兰姆波谐振器及具备该兰姆波谐振器的滤波器和电子设备

摘要

本发明的兰姆波谐振器包括：作为绝缘体的衬底；设置在所述衬底上的压电层；设置在所述压电层的上表面侧的多个上电极；以及设置在所述压电层的下表面侧的多个下电极，各个所述上电极至少有部分埋入所述压电层，各个所述下电极未埋入所述压电层，根据所述上电极整体的厚度，将所述上电极埋入所述压电层的部分的厚度相对于所述上电极整体的厚度之比即埋入比例设定为能够抑制兰姆波的寄生模式的埋入比例。

说明书

技术领域

本发明涉及一种兰姆波谐振器及具备该兰姆波谐振器的滤波器和电子设备，其能够抑制了兰姆波谐振器中的兰姆波的寄生模式，从而提高机电耦合系数。

背景技术

随着当今无线通信技术的飞速发展，小型化便携式终端设备的应用也日益广泛，因而对于高性能、小尺寸的射频前端模块和器件的需求也日益迫切。滤波器作为射频前端的核心元器件，其性能关系整个通信系统的性能好坏。而滤波器的性能又取决于其谐振器的性能，因此，谐振器的性能至关重要。

目前应用广泛的谐振器主要有声表面波谐振器(SAW)、体声波谐振器(BAW)、薄膜体声波谐振器(FBAR)、兰姆波谐振器、超高频谐振器(XBAR)等。就谐振器本身而言，其最关键的性能为机电耦合系数和品质因子(Q值)。谐振器的机电耦合系数决定了滤波器的带宽，其品质因子直接影响其带内插损和滤波器裙边的陡峭性。同时对于5G射频前端的多频段需求，采用可调滤波器来实现多频段的切换，而制作可调滤波器的前提是实现高频、大机电耦合系数、高q值的谐振器。

在这些谐振器当中，兰姆波谐振器是近几年兴起的研究热点，其兼具FBAR和SAW谐振器的优点，具有较高的品质因子、适中的耦合系数、低频散、高声速、低功耗、体积小等特征，可在同一晶圆上实现多频率谐振器的设计，所以广泛应用于多频段滤波器、双工器、天线收发开关、多路转换滤波器等。

传统的兰姆波谐振器的结构中，当叉指电极上施加激励电压时，压电层中会产生平行于叉指电极宽度方向的兰姆波，在兰姆波抵达谐振器两侧的自由边界时会反射形成驻波，由此引发的最强的电学响应模式称为主模。然而，当声波以非垂直的角度传播时，会产生平行于叉指电极长度方向的横向模式，这一类声波在抵达边界并反射回来的时候，会在主模的谐振峰值附近产生由上述横向模式引发的寄生谐振峰毛刺，即寄生模式，其会极大的降低电子产品对于信号传输的效率，并阻碍机电耦合系数的提高，从而降低谐振器的品质和效率。

虽然相比于传统的SAW、BAW等技术，兰姆波谐振器已经改善了工作带宽，提高了机电耦合系数(例如从8％提升到17.7％)，然而，随着当前5G手机的发展，对谐振器提出了更大带宽即更高机电耦合系数的要求，这对现有的兰姆波谐振器提出了严峻的挑战。

目前，兰姆波谐振器的研究方向大多集中于提高其机电耦合系数和Q值，而对于如何抑制和消除兰姆波的寄生模式却一直没有很好的方法。专利文献1公开了一种兰姆波谐振器，通过在压电层的侧壁或叉指电极的表面设置多个凸起结构的方法，来消除兰姆波谐振器中的寄生模式，从而避免在滤波器中产生纹波和毛刺，进而提高滤波器的品质。然而这种结构过于复杂，对于微米级要求的谐振器而言，工艺难度高，且实施成本也很高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：CN 105337586 A

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明的目的在于进一步抑制或消除兰姆波谐振器中的寄生模式，消除杂散效应，进而提高谐振器的机电耦合系数，其通过利用POI(压电绝缘体)的高声速结构，并结合电极埋入压电层的结构特性，通过调节电极的厚度及电极埋入压电层的比例，来实现寄生模式即杂散效应得到抑制甚至消除、提高了机电耦合系数以及带宽的兰姆波谐振器及具备该兰姆波谐振器的滤波器和电子设备。

用于解决技术问题的技术手段

本发明提供一种兰姆波谐振器，包括：作为绝缘体的衬底；设置在所述衬底上的压电层；设置在所述压电层的上表面侧的多个上电极；以及设置在所述压电层的下表面侧的多个下电极，各个所述上电极至少有部分埋入所述压电层，各个所述下电极未埋入所述压电层，根据所述上电极整体的厚度，将所述上电极埋入所述压电层的部分的厚度相对于所述上电极整体的厚度之比即埋入比例设定为能够抑制兰姆波的寄生模式的埋入比例。

上述兰姆波谐振器中，在所述上电极整体的厚度大于100nm且小于200nm时，所述埋入比例为40％或80％。

上述兰姆波谐振器中，在所述上电极整体的厚度大于200nm且小于400nm时，所述埋入比例为40％。

上述兰姆波谐振器中，在所述上电极整体的厚度为200nm时，所述埋入比例大于等于20％且小于80％、或者大于80％且小于等于100％。

上述兰姆波谐振器中，在所述上电极整体的厚度为400nm时，所述埋入比例为20％。

上述兰姆波谐振器中，在所述上电极整体的厚度为500nm时，所述埋入比例为100％。

上述兰姆波谐振器中，所述衬底使用选自4H-SiC、6H-SiC中的任一种高声速材料。

上述兰姆波谐振器中，所述压电层使用30°YX-LiNbO

上述兰姆波谐振器中，所述上电极和所述下电极分别具有相同的宽度和厚度。

上述兰姆波谐振器中，所述上电极和所述下电极由选自Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni的任一种金属或它们的合金、或者它们的层叠体构成。

上述兰姆波谐振器中，在所述衬底与所述压电层之间设有由声速低于所述衬底的低声速材料构成的中间层，所述下电极埋入所述中间层中。

上述兰姆波谐振器中，所述中间层使用SiO

本发明的滤波器包括上述任一种兰姆波谐振器。

本发明的电子设备包括上述滤波器或者上述任一种兰姆波谐振器。

技术效果

根据本发明的兰姆波谐振器，将设置于压电层的下表面侧的多个下电极完全埋入衬底，将设置于压电层的上表面侧的多个上电极至少部分埋入压电层，且上电极埋入压电层的部分的厚度占上电极整体厚度的埋入比例根据上电极整体的厚度来设定为能够抑制寄生模式的埋入比例。由此，能够实现杂散效应得到抑制、高机电耦合系数、高Q值、高频高声速、大带宽的兰姆波谐振器。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10的立体图。

图2是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10的剖视图。

图3是表示图2中的尺寸关系的图。

图4是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为100nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。

图5(a)～图5(f)是将图4中的各个导纳图分开表示的图。

图6是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为200nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。

图7(a)～图7(f)是将图6中的各个导纳图分开表示的图。

图8是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为300nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。

图9(a)～图9(f)是将图8中的各个导纳图分开表示的图。

图10是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为400nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。

图11(a)～图11(f)是将图10中的各个导纳图分开表示的图。

图12是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10中的上电极3a的厚度为500nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的总导纳图。

图13(a)～图13(f)是将图12中的各个导纳图分开表示的图。

图14是本发明的实施方式1的变形例的兰姆波谐振器10a的剖视图。

具体实施方式

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。

图1是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10的立体图。如图1所示，兰姆波谐振器10包括衬底1、压电层2、叉指电极3和汇流条4。其中，压电层2形成在衬底1上，叉指电极3至少形成在压电层2的上表面，汇流条4与叉指电极3两侧的指根部连接。图1中，衬底1的材料为4H-SiC或6H-SiC之类的具有高声阻抗的高声速材料，其厚度为5λ(λ是叉指电极3所激发的声波波长，即兰姆波波长)，以防止兰姆波谐振器10中传播的能量向衬底1外部泄露，从而具有较高的Q值。压电层2为30°YX-LiNbO

图2是本发明的实施方式1的兰姆波谐振器10的剖视图，具体是垂直于叉指电极3的延伸方向的截面上的剖视图。如图2所示，叉指电极3由上电极3a和下电极3b构成，其中，下电极3b设置在压电层2的下表面侧，且上表面与压电层2的下表面相接触，并完全埋入衬底1中。上电极3a设置在压电层2的上表面侧，有一部分埋入压电层2中，剩下的部分露出在压电层2的上表面侧。图2示出了上下电极3a、3b各有两个，且上电极3a与下电极3b彼此相向地设置在兰姆波谐振器10的层叠方向上，且各个上电极3a与各个下电极3b具有相同的厚度和宽度。在本实施方式1中，上电极3a和下电极3b的宽度(图中水平方向上的宽度)均为0.25λ，相邻两个上电极3a之间的间距为0.167λ，相邻两个下电极3b之间的间距为0.25λ。

为了使本发明更易于理解，图3中示出了图2的剖视图的情况下的尺寸关系。h为上电极3a的总厚度，h1为上电极3a露出在压电层2上表面的厚度，即未埋入压电层2的厚度，h2为上电极3a埋入压电层2的厚度，h＝h1+h2。t为压电层2的厚度。埋入比例h2/h即h2与h之比表示上电极3a埋入压电层2的部分的厚度相对于上电极3a的总厚度之比。

本发明人对上电极3a的埋入比例与兰姆波谐振器10的寄生模式抑制效果之间的关系进行了深入研究，分别制备了电极厚度h为100～500nm，且上电极3a的埋入比例为0～100％的兰姆波谐振器，并测试了其导纳，结果如图4～图13所示。图4是电极厚度为100nm且上电极3a具有不同埋入比例(0％、20％、40％、60％、80％、100％)时通过仿真得到的兰姆波谐振器10的总导纳图，图5(a)～图5(f)是将图4中的各个导纳图分开表示的图。图6是电极厚度为200nm时不同埋入比例下的总导纳图，图7(a)～图7(f)是将图6中的各个导纳图分开表示的图。图8是电极厚度为300nm时不同埋入比例下的总导纳图，图9(a)～图9(f)是将图8中的各个导纳图分开表示的图。图10是电极厚度为400nm时不同埋入比例下的总导纳图，图11(a)～图11(f)是将图10中的各个导纳图分开表示的图。图12是电极厚度为500nm时不同埋入比例下的总导纳图，图13(a)～图13(f)是将图12中的各个导纳图分开表示的图。

在图5(a)～图5(f)、图7(a)～图7(f)、图9(a)～图9(f)、图11(a)～图11(f)、图13(a)～图13(f)中，分别示出了不同电极厚度和不同埋入比例下的兰姆波谐振器的导纳图。在这些图中，f

通过对这些导纳图中的数据进行分析整理，得出如下的不同电极厚度下不同电极埋入比例的工作频段(f

根据图4～图13(f)及上表可知，不同的电极厚度下，不同的上电极埋入比例影响了整个兰姆波谐振器的寄生模式。如图4和图5(a)～图5(f)所示，在上电极厚度为100nm的情况下，埋入比例为0％、20％、100％时，主模的谐振峰附近出现了较强的寄生谐振峰，埋入比例为40％、60％、80％时，寄生谐振峰相对减弱，尤其是在埋入比例为80％时，寄生谐振峰的抑制效果达到最佳。与此同时，其机电耦合系数也达到24.5％的高值。

如图6和图7(a)～图7(f)所示，在上电极厚度为200nm的情况下，埋入比例为0％时出现了较强的寄生谐振峰，而在其他埋入比例下的寄生谐振峰都得到了抑制甚至消除，例如在埋入比例20％、40％时，图示基本看不到寄生谐振峰，而埋入比例为80％时，出现了较弱的寄生谐振峰，埋入比例为60％时，出现了更弱的寄生谐振峰。

如图8和图9(a)～图9(f)所示，在上电极厚度为300nm的情况下，埋入比例为0％、20％、60％、80％时，主模的谐振峰附近出现了较强的寄生谐振峰，埋入比例为100％时，寄生谐振峰相对减弱，尤其是在埋入比例为40％时，寄生谐振峰的抑制效果达到最佳。与此同时，其机电耦合系数也达到21.53％的高值。

如图10和图11(a)～图11(f)所示，在上电极厚度为400nm的情况下，埋入比例为0％、60％、80％时，主模的谐振峰附近出现了较强的寄生谐振峰，埋入比例为40％、100％时，寄生谐振峰相对减弱，尤其是在埋入比例为20％时，寄生谐振峰的抑制效果达到最佳。与此同时，其机电耦合系数也达到24.05％的高值。

如图12和图13(a)～图13(f)所示，在上电极厚度为500nm的情况下，埋入比例为100％时，寄生谐振峰的抑制效果达到最佳，图示基本看不到寄生谐振峰。此时的机电耦合系数也达到了50％的高值。

经过上述分析可知，为了抑制或消除兰姆波谐振器10中的寄生模式，可以根据上电极3a的厚度来选择设定上电极3a埋入到压电层2中的埋入比例，由此消除杂散效应，具体如下：

当上电极3a的厚度大于100nm且小于200nm时，选择埋入比例为40％或80％；

当上电极3a的厚度大于200nm且小于400nm时，选择埋入比例为40％；

当上电极3a的厚度为200nm时，选择埋入比例大于等于20％且小于80％、或者大于80％且小于等于100％；

当上电极3a的厚度为400nm时，选择埋入比例为20％；

当上电极3a的厚度为500nm时，选择埋入比例为100％。

通过这样的设定，可以使兰姆波谐振器10的寄生模式或杂散效应得到抑制，同时可以实现较高的机电耦合系数(均在18.8％以上)。其中，在上电极3a的厚度为200nm且埋入比例为100％时，可以达到33.2％的机电耦合系数且无杂散。而且，在上电极3a的厚度为500nm且埋入比例为100％时，可以达到50％的机电耦合系数且无杂散。

因此，根据本实施方式的兰姆波谐振器，基于上电极整体的厚度，将上电极埋入压电层的部分的厚度相对于上电极整体的厚度之比即埋入比例设定为能够抑制兰姆波的寄生模式的埋入比例，不仅能够抑制甚至消除寄生模式，以抑制杂散效应，同时还能提高机电耦合系数,从而能够实现更高性能的高频谐振器，进而实现更高性能的传感器以及射频前端等电子设备，以满足目前越来越高的通信需求。

图14是本发明实施方式1的变形例的兰姆波谐振器10a的剖视图。图14中，在衬底1与压电层2之间插入了一层中间层6，其由声速低于衬底2(例如4H-SiC)的低声速材料构成，在该变形例中，中间层6采用SiO

根据本发明的上述实施方式，在兰姆波谐振器中，将设置于压电层的下表面侧的多个下电极完全埋入衬底，将设置于压电层的上表面侧的多个上电极至少部分埋入压电层，且上电极埋入压电层的部分的厚度占上电极整体厚度的埋入比例根据上电极整体的厚度来设定为能够抑制寄生模式的埋入比例。由此，能够实现杂散效应得到抑制、高机电耦合系数、高Q值、高频高声速、大带宽的兰姆波谐振器。

此外，通过在衬底与压电层之间设置低声速材料构成的中间层，并使下电极埋入中间层中，从而能够进一步提高兰姆波谐振器的Q值，并改善其频率温度特性。

本发明还提供一种滤波器，其使用具有上述结构的兰姆波谐振器。

本发明还提供一种电子设备，包括上述滤波器或者兰姆波谐振器。该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。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。