基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器

本申请属于射频mems器件领域，涉及一种基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器。

背景技术：

1、得益于微机电系统(mems)技术的快速发展，mems声学谐振器凭借体积小，功耗低，性能出色等优势广泛地应用在各类无线通信设备中。在射频前端中，滤波器是核心元件之一，发挥着频率选择和抑制干扰信号的作用。谐振器是滤波器的核心组成元件，其频率决定了滤波器的中心频率，其性能表现直接决定了滤波器的综合性能。

2、目前，根据声波传播方式的不同，mems声学谐振器主要分为声表面波(surfaceacoust i c wave,saw)谐振器和体声波(bu l k acoust i c wave,baw)谐振器。saw谐振器的频率易于控制且加工工艺较为简单，但体积较大且功率容忍度较低。baw谐振器可以工作在较高的频率(>3ghz)，且品质因数(q)高于saw谐振器，但很难实现单片多频段集成。近年来，氮化铝兰姆波谐振器(lamb wave resonator,lwr)由于高q值和高机电耦合系数(e lectromechan ica l coup l i ng coeffic i ent,k2eff)，以及可实现单片多频段集成的优势受到广泛关注，其在射频滤波器中具有广泛的应用潜力。

3、在5g技术快速且广泛应用的背景下，面对日益拥挤的通信频段，通常需要在通信设备中集成不同频率的滤波器来满足对多种频率信号的处理。这就需要减小单个滤波器的体积来增加滤波器的数量。减少串、并联谐振器的个数是减小滤波器体积最直接有效的方法，但谐振器数量的减少会降低滤波器的性能。而使用多模态谐振器通过级联方式构成多通带滤波器的方式可以避免减少谐振器的数量，实现不同频率的滤波器的集成且不影响滤波器的性能。对于多模态谐振器，不同频率信号之间的干扰会导致谐振器产生杂散模态，这些杂散模态会影响滤波器的频谱纯净度，降低滤波器的滤波性能。

4、传统的抑制模态间相互干扰的方法是在两个谐振区域之间通过刻蚀形成空气槽，以此来使得声波在传播至空气槽处时产生反射，从而使得两个谐振区域独立地工作。然而，空气槽的边界面必须平整且与压电薄膜的表面相垂直，否则会影响声波的传播和反射，引入杂散模态，使得谐振器失效。因此，空气槽的刻蚀对制造工艺精度的要求较高，尤其是对于高频的双模态谐振器而言。此外，刻蚀空气槽可能会降低谐振器结构的稳定性。

5、有鉴于此，确有必要提供一种能够抑制多模态谐振器各模态之间的相互干扰，同时对制造工艺误差的容忍度较高的双模态兰姆波压电谐振器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少部分地解决上述的技术问题，旨在提供基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器，能够实现两个独立的工作模态，且两个模态都具有较好的频谱纯净度，有利于实现其在双通带滤波器中的应用。

2、在本发明的一个方面中，提供了一种基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器，所述双模态兰姆波压电谐振器包括：

3、第一谐振区域，其中第一谐振区域包括：第一压电振动结构，配置于所述第一压电振动结构的上表面上的第一顶部叉指电极，和配置于所述第一压电振动结构的下表面上的第一底部叉指电极；

4、第二谐振区域，其中第二谐振区域包括：第二压电振动结构，配置于所述第二压电振动结构的上表面上的第二顶部叉指电极，和配置于所述第二压电振动结构的下表面上的第二底部叉指电极；

5、声学超材料阵列结构，所述声学超材料阵列结构设置在第一谐振区域和第二谐振区域之间。

6、在一些实施例中，所述第一谐振区域、第二谐振区域和声学超材料阵列结构的下表面位于同一水平面上。

7、在一些实施例中，所述声学超材料阵列结构包括多列声学超材料单元，其中每列声学超材料单元包括基体和配置于基体的上表面的中央位置处的散射体。

8、在一些实施例中，所述多列声学超材料单元为7列声学超材料单位；

9、所述基体的厚度与第一压电振动结构或第二压电振动结构的厚度一致。

10、在一些实施例中，所述基体的宽度为2μm，厚度为700nm，材料为氮化铝薄膜；

11、所述散射体的宽度为1μm，厚度为500nm，材料为钼。

12、在一些实施例中，所述第一压电振动结构和第二压电振动结构中的至少一个为氮化铝薄膜；

13、所述第一压电振动结构和第二压电振动结构的厚度相同。

14、在一些实施例中，所述第一顶部叉指电极、第二顶部叉指电极、第一底部叉指电极、第二底部叉指电极的材料均选用钼；

15、所述第一压电振动结构和第二压电振动结构的厚度均为700nm；

16、所述第一顶部叉指电极和所述第一底部叉指电极的厚度均为140nm；

17、所述第二顶部叉指电极和所述第二底部叉指电极的厚度均为300nm。

18、在一些实施例中，所述第一谐振区域的第一顶部叉指电极和第一底部叉指电极的周期为800nm，数量均为20个；

19、所述第二谐振区域的第二顶部叉指电极和第二底部叉指电极的周期为1400nm，数量均为20个。

20、在一些实施例中，所述第一谐振区域的第一顶部叉指电极和第一底部叉指电极的宽度为其周期的一半。

21、在一些实施例中，所述第二谐振区域的第二顶部叉指电极和第二底部叉指电极的宽度为其周期的一半。

22、根据本发明实施例所述的基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器具有以下优点中的至少一个：

23、本发明的实施例提供的基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器具有两个独立的工作模态，且不同工作模态之间通过声学超材料阵列进行隔离，抑制了杂散模态的产生，使得双模态兰姆波压电谐振器具有较好的频谱纯净度。本发明提供的双模态兰姆波压电谐振器适用于5g n41和n77频段的双通带滤波器，在射频前端中具有较大的应用潜力。

技术特征：

1.一种基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，所述双模态兰姆波压电谐振器包括：

2.根据权利要求1所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

6.根据权利要求1-5中任一项所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

9.根据权利要求6所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

10.根据权利要求6所述的双模态兰姆波压电谐振器，其特征在于，

技术总结
本发明提供了基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器，属于射频MEMS器件领域。双模态兰姆波压电谐振器包括：第一谐振区域，包括：第一压电振动结构，配置于其上表面上的第一顶部叉指电极，和配置于其下表面上的第一底部叉指电极；第二谐振区域，包括：第二压电振动结构，配置于其上表面上的第二顶部叉指电极，和配置于其下表面上的第二底部叉指电极；声学超材料阵列结构，声学超材料阵列结构设置在第一谐振区域和第二谐振区域之间。本发明的基于声学超材料阵列的双模态兰姆波压电谐振器能够实现两个独立的工作模态，且两个模态都具有较好的频谱纯净度，有利于实现其在双通带滤波器中的应用。

技术研发人员：赵继聪,孙泽鑫,吕世涛,孙海燕,叶文淏
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/18