一種薄膜體聲波諧振器及一種濾波器、振蕩器、無線收發器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及無線通訊器件技術領域。具體地說涉及一種薄膜體聲波諧振器及 包括該薄膜體聲波諧振器的濾波器、振蕩器和射頻模塊。
【背景技術】
[0002] 薄膜體聲波諧振器(FBAR)-般是采用電極/壓電薄膜/電極的層疊式三明治結構， 壓電薄膜的逆壓電效應將輸入的高頻電信號轉化為一定頻率的聲信號。當聲波在壓電薄膜 中的傳播距離正好是半波長的奇數倍時就會產生諧振，其中諧振頻率處的聲波損耗最小， 使得該頻率的聲信號能通過壓電薄膜層，而其他頻率的信號被阻斷，從而只在輸出端輸出 具有特定頻率的信號，以實現電信號的濾波功能。
[0003] 專利ZL 201320526762.6對三明治結構所存在的上述問題進行了改進，但是該專 利的諧振器的頻率會收到單一的壓電薄膜層材料的限制，頻率范圍很窄，且沒有頻率模式 切換。
【發明內容】
[0004] 本實用新型為了解決現有的問題，提供一種薄膜體聲波諧振器，包括襯底基板和 制備在襯底基板上的功能層，所述功能層包括:沿垂直于襯底基板表面的方向順次設置的 至少三層電極、設置在每兩塊電極之間且由鐵電材料制成的壓電薄膜層。
[0005] 優選的，所述襯底基板上位于所述功能層下方的位置開設有空腔，所述空腔的橫 向上表面積小于所述功能層中緊鄰空腔的最底層電極的面積，且大于所述最底層電極以上 各層的面積。
[0006] 在本技術方案中，所述功能層的各層可以呈板狀，還可以呈環狀，呈環狀時各層中 間的空心部分面積相同且同軸心設置。所述電極采用鈣鈦礦結構氧化物SrRuO 3或鉑金Pt制 成，所述壓電薄膜層采用SrTi03(鈦酸鍶）、BaTi03(鈦酸鋇）、BaxSn- xTi03(鈦酸鋇鍶）當中的 一種材料制成。
[0007] 本實用新型還提供了由上述薄膜體聲波諧振器制成的一種濾波器和一種振蕩器， 以及一種無線收發器，包括雙工器或多工器。
[0008] 本實用新型的電極采用了 SrRu〇3(鈣鈦礦結構氧化物），壓電薄膜層采用鐵電材料 SrTi03(鈦酸鍶)或BaTi03(鈦酸鋇)或BaxSr1- xTi03(鈦酸鋇鍶），鐵電材料的晶體將按照硅片 襯底基板的（100)晶（晶向）向外延生長。因此與現有技術相比，我們的鐵電材料的介電常 數和電能控制諧振頻率的性能將提高。同時，采用多層電極與壓電薄膜層間隔設置的結構， 通過改變外加的電壓大小和方向，來實現薄膜體聲波諧振器的開/關、頻率控制以及頻率切 換功能。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本實用新型的俯視圖；
[0010] 圖2是本實用新型第一實施例的剖視圖；
[0011] 圖3是本實用新型第二實施例的剖視圖；
[0012] 圖4是本實用新型第三實施例的剖視圖；
[0013] 圖5是本實用新型第四實施例的剖視圖；
[0014] 圖6是本實用新型兩個壓電層器件電壓方向相同時的諧振頻率示意圖；
[0015] 圖7是本實用新型兩個壓電層器件電壓方向相反時的諧振頻率示意圖；
[0016] 圖8是本實用新型的諧振頻率波形圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖對本實用新型進一步進行說明。
[0018] 圖1是本實用新型的俯視圖，圖2和圖3則給出了兩個具體的薄膜體聲波諧振器的 實施例，圖1中示出了襯底基板1和制備在襯底基板上的功能層，在圖2、圖3兩個具體實施例 中，功能層包括從下至上順次層疊在襯底基板1上的底層電極201、第一壓電薄膜層301、中 層電極202、第二壓電薄膜層302和上層電極203,一共采用了三層電極，第一、第二壓電薄膜 層采用鐵電材料，具有鐵電效應。通過上述結構以及鐵電材料的電致伸縮效應，可以對第 一、第二壓電薄膜層分別施加方向相同或不同的電壓，還可以改變外加的直流電壓的大小， 從而達到開關諧振器、控制諧振頻率的變化以及切換頻率模式的目的。
[0019] 現有技術中的壓電薄膜層通常都采用壓電材料，比如氮化鋁和氧化鋅，利用熟知 的壓電效應來實現體聲波諧振器。電和力關系可以由簡單的數學公式來表達：S = QP2， 其中S是應力，P是由于電致伸縮效應所產生的電極化強度(假設所受壓力為零），Q為電致伸 縮效應系數。從所受電場所引導的電強化P的公式是:P = Ps + XE，其中？8是自發電極化系 數，XE是由外加電場所誘導的電極化。那總應力S可分為3個部分：自發應變力、線性壓電應 變力、二次電致伸應變力，公式為:S = QPs2 + 2QPsxE + Qx2E2,其中S代表應力，Q代表電致 伸縮性系數，Ps代表自發極化系數，X代表電極化率，E代表電場強度。
[0020] 如圖6至圖8所示，本實用新型在順電狀態下，鐵電材料沒有自發電極化和壓電反 應，所以總應力S只有二次電致伸應變力S= Qx2E2。由于電場依賴極化，電致伸縮效應依賴于 所施加的電場，從而讓本實用新型可以控制力/電耦合，通過逆壓電效應產生所需的聲波。 應力和電場強度的關系不像普通壓電材料壓電效應中的線性關系，而是具有平方關系，所 以在鐵電材料的電致伸縮效應的電場強度對應力的影響更大，特別是在較高的電場強度 下，隨著電場強度的改變，應力也會以較大的幅度發生改變。可見，鐵電材料的電致伸縮性 賦予了傳統薄膜體聲波諧振器全新的功能，使其可被外加直流電壓控制。通過改變外加直 流電壓的大小，來控制應力的變化，進而可以控制聲波的速度，而諧振頻率與聲波速度成正 比，從而控制諧振頻率的變化。
[0021] 因此，本實用新型開/關薄膜體聲波諧振器的原理在于，當外加電場為零時，第一、 第二壓電薄膜層的應力也為零，也就不會產生聲波進而不會產生諧振，因此通過是否施加 直流電壓可以起到對薄膜體聲波諧振器的進行開啟和關閉，完全不需要任何的外加開關， 也不存在任何來自于開關和偏壓網絡的插入損耗，大大降低了器件的體積和制造成本。
[0022] 控制薄膜體聲波諧振器的諧振頻率的原理在于，因為第一、第二壓電薄膜層為鐵 電材料。利用第一、第二壓電薄膜層的電致伸縮效應，通過改變外加的直流電壓的大小，控 制鐵電材料應力的變化，進而控制聲波的速度，而諧振頻率與聲波速度成正比，從而控制 諧振頻率的變化。
[0023] 對薄膜體聲波諧振器的頻率進行切換的原理在于，每個壓電薄膜層中電場誘導的 壓電系數(e33)的方向