[发明专利]环电极结构的超高频谐振器

说明书

本发明属于谐振器技术领域，公开了一种环电极结构的超高频谐振器。该谐振器结构包括压电层和环电极，每个环电极以环状围绕在压电层四周，多个环电极沿着压电材料长度方向分布，且施加正负交替的电压激励。该结构能够在压电层中激发横向电场，从而激发横向剪切模式体声波，实现超高谐振频率下的高有效机电耦合系数，满足射频通信领域高频率大带宽的要求。

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种环电极结构的超高频谐振器。

背景技术

随着5G时代的到来，对多频段高频滤波器的需求急剧增加。这对压电谐振器的性能提出了更高的要求。众所周知，声表面波(SAW)谐振器早期广泛应用于射频前端，但由于其相速度低、光刻存在限制等原因，在高频段很难保持优良的性能。

利用叉指换能器(IDTs)激发压电材料低阶对称兰姆波的压电氮化铝MEMS谐振器是这些年来研究的热点。在AlN薄膜中，S₀模态具有很高的相速度，最高可达约10000m/s，且制造流程简单。普通的AlN兰姆波波谐振器通常表现出的有效机电耦合系数K²_eff为3％左右，这限制了其在滤波器中的应用，因为K²_eff值直接与滤波器的部分带宽(BW)有关，决定了插入损耗。因此，对压电AlN兰姆波谐振器中的电极进行优化是进一步实现大带宽、低插入损耗滤波器的理想途径。

不仅如此，随着5G的出现和应用，LWR、FBAR和SMR等现有的谐振器结构难以实现高频段的高有效机电耦合系数需求。最近有研究人员提出一种横向激励的剪切模式体声波谐振器(XBAR)。XBAR的结构相对简单，与兰姆波谐振器类似，包括金属化叉指电极(IDE)，但XBAR的金属化率很小，即电极间距较大，导致XBAR的电极激励主要产生水平电场，在压电材料层中产生半波长体剪切波A1模态的谐振。

XBAR的结构设计与传统的微声谐振器有很大不同，声表面波谐振器和兰姆波谐振器的谐振频率与金属IDT电极间距密切相关，而在XBAR当中，谐振频率主要由压电层的厚度决定。与兰姆波谐振器不同的另一点在于，XBAR采用了更适合于激励剪切模式体声波的铌酸锂材料(LiNbO3)。

传统的一维XBAR结构只在压电层的表面布置有叉指电极以激发沿着叉指电极排布方向的横向剪切模式体声波；二维的XBAR结构在压电层表面布置棋盘状分布的多个电极，电极上施加正负交替的电压以在压电材料中激发沿两个方向传播的横向剪切模式体声波。

与兰姆波谐振器相比，XBAR的有效机电耦合系数K²_eff较大，可用于5G甚至6G通讯中高频率大带宽滤波器的搭建。

但现有XBAR结构的电极排布方式仅有叉指结构和棋盘结构，无法满足所有的应用需求，亟需研究人员提出更多的改良结构。此外，XBAR谐振器的谐振频率仅取决于压电层的厚度，与电极排布方式并无太大关系，而现有工艺无法制备很薄的压电层，所以谐振器的谐振频率较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种环电极结构的超高频谐振器，是一种能够在压电层中激发横向电场，从而激发横向剪切模式体声波的超高谐振频率、高有效机电耦合系数的谐振器。

为实现上述目的，本发明提供一种环电极结构的超高频谐振器，其特征在于：包括压电层和环绕在压电层四周的环电极；单个环电极以环状分布在压电层四周，多个环电极沿着压电材料长度方向分布；所述环电极分为第一环电极阵列和第二环电极阵列，所述第一环电极阵列和第二环电极阵列分布施加正负电压激励；所述第一环电极阵列、第二环电极阵列中相邻的电极之间的距离与电极的宽度之比在10以下从而激发兰姆波，或者在10以上从而激发横向剪切体声波。

作为优选方案，所述压电层的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT或铌酸钡钠中的一种。

进一步地，所述环电极的材料为钼、铂、金、银、铝、钨、钛、钌、铜或铬中的一种或多种组合。