一种薄膜体声波谐振器及一种滤波器、振荡器、无线收发器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及无线通讯器件技术领域。具体地说涉及一种薄膜体声波谐振器及 包括该薄膜体声波谐振器的滤波器、振荡器和射频模块。
【背景技术】
[0002] 薄膜体声波谐振器(FBAR)-般是采用电极/压电薄膜/电极的层叠式三明治结构， 压电薄膜的逆压电效应将输入的高频电信号转化为一定频率的声信号。当声波在压电薄膜 中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振，其中谐振频率处的声波损耗最小， 使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出 具有特定频率的信号，以实现电信号的滤波功能。
[0003] 专利ZL 201320526762.6对三明治结构所存在的上述问题进行了改进，但是该专 利的谐振器的频率会收到单一的压电薄膜层材料的限制，频率范围很窄，且没有频率模式 切换。
【发明内容】
[0004] 本实用新型为了解决现有的问题，提供一种薄膜体声波谐振器，包括衬底基板和 制备在衬底基板上的功能层，所述功能层包括:沿垂直于衬底基板表面的方向顺次设置的 至少三层电极、设置在每两块电极之间且由铁电材料制成的压电薄膜层。
[0005] 优选的，所述衬底基板上位于所述功能层下方的位置开设有空腔，所述空腔的横 向上表面积小于所述功能层中紧邻空腔的最底层电极的面积，且大于所述最底层电极以上 各层的面积。
[0006] 在本技术方案中，所述功能层的各层可以呈板状，还可以呈环状，呈环状时各层中 间的空心部分面积相同且同轴心设置。所述电极采用钙钛矿结构氧化物SrRuO 3或铂金Pt制 成，所述压电薄膜层采用SrTi03(钛酸锶）、BaTi03(钛酸钡）、BaxSn- xTi03(钛酸钡锶）当中的 一种材料制成。
[0007] 本实用新型还提供了由上述薄膜体声波谐振器制成的一种滤波器和一种振荡器， 以及一种无线收发器，包括双工器或多工器。
[0008] 本实用新型的电极采用了 SrRu〇3(钙钛矿结构氧化物），压电薄膜层采用铁电材料 SrTi03(钛酸锶)或BaTi03(钛酸钡)或BaxSr1- xTi03(钛酸钡锶），铁电材料的晶体将按照硅片 衬底基板的（100)晶（晶向）向外延生长。因此与现有技术相比，我们的铁电材料的介电常 数和电能控制谐振频率的性能将提高。同时，采用多层电极与压电薄膜层间隔设置的结构， 通过改变外加的电压大小和方向，来实现薄膜体声波谐振器的开/关、频率控制以及频率切 换功能。
【附图说明】
[0009] 图1是本实用新型的俯视图；
[0010] 图2是本实用新型第一实施例的剖视图；
[0011] 图3是本实用新型第二实施例的剖视图；
[0012] 图4是本实用新型第三实施例的剖视图；
[0013] 图5是本实用新型第四实施例的剖视图；
[0014] 图6是本实用新型两个压电层器件电压方向相同时的谐振频率示意图；
[0015] 图7是本实用新型两个压电层器件电压方向相反时的谐振频率示意图；
[0016] 图8是本实用新型的谐振频率波形图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本实用新型进一步进行说明。
[0018] 图1是本实用新型的俯视图，图2和图3则给出了两个具体的薄膜体声波谐振器的 实施例，图1中示出了衬底基板1和制备在衬底基板上的功能层，在图2、图3两个具体实施例 中，功能层包括从下至上顺次层叠在衬底基板1上的底层电极201、第一压电薄膜层301、中 层电极202、第二压电薄膜层302和上层电极203,一共采用了三层电极，第一、第二压电薄膜 层采用铁电材料，具有铁电效应。通过上述结构以及铁电材料的电致伸缩效应，可以对第 一、第二压电薄膜层分别施加方向相同或不同的电压，还可以改变外加的直流电压的大小， 从而达到开关谐振器、控制谐振频率的变化以及切换频率模式的目的。
[0019] 现有技术中的压电薄膜层通常都采用压电材料，比如氮化铝和氧化锌，利用熟知 的压电效应来实现体声波谐振器。电和力关系可以由简单的数学公式来表达：S = QP2， 其中S是应力，P是由于电致伸缩效应所产生的电极化强度(假设所受压力为零），Q为电致伸 缩效应系数。从所受电场所引导的电强化P的公式是:P = Ps + XE，其中？8是自发电极化系 数，XE是由外加电场所诱导的电极化。那总应力S可分为3个部分：自发应变力、线性压电应 变力、二次电致伸应变力，公式为:S = QPs2 + 2QPsxE + Qx2E2,其中S代表应力，Q代表电致 伸缩性系数，Ps代表自发极化系数，X代表电极化率，E代表电场强度。
[0020] 如图6至图8所示，本实用新型在顺电状态下，铁电材料没有自发电极化和压电反 应，所以总应力S只有二次电致伸应变力S= Qx2E2。由于电场依赖极化，电致伸缩效应依赖于 所施加的电场，从而让本实用新型可以控制力/电耦合，通过逆压电效应产生所需的声波。 应力和电场强度的关系不像普通压电材料压电效应中的线性关系，而是具有平方关系，所 以在铁电材料的电致伸缩效应的电场强度对应力的影响更大，特别是在较高的电场强度 下，随着电场强度的改变，应力也会以较大的幅度发生改变。可见，铁电材料的电致伸缩性 赋予了传统薄膜体声波谐振器全新的功能，使其可被外加直流电压控制。通过改变外加直 流电压的大小，来控制应力的变化，进而可以控制声波的速度，而谐振频率与声波速度成正 比，从而控制谐振频率的变化。
[0021] 因此，本实用新型开/关薄膜体声波谐振器的原理在于，当外加电场为零时，第一、 第二压电薄膜层的应力也为零，也就不会产生声波进而不会产生谐振，因此通过是否施加 直流电压可以起到对薄膜体声波谐振器的进行开启和关闭，完全不需要任何的外加开关， 也不存在任何来自于开关和偏压网络的插入损耗，大大降低了器件的体积和制造成本。
[0022] 控制薄膜体声波谐振器的谐振频率的原理在于，因为第一、第二压电薄膜层为铁 电材料。利用第一、第二压电薄膜层的电致伸缩效应，通过改变外加的直流电压的大小，控 制铁电材料应力的变化，进而控制声波的速度，而谐振频率与声波速度成正比，从而控制 谐振频率的变化。
[0023] 对薄膜体声波谐振器的频率进行切换的原理在于，每个压电薄膜层中电场诱导的 压电系数(e33)的方向