專利名稱：諧振器結(jié)構(gòu)和包括這種諧振器結(jié)構(gòu)的濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電諧振器，以及有這種壓電諧振器的濾波器。具體而言，本發(fā)明涉及一種諧振器結(jié)構(gòu)，它制造起來(lái)非常簡(jiǎn)單，并且具有良好的電特性。
移動(dòng)通信不斷地朝著更小更復(fù)雜的手持單元方向發(fā)展。朝著這個(gè)方向發(fā)展要求移動(dòng)通信裝置中元件和結(jié)構(gòu)越來(lái)越小巧。射頻(RF)濾波器的結(jié)構(gòu)也是這樣，盡管要求它的體積越來(lái)越小，但與此同時(shí)還要求它能夠承受相當(dāng)高的功率，具有非常陡峭的通帶邊緣，以及非常小的損耗。
現(xiàn)有技術(shù)移動(dòng)電話中使用的射頻濾波器常常是離散的聲表面波(SAW)濾波器或者陶瓷濾波器。體聲波(BAW)諧振器還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，部分原因是還沒(méi)有找到可行的方法將這樣的諧振器跟其它電路結(jié)合起來(lái)。但是，跟聲表面波諧振器相比，體聲波諧振器具有某些優(yōu)點(diǎn)。例如，體聲波結(jié)構(gòu)更能夠承受高功率。
人們知道可以在半導(dǎo)體晶片上制作薄膜體聲波諧振器，比如在硅(Si)或者砷化鎵(GaAs)這樣的晶片上。例如，在1981年2月1日《應(yīng)用物理通信》雜志第38卷第3期第125～127頁(yè)K.M.Lakin和J.S.Wang標(biāo)題是“體聲波復(fù)合諧振器”的文章上，公開(kāi)了一種體聲波諧振器，它有一個(gè)氧化鋅(ZnO)壓電薄膜，濺射在硅(Si)膜片上。此外，在1985年《I5第39屆頻率控制年會(huì)論文集》第361～366頁(yè)Hiroaki Satoh，Yasuo Ebata，Hitoshi Suzuki和ChojiNarahara的標(biāo)題是“空氣隙類型的壓電復(fù)合薄膜諧振器”的文章上公開(kāi)了具有橋式結(jié)構(gòu)的一種體聲波諧振器。


圖1畫出了具有橋式結(jié)構(gòu)的體聲波諧振器的一個(gè)實(shí)例。這種結(jié)構(gòu)包括基片200上沉積的一個(gè)膜片130。這個(gè)諧振器的膜片上還有一個(gè)底部電極110、一個(gè)壓電層100和一個(gè)頂部電極120。通過(guò)腐蝕掉頂部的一部分基片，在膜片和基片之間產(chǎn)生一個(gè)間隙210。這個(gè)間隙被用作一個(gè)聲音絕緣體，將振動(dòng)的諧振器跟基片隔離開(kāi)來(lái)。
下面首先描述某些類型的體聲波諧振器。
體聲波諧振器通常都是在硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、玻璃或者陶瓷基片上做成的。使用的另外一種陶瓷基片是氧化鋁。體聲波器件通常都是用各種薄膜制造技術(shù)制造的，比如濺射、真空蒸發(fā)或者化學(xué)汽相淀積。體聲波器件利用壓電薄膜層產(chǎn)生體聲波。典型體聲波器件的諧振頻率在0.5GHz到5GHz范圍之內(nèi)，具體是多少取決于器件的大小和材料。體聲波振蕩器具有晶體振蕩器典型的串連和并聯(lián)諧振現(xiàn)象。諧振頻率主要由諧振器的材料和諧振器那些層的大小決定。
典型的體聲波振蕩器包括三個(gè)基本要素-一個(gè)能夠用聲音激勵(lì)的壓電層，-壓電層相對(duì)兩面上的電極，和-跟基片的聲音隔離。
壓電層可以是例如ZnO、AlN、ZnS或者是能夠在薄膜上制造的任何其它壓電材料。作為另外一個(gè)例子，也可以將鐵電陶瓷作為壓電材料。例如，可以是PbTiO3和Pb(ZrxTi1-x)O3以及所謂的鉛鑭鋯酸鹽鈦酸鹽系的其它成員。
用于形成電極層的材料是導(dǎo)電材料。電極可以采用任何合適的金屬，比如鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、銀(Ag)、金(Au)和鉭(Ta)?；话愣及ɡ鏢i、SiO2、GaAs、玻璃或者陶瓷材料。
聲音絕緣可以通過(guò)例如以下技術(shù)來(lái)制作-用一個(gè)基片過(guò)孔，-一個(gè)微觀橋式結(jié)構(gòu)，或者-一個(gè)聲鏡結(jié)構(gòu)。
在過(guò)孔和橋式結(jié)構(gòu)中，聲音反射表面是器件下面和上面的空氣界面。橋式結(jié)構(gòu)通常都是用一個(gè)犧牲層制作的，它被腐蝕掉產(chǎn)生一個(gè)自立結(jié)構(gòu)。利用犧牲層就能夠使用各種各樣的基片材料，因?yàn)椴恍枰獙⒒淖兒芏啵拖筮^(guò)孔結(jié)構(gòu)中一樣。橋式結(jié)構(gòu)也可以用一個(gè)腐蝕坑結(jié)構(gòu)來(lái)制作，在這種情況下，必須在體聲波諧振器下面的基片或者材料層上蝕刻出于一個(gè)坑，以便產(chǎn)生自立的橋式結(jié)構(gòu)。
圖2說(shuō)明產(chǎn)生橋式結(jié)構(gòu)各種方式的一個(gè)實(shí)例。在沉積體聲波結(jié)構(gòu)的其它層以前，首先沉積形成一個(gè)犧牲層135。體聲波結(jié)構(gòu)的其余部分部分地在犧牲層135的頂部沉積形成。體聲波結(jié)構(gòu)的其余部分結(jié)構(gòu)完成以后，將犧牲層135腐蝕掉。圖3也畫出了基片200、薄膜層130、底部電極110、壓電層100和頂部電極120。犧牲層可以用例如陶瓷、金屬或者聚合材料做成。
在過(guò)孔結(jié)構(gòu)中，通過(guò)在體聲波諧振器的主要部分下面將基片腐蝕掉，使諧振器跟基片實(shí)現(xiàn)聲絕緣。圖3說(shuō)明體聲波諧振器的一種過(guò)孔結(jié)構(gòu)。圖4說(shuō)明基片200、薄膜層130、底部電極110、壓電層100和頂部電極120。過(guò)孔211是透過(guò)整個(gè)基片腐蝕形成的。由于需要腐蝕，因此過(guò)孔結(jié)構(gòu)一般只是用硅或者砷化鎵基片來(lái)制作。
將體聲波諧振器跟基片絕緣的另外一種方法是利用一種聲鏡結(jié)構(gòu)。聲鏡結(jié)構(gòu)通過(guò)將聲波反射回諧振器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音隔離。聲鏡通常都包括幾層，它們的厚度等于中心頻率上波長(zhǎng)的四分之一，交替的層具有不同的聲阻抗。聲鏡中的層數(shù)通常是從3層到9層。相鄰兩層聲阻抗的比值應(yīng)當(dāng)很大，以便給體聲波諧振器的聲阻抗盡可能地低，而不是基片材料相對(duì)較高的阻抗。對(duì)于波長(zhǎng)四分之一波長(zhǎng)厚度的壓電層，聲鏡層被選擇成使得它對(duì)于諧振器而言聲阻抗盡可能地高。這些內(nèi)容公開(kāi)在美國(guó)專利5373268上。高阻抗層的材料可以是例如金(Au)、鉬(Mo)或者鎢(W)，低阻抗層的材料可以是例如硅(Si)、多晶硅(多晶-Si)、二氧化硅(SiO2)、鋁(Al)或者聚合物。由于在采用聲鏡結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中，諧振器跟基片絕緣，并且這個(gè)基片沒(méi)有改變得太多，因此可以將許多種材料用作基片。聚合物層可以包括具有低損耗特性和低聲阻抗特性的任何聚合物材料。這些聚合物材料最好能夠承受至少350攝氏度的溫度，因?yàn)樵诼曠R結(jié)構(gòu)其它層和其它結(jié)構(gòu)的沉積過(guò)程中會(huì)達(dá)到相對(duì)較高的溫度。聚合物層可以包括例如聚酰亞胺、碳材料、硅材料或者合適的任何其它材料。
圖4畫出了聲鏡結(jié)構(gòu)上面的一個(gè)體聲波諧振器。圖5畫出了基片200、底部電極110、壓電層100和頂部電極120。在這個(gè)實(shí)例中聲鏡結(jié)構(gòu)150有3層150a、150b。其中2層150a是用第一種材料形成的，這兩層中間的第三層150b是用第二種材料形成的。如上所述，第一種材料和第二種材料具有不同的聲阻抗?？梢愿淖儾牧系捻樞?。例如，聲阻抗高的材料可以在中間，聲阻抗低的材料在中間材料的兩側(cè)，或者反過(guò)來(lái)。底部電極也可以作為聲鏡的一層。
圖5說(shuō)明體聲波諧振器結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)實(shí)例。圖5所示的體聲波諧振器是一個(gè)疊層諧振器結(jié)構(gòu)，它有兩個(gè)壓電層100。除了底部電極110和頂部電極120以外，疊層結(jié)構(gòu)需要跟地電位連接的一個(gè)中間電極115。圖6還畫出了膜片層130、基片200以及將這個(gè)結(jié)構(gòu)跟基片絕緣的腐蝕坑210。
諧振器的截止頻率是在晶體振蕩器在橫向是無(wú)限大這樣一個(gè)假設(shè)下計(jì)算出來(lái)的。于是由諧振器結(jié)構(gòu)中層的材料和層的厚度直接計(jì)算出截止頻率。截止頻率是橫向無(wú)限大平板的機(jī)械諧振頻率。
諧振器(或者任何平板)的橫向尺寸導(dǎo)致它出現(xiàn)橫向諧振模，諧振器或者有限大小平板的基本諧振頻率略高于或者略低于它的截止頻率。這個(gè)基本橫向諧振模，或者第一個(gè)模橫向諧振對(duì)應(yīng)于諧振器中間區(qū)域諧振幅度最大這種情況。
在有限大小的平板中，可能出現(xiàn)各種機(jī)械振動(dòng)，所有橫向諧振模都能夠以機(jī)械方式激勵(lì)起來(lái)。某些橫向諧振?？梢酝ㄟ^(guò)將交流電施加在晶體上用壓電方式激勵(lì)起來(lái)。頻率不同的這些橫向諧振模會(huì)導(dǎo)致諧振器的表面振蕩。以壓電方式激勵(lì)起來(lái)的最強(qiáng)諧振模叫做主模，以壓電方式激勵(lì)起來(lái)的其它模叫做寄生諧振模。這些寄生諧振模通常都出現(xiàn)在比諧振器的截止頻率低和/或高的頻率上。
濾波器需要具有的一種特性是，在濾波器的通帶內(nèi)，濾波器響應(yīng)盡可能地平坦。頻率響應(yīng)的變化叫做紋波。因此在例如帶通濾波器的濾波器帶寬內(nèi)濾波器的頻率響應(yīng)應(yīng)該是常數(shù)。在阻帶內(nèi)紋波常常不是問(wèn)題。
晶體振蕩器和例如體聲波諧振器寄生諧振模的問(wèn)題是，用這些諧振器構(gòu)成的濾波器的通帶紋波至少部分地是由諧振器的寄生諧振模引起的。這一點(diǎn)在《1992年超聲波學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集》第471～476頁(yè)K.M.Lakin，G.R.Kline和K.T.McCarron發(fā)表的標(biāo)題是“全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的薄膜體聲波濾波器”的文章中進(jìn)行了討論。寄生諧振模會(huì)破壞包括晶體諧振器或者體聲波諧振器的系統(tǒng)的特性。濾波器頻率響應(yīng)中的紋波是寄生諧振效應(yīng)的一個(gè)實(shí)例。
諧振器設(shè)計(jì)的一個(gè)目的是生產(chǎn)這樣的諧振器，其中以壓電方式激勵(lì)出來(lái)的最強(qiáng)模是一個(gè)活塞模，在大多數(shù)諧振器區(qū)域內(nèi)幅度的分布是平坦的。一般情況下，工作于活塞模的諧振器沒(méi)有很強(qiáng)的寄生諧振。一般而言，諧振器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題是不知道如何使諧振器工作于活塞模。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種諧振器結(jié)構(gòu)。另外一個(gè)目的是提供具有良好電響應(yīng)的一種諧振器結(jié)構(gòu)。再一個(gè)目的是提供一種諧振器結(jié)構(gòu)，其中跟壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)諧振模有關(guān)的位移在覆蓋諧振器大部分的區(qū)域內(nèi)基本上是均勻的；這種諧振器結(jié)構(gòu)最好工作于活塞模。本發(fā)明還有一個(gè)目的，那就是提供很容易制造的一種諧振器結(jié)構(gòu)。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，在諧振器的中心區(qū)域內(nèi)制作一個(gè)框狀的邊界區(qū)域，這個(gè)邊界區(qū)域的截止頻率不同于中心區(qū)域的截止頻率，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇框狀邊界區(qū)域的聲學(xué)特性和寬度，調(diào)整中心區(qū)域內(nèi)能夠以壓電方式激勵(lì)的諧振模的特性。
本發(fā)明的諧振器結(jié)構(gòu)是這樣一種諧振器結(jié)構(gòu)，能夠在其中以壓電方式激勵(lì)特定的波模，這種諧振器結(jié)構(gòu)至少包括兩個(gè)導(dǎo)體層和導(dǎo)電層之間的至少一個(gè)壓電層，這些導(dǎo)電層和壓電層在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域內(nèi)延伸，這第一個(gè)區(qū)域是諧振器結(jié)構(gòu)中能夠用壓電方式進(jìn)行激勵(lì)的區(qū)域，其特征在于-這種諧振器結(jié)構(gòu)有一個(gè)框狀的區(qū)域包圍著中心區(qū)域，-中心區(qū)域在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域內(nèi)，-在框狀區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)以壓電方式激勵(lì)出來(lái)的波模的截止頻率不同于在中心區(qū)域?qū)咏Y(jié)構(gòu)中以壓電方式激勵(lì)出來(lái)的波模的截止頻率，和-框狀區(qū)域的寬度和框狀區(qū)域內(nèi)層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性使得，跟壓電方式激勵(lì)出來(lái)的最強(qiáng)諧振模有關(guān)的位移，在諧振器的中心區(qū)域內(nèi)基本上是均勻的。
在這里諧振器能夠以電方式激勵(lì)的區(qū)域指的是諧振器所有電極層和壓電層延伸過(guò)去的區(qū)域。通常能夠以電方式激勵(lì)的區(qū)域在諧振器的中心。在本發(fā)明的諧振器結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)框狀的區(qū)域包圍著諧振器能夠以電方式激勵(lì)的區(qū)域的某些部分。在這里中心區(qū)域這個(gè)術(shù)語(yǔ)指的是能夠以電方式激勵(lì)的這一部分區(qū)域，它在框狀的區(qū)域內(nèi)。例如中心區(qū)域不一定必須在諧振器區(qū)域的中心。
本發(fā)明中諧振器里框狀區(qū)域的聲學(xué)特性不同于中心區(qū)域和框狀區(qū)域周圍的區(qū)域的。框狀區(qū)域的截止頻率和/或框狀區(qū)域內(nèi)以壓電方式激勵(lì)的波模的色散關(guān)系，可能不同于中心區(qū)域和/或包圍框狀區(qū)域的區(qū)域。層結(jié)構(gòu)的截止頻率是由這些層的厚度和聲學(xué)特性決定的，同時(shí)假設(shè)具有所述層結(jié)構(gòu)的這些平板是無(wú)限大的。色散關(guān)系取決于平板的材料和聲波模(厚度擴(kuò)展或者剪切)，在諧振器中它是可以用壓電方式激勵(lì)出來(lái)的。本發(fā)明中的諧振器能夠工作在厚度擴(kuò)展模式或者是工作在基本剪切模式(TE1，TS1)或者是更高階的模式。
這樣來(lái)選擇本發(fā)明中諧振器框狀區(qū)域的聲學(xué)特性和寬度，從而使得以壓電方式激勵(lì)諧振器的時(shí)候，以壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)波模的位移在諧振器的中心區(qū)域內(nèi)基本上是均勻的。考慮在垂直方向具有一定厚度，在水平表面上有電極的壓電平板。存在以壓電方式激勵(lì)的厚度擴(kuò)展波的時(shí)候，壓電材料的顆粒在垂直方向上會(huì)發(fā)生位移，換句話說(shuō)在施加的電場(chǎng)的方向上會(huì)發(fā)生位移。存在以壓電方式激勵(lì)的剪切波的時(shí)候，壓電材料的顆粒在水平方向上發(fā)生位移，換句話說(shuō)在垂直于施加的電場(chǎng)的方向上發(fā)生位移。以壓電方式激勵(lì)本發(fā)明中的諧振結(jié)構(gòu)的時(shí)候，在諧振器的中心區(qū)域位移基本上是均勻的。以壓電方式激勵(lì)的波是厚度擴(kuò)展波的時(shí)候，就意味著中心區(qū)域的厚度隨著時(shí)間發(fā)生改變，從而使這個(gè)區(qū)域內(nèi)基本上每一點(diǎn)上，中心區(qū)域的厚度在每個(gè)時(shí)刻都相同。類似地，以壓電方式激勵(lì)的波是剪切波的時(shí)候，水平方向上顆粒的位移是均勻的。作為均勻位移的一個(gè)實(shí)例，考慮活塞模，其中的位移在諧振器的某個(gè)區(qū)域內(nèi)是均勻的。在本發(fā)明的諧振器中，跟活塞模有關(guān)的均勻位移出現(xiàn)在諧振器的中心區(qū)域。這個(gè)中心區(qū)域正好工作于活塞模。
諧振器的活動(dòng)區(qū)域是聲波具有足夠幅度的區(qū)域。在本發(fā)明的諧振器里，中心區(qū)域有可能覆蓋諧振器的大部分活動(dòng)區(qū)域，因此諧振器的電響應(yīng)主要取決于以壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)波模，以活塞模為主更好。于是本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明的諧振器具有良好的電響應(yīng)。
框狀區(qū)域的適當(dāng)寬度和厚度可以用一個(gè)橫向一維模型來(lái)估計(jì)，下面將說(shuō)明這一點(diǎn)。還可以用實(shí)驗(yàn)方式找到框狀區(qū)域的最佳寬度和厚度。
諧振器中能夠以電方式激勵(lì)的區(qū)域的形狀或者中心區(qū)域的形狀并不限于本發(fā)明中諧振器結(jié)構(gòu)的任何特定形狀。例如在本發(fā)明的諧振器里，中心區(qū)域可以是矩形、多邊形或者圓形的。框狀區(qū)域的寬度和聲學(xué)特性在整個(gè)框狀的區(qū)內(nèi)最好是基本均勻的，但是本發(fā)明的諧振器結(jié)構(gòu)并不局限于包括具有均勻?qū)咏Y(jié)構(gòu)或者均勻厚度的框狀區(qū)域這樣的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中諧振器的中心區(qū)域基本上是均勻的，以便工作于活塞模。中心區(qū)域的厚度在中間點(diǎn)和邊緣之間可以略微發(fā)生變化。在這種情況下，不一定能夠工作于活塞模，它是電響應(yīng)仍然是干凈的，換句話說(shuō)實(shí)際上沒(méi)有任何寄生諧振模。
本發(fā)明的諧振器結(jié)構(gòu)能夠改善傳統(tǒng)晶體諧振器的特性，特別是薄膜體聲波諧振器的特性。現(xiàn)有技術(shù)中體聲波諧振器類型的特性可以按照本發(fā)明通過(guò)修改它的結(jié)構(gòu)來(lái)加以改善。例如本發(fā)明的諧振器可以有一種疊層結(jié)構(gòu)。
在具有適當(dāng)?shù)剡x擇了寬度和厚度的框狀區(qū)域的諧振器結(jié)構(gòu)里，在諧振器結(jié)構(gòu)中心區(qū)域里以壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)模式是活塞模。在這種結(jié)構(gòu)中，頻率為活塞工作頻率的寄生諧振經(jīng)常只有很弱的耦合，下面將參考橫向一維模型討論這一點(diǎn)。這一效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步地改善本發(fā)明中諧振器的電特性。
改善諧振器的特性，就能夠改進(jìn)包括諧振器的元件的特性。具體而言，利用本發(fā)明的諧振器結(jié)構(gòu)來(lái)制作濾波器是比較好的。這種濾波器能夠用于例如移動(dòng)通信裝置。
一般情況下，將諧振器的框狀區(qū)域設(shè)計(jì)成在諧振器結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域以壓電方式激勵(lì)的模是活塞模的時(shí)候，諧振器能夠在活塞模工作點(diǎn)周圍工作在相對(duì)較寬的頻率范圍上，因?yàn)榉侵C寄生模已經(jīng)被抑制。可以將諧振器設(shè)計(jì)成工作在略微低于或者高于活塞模頻率的頻率上，從而為特定目的獲得最佳響應(yīng)。例如在帶通濾波器中，可以使通帶內(nèi)的紋波最小。
本發(fā)明的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明中諧振器的制作不需要任何額外的制作步驟。這一點(diǎn)將在下面參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案詳細(xì)地加以討論。
本發(fā)明還涉及包括至少一種諧振器結(jié)構(gòu)的濾波器，其中能夠以壓電方式激勵(lì)特定波模，這種諧振器結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)導(dǎo)體層和這些導(dǎo)體層之間的至少一個(gè)壓電層，這些導(dǎo)體層和壓電層在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域內(nèi)延伸，這第一個(gè)區(qū)域是諧振器結(jié)構(gòu)中能夠用壓電方式激勵(lì)的區(qū)域，它的特征在于-這種諧振器結(jié)構(gòu)有一個(gè)框狀的區(qū)域包圍著中心區(qū)域，
-中心區(qū)域在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域內(nèi)，-框狀區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)能夠以壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率不同于中心區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)以壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率，和-框狀區(qū)域的寬度和框狀區(qū)域內(nèi)層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性使得跟以壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)諧振模式有關(guān)的位移在諧振器的中心區(qū)域內(nèi)基本上是均勻的。
下面將參考本發(fā)明示例性的實(shí)施方案和附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)體聲波諧振器，圖2說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)中具有橋式結(jié)構(gòu)的另一種體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，圖3說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)中具有過(guò)孔結(jié)構(gòu)的一種體聲波諧振器，圖4說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)中用聲鏡結(jié)構(gòu)跟基片絕緣的一種體聲波諧振器，圖5說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)中的一種疊層體聲波諧振器，圖6說(shuō)明諧振器的橫向一維模型，圖7從原理上說(shuō)明典型的色散特性k(ω)，圖8從原理上說(shuō)明本發(fā)明中各種諧振器結(jié)構(gòu)的部分剖面，圖9在史密斯圖上說(shuō)明跟圖8a所示相似的各種諧振器結(jié)構(gòu)的電響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，圖10從原理上說(shuō)明本發(fā)明第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的一種體聲波諧振器結(jié)構(gòu)，圖11在史密斯圖上說(shuō)明圖10所示諧振器結(jié)構(gòu)的電響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，圖12是本發(fā)明中一些諧振器的頂視圖，圖13從原理上說(shuō)明本發(fā)明第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的諧振器，圖14從原理上說(shuō)明本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的諧振器結(jié)構(gòu)，圖15在史密斯圖上說(shuō)明本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中諧振器結(jié)構(gòu)電響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，圖16說(shuō)明由兩個(gè)部分重疊形成的框狀區(qū)域的諧振器結(jié)構(gòu)內(nèi)寄生諧振強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果，圖17從原理上說(shuō)明本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施方案中的一種諧振器結(jié)構(gòu)，和圖18說(shuō)明本發(fā)明第五個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的諧振器結(jié)構(gòu)。
上面描述現(xiàn)有技術(shù)的時(shí)候參考了圖1到圖5。在這些圖中對(duì)應(yīng)的部件采用相同的引用數(shù)字。
按照目前的觀點(diǎn)，框狀區(qū)域?qū)χC振器以壓電方式產(chǎn)生的振蕩的影響可以用諧振器的橫向一維模型非常直接了當(dāng)?shù)毓串嫵鰜?lái)。在這個(gè)模型中，假設(shè)諧振器是一個(gè)平板，它在例如Y方向的長(zhǎng)度是無(wú)限的，它在xz平面上的尺寸是有限的。圖6畫出了平板610和620，它在Y方向上的長(zhǎng)度是無(wú)限的。對(duì)應(yīng)地，橫向振動(dòng)是在一維空間里研究的，也就是在x方向上研究。如果平板的材料的彈性是各向同性的，正弦聲波的位移矢量d的方程就是-ρω2d＝(λ+μ)(·d)+μ2d (1)其中ρ是密度，λ和μ是平板材料的拉梅彈性常數(shù)。
亥姆霍茲定理說(shuō)明它的解可以表示為d＝+×A其中φ是一個(gè)標(biāo)量函數(shù)，A是一個(gè)矢量函數(shù)?？v波φ和剪切波A的方程是-ω2ρ＝(λ+2μ)2-ω2ρA＝μ2Aφ和A的解是φ＝ALejk·r和A＝ASejk·r，其中AL和AS是幅度常數(shù)，r是位置矢量，k是波矢量，j是虛數(shù)單位。
于是，有角頻率是ω的兩種波是方程1的解。位移d是縱波位移分量d和剪切波位移變量dS的和d＝dL+dS＝+×A＝ALejk·r+×ASejk·r(2)
為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，考慮在平板的橫向x方向和垂直z方向上傳播的解。于是波矢量是k＝kxux+kzuz，其中ux和uz是x軸和z軸方向上的單位矢量。平板表面z＝0上的位移d＝dxux+dΨuy+dzuz成為d(z=0)=▿ALejkxx+▿×Asejkxx=Cejkxx-----(3)]]>其中C是一個(gè)幅度常矢量。這表明這個(gè)波看起來(lái)象是在表面上的行進(jìn)諧波。
邊界條件是在平板的上部表面和下部表面張力是0，jω∂dz∂z=0]]>邊界條件為波數(shù) 給出了一個(gè)條件，并且建立了角頻率ω和波矢量kx之間的關(guān)系，也就是這個(gè)波的色散關(guān)系k(ω)。波數(shù)k可以是實(shí)數(shù)，它表示幅度恒定的傳播聲波；也可以是虛數(shù)，表示按指數(shù)規(guī)律衰減的聲波；它也可以有一個(gè)實(shí)部和一個(gè)虛部，表示按指數(shù)規(guī)律衰減的一個(gè)正弦聲波。對(duì)應(yīng)于k＝0的截止角頻率ωc由平板層的厚度和聲學(xué)特性決定。
在多層結(jié)構(gòu)中每一層有4個(gè)波在傳播。它們是向上和向下傳播的剪切波和縱波。在兩層之間的界面上，我們必須考慮八種波從界面上面到達(dá)離開(kāi)界面下部的縱波和剪切波，以及從界面下部到達(dá)從界面上部離開(kāi)的相似的縱波和剪切波。在這個(gè)界面上的邊界條件為這些波給出了某些關(guān)系。一個(gè)關(guān)系是所有波的波矢量沿著界面方向的分量都相同。這就是在色散關(guān)系中用作參數(shù)的平板波數(shù)k。它給出在水平x方向上傳播的波的波長(zhǎng)2π/k和衰減Im{k}。
例如色散關(guān)系k(ω)可以用Thomson和Haskell的轉(zhuǎn)移矩陣方法計(jì)算出來(lái)[M.J.S.Lowe，模擬多層媒質(zhì)中超聲波的矩陣技術(shù)，IEEE超聲波Ferro.Freq.控制雜志，42，4，1995，525～42]。實(shí)際上這樣做必須采用數(shù)值方法。
總是有幾個(gè)角頻率ω不同的聲波?？梢栽谶@個(gè)平板中傳播。常常將它們叫做平板模，它們中間最重要的是Lamb波。在諧振器中，人們感興趣的平板模是限制?；蛘叻切孤┠＃鼈兗性谄桨宓挠邢薏糠謨?nèi)。其它模將從這個(gè)諧振器中逃逸出去，因此無(wú)法觀察到它們。當(dāng)x坐標(biāo)趨于負(fù)或者正無(wú)窮大的時(shí)候，限制模的幅度越來(lái)越小。
一般情況下，平板中的振蕩必須用相對(duì)的橫向行進(jìn)的兩個(gè)諧波來(lái)描述。這個(gè)Lamb波的位移可以用一個(gè)標(biāo)量函數(shù)Ψ(x)來(lái)近似Ψ(x)＝Ae-jkx+Be+jkx(4)當(dāng)平板在x方向包括不同的相鄰區(qū)域i的時(shí)候，平板的不同區(qū)域i內(nèi)常數(shù)A和B以及波數(shù)k不同。以上方程可以表述為Ψi(xi)=Aie-jkixi+Bie+jkixi]]>為了簡(jiǎn)化符號(hào)，我們這樣來(lái)選擇系數(shù)Ai和Bi，在每個(gè)區(qū)域i的左邊界xi＝0，在右邊界xi＝Wi。例如在圖6中，平板610有三個(gè)區(qū)域，其中i＝1，2和3。
粒子位移d的幅度可以寫成d＝Ψd0，其中d0給出波的振蕩模，Ψ說(shuō)明位移作為x的函數(shù)的幅度和相位。應(yīng)力矢量可以近似地寫成F=cmdΨdx]]>其中c是材料的剛度矩陣，m是由振蕩模式?jīng)Q定的常矢量。在這我們假設(shè)在所有區(qū)域i中彈性剛度都相同，因?yàn)槲覀冎饕紤]的那些層在x方向上幾乎是連續(xù)結(jié)構(gòu)。
在不同區(qū)域之間的每個(gè)界面上，位移d必須是連續(xù)的，在界面的兩邊應(yīng)力F必須相等。假設(shè)剛度c是常數(shù)的時(shí)候，這些條件要求位移函數(shù)Ψ和它的差分dΨ/dx必須是連續(xù)的Ψi(xi＝Wi)＝Ψi+1(xi+1＝0)dΨidx|xi=Wi=dΨi+1dx|xi+1=0-----(5)]]>
這就給出了系數(shù)Ai和Bi在不同區(qū)域i內(nèi)的條件。在區(qū)域p和q之間的界面中，xp＝Wp，xq＝0，我們得到Aq+Bq=Ape-jkpWp+BpejkpWp-----(6)]]>-Aqkq+Bqkq=-Apkpe-jkpWP+BpkpejkpWP]]>其中Wp是區(qū)域p的寬度?，F(xiàn)在我們已經(jīng)能夠計(jì)算在結(jié)構(gòu)中任意一點(diǎn)上的系數(shù)Ai和Bi(因而能夠計(jì)算幅度Ψ)，如果我們知道某一點(diǎn)的系數(shù)和幅度。
將平板在xz平面內(nèi)的區(qū)域按照從左到右的順序編號(hào)，編號(hào)從i＝1開(kāi)始，如圖6所示。在最左邊的區(qū)域1中，波數(shù)k1是虛數(shù)，系數(shù)B1＝0，否則當(dāng)x趨于負(fù)無(wú)窮大的時(shí)候波的幅度將不斷增大。在區(qū)域1和區(qū)域2之間，方程6變成A2+B2＝Ψ0(7)-A2k2+B2k2＝-k1Ψ0其中Ψ0是區(qū)域1和區(qū)域2之間界面上的位移。我們可以求出區(qū)域2中的幅度系數(shù)A2=k2+k12k2Ψ0-----(8)]]>B2=k2-k12k2Ψ0]]>諧振模的強(qiáng)度取決于它們的壓電耦合程度。以壓電方式產(chǎn)生的電壓V正比于振蕩的位移Ψ。在橫向一維模型中，我們將電壓作為電極區(qū)域Wele上的積分來(lái)計(jì)算V=h∫x=0WeleΨdx-----(9)]]>其中h是比例常數(shù)。如果電極區(qū)域只有一個(gè)區(qū)域，它的寬度是Wele，對(duì)位移(方程4)進(jìn)行積分就能夠得到電壓 V＝h[Aele+Bele]，如果kele＝0
幅度系數(shù)Ai和Bi由邊界條件決定。我們首先考慮一個(gè)經(jīng)典的晶體振蕩器610，它的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，因此最左邊的區(qū)域1和最右邊的區(qū)域3相同，振蕩局限在中心區(qū)域2內(nèi)。
在這三個(gè)區(qū)域內(nèi)位移Ψ和它的微分Ψ(或者在這個(gè)模型中是dΨ/dx)是 其中Ψ0是區(qū)域1和區(qū)域2之間界面上的位移。波數(shù)k1和k3是純虛數(shù)，因?yàn)槌裏o(wú)窮大和負(fù)無(wú)窮大的方向波的幅度都要下降。上面已經(jīng)利用實(shí)數(shù)將它們表示為K1＝-jk1和K3＝-jk3。
駐波諧振模的條件是位移Ψ和它的微分Ψ在區(qū)域1和區(qū)域2以及區(qū)域2和區(qū)域3的邊界上都是連續(xù)的。根據(jù)位移的連續(xù)性條件得到A2+B2＝Ψ0A2e-jk2W2+B2ejk2W2=B3]]>根據(jù)其微分的連續(xù)性條件得到j(luò)k2(B2-A2)＝K1Ψ0jk2(-A2e-jk2W2+B2ejk2W2)=-K3B3]]>
如此可以獲得橫向波的以下諧振條件ejk2W2=sA2B2]]>其中對(duì)于對(duì)稱解Ψ，s＝+1，對(duì)于反對(duì)稱解Ψ，s＝-1。這個(gè)方程的實(shí)部和虛部必須滿足cosk2W2+K1k2sink2W2=s]]>sink2W2-K1k2cosk2W2=sK1k2]]>于是滿足以下條件的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)諧振sink2W2=s2K1/k21+(K1k2)2]]>諧振產(chǎn)生的壓電電壓是V=hjk2(s+1)(A2-B2)=hK1Ψ0k22(s+1)]]>其中A2和B2已經(jīng)用K1和k2表示。對(duì)于反對(duì)稱解，壓電電壓消失，因此沒(méi)有任何壓電耦合。所有的對(duì)稱解都是以壓電方式產(chǎn)生的，因?yàn)樵谥C振器610的區(qū)域2中A2-B2永遠(yuǎn)不等于零。
下一步考慮有5個(gè)區(qū)域的一個(gè)對(duì)稱諧振器620。區(qū)域3在結(jié)構(gòu)的中心。區(qū)域2和4是相同的，它們跟區(qū)域3相鄰。最左邊的區(qū)域1和最右邊的區(qū)域5也相同，區(qū)域1跟區(qū)域2相鄰，區(qū)域5跟區(qū)域4相鄰。在這一描述中從現(xiàn)在開(kāi)始按照1、2、3、4、5編號(hào)的區(qū)域指的是按照這個(gè)順序(至少)有5個(gè)區(qū)域的一個(gè)對(duì)稱諧振器。在諧振器620中，區(qū)域2、3和4的位移Ψi是Ψi=Aie-jkixi+Bie+jkixi]]>在區(qū)域1和5中，它是 和 其中K1和K5是實(shí)數(shù)。
區(qū)域3的諧振條件可以表示為Ψ3(0)＝sΨ3(W3)dΨ3dx|x3=0=-sdΨ3dx|x3=W3]]>其中解Ψ的對(duì)稱性又一次被表示為s＝±1。這就給出了橫向波的以下諧振條件ejk3W3=sA3B3]]>壓電電壓成為V=hjk3(s+1)(A3-B3),k3≠0]]>V＝hW3(A3+B3)，k3＝0反對(duì)稱解(s＝-1)不是壓電解。對(duì)稱解的強(qiáng)度由A3-B3決定，它們有可能很小，或者一起等于零。對(duì)稱諧振模的強(qiáng)度可以用數(shù)值方法計(jì)算出來(lái)。
波數(shù)k3＝0的橫向諧振模的強(qiáng)度取決于和A3+B3。這個(gè)橫向諧振模是活塞模，它的幅度分布是平坦的，因此在中心區(qū)域3，Ψ的導(dǎo)數(shù)等于零，也就是Ψ＝0。如果Ψ的導(dǎo)數(shù)在區(qū)域2和區(qū)域3之間的邊界上是連續(xù)的，那么以下等式必定成立dΨ2dx|x2=W2=jk2(-A2e-jk2W2+B2ejk2W2)=0]]>于是就能夠確定區(qū)域2的寬度W2，從而得到區(qū)域3中的活塞工作模式。從以上等式我們得到ejk2W2=A2B2=k2+jK1k2-jK1]]>由于實(shí)部和實(shí)部相等，因此我們得到sin2k2W2=2K1k2K12+k22]]>它等價(jià)于k2W2＝K1/k2。于是導(dǎo)致活塞模的寬度W2滿足以下方程W2=arctanK1k2+nπk2,n=0,1,2,K-----(11)]]>如上所述，K1是實(shí)數(shù)(波數(shù)k1＝j(luò)K1是虛數(shù))。對(duì)于正的寬度W2，波數(shù)k2應(yīng)該是實(shí)數(shù)。中心區(qū)域3的位移Ψ是Ψ3=A3+B3=k2+jK1k2ejk2W2Ψ0=k22-K12k2ψ0]]>它是一個(gè)常數(shù)函數(shù)。在活塞模頻率上，幅度在W2上的梯度dΨ2/dx＝0。因?yàn)樗仨毜扔赿Ψ3dx|x3=0=-jk3A3+jk3B3]]>所以，我們立即發(fā)現(xiàn)A3＝B3。在接近活塞模的頻率上，梯度dΨ2/dx通常都很小，它意味著A3非常接近B3，正比于A3-B3的壓電耦合很弱。因此這些寄生模很弱。
用于分析工作在厚度擴(kuò)展波波模的諧振器的理論同樣能夠用于分析工作在剪切模的諧振器。
如上所述，在一個(gè)方向上尺寸是無(wú)窮大的諧振器理論中，可以選擇包圍中心區(qū)域(例如諧振器中的區(qū)域3)的區(qū)域(例如諧振器620中的區(qū)域2和4)寬度，從而使中心區(qū)域工作于活塞模。真實(shí)諧振器的大小有限，因此橫向波和橫向諧振發(fā)生在二維平面內(nèi)。用橫向一維模型得到的結(jié)果可以推廣到這種情形，其中框狀區(qū)域(對(duì)應(yīng)于上面的區(qū)域2和4)包圍著對(duì)應(yīng)于以上中心區(qū)域3的一個(gè)中心區(qū)域?？驙顓^(qū)域的最佳寬度不必跟上面討論的區(qū)域2和4的相同，但是可以用實(shí)驗(yàn)方法找到這個(gè)最佳寬度。雖然橫向一維模型討論的是擴(kuò)展波模，但是剪切模中的諧振器也能夠用同樣的方式來(lái)加以分析。跟擴(kuò)展波模有關(guān)的材料特性和截止頻率通常都跟剪切模的那些不同，因此框狀區(qū)域合適的厚度和寬度典型情況下都不同于剪切波模和擴(kuò)展波模的。
在具有適當(dāng)?shù)剡x擇了寬度和厚度的框狀區(qū)域的實(shí)際諧振器結(jié)構(gòu)中，在諧振器結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域以壓電方式激勵(lì)起來(lái)的最強(qiáng)模是活塞模。在這種結(jié)構(gòu)中，在活塞工作頻率附近的頻率上出現(xiàn)的寄生諧振耦合常常都很弱。按照本發(fā)明，這種效應(yīng)更進(jìn)一步地改善了諧振器的電特性。在實(shí)際諧振器中，寄生諧振很難是純對(duì)稱或者反對(duì)稱的，因此關(guān)于反對(duì)稱或者對(duì)稱解(諧振模)的結(jié)果常常無(wú)法直接用于實(shí)際諧振器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中的諧振器至少包括兩個(gè)區(qū)域中心區(qū)域，它在能夠以壓電方式激勵(lì)的諧振器區(qū)域內(nèi)，還有一個(gè)框狀區(qū)域，它包圍著中心區(qū)域。中心區(qū)域?qū)?yīng)于上面描述的橫向一維模型中的區(qū)域3，框狀的區(qū)域?qū)?yīng)于橫向一維模型中的區(qū)域2和4。框狀區(qū)域的合適厚度取決于框狀區(qū)域和包圍框狀區(qū)域的材料的色散關(guān)系k(ω)。色散關(guān)系k(ω)可能具有圖7所描述的兩種一般形式中的一種形式，其中將角頻率ω表示為波數(shù)k的函數(shù)。垂直軸右邊的水平軸代表波數(shù)k的實(shí)值，在垂直軸左邊的波數(shù)是虛數(shù)。圖7所示垂直軸代表角頻率ω。在I型色散中，當(dāng)角頻率ω高于這個(gè)平板的截止角頻率ωc的時(shí)候，波數(shù)k是實(shí)數(shù)。在II型色散中，當(dāng)角頻率ω低于截止角頻率ωc的時(shí)候，波數(shù)k是實(shí)數(shù)。例如，在均勻平板中，當(dāng)材料的Poisson比大于1/3的時(shí)候，TE1(第一厚度擴(kuò)展)模的色散是I型，當(dāng)這個(gè)比值小于1/3的時(shí)候是II型。
如同上面參考諧振器的橫向一維模型所討論的一樣，本發(fā)明中諧振器的中心區(qū)域可以在壓電激勵(lì)下工作于活塞模，在中心區(qū)域是零，在包圍框狀區(qū)域的區(qū)域的材料中是虛數(shù)的時(shí)候，在框狀區(qū)域內(nèi)工作于波數(shù)是實(shí)數(shù)的頻率。為了在某個(gè)平板或者平板的某部分獲得實(shí)波數(shù)，當(dāng)色散關(guān)系k(ω)是I型的時(shí)候，截止頻率必須低于工作頻率。如果色散關(guān)系是II型，截止頻率必須高于工作頻率才能夠使波數(shù)在工作頻率上是實(shí)數(shù)?；钊５墓ぷ黝l率在諧振器的中心區(qū)域跟截止頻率一樣。
選擇周圍區(qū)域的截止角頻率ωc和框狀區(qū)域中的截止角頻率ωc的規(guī)則是在活塞模頻率上，周圍區(qū)域內(nèi)的波數(shù)是虛數(shù)，框狀區(qū)域內(nèi)是實(shí)數(shù)，也就是中心區(qū)域的截止角頻率ωc。表1綜述了在框狀區(qū)域(區(qū)域2)和包圍框狀區(qū)域的材料(區(qū)域1)中截止角頻率的合適選擇。例如可以通過(guò)調(diào)整這些區(qū)域中層的厚度來(lái)調(diào)整截止角頻率。角頻率ω3表示諧振器中心區(qū)域(區(qū)域3)的截止角頻率。
表1 實(shí)現(xiàn)活塞模的設(shè)計(jì)規(guī)則
表2給出了本發(fā)明中橫向一維諧振器結(jié)構(gòu)的6個(gè)實(shí)例。這6個(gè)實(shí)例給出了區(qū)域1和區(qū)域2中兩種色散類型I和II的可能組合。在諧振器中心區(qū)域的截止角頻率是ωc3＝6×1091/s，區(qū)域1和2的截止角頻率是按照表1選擇的。波數(shù)k1和k2是用以下色散關(guān)系計(jì)算出來(lái)k=α(ω2-ωc2)]]>其中α是決定色散類型的參數(shù)。厚度W2是用等式11計(jì)算出來(lái)的。表2在最后兩行給出了邊界區(qū)域2的兩種可能寬度。等式11中的變量n會(huì)影響邊界區(qū)域的寬度，如果由于制造工藝的分辨率限制，不可能制造出寬度對(duì)應(yīng)于n＝0情形的框狀區(qū)域，就可以使用n＝1。
表2產(chǎn)生活塞模的一些諧振器結(jié)構(gòu)
圖8a～8f給出了表2所示諧振器結(jié)構(gòu)的部分截面。表2中的各種截止頻率在圖8中被表示為諧振器結(jié)構(gòu)的厚度變化截止頻率越高通常都意味著平板越薄，這就是圖8中的思路。但是請(qǐng)注意，除了層的厚度以外，形成平板的層的材料也會(huì)影響平板的截止頻率。圖8a畫出了諧振器810的部分截面，其中在區(qū)域1和區(qū)域2中，色散的類型是I。諧振器810中截止頻率之間的關(guān)系是ωc2＜ωc3＜ωc1。為了得到這一關(guān)系，本發(fā)明中諧振器的框狀區(qū)域通常都要比中心區(qū)域厚，包圍框狀區(qū)域的那部分區(qū)域要比框狀區(qū)域薄。圖8b畫出了一個(gè)諧振器820，其中區(qū)域1中的色散是I型的，區(qū)域2中的色散是II型的。諧振器820中截止頻率之間的關(guān)系是ωc3＜ωc2＜ωc1。在這種情況下，框狀區(qū)域和包圍框狀區(qū)域的那部分區(qū)域都比諧振器的中心區(qū)域薄。圖8c畫出了一個(gè)諧振器830，其中區(qū)域1中的色散是II型的，區(qū)域2中的色散是I型的，截止頻率之間的關(guān)系是ωc2＜ωc1＜ωc3。在圖8d中，諧振器840的區(qū)域1和2的色散都是II型的，截止頻率之間的關(guān)系是ωc1＜ωc3＜ωc2。圖8e給出了諧振器850的部分截面，其中區(qū)域2中的色散是II型的，區(qū)域1中的色散是I型的，截止頻率之間的關(guān)系是ωc3＜ωc1＜ωc2。圖8f畫出了諧振器860的部分截面，其中區(qū)域1和區(qū)域2中的色散都是I型的。在諧振器860中截止頻率之間的關(guān)系是ωc1＜ωc2＜ωc3。
計(jì)算出來(lái)的具有圖8a所示結(jié)構(gòu)的橫向一維諧振器的電響應(yīng)在圖9中給出。這三個(gè)諧振器的區(qū)域1、2和3具有相同的截止角頻率ωc1＝6.4×109，ωc2＝5.93×109和ωc3＝6.0×1091/s。不同諧振器的邊界區(qū)域2的寬度W2不同，這三個(gè)寬度W2分別是6μm、12.93μm和18μm。
在圖9中用史密斯圖畫出電響應(yīng)。史密斯圖是用圖將特定電元件的阻抗作為頻率的函數(shù)表示出來(lái)的一種方式。在史密斯圖上，朝著順時(shí)針?lè)较蝾l率增大。只是在基本諧振模諧振的諧振器在史密斯圖上是一個(gè)圓。在圖上出現(xiàn)的環(huán)說(shuō)明的是寄生諧振頻率。環(huán)的大小說(shuō)明寄生諧振模的強(qiáng)度。
寬度W2＝12.93μm是用等式11計(jì)算出來(lái)的。W2＝12.93μm的諧振器的電響應(yīng)在圖9中用一條細(xì)實(shí)線表示。在圖9中，這條線幾乎形成一個(gè)圓，說(shuō)明這個(gè)諧振器工作于活塞模。寬度是W2＝6μm的諧振器的電響應(yīng)在圖9中用一條粗實(shí)線表示。在史密斯圖上，它有幾個(gè)園。這說(shuō)明W2＝6μm的諧振器在各個(gè)頻率上都有寄生諧振。寬度是W2＝18諧振器的電響應(yīng)在圖9中用一條虛線表示，在不同于W2＝6μm的諧振器的頻率上它有幾個(gè)較小的圓。W2＝18μm個(gè)諧振器的電響應(yīng)比W2＝6μm的諧振器的電響應(yīng)更好，但是W2＝12.93μm的諧振器的電響應(yīng)更加干凈，沒(méi)有任何寄生諧振。
表3給出了本發(fā)明中橫向一維諧振器的另外一個(gè)實(shí)例。這個(gè)諧振器具有體聲波諧振器的典型層結(jié)構(gòu)。它包括用鋁制作的一個(gè)頂部電極和用鉬制作的一個(gè)底部電極。在這兩個(gè)電極之間，有一個(gè)ZnO壓電層。諧振器結(jié)構(gòu)在SiO2做成的承托層上。表3給出區(qū)域1～5的寬度，以及這些區(qū)域中每一層的厚度。在表3描述的體聲波諧振器中，框狀的區(qū)域是通過(guò)將頂部電極做得比邊緣更厚來(lái)形成的。
本發(fā)明中諧振器框狀區(qū)域(邊界區(qū)域2；4)的厚度和寬度可以在以下設(shè)計(jì)規(guī)則的基礎(chǔ)之上進(jìn)行估計(jì)?？紤]一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的厚板，它的寬度是2W2，層的結(jié)構(gòu)是邊界區(qū)域2；4，由區(qū)域1；5的疊層的兩面包圍。這樣來(lái)選擇寬度2W2，從而使這個(gè)厚板中最低的橫向諧振頻率等于諧振器中心區(qū)域的截止頻率。整個(gè)諧振器中實(shí)際邊界區(qū)域2；4的寬度等于這個(gè)厚板寬度的一半，換句話說(shuō)也就是W2。寬度是2W2的無(wú)限長(zhǎng)厚板的最低橫向諧振模的頻率可以用例如有限元方法(FEM)直接確定，它的層結(jié)構(gòu)是已知的，跟厚板相鄰的層結(jié)構(gòu)也是已知的。層的材料和厚度都已知的時(shí)候，同樣也能夠確定層結(jié)構(gòu)的截止頻率。這一設(shè)計(jì)規(guī)則對(duì)于跟上面描述的橫向一維模型相同的框狀區(qū)域會(huì)產(chǎn)生相同的寬度。計(jì)算表3中的W2時(shí)候，使用了Al、Mo、SiO2和ZnO的材料參數(shù)值。圖10給出了表3所示體聲波諧振器的結(jié)構(gòu)1000。SiO2承托層200對(duì)應(yīng)于基片。底部電極110和ZnO壓電層100在整個(gè)諧振器寬度上延伸。頂部電極120覆蓋了邊界區(qū)域2和4，以及中心區(qū)域3。諧振器結(jié)構(gòu)1000的邊界區(qū)域2和4是通過(guò)讓頂部電極120比能夠以電方式激勵(lì)的區(qū)域的邊緣厚來(lái)形成的。圖10中的箭頭表示比例；請(qǐng)注意在水平方向和垂直方向比例不同。
表3 本發(fā)明中一個(gè)體聲波諧振器實(shí)例的結(jié)構(gòu)
圖11用史密斯圖畫出了兩個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)電響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。另外一個(gè)是表3給出的在圖10中畫出了的一個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)1000的電響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。于是它是本發(fā)明的一個(gè)諧振器，它的電響應(yīng)用圖11中的實(shí)線表示。圖11中的虛線表示不包括本發(fā)明中的邊界區(qū)域的諧振器結(jié)構(gòu)的電響應(yīng)。這個(gè)平坦的諧振器跟表3中的相似，但是區(qū)域2和4頂部電極的厚度是400nm。換句話說(shuō)，頂部電極厚度是均勻的。
可以通過(guò)計(jì)算電響應(yīng)偏離史密斯圖上的圓多遠(yuǎn)來(lái)描述諧振器的電響應(yīng)。圖11中的這條實(shí)線幾乎形成一個(gè)圓，它跟圓的標(biāo)準(zhǔn)差只有0.16％。于是本發(fā)明中的諧振器1000工作在純粹的活塞模上。圖11中的虛線形成一些清晰的環(huán)，相對(duì)于圓的標(biāo)準(zhǔn)差是3.44％。平坦諧振器的電響應(yīng)明顯地比本發(fā)明中諧振器1000的電響應(yīng)差。
如上所述，在本發(fā)明中的橫向一維諧振器中，可以讓中心區(qū)域工作于活塞模，并且這一點(diǎn)并不依賴于中心區(qū)域的寬度。類似地，具有有限橫向尺寸的真實(shí)諧振器的中心區(qū)域3不必具有特殊的形狀。因此本發(fā)明中諧振器的中心區(qū)域并不局限于任何特殊的形狀，它可以具有例如圖12a所示的自由形狀。中心區(qū)域3可以是例如圖12b所示的諧振器1210中的矩形，圖12c中諧振器1220一樣的多邊形，或者圖12d中諧振器1230一樣的圓形。能夠用電激勵(lì)的形狀可以不同于中心區(qū)域的形狀，只要中心區(qū)域在可以用電激勵(lì)的區(qū)域以內(nèi)?？驙畹膮^(qū)域可以在能夠用電激勵(lì)的區(qū)域上，可以部分地在能夠用電激勵(lì)的區(qū)域上，也可以包圍能夠用電激勵(lì)的區(qū)域。在最后一種情況中，能夠用電激勵(lì)的區(qū)域跟中心區(qū)域相同。典型情況下，將能夠用電激勵(lì)的區(qū)域限制在框狀區(qū)域的外圈元包圍的區(qū)域內(nèi)比較好。
上面的橫向一維模型只討論了厚度均勻的區(qū)域。也可以構(gòu)成這樣的諧振器，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)它的厚度不同。在這種情況下框狀區(qū)域的最佳寬度可以通過(guò)例如實(shí)驗(yàn)來(lái)找到，或者通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)找到。真實(shí)諧振器框狀的區(qū)域也有可能不是均勻的。例如，如果包圍框狀區(qū)域的材料在框狀區(qū)域周圍不是均勻的，框狀區(qū)域的厚度和寬度值就可以隨之改變，從而在中心區(qū)域的邊緣基本上滿足邊界條件Ψ＝0。這個(gè)邊界條件等價(jià)于說(shuō)跟壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)諧振模有關(guān)的位移在諧振器中心區(qū)域里基本上是均勻的。
真實(shí)三維諧振器框狀區(qū)域的寬度可以用例如上面給出的設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)估計(jì)?？驙顓^(qū)域的具體最佳尺寸常常用實(shí)驗(yàn)方法找到，因?yàn)槔绫∧ぶ械牟牧蠀?shù)具有不確定性。
讓我們下一步考慮將框狀區(qū)域構(gòu)造成一個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)的一些實(shí)例。在本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，框狀區(qū)域是通過(guò)讓中心區(qū)域周圍的至少一層更加厚來(lái)構(gòu)造出來(lái)的。圖10中的體聲波諧振器1000是本發(fā)明第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中諧振器的一個(gè)實(shí)例；在那里框狀區(qū)域是通過(guò)改變頂部電極120的厚度形成的。如果框狀區(qū)域是通過(guò)加厚頂部電極來(lái)形成的，那么框狀區(qū)域通常就是在能夠用電激勵(lì)的區(qū)域以內(nèi)。
圖13說(shuō)明本發(fā)明第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的一個(gè)體聲波諧振器1300。這個(gè)體聲波諧振器1300是在玻璃或者硅基片200上做成的。在硅基片上，有一個(gè)波模層130，還有一個(gè)腐蝕坑210將諧振器結(jié)構(gòu)跟基片隔離開(kāi)來(lái)。底部電極110覆蓋基片的特定部分，并且被壓電層100覆蓋。部分底部電極110暴露在外，用來(lái)將諧振器跟電元件連接。頂部電極120至少覆蓋部份壓電層100。
在第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的體聲波諧振器里，框狀的邊界區(qū)域2是通過(guò)在諧振器結(jié)構(gòu)上沉積另外一層框狀的層2來(lái)形成的。本發(fā)明中框狀的層2可以位于諧振器結(jié)構(gòu)的任意2層之間。在體聲波諧振器1300中，額外的層沉積在頂部電極120頂部?？驙畹念~外層可以是導(dǎo)電的也可以是絕緣的?？驙铑~外的層可以例如包圍能夠用電激勵(lì)的區(qū)域，在諧振器能夠用電激勵(lì)的區(qū)域以外，或者位于能夠用電激勵(lì)的區(qū)域的邊緣，如圖13所示的。
如同圖13中的橫截面所示，壓電層100的邊緣可以是傾斜的。壓電材料的形狀通常都會(huì)產(chǎn)生并不是精確地垂直于基片表面的邊緣。本發(fā)明中的諧振器結(jié)構(gòu)可以具有這種傾斜的邊緣，并且仍然工作于活塞模。如果壓電層(或者任何其它層，但是一般情況下在諧振器結(jié)構(gòu)中壓電層是最厚的層)的邊緣在框狀區(qū)域邊上已經(jīng)是傾斜的，那么跟利用橫向一維理論或者上面描述的設(shè)計(jì)規(guī)則計(jì)算出來(lái)的寬度相比，框狀區(qū)域的寬度就需要調(diào)整，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)候周圍區(qū)域1；5的聲學(xué)特性在變化。
諧振器1300的頂部電極120向右延伸形成一個(gè)條狀(圖13)，覆蓋壓電層傾斜邊緣的一部分。為了優(yōu)化諧振器的特性，需要改變頂部電極條附近區(qū)域內(nèi)框狀層2的厚度或者寬度。合適的厚度和寬度可以通過(guò)例如實(shí)驗(yàn)找到。如果諧振器的結(jié)構(gòu)不是在框狀區(qū)域的各個(gè)方向上都相似，改變框狀區(qū)域的厚度和/或?qū)挾染捅容^好，在本發(fā)明的其它諧振器中也是這樣，如上所述。
圖14畫出了本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的一個(gè)體聲波諧振器1400，其中框狀的邊界區(qū)域是用至少兩層重疊起來(lái)形成的。在圖14中，體聲波諧振器1400在腐蝕坑210上面的薄膜130上。體聲波諧振器1400有一個(gè)頂部電極120和一個(gè)底部電極110，在電極之間還有一個(gè)壓電層100。在制造過(guò)程中，壓電層100可以覆蓋上一個(gè)鈍化層140。鈍化層通常都是電介質(zhì)材料，它使元件電絕緣，同時(shí)保護(hù)壓電材料。在放置頂部電極120的位置上，鈍化層在壓電層100的頂部打開(kāi)(或者通過(guò)腐蝕去掉)。從圖14可以看出，鈍化層140和頂部電極120在頂部電極的邊緣重疊。頂部電極120和鈍化層140延伸的區(qū)域是本發(fā)明中框狀的區(qū)域。也有可能重疊形成框狀區(qū)域的那些層不是諧振器結(jié)構(gòu)的最頂層。
利用鈍化層重疊和頂部電極在諧振器中增加框狀區(qū)域只需要稍微改變諧振器結(jié)構(gòu)的制造工藝。這種方法對(duì)于生產(chǎn)質(zhì)量良好的諧振器既簡(jiǎn)單又有效。重疊的層，特別是采用鈍化層形成的重疊層，也可以用于其它諧振器，例如，用于類似于圖5所示的疊層體聲波諧振器。
在圖15中，將本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中體聲波諧振器的電響應(yīng)測(cè)量結(jié)果跟現(xiàn)有技術(shù)中平板體聲波諧振器的電響應(yīng)進(jìn)行比較。這兩種體聲波諧振器都采用一種四分之一波長(zhǎng)聲鏡層。壓電材料是ZnO，對(duì)于TE1波它具有I型色散關(guān)系。第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的體聲波諧振器×10#46 D76M124有一個(gè)框狀的區(qū)域，它比諧振器的中心區(qū)域厚235nm，寬度是5μm，對(duì)于被研究的諧振器×10#46 D76M124，它是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的最佳寬度?？驙顓^(qū)域是通過(guò)讓鈍化層和頂部電極重疊在頂部電極的邊緣上形成的。體聲波諧振器×10#46 D77T8是一種平坦的現(xiàn)有技術(shù)體聲波諧振器。它跟體聲波諧振器×10#46 D76M124一樣具有相似的層結(jié)構(gòu)和尺寸，但是它沒(méi)有框狀的區(qū)域。
體聲波諧振器×10#46 D76M124電響應(yīng)的測(cè)量結(jié)果在圖15中用一條虛線畫出。虛線跟圓偏離不大，說(shuō)明本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的體聲波諧振器×10#46 D76M124工作于活塞模。體聲波諧振器×10#46D77T8電響應(yīng)的測(cè)量結(jié)果在圖15中用一條實(shí)線畫出。這條實(shí)線形成許多環(huán)，說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有框狀區(qū)域的體聲波諧振器有寄生諧振。
圖16畫出了各種體聲波諧振器的電響應(yīng)測(cè)量結(jié)果，它給出了正確地選擇框狀區(qū)域的寬度的一個(gè)實(shí)例。在這些體聲波諧振器中，SiO2鈍化層跟頂部電極重疊，同樣地在圖14中畫出，形成一個(gè)框狀區(qū)域。每個(gè)體聲波諧振器中框狀區(qū)域的寬度都不相同，它的電響應(yīng)在圖16中畫出。不同諧振器之間這個(gè)寬度從1μm變到9μm，但是對(duì)于每個(gè)諧振器這個(gè)寬度實(shí)際上都是均勻的。
圖16畫出了電響應(yīng)跟史密斯圖上圓的偏差隨頻率的變化。在這個(gè)圖中，波的幅度說(shuō)明寄生諧振的強(qiáng)度。圖16中的曲線對(duì)應(yīng)于框狀區(qū)域的以下寬度1、3、5、7和9μm。被標(biāo)記為7、5、3和1μm的曲線在垂直方向分別偏移了-0.1、-0.2、-0.3和-0.4。
在圖16中，具有7μm寬度，框狀區(qū)域的體聲波諧振器具有最純的電響應(yīng)，它是本發(fā)明中的諧振器。跟史密斯圖上圓的偏差小于0.02單位。當(dāng)框狀區(qū)域的寬度變小的時(shí)候，跟圓的偏差就會(huì)增大。例如，具有1μm寬度框狀區(qū)域的諧振器在頻率范圍820～870MHz內(nèi)至少有14個(gè)寄生諧振模。當(dāng)框狀區(qū)域的寬度大于產(chǎn)生最純電響應(yīng)的寬度的時(shí)候，圖16說(shuō)明(標(biāo)記為9μm的曲線)會(huì)在某些較低的頻率上出現(xiàn)寄生諧振。
圖17說(shuō)明本發(fā)明第四個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中諧振器結(jié)構(gòu)1700和1710的剖面。本發(fā)明中的諧振器可以具有一個(gè)框狀的區(qū)域，它的截面不是矩形的。一般而言，層結(jié)構(gòu)中任意層的邊緣都可以是錐形的。采用濕腐蝕技術(shù)的時(shí)候框狀區(qū)域的邊緣會(huì)自動(dòng)地成為錐形。給出諧振器結(jié)構(gòu)1700是作為一個(gè)實(shí)例。邊緣區(qū)域正確的尺寸是用數(shù)值方式通過(guò)求解波方程找到的，或者是通過(guò)觀察寄生模的強(qiáng)度用實(shí)驗(yàn)方式找到的。
如果諧振器中心區(qū)域3周圍框狀區(qū)域2；4的色散是II型的，那么壓電層100的邊緣就可以逐漸變薄，如同圖17b中的諧振器1710所示。由于壓電層是錐形的，框狀區(qū)域的截止頻率作為跟諧振器中心距離的函數(shù)平滑地變化。本發(fā)明第四個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中的體聲波諧振器生產(chǎn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樵S多薄膜圖形形成過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大小適當(dāng)?shù)腻F形邊緣。典型情況下薄膜傾斜邊緣的寬度可以跟薄膜的厚度相比擬。
圖18給出了本發(fā)明第五個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中一些示例性諧振器結(jié)構(gòu)的頂視圖。在這些諧振器結(jié)構(gòu)中，框狀區(qū)域是通過(guò)在層結(jié)構(gòu)中對(duì)一層描繪圖形形成的。有圖形的層可以是例如頂部電極120，如圖18a所示。諧振器1810有一個(gè)框狀的區(qū)域2，它是通過(guò)一種適當(dāng)?shù)姆绞皆陧敳侩姌O120的邊緣描繪圖形形成的。如果跟橫向聲音波長(zhǎng)相比圖形的尺寸很小，圖18a和18b中的虛線說(shuō)明的圖形區(qū)域的截止頻率就會(huì)改變。如果圖形的尺寸跟聲音波長(zhǎng)相比較大或者在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，那么在圖形的不同部分諧振頻率就不相同，不可能獲得單獨(dú)一個(gè)很強(qiáng)的以壓電方式激勵(lì)的波模。描繪圖形可以用來(lái)制造框狀區(qū)域，它的截止頻率比沒(méi)有沉積新層的中心區(qū)域的截止頻率高(圖18a)或者低(圖18c)。描繪圖形的層可以是在諧振器中心區(qū)域延伸到例如頂部電極上的那些層中的一層，或者可以是在環(huán)繞中心區(qū)域的區(qū)域上延伸的那些層中的一層。它也可以是在整個(gè)諧振器上延伸的一層，作為諧振器1820的一個(gè)鈍化層140。跟現(xiàn)有技術(shù)中諧振器的制造過(guò)程相比，具有描繪了圖形的框狀區(qū)域的諧振器的制造通常都不需要額外的步驟。還有可能沉積只形成圖形的單獨(dú)一層，但是既不向中心區(qū)域延伸，也不向環(huán)繞中心區(qū)域的區(qū)域延伸。除此以外，還可以改變層的厚度，從而使這個(gè)圖形指定層的厚度，而不是指定一層是否存在。
例如，考慮在工作頻率上在框狀區(qū)域內(nèi)波數(shù)是70000 1/m的諧振器。這個(gè)橫波的波長(zhǎng)是90μm。圖形的典型尺寸可以是例如幾個(gè)微米。這些尺寸也可以更小，如果技術(shù)能夠做到這一點(diǎn)。
對(duì)于一個(gè)變量的振蕩標(biāo)量函數(shù)，可以定義一個(gè)包絡(luò)，它們通過(guò)局部最大或者局部最小，它的周期比振蕩函數(shù)的周期長(zhǎng)。對(duì)于平面內(nèi)的圖形或者曲線，包絡(luò)的確定不是那么直接了當(dāng)?shù)?。但是通?？梢源_定周期(或者變化量)跟聲音波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)的包絡(luò)。因此本發(fā)明中框狀的區(qū)域是圖形的包絡(luò)復(fù)蓋的區(qū)域。用圖形形成的框狀區(qū)域的寬度可以變化；它沒(méi)有必要是基本上均勻的。圖18c和18d給出了兩個(gè)圖形實(shí)例的頂視圖，可以將它們用來(lái)形成框狀區(qū)域。
給出本發(fā)明中諧振器結(jié)構(gòu)的圖畫出了例如具有一個(gè)壓電層的諧振器。本發(fā)明中的諧振器還可以具有例如兩個(gè)壓電層和一個(gè)中間電極，也可以有一個(gè)以上的中間電極夾在兩個(gè)壓電層之間。
前面將體聲波諧振器作為壓電諧振器的實(shí)例，其中框狀的區(qū)域能夠改善諧振器的特性。本發(fā)明中框狀的區(qū)域也可以被用于改善更厚的晶體諧振器的特性。跟框狀區(qū)域內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模有關(guān)的截止頻率和框狀區(qū)域的寬度可以用前面給出的原理來(lái)找到。
在這一說(shuō)明中，框狀區(qū)域的寬度指的是在頂部電極表面方向上框狀區(qū)域的尺寸。說(shuō)明比如頂部和底部方向的任何表述都可以用來(lái)描述諧振器結(jié)構(gòu)。這些表述并不限制本發(fā)明中諧振器的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種諧振器結(jié)構(gòu)(1200，1300，1400)，可以在其中用壓電方式激勵(lì)特定的波模，其中的諧振器結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)導(dǎo)體層(110，120)和導(dǎo)體層之間的至少一個(gè)壓電層(100)，所述導(dǎo)體層和壓電層在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域上延伸，這里的第一個(gè)區(qū)域是諧振器結(jié)構(gòu)中能夠用壓電方式進(jìn)行激勵(lì)的區(qū)域，其特征在于-這里的諧振器結(jié)構(gòu)包括一個(gè)框狀的區(qū)域(2，4)，它包圍著一個(gè)中心區(qū)域(3)，-這個(gè)中心區(qū)域在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域內(nèi)，-在框狀區(qū)域的層結(jié)構(gòu)中能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率不同于中心區(qū)域的層結(jié)構(gòu)中能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率，和-框狀區(qū)域的寬度和框狀區(qū)域內(nèi)層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性使得跟能夠用壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)諧振模有關(guān)的位移在諧振器中心區(qū)域內(nèi)基本上是均勻的。
2.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域的寬度是不均勻的。
3.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域的截面是不均勻的。
4.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域有一個(gè)基本上均勻的寬度。
5.權(quán)利要求4的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域的截面基本上是矩形的。
6.權(quán)利要求4的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域的寬度和框狀區(qū)域?qū)咏Y(jié)構(gòu)的截止頻率使得無(wú)限長(zhǎng)矩形諧振器中橫向諧振頻率基本上跟中心區(qū)域的截止頻率相同，這個(gè)無(wú)限長(zhǎng)矩形諧振器的寬度是框狀區(qū)域?qū)挾鹊膬杀?，其中的截止頻率跟框狀區(qū)域中層結(jié)構(gòu)的截止頻率一樣，并且它是由包圍框狀區(qū)域的區(qū)域的層結(jié)構(gòu)所包圍。
7.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(1230)，其特征在于框狀區(qū)域基本上是圓的。
8.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(1220)，其特征在于框狀區(qū)域基本上是多邊形的。
9.權(quán)利要求8的諧振器結(jié)構(gòu)(1210)，其特征在于框狀區(qū)域基本上是矩形的。
10.權(quán)利要求9的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域的截面基本上是矩形的。
11.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(820，840，850)，其特征在于框狀區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率比中心區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率要高。
12.權(quán)利要求11的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的色散是II型的。
13.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(810，830，860)，其特征在于框狀區(qū)域內(nèi)層結(jié)構(gòu)里能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率低于中心區(qū)域?qū)咏Y(jié)構(gòu)內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率。
14.權(quán)利要求13的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于在框狀區(qū)域內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的色散是I型的。
15.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(1000，1300，1700，1820)，其特征在于框狀的區(qū)域在第一個(gè)區(qū)域內(nèi)。
16.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀的區(qū)域至少部分地在第一個(gè)區(qū)域外。
17.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(1810，1820)，其特征在于諧振器中至少有一層具有描繪了圖形的第一個(gè)部分和有一個(gè)均勻薄膜的第二個(gè)部分。
18.權(quán)利要求17的諧振器結(jié)構(gòu)(1810)，其特征在于第一個(gè)部分是覆蓋框狀區(qū)域的邊緣。
19.權(quán)利要求18的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于具有第一個(gè)部分和第二個(gè)部分的層是諧振器結(jié)構(gòu)的頂部電極。
20.權(quán)利要求17的諧振器結(jié)構(gòu)(1820)，其特征在于第二個(gè)部分覆蓋著框狀的區(qū)域。
21.權(quán)利要求20的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于具有第一個(gè)部分和第二個(gè)部分的層是諧振器結(jié)構(gòu)的一個(gè)鈍化層。
22.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(1710)，其特征在于-中心區(qū)域的厚度基本上是均勻的，-在框狀區(qū)域和周圍區(qū)域之間界面附近的一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，包圍框狀區(qū)域的區(qū)域的厚度基本上是均勻的，和-框狀區(qū)域的厚度在框狀區(qū)域的寬度方向上是變化的。
23.權(quán)利要求22的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域在中心區(qū)域和框狀區(qū)域之間的界面上比框狀區(qū)域和周圍材料之間的界面的要厚。
24.權(quán)利要求22的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于框狀區(qū)域在中心區(qū)域和框狀區(qū)域之間的界面上比框狀區(qū)域和周圍材料之間的截面要薄。
25.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(1400)，其特征在于在框狀區(qū)域內(nèi)第一層(120)至少在中心區(qū)域上延伸，框狀區(qū)域跟在框狀區(qū)域上延伸，并且在環(huán)繞框狀區(qū)域的部分區(qū)域上延伸的第二層(140)重疊。
26.權(quán)利要求25的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于第一層是導(dǎo)體層之一，第二層是一個(gè)鈍化層。
27.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(1300)，其特征在于它至少有一個(gè)框狀的層形成框狀區(qū)域。
28.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)(1000)，其特征在于框狀區(qū)域是通過(guò)改變至少在框狀區(qū)域和中心區(qū)域上延伸的那些層中的至少一層的厚度，從而使框狀區(qū)域內(nèi)所述層的厚度不同于中心區(qū)域的厚度來(lái)形成的。
29.權(quán)利要求28的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述層是諧振器結(jié)構(gòu)的一個(gè)頂部電極(120)。
30.權(quán)利要求28的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述層在框狀區(qū)域內(nèi)比中心區(qū)域內(nèi)厚。
31.權(quán)利要求28的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述層在框狀的區(qū)域內(nèi)比中心區(qū)域內(nèi)薄。
32.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于它是一個(gè)薄膜體聲波諧振器。
33.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于中心區(qū)域內(nèi)諧振器結(jié)構(gòu)的厚度基本上是均勻的。
34.權(quán)利要求1的諧振器結(jié)構(gòu)，其特征在于中心區(qū)域內(nèi)諧振器的厚度在中心區(qū)域的第一部分不同于中心區(qū)域的第二部分。
35.一種濾波器，至少包括一個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)(1200，1300，1400)，能夠在其中以壓電方式激勵(lì)一個(gè)特定的波模，這個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)至少包括兩個(gè)導(dǎo)體層(110，120)和這些導(dǎo)體層之間的至少一個(gè)壓電層(100)，所述導(dǎo)體層和壓電層在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域上延伸，第一個(gè)區(qū)域是諧振器結(jié)構(gòu)中能夠用壓電方式激勵(lì)的區(qū)域，其特征在于-這個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)有一個(gè)框狀的區(qū)域(2，4)包圍著一個(gè)中心區(qū)域(3)，-中心區(qū)域在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域內(nèi)，-在框狀區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率不同于中心區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率，和-框狀區(qū)域的寬度和框狀區(qū)域內(nèi)層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性使得跟能夠用壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)諧振模有關(guān)的位移在諧振器的中心區(qū)域內(nèi)基本上是均勻的。
全文摘要
一種諧振器結(jié)構(gòu)(1200,1300,1400),能夠在其中用壓電方式激勵(lì)特定的波模,包括至少兩個(gè)導(dǎo)體層(110,120)和這些導(dǎo)體層之間的至少一個(gè)壓電層(110),所述導(dǎo)體層和壓電層在諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)區(qū)域上延伸,這第一個(gè)區(qū)域是諧振器結(jié)構(gòu)中能夠用壓電方式激勵(lì)的區(qū)域。諧振器結(jié)構(gòu)的特征在于它有一個(gè)框狀的區(qū)域(2,4)包圍著第一個(gè)區(qū)域內(nèi)的中心區(qū)域(3),框狀區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)能夠用壓電方式激勵(lì)的波模的截止頻率不同于中心區(qū)域的層結(jié)構(gòu)內(nèi)的,框狀區(qū)域的寬度和框狀區(qū)域的層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性使得跟能夠用壓電方式激勵(lì)的最強(qiáng)諧振模有關(guān)的位移在諧振器的中心區(qū)域內(nèi)基本上是均勻的。
文檔編號(hào)H03H9/54GK1364339SQ00810575
公開(kāi)日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2000年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月19日
發(fā)明者J·凱蒂拉, M·伊利拉米, J·埃萊 申請(qǐng)人:諾基亞有限公司