐振器在满足5G甚至6G以上的超高频段的同时,自身的压电薄膜层降低至几百甚至几十纳米,这必然造成薄膜缺陷严重降低压电材料的性能,带来伪模式和其他寄生模态,降低器件性能,而且极大增加工艺难度。
[0003] 上述谐振器是组成射频前端滤波器的核心组件。射频前端器件(尤其是滤波器)必须满足高频率、集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等要求。谐振器性能好坏严重影响滤波器的性能。
[0004] 当前市场尚无既满足高频率(4.5GHz以上),又满足大带宽(30%以上)的谐振器性能。因此,亟需一种新型高频谐振器来满足5G甚至更高频的通信需求。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷,提供一种基于环形电极的超高频谐振器结构。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007] 本发明提供一种基于环形电极的超高频谐振器结构,包括压电材料、电极和连接线,在压电材料表面沉积形成多圈结构的环形电极,相邻两圈电极间距是大于电极宽度至少一个波长的距离,所述电极间距是波长的倍数关系,电极通过连接线引出。
[0008] 进一步地,本发明的多圈结构的环形电极的形状包括:圆环、椭圆环、正多边形环、不规则多边形环。
[0009] 进一步地,本发明的多圈结构的环形电极中,各圈电极的宽度保持一致或成比例变化;各圈相邻两电极间距保持一致或成比例变化。
[0010] 进一步地,本发明的电极的排列方式包括:所有电极共用一个中心,呈中心对称排列;所有电极不共用一个中心,即偏心结构。
[0011] 进一步地,本发明的对电极施加的电压信号方式包括:正负电压交替施加;均施加正电压;均施加负电压;多个相邻的电极施加同一种电压,正负电压交替施加。
[0012] 进一步地,本发明的电极的引出方式包括:将施加相同电压的电极连接后引出,引出端在同一端或者不同端。
[0013] 进一步地,本发明的压电材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化、PZT、ZnO。
[0014] 进一步地,本发明的压电材料刻蚀形成的形状包括:与电极形状相同的形状;与电极形状不同的环形、椭圆形、正多边形、不规则多边形。
[0015] 进一步地,本发明的波长根据电极间距确定的方法具体为:
[0016] 根据兰姆波在压电材料的传播方程:
[0017] f=v/λ,f为谐振器频率,v为声波传播的相速度,λ为声波波长,[0018] 在该超高频谐振器结构中:
[0019] p>n*λ,其中p为相邻两电极的间距,n为正实数,n>1,该超高频谐振器结构相邻两电极之间激发了波长λ小于电极间距p的波,实现了谐振器的高频,同时耦合了压电材料e24和e15的压电系数,实现了谐振器的大带宽。
[0020] 进一步地,本发明的设计谐振器参数得到最优阻抗效果的方法具体为:
[0021] 根据经典压电方程:
[0022] T=cS-eE
[0023] D=εE-eS
[0024] 其中,T为应矩阵,S为应变矩阵,c为压电材料刚度矩阵,e为压电应力矩阵,ε为压电材料介电矩阵;
[0025] 根据压力应力矩阵e对谐振器机电耦合系数进行调整,压电应力矩阵为:
[0026]
[0027] 其中,e15、e22、e24、e31、e33分别为对应压电材料各方向的压电系数;
[0028] 通过耦合e15和e24两个方向的压电系数,耦合了这两个方向的电场,进而实现了谐振器的大带宽。
[0029] 本发明产生的有益效果是:本发明的基于环形电极的超高频谐振器结构,可以有效抑制伪模式和其他模态;不仅满足4.5G以上的频率范围,且机电耦合系数高至30%以上,远远大于体声波谐振器和声表面波谐振器,满足通信用高频率,大带宽的要求。除此之外,该谐振器制作工艺简单,加工难度低,产业化前景十分看好。附图说明
[0030] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
[0031] 图1是根据本发明实施例的环形谐振器结构。
[0032] 图2是根据本发明实施例的环形谐振器结构阻抗曲线与传统结构对比示意图。
[0033] 图3是根据本发明实施例的圆形压电材料结构示意图。
[0034] 图4是根据本发明实施例的六边形压电材料结构示意图。
[0035] 图5是根据本发明实施例的四边形电极结构示意图。
[0036] 图6是根据本发明实施例的不规则五边形电极结构示意图。
[0037] 图7是根据本发明实施例的偏心不规则五边形电极结构示意图。

具体实施方式

[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0039] 图1为根据本发明实施例的环形谐振器结构,包含:在四边形压电材料(101)表面沉积圆环形正电极(102)和圆环形负电极(103)并图案化,圆环形正电极(102)通过正连接线(105)引出;圆环形负电极(103)通过负连接线(104)引出。相邻两个电极的间距为电极宽度至少一个波长以上,正负交替的电场激励压电材料产生高频声波,进而引发谐振响应。该谐振器耦合了压电材料(101)的e24和e15压电系数,进而在压电材料(101)内部形成驻波,有效增大了机电转换效率,提高了谐振器的机电耦合系数。且两种模态波的耦合降低了其他寄生模态的影响,抑制了伪模式,提升了谐振器的性能。
[0040] 图2为根据本发明实施例所示环形谐振器结构与传统结构电学响应对比示意图。如图所示,基于本结构的谐振器尺寸为:圆环电极的宽度W1为0.5微米,两圆环电极的间距P为5微米,两电极之间声波的波长为λ1.25um,铌酸锂声速在5000~6000m/s左右,根据频率=声速/波长可知得到的阻抗曲线是在4.5GHz。本结构的电极间距约为声波波长的4倍,故能产生高频响应。该尺寸只是本发明的较佳实施例,圆环的电极宽度可以是其他尺寸且内外圆环的宽度可以不一致,相邻电极的间距P亦可以保持一致或成比例变化。从阻抗曲线中可以十分清晰的看到,与传统结构相比,本发明实施例的结构不仅可以抑制其他阶模态,也可以抑制伪模态,在阻抗曲线中表现为纹波的减少,即曲线更光滑。这大大提高了谐振器的性能,为进一步搭建滤波器提供了极佳的解决方案。
[0041] 图3为根据本发明实施例所示环形谐振器结构,与图1不同之处在于,压电材料(201)为圆形,同样的,在圆环形正电极(202)和圆环形负电极(203)上施加正负交替的电压并通过正连接线(205)和负连接线(204)引出。
[0042] 图4为根据本发明实施例所示六边形谐振器结构,与图1不同之处在于,压电材料(301)为六边形,同样的,在圆环形正电极(302)和圆环形负电极(303)上施加正负交替的电压并通过正连接线(305)和负连接线(304)引出。
[0043] 图5为根据本发明实施例所示四边形谐振器结构,与图1不同之处在于,压电材料(401)为四边形,同样的,在四边形正电极(402)和四边形负电极(403)上施加电压并通过连接线(405)和连接线(404)引出。除此之外,该谐振器与图1所示谐振器的区别还在于施加的电压不是正负交替型,均为正电压(或者均为负电压);且连接线(404、405)可以分布在一侧。
[0044] 图6为根据本发明实施例所示不规则五边形谐振器结构,与图1不同之处在于,压电材料(501)为不规则五边形,同样的,在不规则五边形正电极(502)和不规则五边形负电极(503)上施加电压并通过连接线(505)和连接线(504)引出。除此之外,该谐振器与图1所示谐振器的区别还在于施加的电压不是正负交替型,为双叉指交替型。
[0045] 图7为根据本发明实施例所示偏心不规则五边形谐振器结构,与图6不同之处在于,压电材料(501)为偏心不规则五边形,既内外电极的几何中心不重合,同样的,在不规则五边形正电极(502)和不规则五边形负电极(503)上施加电压并通过连接线(505)和连接线(504)引出。
[0046] 超高频谐振器结构中的波长根据电极间距确定的方法具体为:
[0047] 根据兰姆波在压电材料的传播方程:
[0048] f=v/λ,f为谐振器频率,v为声波传播的相速度,λ为声波波长,[0049] 在该超高频谐振器结构中:
[0050] p>n*λ,其中p为相邻两电极的间距,n为正实数,n>1,该超高频谐振器结构相邻两电极之间激发了波长λ小于电极间距p的波,实现了谐振器的高频,同时耦合了压电材料e24和e15的压电系数,实现了谐振器的大带宽。
[0051] 设计谐振器参数得到最优阻抗效果的方法具体为:
[0052] 根据经典压电方程方程:
[0053] T=cS-eE
[0054] D=εE-eS
[0055] 其中,T为应力矩阵,S为应变矩阵,c为压电材料刚度矩阵,e为压电应力矩阵,ε为压电材料介电矩阵;
[0056] 影响谐振器机电耦合系数的因素很多,其中以压电应力矩阵e为主,以铌酸锂为例:
[0057]
[0058] 可以看到,e24=e15=3.65,字母第一个下标表示电场方向,第二个下标表示应变方向,本发明耦合了两个方向的压电系数,耦合了1方向和2方向的电场,进而实现了谐振器的大带宽。
[0059] 应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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