谐振器装置

技术领域

本发明涉及用于产生和处理电信号的电子装置的技术领域，本发明的主题是一种谐振器装置。

背景技术

众所周知，在微型化电子装置领域，有必要制造出适合过滤电信号的装置，尤其是过滤具有较小的形状因子的电信号。

这种需求的典型解决方案是在逐层排列的压电材料薄膜基础上构建声学谐振器。

与基于电磁的对应部件的电路相比，这些声学谐振器的尺寸大大缩小。

声学谐振器的运行基于声波的产生和处理，并且这些电路的一部分用于合成射频滤波器(RF滤波器)。

具体地说，目前用于微型电子电路(例如用于移动无线电技术(4G和5G))的声学谐振器主要有两类。

第一类谐振器以表面声波(SAW)谐振声学装置为代表，这些装置主要采用较简单的结构，能够以相对较低的成本获得。

SAW谐振器用于频率低于2GHz的电子电路中。

第二类谐振器包括体声波(BAW)谐振声学装置。这种装置比SAW谐振器更为复杂和昂贵，主要用于频率高于2GHz的场合。

当设计数据要求在效率和热漂移稳定性方面具有高性能时，一些BAW装置也可用于低于2GHz的频率。

5G标准要求声学谐振器能够在3GHz以上频率执行滤波功能。

事实上，新的Wi-Fi标准还要求滤波系统在5GHz和7GHz之间工作。

限定压电薄膜层所和谐振器的其他组件的所选厚度决定了BAW器件的谐振频率。

新的5G标准给BAW技术带来了一些问题，因为为了使滤波装置能够在高于3GHz的频率下工作，必须使用极薄的压电薄膜。

此外，在当前的电子装置中，射频滤波必须以非常小的形状因子进行。

因此，使用了基于逐层排列的压电材料薄膜的声学谐振器，其优点是比电磁装置本身更小。有一大类声学谐振器已经投放市场，用于合成RF滤波器。

因此，新的通信标准要求基于非常薄的薄膜制造BAW装置，使得BAW装置能够在比目前使用的频率更高的频率下使用。

例如，工作频率高于5GHz的谐振器装置需要使用厚度约为300nm的压电薄膜。

此外，电极的缩小则要求使用厚度小于100nm的金属。

构成压电器件的各层厚度的这种极度减小与电损耗的增加和器件运行信号功率的显著降低有关。

若要进一步缩小尺寸，使其工作频率超过10GHz，则难度很大，事实上，如果厚度极度减小，就很难准确设定器件的工作频率。

因此，电损耗会显著增加，从而损害谐振器装置的整体效率。

发明内容

本发明旨在克服上述技术缺陷，提供一种即使在特别高的频率范围内工作也能实现高效率的谐振器装置。

具体而言，本发明的主要目的是提供一种谐振器装置，该谐振器装置由若干层组成，其厚度可通过现有生产技术轻松获得。

本发明的另一个目的是提供一种制造成本特别低的谐振器装置。

本发明的另一个目的是提供一种谐振器装置，该谐振器装置能够以特别精确的方式在非常高的频率(甚至高于5GHz或10GHz)下工作。

本发明的另一个目的是提供一种电特性随时间保持不变的谐振器装置，即受温度和湿度等环境参数变化影响最小的装置。

此外，本发明的另一个而且同样重要的目的是提供一种谐振器装置，其配置为允许对与高数据容量相关的信号进行滤波。

根据权利要求1所述类型的谐振器装置可实现这些目标，以及下文将更详细说明的其他目标。

根据从属权利要求的谐振器装置可实现下文更详细描述的其他目标。

附图说明

本发明的优点和特征将从以下对声学装置的一些优选但非限制性实施例的详细描述中变得清晰，这些实施例特别参考了以下附图，其中包括：

图1显示了声学谐振装置的第一实施例的俯视示意图；

图2显示了根据本发明的装置在第一实施例中的剖面图；

图3显示了根据本发明的装置在第二实施例中的剖面图。

具体实施方式

本发明涉及一种声学谐振装置，该装置在电子领域用于产生和/或过滤频率在预定范围内的电信号。

更具体地说，作为本发明主题的声学谐振装置特别适用于促进产生/过滤属于无线电频段的电信号，通常是1.5GHz至30GHz频段内的电信号。

本文中所使用的术语“声学谐振装置”指的是能够将电信号转换为机械波(称为声波)的电子振荡器装置，该机械波由于组件的尺寸变形(或机械振动)而在装置内部产生。

因此，声学谐振装置的工作原理是基于其内部机械波(也称为声波)的传播，所述机械波具有预定的振幅和模式趋势。通过这些声波的传播，可在与谐振器相关的相应电极两端产生具有预定特性的电信号。

因此，可以将谐振器装置定义为一种装置，该装置适合将电极两端的电信号转换为在装置内部传播的声波(反之亦然)。

利用这种特性可以制造电子振荡器，即适合产生以预定频段为中心的周期性电信号的装置。

另外，谐振器装置也可用于制造电子滤波元件，以在其输出端提供与输入端信号相关的部分频谱(例如，选择性带通滤波器、高通或低通滤波器、带阻滤波器等)。

本发明的主题的谐振器装置在附图中以附图标记1表示，该谐振器装置主要用作5G技术和相关新标准中使用的射频装置的滤波元件。

具体而言，图1至图3显示了设计为用于在5GHz以上，特别是10GHz以上工作的谐振器1。

然而，可以理解的是，本发明的这些实施例仅是举例说明，下文所述的创新技术特征也可以在工作频带不同于上述频带的其他类型的RF谐振器中再现。

此外，下文所述的声学谐振器1还可用作适用于不同的频率区间但不一定属于无线电频段的振荡器和/或滤波元件。

作为本发明主题的声学谐振器1具有层叠结构，该层叠结构由不同类型的材料层叠加而成。

从图2和图3中可以看到所述结构的剖面图，而在图1中可见的平面图中，这些层的形状可能会因装置1的设计规格或安装环境而有所不同。

图2和图3显示了通过修改各层平面形状而获得的不同几何形状的谐振器装置。

装置1首先包括压电材料层2，该压电材料层在一对端面3、4之间延伸。

该层2在平面视图中的几何形状可以与具有n边的正多边形(例如，正方形、矩形、梯形或任何其他多边形)相对应。

有利的是，压电材料2为单晶类型或多晶类型，可从包括以下材料之一的组中选择：氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、石英、氧化锌、锆钛酸铅以及具有类似机电特性的其他材料。

此外，用于制造压电层2的材料也可以从根据上述规定的材料中选择，但以上述规定的材料的不同的掺杂值获得。

谐振器装置1还包括一层或多层直接与压电材料层2的相应面3或相应面4(或两个相应面3、4)接触的附加层。

该附加层在图中用附图标记5表示，其主要特征在于它是由金属材料或金属材料的合金制成的。

这一特性与下文提到的其他特性相结合，使该金属材料层5能够具有两种功能：

首先，所述层5构成谐振器装置的电极，其能够以促进产生声波的方式激励压电材料层2；

其次，所述层5还构成反射器，其能够(至少部分地)反射压电材料层2产生的声波。

更为有利的是，直接置于压电材料层2的面3、4中的一个(或两个)上的金属材料层5可同时执行上述两种功能(电极和反射器)。

金属材料层5的存在具有一些重要的优势，金属材料层5有利地设计为直接与形成压电层2的材料的面3、4接触。

一般来说，在本领域已知的谐振器中，电极不具有反射特性，因此该元件被集成在装置的谐振腔中。

在本发明中，术语“谐振腔”是指一个具有预定尺寸的几何空间，与有源材料(即压电材料2)振荡时产生的机械波相关的大部分能量都在该几何空间中。

一般来说，与驻留在谐振腔内的声波相关的能量超过压电材料产生的、与所述声波相关的总能量的95％。

众所周知，只有当谐振腔具有根据波长(通常为半个波长的倍数)选择的预定尺寸时，谐振装置才能正常工作。

因此，电极的厚度应尽可能减小，以尽量减少其在谐振腔内的影响；这样，谐振腔的厚度主要由压电材料层决定。

在本发明的谐振器装置中，电极已经并入到金属层5，并且金属层5还具有反射由压电材料层2产生的声波的附加功能。

在这种结构中，电极不再是谐振腔的一部分(谐振腔完全由压电材料的厚度决定)，而是“埋”在层5中，层5还具有声学反射器的功能。

这种解决方案有很多优点：首先，与已知技术相比，压电材料的厚度s

除上述情况外，电极的厚度比目前已知的谐振器要厚很多，因为这些元件的尺寸现在必须符合反射器的尺寸，而众所周知，反射器的厚度相当于四分之一波长或其倍数。

在谐振器装置1的第一种配置中，适合构成电极和声学反射器的金属材料层5可以是单层，因此可以与压电材料层2的面3、4接触。

图2所示的装置中说明了这一示例，在该示例中使用了位于压电材料2的下表面3上的单个金属层5。

为使装置正常工作，压电材料层2必须始终位于一对电极之间。

在这种情况下，谐振器1具有额外的电极，其用附图标记6表示，该额外的电极包括导电材料层。

图2和图3清楚地说明了这种配置。

然而，所述电极6并不适合用作声反射器，因此其功能完全类似于现有技术中已知的电极。

电极6与压电材料层2的面4直接接触，压电材料层2的面4与布置有金属层5的面相对。

在图中所示的情况下，电极6直接与压电材料层2的上表面4接触。

有利的是，电极6可以具有预定厚度s

在谐振器装置1的另一个实施方案中，可以使用多层金属材料5。

例如，可以有两层金属材料5，每层位于压电材料层2的相对位置。

然后，将压电材料层2夹在两层金属材料5之间，两层金属材料5与压电材料层2相应的面3、4直接接触。

图中没有示出这种配置。

可替换地，谐振器装置1可以包括金属材料层5的堆叠，即多个相互叠加的金属层5。

因此，堆叠的第一层5直接与压电材料层2的一个面3接触。

图3展示了这种配置。

在这种情况下，电极基本上分布在金属材料层5的堆叠的整个厚度上，因为该堆叠的每一层都具有导电性能。

此外，堆叠中的每个金属层5也具有反射器的功能，因此，通过叠置这些层，可以获得级联声学反射器，每个声学反射器都适合反射从压电材料2传播的入射声波的一部分。

如在图1中所更清晰地展示的，作为电极的导电金属材料层5的尺寸可以完全或部分覆盖与其接触的压电材料2的端面3、4。

有利地，如在图1中所更清晰地展示，金属材料层5的尺寸可以仅覆盖压电材料2的端面3、4的一部分。

如果在作为电极的金属材料层5上施加电信号，则所述电信号仅适用于促进压电材料2被金属材料层5覆盖的区域(即位于金属材料层5下方的压电材料2的区域)的激励。

换句话说，作为电极的金属材料层5所覆盖的压电材料2的部分是材料本身唯独适合产生声波的部分。因此，声波将仅从压电材料的面3、4上处于激发状态的部分(相当于面3、4上被金属材料层5覆盖的区域)开始向外传播。

一般来说，作为电极的金属材料层5的横向延伸大于压电材料2的端面3、4的横向延伸，从而确定适当的凸起部7，使其适合连接到与谐振器电连接的其他电路。

具体而言，该凸起部可以是二维的，其延伸范围在小端8(适合叠加在压电材料层2的面3、4上)和相对端9之间，相对端9凸出于压电材料层2并具有最大尺寸，用于连接其他电气或电子电路。

金属材料层5在平面图中的形状可以基本上是多边形的(例如，规则多边形或不规则多边形)，也可以包括至少一个圆形或半圆形部分，如图1所示。

有利地，压电材料层2事实上相对于两个端面3、4具有基本各向同性的物理特性。

因此，激励压电材料2(例如，通过向一对电极施加电信号)意味着促进产生两个基本相同的机械波，这两个机械波沿纵向方向Z(垂直于面3、4延伸)传播，但传播方向相反。

此外，传播方向Z穿过构成谐振器1的所有其他材料层，这些材料层面向或叠加在压电材料层2的两个面3、4上。

如上所述，施加到压电材料2的由振动产生的声波往往会通过相对于压电材料的所述面布置在相对侧上的多个反射器“保留”在装置1中。

将声波保留在装置1的各层中，就有可能引发共振条件，从而促进驻留声波的产生。

在各层之间逐渐传输(未被反射)的振荡驻留波的部分代表谐振器装置1的损耗。

显然，装置1在设计时应尽量减少这种损耗，使声波更容易保持驻留状态。

众所周知，第一声反射器11和第二声反射器12的作用是部分反射由压电材料层2(并来自其面3、4)产生的机械波，以便尽可能长时间地将谐振器1保持在主动谐振状态。

在本文中，图1-3中的附图标记5既表示金属层，也表示由金属层定义的相应电极和声学反射器。

由金属以外的其他材料层构成的附加反射器用附图标记10表示，并在下文中作更详细的描述。

众所周知，在谐振器1的现有技术中，反射层5、10并不能完全反射入射声波，实际上反射损耗一般低于1％(也就是说，反射层能够反射99％以上的入射机械波，并将小于1％的声波传输到下一层)。

由金属材料制成的层5也可用作反射器，因此它们可以由多个子层11、12组成，子层11、12分别由低声阻抗金属材料和高声阻抗金属材料构成。

具有低声阻抗的金属层11可由以下一种或多种材料的薄膜或合金制成：铜和铝。

具有高声阻抗的层12可以由以下一种或多种材料的薄膜或合金制成：钨、钼、钽、氮化钽、金、铂、钌、铱以及这些材料的合金。

有利地，每一层适合限定反射器的金属材料可以有X层高阻抗材料12和Y层低阻抗材料11。

从图3所示的装置中可以看到这种实施方式。

特别是，单个金属反射器5中包含的高阻抗材料子层12的总层数X和低阻抗材料子层11的总层数Y可以相同(X＝Y)或不同(X≠Y)。

例如，可以只有一个子层11、12(X＝Y＝1)，而所述子层11、12的最大层数可以是可变的，并由构造和/或设计需求决定。

但是，当子层11、12中的一个的数量大于1时(X>1和/或Y>1)，子层的排列总是交替的，即在两个相同类型的层之间存在一个相反类型的层。

例如，如果X＝2，Y＝1，则单个低阻抗金属子层11位于两个高阻抗金属子层12之间，而在X＝Y＝4的情况下，相应的反射器5由四个相同的对叠加构成，每个对由高阻抗金属子层12和低阻抗金属子层11连接构成。

除上述之外，低阻抗子层11和高阻抗子层12可以具有各自的预定厚度s

由高阻抗材料制成的金属子层12的厚度s

更具体地说，可以选择具有高和/或低声阻抗材料的每个子层11、12的厚度s

声波以预定的传播速度在相应的金属子层11、12中传播，传播速度因子层本身的材料类型而异。

因此，每个子层11、12都定义了自己的声波传播时间。所述时间可定义为声波的每个点穿过分隔相应子层11、12的端面的厚度所需的时间间隔。

换句话说，传播时间可以计算为相应子层11、12的厚度s

有利地，可以选择金属子层11、12的厚度s

例如，低声阻抗子层11的厚度s

有利地，除了金属材料层之外，该装置还可以包括一个或多个由绝缘材料制成的反射层10。

同样在这种情况下，由绝缘材料制成的反射层10可以包括由低声阻抗绝缘材料制成的第一子层13和由高声阻抗绝缘材料制成的第二子层14。

有利地，谐振器1可以配置为包括多个由绝缘材料制成并相互叠置的反射器10。

由绝缘材料制成的每个反射器10的厚度s

更具体地说，组成每个反射器10的子层13、14的厚度s

有利地，在谐振器技术领域，传播时间也被称为“相位长度”。用符号t_p表示相位时间，用s表示给定的反射层和/或压电材料的厚度，用v_p表示声波在同一层内的传播速度，可以定义出以下关系：

t_p＝s/v_p

此外，本文中使用的“振动模式”或“激励模式”意指与具有不同振幅的多个点的系统或结构相关的振动的特征模式。

振动模式包括i)振动的时间变化，以及ii)穿过结构的运动的振幅的空间变化。

时间变化决定了振荡的频率。

空间变化定义了从结构的一点到另一点的不同振动幅度。

由高阻抗或低阻抗材料制成的子层13、14限定谐振器1中使用的多个反射器10中的每个单个反射器10，可以选择子层13、14使其具有根据以下关系变化的厚度s

s

其中：

s

N是正整数(1、2、3......)；

π/2相当于激发模式的周期的四分之一(其中2*π＝激发模式的周期)。

因此，根据这种关系，相对于由压电材料层2激发的模式的周期2*π，构成一个或多个由绝缘材料制成的反射器10的子层13、14可以具有根据以下系列选择的厚度s

3*π/2；5*π2；7*π/2；9*π/2；11*π/2；13*π/2...

此外，由绝缘材料制成并用于同一谐振器1的其他反射器10可以具有由高阻抗或低阻抗材料制成的子层13、14，其各自的厚度s

s

其中

s

π/2相当于激发模式的周期的四分之一(其中2*π＝激发模式的周期)。

因此，从本质上讲，作为本发明主题的声学谐振器1可以包括由金属材料的制成的反射器10的堆叠。

所述堆叠中靠近压电材料层2的反射器可以由子层13、14构成，子层13、14的厚度s

3*π/2；5*π/2；7*π/2；9*π/2；11*π/2；13*π/2…

由绝缘材料制成的其余反射器10组成堆叠并与压电材料层保持较大距离(与上一段中描述的反射器10的距离相比)，并且其余反射器10可以由子层13、14组成，其厚度s

s

即等于压电材料层2的激发模式的四分之一波。

这样，制成的绝缘层10的厚度在靠近压电材料层时较大，而在与其达到一定距离时较小。

这样，通过根据上述关系适当调整子层的厚度，绝缘材料制成的反射器10可以有效地反射不同类型的声波，并减少损耗，不同类型的声波，即i)剪切应力波(其传播分量也基本上沿垂直于Z的方向)，以及ii)纵向应力波(其传播因此基本上平行于Z)。

前面段落(关于金属反射器5的实施方案)中关于子层13、14的位置、子层13、14的数量和厚度的考虑同样适用于绝缘材料制成的反射器10。

有利地，具有低声阻抗的绝缘材料的子层13可以从包括二氧化硅、旋涂玻璃、氧化碲和碳氧化硅的组中选择。

此外，具有高声阻抗的绝缘材料的子层14可选自包括氮化铝以及钨、铂、钼、钌的各自氧化物的组。

该装置可包括至少个绝缘材料层15，根据具体情况，绝缘材料可具有限定的低声阻抗或相当高的高声阻抗。该层15可以具有预定的厚度s

层15不具有反射特性，例如，可以由以下材料之一的薄膜制成：二氧化硅、氧化硅、氧化碲、旋涂玻璃以及基于这些材料但添加了掺杂剂或杂质的其他材料。

上述低声阻抗层15或高声阻抗层15的作用主要是补偿压电材料层2所承受的热漂移。

众所周知，与压电材料2相关的振荡频率(和/或频带)随所述层所处环境的温度而变化。

在谐振器技术领域，这种情况被称为“频率温度系数”，它表示频率随温度变化的函数(一般来说，每摄氏度单位的频率变化为标准化频率的几十百万分之几)。因此，频率温度系数是以百万分之几(即以赫兹为单位的工作频率值的10

当温度升高，振荡频率降低时，频率温度系数为负值。

相反，当温度升高，振荡频率增加时，频率的温度系数为正值。

一般来说，压电材料2在材料本身整个工作范围内的频率温度系数为负值(即振荡频率随着温度的升高只会降低)。

因此，具有低或高声阻抗的材料层15的具有正的频率温度系数，也就是说，其内部结构会随着温度的升高而促进工作频率的增加。

这样，由压电材料层2和低阻抗或高阻抗层15构成的组件就可以减少热漂移(指工作频率)。

特别是，与压电层2有关的振荡频率变化(由温度变化引起)由于与由低阻抗或高阻抗材料制成的层15的行为有关的频率变化符号相反而基本上被抵消(或大大降低)。

此外，还可以/有必要插入两层不同的低阻抗或高阻抗材料15、15'，每一层都朝向压电材料层2的相应的面3、4。

有利地，电极6上总是叠加一层低阻抗或高阻抗绝缘材料15，电极6直接与压电材料层2的面3、4接触。

另一层低阻抗或高阻抗材料15'(可选)则叠加在绝缘材料制成的最后的反射器10上。

有利地，任何一个低阻抗或高阻抗绝缘材料层15、15'都可以由相同的材料或具有相似化学物理特性的不同材料制成；这样，当由压电材料层2产生的声波通过它们时，所述层15、15'具有基本相同的动态特性。

根据本发明的一个特殊方面，构成本发明主题的谐振器1的材料层的厚度选择为满足所示尺寸关系：

-压电材料层2的厚度s

-与压电材料2的一个面3、4直接接触的金属反射层/电极5的厚度s

-可以用参考字母(s

在上述关系中，字母N代表大于或等于1的自然整数(N＝1、2、3......)。

根据以上所述，厚度s

例如，压电材料层2的预定厚度s

电极6的厚度s

然而，这些厚度s

此外，在谐振器1具有附加非反射层15'(具有低声阻抗或高声阻抗)叠置在绝缘反射器10上(或叠置在堆叠的最后的绝缘反射器10上)的情况下，甚至该附加层15'的相应厚度s

本文中使用的“高声阻抗层”和“低声阻抗层”是相对而言的。事实上，由低阻抗材料制成的层具有第一预定阻抗值(相对于声波的通过)，该第一预定阻抗值低于由高声阻抗材料制成的不同层的阻抗值。

相反，由高阻抗材料制成的层具有第二预定阻抗值(相对于声波的通过)，该第二预定阻抗值高于由低声阻抗材料制成的不同层的阻抗值。

换句话说，与低声阻抗材料层相关的第一阻抗值总是低于与高声阻抗材料层相关的第二阻抗值(反之亦然)。

有利地，谐振器可以锚定在基底16上，基底16优选由高声阻抗材料制成。例如，所述基底16可以从以下材料中选择：硅、碳化硅、蓝宝石、铌酸锂、钽酸锂、玻璃、石英、氮化铝和金刚石。

有利地，参照本发明所述的教导也可应用于设计为使用基模谐波(在这种情况下，基模对应于衰减模之一)运行的谐振器。

本发明还可以有其他变体，所有这些变体都在本发明所要求和描述的发明特征的范围之内；这些技术特征可以用技术上等同的不同元件和材料来替代；本发明的形状和尺寸可以是任何形状和尺寸，只要与本发明的用途相匹配即可。

权利要求和说明中包含的数字和附图标记只是为了提高文本的明确性，不得被视为对它们所确定的对象或过程进行技术解释限制的要素。