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。
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] 图7A为
现有技术中的体声波谐振器的俯视图，图7B为图7A中沿折线A1OA2 的剖视图。如图7A-7B所示，通过去除折线B1O’B2上方的压电层50，可在俯视图中暴露出部分底电极40，和底电极引脚35以及基底10，各部分细节说明如下：
[0005] 10：基底，通常材料可选单晶
硅，砷化镓，蓝
宝石，
石英等。
[0006] 20：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效声学反射结构。
[0007] 40(35)/60(65)：底电极(引脚)/顶电极(引脚)，可采用钼、钌、金、
铝、镁、钨、
铜，
钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其
合金。
[0008] 50：压电层薄膜，可选氮化铝，
氧化锌，PZT等材料并包含上述材料的一定
原子比的稀土元素掺杂材料。
[0009] 图7C示出了图7A对应的谐振器的有效区域AR的
温度梯度分布示意图(其中暗处表示低温，而亮处表示高温)，温度最高点位于图中的Σ。
[0010] 当上述谐振器工作时，一部分声振动
能量和
电能会不可避免的转
化成热能，随着谐振器功率的提升，发热问题变得日益显著，导致谐振器
工作温度过高。高温不仅对谐振器的电学特性造成不利影响，同时高温还会
加速器件各组成部分的老化和损毁。发热问题在谐振器的有效区域的中心区域尤其明显。
发明内容
[0011] 本发明提出一种置于体波谐振器有效声学区域俯视图中心或其附近的功率增强结构，该结构可使谐振器中温度最高点及其附近的振动频率偏离谐振点，从而达到降低谐振器温度的目的。
[0012] 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：
[0013] 基底；
[0014] 声学镜空腔；
[0015] 底电极；
[0016] 顶电极；
[0017] 压电层，
[0018] 其中：
[0019] 声学镜空腔、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
[0020] 所述声学镜空腔内设置有支撑结构，所述支撑结构的下端设置于声学镜空腔的底部，所述支撑结构的上端在所述有效区域的高温区域与所述有效区域的下侧连接或
接触，所述高温区域是指以有效区域的质心为圆心、r为半径的区域，所述半径r为高温区域所在有效区域的等效圆的半径的50％，所述等效圆为：以该有效区域的质心为圆心且圆的面积等于有效区域的面积的圆。
[0021] 可选的，所述半径r为高温区域所在有效区域的等效圆的半径的20％。
[0022] 可选的，所述支撑结构的上端仅在所述有效区域的高温区域与所述有效区域的下侧连接或接触。
[0023] 可选的，所述支撑结构为锥台形结构，其上端的横截面面积小于下端的横截面面积，所述锥台形结构的顶部形成支撑面，该支撑面与底电极的底侧连接。
[0024] 可选的，所述锥台形结构为四棱柱结构或三棱柱结构或者圆锥台结构。
[0025] 可选的，所述支撑结构的上端具有支撑面，该支撑面与底电极的底侧连接；所述支撑结构的下端具有固定面，该固定面与声学镜空腔的底部连接；所述支撑结构还包括连接在支撑面与固定面之间的弹性连接部，所述弹性连接部提供使得支撑面向上以抵接底电极的弹
力。
[0026] 可选的，所述弹性连接部为翼状部。
[0027] 可选的，所述翼状部与固定面之间形成有第一斜
角，所述第一斜角在10-80 度的范围内。
[0028] 可选的，所述翼状部为梯形，该梯形的上底连接到所述支撑面，该梯形的下底连接到所述固定面。
[0029] 可选的，所述翼状部为蛇形。进一步的，所述蛇形的与所述支撑面接触的一端小于所述蛇形的与固定面接触的一端。
[0030] 可选的，所述翼状部包括在谐振器的俯视图中等角度间隔开的多个翼状部，所述多个翼状部具有相同的第一斜角；且所述固定面为环形固定面或者所述固定面包括在谐振器的俯视图中等角度间隔开的多个固定面，所述多个固定面与所述多个翼状部分别对应。
[0031] 可选的，所述支撑面仅具有一个支撑面，且所述多个翼状部均连接到所述一个支撑面；或者所述支撑面具有多个支撑面，且所述多个翼状部分别与所述多个支撑面连接。
[0032] 可选的，所述翼状部包括在谐振器的俯视图中镜像对称布置的两个翼状部，所述支撑面仅具有一个支撑面，且所述两个翼状部均连接到所述一个支撑面。
[0033] 可选的，所述翼状部包括在谐振器的俯视图中
旋转对称布置的多个翼状部，所述支撑面仅具有一个支撑面，且所述多个翼状部均连接到所述一个支撑面。
[0034] 可选的，所述支撑结构为相同截面的柱形结构，所述柱形结构的顶面形成支撑面，该支撑面与底电极的底侧连接。
[0035] 可选的，所述支撑结构为导热结构，适于将来自有效区域的高温区域的热量自支撑结构传导到基底。
[0036] 可选的，所述支撑结构与所述底
电极形成面连接，且所述支撑结构与所述声学镜空腔的底部形成面连接。
[0037] 可选的，所述支撑结构与所述有效区域的下侧的接触面积不大于有效区域的面积的1％；或者所述支撑结构与所述有效区域的下侧的接触面的最长边的边长不超过有效区域的最长边长的1/10；或者所述支撑结构与所述有效区域的下侧的接触面的最长边或直径的长度范围为0.1-20μm。进一步的，所述支撑结构与所述有效区域的下侧的接触面积不大于有效区域的面积的0.1％；或者所述支撑结构与所述有效区域的下侧的接触面的最长边的边长不超过有效区域的最长边长的1/30。
[0038] 可选的，所述支撑结构为第一支撑结构；且所述谐振器还包括多个辅助支撑结构，所述多个辅助支撑结构围绕所述第一支撑结构设置，所述辅助支撑结构的下端设置于声学镜空腔的底部，所述辅助支撑结构的上端与所述有效区域的下侧连接或接触。进一步的，所述多个辅助支撑结构分布在以有效区域的质心为圆心的至少一个圆周上，且在圆周上等角度间隔开。
[0039] 可选的，所述支撑结构的高度的范围为H±1μm，其中H为对应声学镜空腔的深度。
[0040] 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。
[0041] 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。
附图说明
[0042] 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：
[0043] 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剖视图；
[0044] 图1B为根据本发明的一个示例性实施例的图1A中声学镜空腔中设置的支撑结构的示意图；
[0045] 图1C为根据本发明的一个示例性实施例的图1A中的支撑结构的示意图；
[0046] 图1D为根据本发明的一个示例性实施例的图1A中的支撑结构的示意图；
[0047] 图2A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的支撑结构的示意图；
[0048] 图2B为图2A中的支撑结构的侧视图；
[0049] 图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的支撑结构的示意图；
[0050] 图4A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的支撑结构的示意图；
[0051] 图4B为图4A中的支撑结构的俯视示意图；
[0052] 图5A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的支撑结构的示意图；
[0053] 图5B为图5A中的支撑结构的俯视示意图；
[0054] 图6A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的第一支撑结构和辅助支撑结构的示意图；
[0055] 图6B为根据本发明的一个示例性实施例的辅助支撑结构的分布示意图；
[0056] 图6C为根据本发明的一个示例性实施例的辅助支撑结构的分布示意图；
[0057] 图7A为现有技术中的体声波谐振器的俯视图；
[0058] 图7B为图7A中沿折线A1OA2的剖视图；
[0059] 图7C为图7A对应的谐振器的有效区域AR的温度梯度分布示意图，其中暗处表示低温，而亮处表示高温，温度最高点位于图中的Σ。
具体实施方式
[0060] 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。
[0061] 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剖视图。
[0062] 各部分细节说明如下：
[0063] 10：基底，通常材料可选
单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等。
[0064] 20：声学镜空腔。
[0065] 30：支撑结构。
[0066] 40(35)/60(65)：底电极(引脚)/顶电极(引脚)，可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。
[0067] 50：压电层薄膜，可选氮化铝，氧化锌，PZT等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
[0068] 如图1A和1B所示，支撑结构30设置于述声学镜空腔20内，支撑结构30 的下端设置于声学镜空腔20的底部，所述支撑结构的上端在所述有效区域的高温区域与所述底电极40的底侧连接，所述支撑结构30的下端与上端之间的高度为所述声学镜空腔的深度。
[0069] 需要指出的是，在本发明中，“高温区域”是指以有效区域的质心为圆心、 r为半径的区域，该半径r为所在有效区域的等效圆的半径的50％，进一步的20％，上述等效圆为：以该有效区域的质心为圆心且圆的面积等于有效区域的面积的圆。
[0070] 在本发明中，支撑结构的上端可以仅仅一部分位于高温区域内，也可以全部位于高温区域内，这均在本发明的保护范围之内。
[0071] 由于谐振器的工作过程本质上是压电物质与场的相互作用，所以谐振器的热功率
密度的空间分布和谐振器的有效区域物质的空间分布直接相关，并且对于有效区域为凸几何形状的谐振器，热功率密度最高的
位置位于物质分布的中心(质心)附近。尽管在厚度方向上谐振器有效区域由金属电极层和压电层等不同物质构成，但由于通常各物质层的厚度都是均匀(或近似均匀)的，因此在俯视平面上，有效区域的等效面密度可以认为是均匀的。在上述情况下，有效区域的平面质心的位置即为该区域的平面几何中心。
[0072] 由于支撑结构30，可以使得谐振器的温度最高点或其附近的振动频率偏离谐振点。这有助于降低谐振器的温度最高点或者其附近部分的温度，从而提升整个谐振器的功率容量。
[0073] 在支撑结构30本身还具有
传热功能的情况，有助于将底电极中的热量传导到基底，为谐振器的有效区域的
散热提供了除谐振器边缘外的另外的散热通道，有助于进一步降低谐振器的温度，从而提高谐振器的功率容量。基于此，在本发明的一个实施例中，所述支撑结构为导热结构，适于将来自有效区域的高温区域的热量自支撑结构传导到基底。更进一步的，所述支撑结构与所述底电极形成面连接，且所述支撑结构与所述声学镜空腔的底部形成面连接。
[0074] 图1A中仅仅是示意性的示出了支撑结构30设置在底电极与声学镜空腔的底部之间。下面具体描述支撑结构30的结构。
[0075] 图1B为根据本发明的一个示例性实施例的图1A中声学镜空腔中设置的支撑结构的示意图，图1C为根据本发明的一个示例性实施例的图1A中的支撑结构的示意图。如图1B-1C所示，支撑结构为一个上小下大的四棱锥结构，该四棱锥结构的顶面为支撑面。
[0076] 参见图1C，锥形四棱柱顶部的与下电极的接触面为矩形，该矩形的一边长度a0范围0.1-20μm，优选范围0.1-10μm，另一边长度b0范围0.1-20μm，优选范围0.1-10μm，棱柱侧面与竖直方向第一夹角α0范围10-80度，第二夹角β0范围10-80度；棱柱高度为h01的范围为H±1μm，其中H为对应谐振器声学镜空腔的深度。
[0077] 图1B示出的支撑结构为四棱锥台的形状，但是本发明不限于此。例如，如图1D中所示，支撑结构为圆锥台的形状。如图1D所示，锥形圆柱的顶面和底面均为圆形，顶面圆形半径r0范围0.05-10μm，优选范围0.05-5μm，底面圆形半径R0范围1-50μm，锥形圆柱高度h02的范围为H±1μm，其中H为对应谐振器声学镜空腔的深度。
[0078] 此外，虽然没有示出，支撑结构也可以为例如三棱锥台的形状；或者，支撑结构为具有相同截面的柱形结构，例如圆柱体、方形柱体等。
[0079] 除了图1A-1D中示出的支撑结构之外，支撑结构还可以为其他形式，尤其是支撑结构在谐振器的厚度方向上具有弹性。如此，可以减小支撑结构在谐振器的厚度方向上的刚性，从而减少支撑结构对于谐振器的冲击，减少能量损失。
[0080] 图2A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的支撑结构的示意图；图2B为图2A中的支撑结构的侧视图。
[0081] 图2A中示出的是支撑结构30中，支撑结构具有矩形
基础部，基础部的第一边长a3范围10-50μm，第二边长b3范围10-50μm；顶部接触部为矩形，接触部的第一边长a1范围0.1-20μm，优选范围0.1-10μm，第二边长b1范围0.1-20 μm，优选范围0.1-10μm；此外在基础部和接触部之间由倾斜的连接部，该连接部为梯形，梯形下底长度b2范围2-40μm，梯形上底与接触部的第二边重合。
[0082] 图2B所示为图4A中结构的侧视图，其中结构的连接部与
水平方向夹角α1 范围10-80度；整体高度h03的范围为H±1μm，其中H为对应谐振器声学镜空腔的深度。支撑结构的厚度T1范围为0.01-0.5μm。
[0083] 需要指出的是，支撑结构的高度h03的范围H±1μm不仅适用于本实施例，也可以适用于本发明的其他实施例。
[0084] 基于以上，在本发明中，所述支撑结构的上端具有支撑面，该支撑面与底电极的底侧连接；所述支撑结构的下端具有固定面，该固定面与声学镜空腔的底部连接；所述支撑结构还包括连接在支撑面与固定面之间的弹性连接部，所述弹性连接部提供使得支撑面向上以抵接底电极的弹力。如图2A所示，所述弹性连接部可为翼状部。如图2B所示，所述翼状部与固定面之间形成有第一斜角α1，所述第一斜角在10-80度的范围内。
[0085] 如图2A所示，所述翼状部为梯形，该梯形的上底连接到所述支撑面，该梯形的下底连接到所述固定面。
[0086] 图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的支撑结构的示意图。如图3所示，弹性连接部或翼状部为蛇形，以进一步减小其刚性，并增加其
自由度。如图3所示，所述蛇形的与所述支撑面接触的一端小于所述蛇形的与固定面接触的一端，换言之，在图3中，蛇形的翼状部的下端较大，而上端较小，这有利于翼状部
变形。
[0087] 图2A和图3仅仅示出了具有单个翼状部的支撑结构，但是本发明不限于此。
[0088] 图4A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的支撑结构的示意图；图4B为图4A中的支撑结构的俯视示意图。图4A和4B示出了镜像对称的支撑结构。为增强支撑结构的
稳定性，可将图2A的结构进行镜像延拓，从而形成图4A中的对称性功率增强结构。从所述结构的俯视图图4B中可知，该支撑结构关于直线L1L2和L3L4对称。换言之，在图4A和4B的实施例中，所述翼状部包括在谐振器的俯视图中镜像对称布置的两个翼状部，所述支撑面仅具有一个支撑面，且所述两个翼状部均连接到所述一个支撑面。
[0089] 图5A为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的支撑结构的示意图；图5B为图5A中的支撑结构的俯视示意图。图5A和图5B示出了支撑结构为旋转对称结构的形式。具体的，将支撑结构制成如图5A所示的结构，该结构具有一环形基础部，一圆形接触部以及3个扇形连接部。支撑结构总体厚度为 T2，T2范围0.01-0.5μm，总体高度h04范围H±1μm，其中H为对应谐振器声学镜空腔的深度。图5B为图5A中结构的俯视图，其中示出了所述支撑结构的关键尺寸，基础部圆环内内径R1范围1-50μm，外半径R2范围5-100μm；接触部圆形半径r1范围0.05-10μm，优选范围0.05-5μm；扇形连接部俯视投影的夹角α2范围10-40度。该结构降低了结构刚性，并具有更高的稳定性。换言之，在图5A和5B的实施例中，所述翼状部包括在谐振器的俯视图中旋转对称布置的多个翼状部，所述支撑面仅具有一个支撑面，且所述多个翼状部均连接到所述一个支撑面。
[0090] 虽然在以上附图所示的实施例中，仅仅示出了一个支撑面，但是，本发明不限于此，也可以设置多个支撑面，不过，这些支撑面均连接到有效区域的高温区域。
[0091] 此外，本发明也可以在上述的支撑结构之外设置另外的辅助支撑结构，如图6A-6C所示。
[0092] 参见图6A，除了在发热中心区域采用支撑结构30之外，还在其周围添加若干辅助支撑结构31。多支撑结构的优点为：通过增加接触面数量可进一步增强热传导能力；增加结构稳定性；多支撑结构采用一定的分布方式还可起到抑制谐振器中寄生模式振动的作用。
[0093] 如图6B所示，可使支撑结构与谐振器有效声学区域的接触面(图中阴影标注的圆形区域，此外也可使用矩形等)，分布在以中心接触面的几何中心为圆心的若干个同心圆周上，同心圆由内向外半径分别为Rm1,Rm2,Rm3等等。其中最内侧圆的半径范围1-50μm，且由内向外每个圆的半径与其相邻内侧圆半径差异范围为1-50μm。此外若干个接触面还沿多个径向分布，且所述径向等分圆周，例如图6B中径向将圆周4等分，而图6C中为5等分，当然等分数量还可为其它整数如3,6,8，9…等等。
[0094] 支撑结构与有效区域的接触面积过小，散热效果不明显，但是，面积过大则导致谐振器Q值降低、同时还可造成寄生模式增强等负面效果。因此，还需要指出的是，在本发明中，可以限制支撑结构与有效区域的下侧或者与有效区域中的底电极的接触面积。具体的，所述支撑结构与所述有效区域的下侧的接触面积不大于有效区域的面积的1％，进一步的，不大于0.1％；或者所述支撑结构与所述有效区域的下侧的接触面的最长边的边长不超过有效区域的最长边长的1/10，进一步的，不超过1/30；或者所述支撑结构与所述有效区域的下侧的接触面的最长边或直径的长度范围为0.1-20μm。
[0095] 此外，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。
[0096] 基于以上，本发明提出了如下技术方案：
[0097] 1、一种体声波谐振器，包括：
[0098] 基底；
[0099] 声学镜；
[0100] 底电极；
[0101] 顶电极；
[0102] 压电层，
[0103] 其中：
[0104] 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
[0105] 所述声学镜空腔内设置有支撑结构，所述支撑结构的下端设置于声学镜空腔的底部，所述支撑结构的上端在所述有效区域的高温区域与所述有效区域的下侧连接或接触，所述高温区域是指以有效区域的质心为圆心、r为半径的区域，所述半径r为高温区域所在有效区域的等效圆的半径的50％，所述等效圆为：以该有效区域的质心为圆心且圆的面积等于有效区域的面积的圆。
[0106] 2、一种滤波器，包括上述的谐振器。
[0107] 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
块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
[0108] 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。
