[发明专利]体声波谐振器及其制造方法

说明书

本发明提供一种体声波谐振器及其制造方法。其中该体声波谐振器包括自下而上依次布置的硅衬底、底电极、压电层、顶电极，以及硅衬底中的空气腔，其特征在于，体声波谐振器还包括横向声阻抗结构，横向声阻抗结构的内边缘位于体声波谐振器的谐振有效区域之外。本发明的体声波谐振器及其制造方法，由于设置了横向声阻抗结构，可以对横向传播的声波模式加以限制，从而提高了谐振器的性能，还具有结构简单、工艺易行的优点。

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，特别地涉及一种体声波谐振器及其制造方法。

背景技术

随着无线通讯系统的快速发展，通讯协议从3G到4G已经实现大规模商业部署，目前正向5G时代迈进。通讯协议的不断演进，对于通讯设备的实现提出了更高的要求，相对3G协议，4G和5G协议中的通讯频带呈现高频化和密集化趋势：通讯的频率不断提高，带宽不断增加，通讯频带的划分更加密集。因此，通讯系统射频前端中滤波器的作用日益凸显。如何能够实现低损耗，高频率，高滚降的滤波器成为射频元器件厂商的研究重点。

一个影响滤波器性能的重要因素是构成滤波器的谐振器的品质因数的高低。品质因数能够衡量谐振器在谐振时的损耗情况。品质因数高，表明谐振器的损耗越小，最终组成的滤波器具有更优良的插入损耗和通带滚降。传统的滤波器由分离式的电容电感器件搭建而成，然而，这种滤波器受限于制作工艺，品质因数较低，通常为几十，较难同时形成出色的通带插入损耗和阻带抑制。另一种常用的滤波器是由电磁谐振腔构成。虽然，电磁谐振腔能够保证高品质因数，实现较好的滤波器性能，但是，由于电磁谐振腔使用电磁波作为谐振能量载体，在一定频率下，谐振腔尺寸L＝c/2f。其中，c为光速，f为谐振频率。由于c远远大于f，导致谐振腔的尺寸很大，较难满足通讯系统小型化的需求。

近年来，随着微机电系统的发展，出现了以薄膜压电谐振器为基础的滤波器。图1是根据现有技术中的一种薄膜压电谐振器的结构的示意图。如图1所示，谐振器制作在硅衬底104之上，102和101为金属电极，厚度通常为几百纳米。103是压电材料薄膜，通常使用氧化锌或氮化铝材料，厚度为几百纳米至几微米。为了使得在其中产生的声波能够实现谐振，需要使得声波在顶底电极表面产生反射。图1中的顶电极101之上是能够形成声波反射的空气，为了使得声波在底电极下表面也产生反射，在底电极102下制作有空气腔100。当交变电压施加在顶电极101和底电极102上时，激发压电材料薄膜103产生压电效应产生机械声波。声波在顶底电极之间传播并反射，形成驻波谐振，进而在电学响应上形成谐振。由于使用空腔形成反射，这种谐振器称作空腔反射式体声波谐振器。

图2是根据现有技术中的另一种体声波谐振器的结构的示意图。如图2所示。与空腔式体声波谐振器不同，该谐振器利用沉积在硅衬底上的声阻抗高低交替的材料作为反射层。图2示出了两组声阻抗高低变换的层叠，206为低声阻抗材料，205为高声阻抗材料。当声波向衬底204传播时，由于声阻抗的不连续，声波能量被不断反射和透射。透射过去的声波又在下一处阻抗不连续界面被反射。最终，大部分能量反射集中在压电薄膜内，形成谐振。这种结构被称作固体堆叠式体声波谐振器。

目前，两种结构都被广泛应用在无线通讯滤波领域。图3是根据现有技术中的一个典型的空腔式谐振器响应的示意图。如图3所示，横坐标表示频率，纵坐标表示阻抗。谐振器具有两个谐振频率，串联谐振频率Fs和并联谐振频率Fp。当使用体声波谐振器组成滤波器时，滤波器的品质因数对滤波器性能具有直接影响，如图4所示，图4是根据现有技术中的滤波器的品质因数对滤波器性能的影响的示意图。其中，横坐标表示频率，纵坐标表示损耗，实线为高品质因数谐振器的性能曲线，虚线为低品质因数谐振器的性能曲线。从图4可以看出，品质因数高的谐振器能够提供更低的插入损耗和更陡峭的滚降特性。

目前能够对谐振器的品质因数提升的技术手段主要是通过提升压电薄膜的生长质量实现，例如改善底电极粗糙度，提高薄膜生长的机台性能等，这通常会增加工艺的实现难度。

因此，如何在现有的工艺基础上，通过改变滤波器结构，提高谐振器的品质因数成为滤波器领域的一个重要问题。