技术领域
[0001] 本
发明的
实施例涉及
半导体领域，尤其涉及一种
体声波谐振器，一种滤波器，一种具有上述部件中的一种的电子设备，以及一种控制体声波谐振器温度的方法。
背景技术
[0002]
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为一种MEMS芯片在通信领域发挥着重要作用，FBAR滤波器具有尺寸小(μm级)、谐振
频率高(GHz)、品质因数高(1000)、功率容量大、滚降效应好等优良特性，正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到
生物、物理、医学等传感领域。
[0003] 薄膜体声波谐振器的结构主体为由
电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一
层压电薄膜材料。通过在两电极间输入正弦
信号，FBAR利用逆
压电效应将输入
电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。薄膜体声波谐振器主要利用压电薄膜的纵向压电系数(d33)产生压电效应，所以其主要工作模式为厚度方向上的纵波模式(Thickness Extensional Mode，简称TE模式)。
[0004] 体声波谐振器的频率会随温度变化而变化，由于材料的
弹性模量具有二阶温度系数，因此，谐振器的频率随温度变化会呈现抛物线特征，即频率随温度上升会先升高后降低。换言之，外界
环境温度变化会对谐振器频率造成影响。此外，在某一特定温度(即预定温度)下，频率随温度的变化率为0。
发明内容
[0005] 本发明提出一种用于控制体声波谐振器温度的
温度控制结构，其可灵活高效的调节谐振器
工作温度，从而降低由于环境温度变化导致的谐振器频率漂移，获得频率稳定的器件。尤其是基于该温度控制结构，可以使得谐振器达到上述特定温度，从而避免外界环境温度变化对谐振器频率的影响。即使当该特定温度无法通过加热达到时，也可以通过加热谐振器使谐振器工作在高于可能达到的最高外界温度的温度下，从而减小或者消除环境温度的
波动对谐振器频率的影响。
[0006] 根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
[0007] 基底；
[0008] 声学镜；
[0009] 底电极；
[0010] 顶电极；
[0011] 压电层；和
[0012] 温度控制结构，
[0013] 其中：
[0014] 声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且
[0015] 所述温度控制结构具有第一
端子与第二端子，以及连接在第一端子与第二端子之间的温度控制层，所述温度控制层具有
电阻，且在所述谐振器的俯视图中，所述温度控制层围绕或
覆盖所述有效区域的至少一部分。
[0016] 可选的，所述谐振器还包括温度控制单元，用于控制所述第一端子与第二端子中的
电流的通断和/或电流的大小。
[0017] 可选的，所述温度控制层形成为线性的大体环形结构。进一步可选的，所述环形结构围绕且邻近所述有效区域的边缘设置。进一步可选的，在所述俯视图中，所述环形结构具有与所述有效区域相同或者相近的形状。可选的，所述
导线为线性环形导线或弯曲环形导线。
[0018] 可选的，所述温度控制层形成覆盖面结构。进一步可选的，在所述俯视图中，所述覆盖面结构具有与所述有效区域的形状相同或者相似的结构。
[0019] 可选的，所述覆盖面结构为单根导线在第一端子与第二端子之间的螺旋盘绕结构或折线结构。
[0020] 可选的，所述覆盖面结构为并联结构，所述并联结构具有与第一端子电连接的第一引线及与第二端子电连接的第二引线，以及并联连接在第一引线与第二引线之间的多个并联
连接线。进一步可选的，所述第一引线与第二引线彼此平行；或者所述第一引线与第二引线均沿所述有效区域的边缘设置，且所述覆盖面结构具有与所述有效区域的形状相同或者相似的形状；或者第一引线延伸到有效区域的中间
位置，第二引线沿所述有效区域的边缘设置且具有与所述有效区域的形状相同或者相似的形状，所述多个并联连接线形成为放射状结构。
[0021] 可选的，所述温度控制层设置在压电层中，进一步的，在压电层的厚度方向上设置在压电层的大体中间位置；或者所述谐振器还包括覆
盖顶电极的
钝化层，所述温度控制层设置在
钝化层中；或者所述压电层与所述声学镜之间还设置有不导电结构层，所述温度控制层设置在不导电结构层中。
[0022] 可选的，在所述俯视图中，所述温度控制层位于底电极边缘内侧、声学镜边缘外侧；或者在所述俯视图中，所述温度控制层位于顶电极边缘外侧、声学镜边缘内侧。
[0023] 可选的，在所述俯视图中，所述温度控制层位于顶电极边缘内侧。进一步的，所述温度控制层距离顶电极的边缘的距离在0-20μm的范围内，和/或所述温度控制层的宽度在0.5-20μm的范围内。
[0024] 可选的，所述温度控制层部分位于顶电极边缘外侧、部分位于顶电极边缘内侧，进一步的，所述温度控制层的宽度在0.5-20μm的范围内。
[0025] 可选的，所述第一端子和第二端子设置在压电层的上表面。
[0026] 根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种滤波器，包括上述的谐振器。
[0027] 根据本发明的实施例的还一方面，提出了一种电子设备，包括上述的谐振器，或者上述的滤波器。
[0028] 根据本发明的实施例的又一方面，提出了一种控制体声波谐振器的温度的方法，包括步骤：在体声波谐振器中设置温度控制结构，所述温度控制结构具有第一端子与第二端子，以及连接在第一端子与第二端子之间的温度控制层，所述温度控制层具有电阻，且在所述谐振器的俯视图中，所述温度控制层围绕或覆盖谐振器的有效区域的至少一部分；通过控制流入所述温度控制层的电流的通断和/或大小而调节所述谐振器的有效区域的温度。
[0029] 上述方法还可包括步骤：控制所述谐振器的有效区域的温度在预定温度或者高于预定温度；或控制所述谐振器的有效区域的温度在最高外界温度或者高于最高外界温度。
附图说明
[0030] 以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
[0031] 图1A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，其中温度控制层设置于底电极内侧、声学镜外侧；
[0032] 图1B为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，其中温度控制层设置于声学镜内侧、顶电极外侧；
[0033] 图1C为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，其中温度控制层部分设置于顶电极内侧、部分设置于顶电极外侧；
[0034] 图1D为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，其中温度控制层设置于顶电极内侧；
[0035] 图2为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的B-B线截得的示意性剖视图；
[0036] 图3为图2中的A区域的放大示意图；
[0037] 图4为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图；
[0038] 图5为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图；
[0039] 图6为根据本发明的一个示例性实施例的沿图5中的B-B线截得的示意性剖视图；
[0040] 图7为根据本发明的又一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图；
[0041] 图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图；
[0042] 图9为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图；
[0043] 图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图；
[0044] 图11为根据本发明的一个示例性实施例的沿图10中的B-B线截得的示意性剖视图；
[0045] 图12为根据本发明的一个示例性实施例的例如沿图10中的B-B线截得的示意性剖视图；
[0046] 图13为根据本发明的一个示例性实施例的例如沿图10中的B-B线截得的示意性剖视图。
具体实施方式
[0047] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在
说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
[0048] 图1A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，其中温度控制层设置于底电极内侧、声学镜外侧；图1B为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，其中温度控制层设置于声学镜内侧、顶电极外侧；图1C为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，其中温度控制层部分设置于顶电极内侧、部分设置于顶电极外侧；图1D为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，其中温度控制层设置于顶电极内侧。
[0049] 例如，在图1D所示的实施例中，105为谐振器的底电极，107为谐振器的压电层；109为谐振器的顶电极；115为谐振器底电极上方的金属连接层，117为谐振器顶电极上方的金属连接层；111为温度控制层(对应于温度控制结构中的导体)；113为温度控制层上方的金属连接层(对应于第一端子和第二端子)，在图1-2中，温度控制层设置为单环形结构。
[0050] 在本发明中，通常，谐振器上方还可设置有钝化层，图1A-1D中未示出。
[0051] 在本发明中，温度控制层111的材料为金属，例如可以为钼、金、钌、铂、
铜、
铝、
钛、钽、钨等。
[0052] 在本发明中，所述的电极组成材料可以是金(Au)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)，钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)、钛(Ti)等类似金属形成。压电层材料可以为氮化铝(AlN)、
氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO3)、
石英(Quartz)、铌酸
钾(KNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等材料。
[0053] 在图1A-1D所示的实施例中，温度控制层设置于谐振器边缘位置，从而可以形成一个阻抗不匹配边界，因此，还可以改善谐振器电学性能(如提高谐振器并联阻抗Rp)。
[0054] 图2为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1D中的B-B线截得的示意性剖视图。如图2所示，在垂直方向上谐振器的结构依次为：声反射镜结构103，其可以为在基底中
刻蚀出的空腔结构或者为向上凸起的空腔结构，也可以为布拉格反射结构等声波反射形式，在图2中为在基底中刻蚀出的空腔结构；底电极105；压电层107；顶电极109；钝化层119；以及位于压电层内侧的温度控制层111。
[0055] 在图2所示的实施例中，温度控制层设置在压电层中间。温度控制层111放置在压电层107中间时，相较于设置在压电层的上侧或者下侧，加热效果最好，升温快，加热均匀。
[0056] 需要说明的是，在本发明中，在压电层中间表示在谐振器的厚度方向上，温度控制层大体处于压电层的厚度方向上的中间位置。
[0057] 需要说明的是，在图2中，给出了温度控制层设置位置的一个实施例，但如本领域技术人员能够理解的，温度控制层可以不设置在压电层中，这也在本发明的保护范围之内。
[0058] 图3为图2中的A区域的放大示意图。如图3所示，定义温度控制层111距离顶电极边缘的
水平宽度为W1，温度控制层111的宽度为W2、厚度为H。W1范围为0-20um，W2范围为0.5-20um。此外，温度控制层的厚度的范围为50A
[0059] 在本发明中，对于数值范围的取值，除了可以为端点值(包括端点值的情况下)或者范围内邻近端点值(不包括端点值的情况下)，还可以例如是范围的中值等。
[0060] 虽然在图3中，温度控制层的导体显示为矩形截面，但是，在本发明中，基于制作工艺，导体的截面形状可以不同。
[0061] 在图1A-1D以及2-3所示的实施例中，所述温度控制层形成为线性的大体环形结构。这里的大体环形结构并不要求在俯视图中形成闭合的环形形状。
[0062] 在图1A-1D以及2-3示出的实施例中，温度控制层的电阻主要受限于谐振器的面积。
[0063] 图4为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图。图4所示的实施例中，105为谐振器的底电极，107为谐振器的压电层；109为谐振器的顶电极；115为谐振器底电极上方的金属连接层，117为谐振器顶电极上方的金属连接层；111为温度控制层；113为温度控制层上方的金属连接层(对应于第一端子和第二端子)，在图4中，温度控制层设置为单环形结构。图4的实施例与图1中不同在于温度控制层结构为弯曲环形结构，这样使得温度控制层电
阻变大，在电流相同的情况下，可以进一步提高系统的加热效率。
[0064] 在图1A-1D以及2-4所示的实施例中，温度控制层仅分布于谐振器边缘，对谐振器中心有效区域的加热效率不够高。图5为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，图6为根据本发明的一个示例性实施例的沿图5中的B-B线截得的示意性剖视图。图5-6所示的实施例中，205为谐振器的底电极，207为谐振器的压电层；209为谐振器的顶电极；215为谐振器底电极上方的金属连接层，217为谐振器顶电极上方的金属连接层；211为温度控制层(对应于温度控制结构中的导体)；213为温度控制层上方的金属连接层(对应于第一端子和第二端子)，219为钝化层。在图5-6中，温度控制层设置为覆盖面结构。
[0065] 图5-6中，温度控制层结构为螺旋形结构，可设计为覆盖全部谐振器有效区域，使得谐振器可以整体加热，且温度控制层电阻进一步增大，在电流相同的情况下，进一步提高系统的加热效率，达到相同目标温度所用时间更短。
[0066] 如图6所示，环形结构之间的距离W3(导线间距)为1-20um，环形结构的宽度W4为1-20um。环形结构的厚度为50A-500A。
[0067] 同时，当螺旋形结构的间距及宽度设置合理时，可以起到一定的
质量负载效果，而不会对谐振器电学性能产生负面影响。已知谐振器主振动模式为沿厚度方向的纵波，其
波长为谐振器厚度的2倍，优选的，W3与W4之和大约等于奇数倍的该半波长时，谐振器的Rp能够有所提高，且Rs不会恶化。
[0068] 图7为根据本发明的又一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图。图7中的温度控制层的结构与图5中相似，不同之处在于，温度控制层为折线结构。图7所示的实施例中，305为谐振器的底电极，307为谐振器的压电层；309为谐振器的顶电极；315为谐振器底电极上方的金属连接层，317为谐振器顶电极上方的金属连接层；311为温度控制层(对应于温度控制结构中的导体)；313为温度控制层上方的金属连接层(对应于第一端子和第二端子)，在图7中，温度控制层设置为覆盖面结构。
[0069] 图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图。图8所示的实施例中，405为谐振器的底电极，407为谐振器的压电层；409为谐振器的顶电极；415为谐振器底电极上方的金属连接层，417为谐振器顶电极上方的金属连接层；411为温度控制层(对应于温度控制结构中的导体)；413为温度控制层上方的金属连接层(对应于第一端子和第二端子)，在图8中，温度控制层设置为覆盖面结构。在图8中，温度控制层为并联结构。
[0070] 在本发明中，具有并联结构的温度控制层其电阻变小，这样在获得相同的温度情况下，给温度控制层所施加的
电压变小，从而可以降低系统功耗。
[0071] 图9为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图。图9所示的实施例中，505为谐振器的底电极，507为谐振器的压电层；509为谐振器的顶电极；515为谐振器底电极上方的金属连接层，517为谐振器顶电极上方的金属连接层；511为温度控制层(对应于温度控制结构中的导体)；513为温度控制层上方的金属连接层(对应于第一端子和第二端子)，在图9中，温度控制层设置为覆盖面结构。在图9中，温度控制层为并联结构。图9不同于图8在于，温度控制层的形状根据谐振器的形状进行设置，这样可以弥补图8平行并联结构设置的温度控制层不能覆盖整个谐振器的有效区域的不足。
[0072] 图10为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性俯视图，图11为根据本发明的一个示例性实施例的沿图10中的B-B线截得的示意性剖视图。图10-11所示的实施例中，605为谐振器的底电极，607为谐振器的压电层；609为谐振器的顶电极；615为谐振器底电极上方的金属连接层，617为谐振器顶电极上方的金属连接层；611为温度控制层(对应于温度控制结构中的导体)；613为温度控制层上方的金属连接层(对应于第一端子和第二端子)；619为钝化层。在图10-11中，温度控制层设置为覆盖面结构。在图10-11中，温度控制层为并联结构。图10-11与图9不同在于，在图10-11中，温度控制层为
辐射设置，这样既可以使得温度控制层覆盖整个谐振器，且为并联结构，电阻较小；另外并联设置的每条温度控制层的长度基本相同，温度控制在整个谐振器平面内更加均匀。
[0073] 如图11所示，在垂直方向上，谐振器的结构依次为：声反射镜结构603，其可以为在基底中刻蚀出的空腔结构或者为向上凸起的空腔结构，也可以为布拉格反射结构等声波反射形式，在图11中为在基底中刻蚀出的空腔结构；底电极605；压电层607；顶电极609；钝化层619。图11中示出了设置于压电层中的温度控制层611，以及温度控制层金属连接层613。
[0074] 图12为根据本发明的一个示例性实施例的例如沿图10中的B-B线截得的示意性剖视图。在垂直方向上，谐振器的结构依次为：声反射镜结构703，其可以为在基底中刻蚀出的空腔结构或者为向上凸起的空腔结构，也可以为布拉格反射结构等声波反射形式，在图12中为在基底中刻蚀出的空腔结构；底电极705；压电层707；顶电极709。在图12中，谐振器还包括温度控制层711以及温度控制层金属连接层713以及钝化层719。图12中的结构与图11结构相似，不同之处在于，温度控制层位于钝化层中。
[0075] 图13为根据本发明的一个示例性实施例的例如沿图10中的B-B线截得的示意性剖视图。在垂直方向上，谐振器的结构依次为：声反射镜结构803；底电极805；压电层807；顶电极809。在图12中，谐振器还包括温度控制层811、温度控制层金属连接层813以及钝化层819。与图11结构相似，不同之处在于，在图13中，底电极与声学镜之间还设置有一层不导电结构层，其可以是由压电层的材料制成。温度控制层811位于该不导电结构层中而与底电极不相连。
[0076] 在图12与图13中，虽然示出为温度控制层为辐射布置，但是，也可以采用图1-8中的布置结构。
[0077] 在本发明中，只要围绕或覆盖所述有效区域的至少一部分、可以控制或者调节或改变谐振器的有效区域的温度的温度控制层，均在本发明保护范围之内。
[0078] 在本发明中，可以设置温度控制单元，该温度控制单元通过控制温度控制层的
电路通断和/或调节流过该温度控制层的电流的大小来调节谐振器的有效区域的温度。例如，将该温度调节到预定温度，或者调节到高于预定温度，以减小或者消除环境温度的波动对谐振器频率的影响。相应的，可以监测谐振器的有效区域的温度，基于该温度来控制温度控制层。
[0079] 还可以通过温度控制单元使得谐振器的有效区域的温度处于最高外界温度或者高于最高外界温度。这里的最高外界温度(比如100摄氏度)，是指让谐振器工作在高于最高外界温度的温度下(比如150度)，则外界温度的波动(比如从20度变化到40度)，对谐振器本身的温度波动影响很小(谐振器的温度可能只是从150度变化到155度)，从而使得频率漂移减小。
[0080] 基于以上，本发明提出了如下技术方案：
[0081] 1、一种体声波谐振器，包括：
[0082] 基底；
[0083] 声学镜；
[0084] 底电极；
[0085] 顶电极；
[0086] 压电层；和
[0087] 温度控制结构，
[0088] 其中：
[0089] 声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且
[0090] 所述温度控制结构具有第一端子与第二端子，以及连接在第一端子与第二端子之间的温度控制层，所述温度控制层具有电阻，且在所述谐振器的俯视图中，所述温度控制层围绕或覆盖所述有效区域的至少一部分。
[0091] 2、一种滤波器，包括上述的谐振器。
[0092] 3、一种电子设备，包括上述的谐振器，或者上述的滤波器。需要指出的是，这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模
块、
振荡器等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
[0093] 4、一种控制体声波谐振器的温度的方法，包括步骤：在体声波谐振器中设置温度控制结构，所述温度控制结构具有第一端子与第二端子，以及连接在第一端子与第二端子之间的温度控制层，所述温度控制层具有电阻，且在所述谐振器的俯视图中，所述温度控制层围绕或覆盖谐振器的有效区域的至少一部分；以及通过控制流入所述温度控制层的电流的通断和/或大小而调节所述谐振器的有效区域的温度。
[0094] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附
权利要求及其等同物限定。
