CN102545827B - 薄膜体声波谐振器、通信器件和射频模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种薄膜体声波谐振器、通信器件和射频模块。该薄膜体声波谐振器包括衬底，所述衬底上依次设置有下电极层、压电薄膜和上电极层；所述衬底与下电极层之间层叠设置有2个或2个以上的空气隙。本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器在具有较高功率容量的同时，可具有较小的体积和结构稳定性，可适用于大功率容量需求的应用中。

Description

薄膜体声波谐振器、通信器件和射频模块

技术领域

本发明实施例涉及谐振器技术，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器、通信器件和射频模块。

背景技术

随着无线通信技术的发展，集成化和小型化已成为无线射频模块的发展趋势，射频模块前端电路中的滤波器的集成化、小型化和高功率则变得非常关键。由于薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)具有体积小、工作频率高以及便于集成等优点，由薄膜体声波谐振器组成的滤波器已广泛应用于无线通信装置技术领域中。

图1为现有空气隙结构FBAR的结构示意图。如图1所示，现有空气隙结构FBAR中，在由上电极101、压电薄膜102、下电极103组成的压电三明治结构中，该压电三明治结构设置在衬底104上，且在衬底104上形成有空气隙105，FBAR工作时，可利用空气隙105对FBAR进行声波隔离，保证FBAR的工作性能。由于FBAR是依靠压电三明治结构的上下振动进行工作，在FBAR工作过程中，会在空气隙的边缘处产生应力集中(如图1虚线所示位置)，且随着FBAR的工作的功率越大，压电薄膜的振动就越强，应力集中处产生的应力就会越大，当产生的应力超过下电极、压电薄膜和上电极的应力承受强度时，就会导致FBAR的压电三明治结构塌陷或破裂，FBAR将无法正常工作。此外，现有技术中一般通过增加FBAR结构中空气隙的面积来增加FBAR的功率容量，但FBAR中空气隙面积增大到一定程度后，FBAR结构将变得更加不稳定，FBAR的功率容量反而不会增加，还会出现应力下降的趋势。

综上，现有空气隙结构FBAR中，由于空气隙边缘应力集中问题，导致FBAR的功率容量受限，FBAR功率容量较低；而单纯通过增加FBAR结构中的空气隙的面积，在空气隙面积达到一定程度后，FBAR结构将变得更加不稳定，FBAR的功率容量反而不会增加，相反还会出现功率容量下降的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种薄膜体声波谐振器、通信器件和射频模块，可有效克服现有FBAR结构中存在的空气隙应力过大而导致功率容量较低的问题，可在提高薄膜体声波谐振器功率容量的基础上，减少应力集中问题。

本发明实施例提供一种薄膜体声波谐振器，包括：衬底，所述衬底上依次层叠设置有下电极层、压电薄膜和上电极层；

所述衬底与下电极层之间设置有2个或2个以上的空气隙。

本发明实施例提供一种通信器件，包括上述本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器。

本发明实施例提供一种射频模块，包括双工器或多工器，所述双工器或多工器中的谐振器为采用上述本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器

本实施例提供的薄膜体声波谐振器、通信器件和射频模块，薄膜体声波谐振器具有多个空气隙结构，且各空气隙共用相同的上电极层、压电薄膜和下电极层，这样，薄膜体声波谐振器工作时，压电薄膜产生的振动就会分散到各空气隙结构上，使得每个空气隙结构边缘处产生的应力均较小，可有效提高整个薄膜体声波谐振器结构的稳定性和可靠性；同时，由于各空气隙共用上电极层、压电薄膜下电极层，薄膜体声波谐振器的功率就是各空气隙对应的压电薄膜区域产生的功率之和，使得薄膜体声波谐振器整体可具有较高的功率容量，满足大功率需求的薄膜体声波谐振器应用中；此外，相对于传统具有相同功率容量的功率电路，本实施例提供的薄膜体声波谐振器具有更小的体积和结构稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有空气隙结构FBAR的结构示意图；

图2A为本发明实施例一提供的薄膜体声波谐振器结构示意图；

图2B为图2A中A-A向所示的空气隙的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的薄膜体声波谐振器中空气隙的结构示意图；

图4为本发明实施例三提供的薄膜体声波谐振器的结构示意图；

图5A为本发明实施例四提供的射频模块的结构示意图；

图5B为图5A中双工器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2A为本发明实施例一提供的薄膜体声波谐振器结构示意图；图2B为图2A中A-A向所示的空气隙的结构示意图。如图2A所示，本实施例FBAR包括衬底11，该衬底11上依次层叠设置有下电极层12、压电薄膜13和上电极层14；在衬底11与下电极层12之间还设置有2个或2个以上的空气隙15。本实施例提供的FBAR结构中，多个空气隙共用上电极层和下电极层，FBAR工作时，压电薄膜分别在各空气隙处产生振动，从而可将压电薄膜振动产生的应力分散到各空气隙的边缘处，使得每个空气隙边缘处产生的应力将会非常小，从而可有效提高整个FBAR结构的稳定性；同时，多个空气隙共用电极层，空气隙整体面积可以做的更大，使得FBAR可工作于更高功率环境下，可有效提高FBAR的功率容量。

本实施例中，如图2A和图2B所示，衬底11上可设置有多个壁障151，从而可通过该多个壁障151围合形成各空气隙15。实际应用中，可根据需要，设置合适宽度的壁障，例如可将壁障宽度设置为压电薄膜厚度的1/3-2倍之间，以便形成的FABR工作时，在空气隙的边缘处，可具有更好地应力承受能力，增加FBAR结构的稳定性和可靠性。

本实施例中，如图2A所示，在下电极层12与各空气隙15之间还设置有支撑层16，以便通过该支撑层16提高整个FBAR结构的稳定性，增加空气隙15边缘处的机械强度，提高各空气隙15边缘处的应力承受能力。

本实施例中，形成在衬底11上的空气隙15可为方形结构，例如可以为正方形、长方形结构。具体地，如图2B所示，本实施例中的各空气隙15为长方形结构，且该长方形结构的宽长比可以为1∶1-1∶1.5之间。

本实施例中，形成在衬底11上的各空气隙15之间还可设置有过孔，具体地，如图2B所示，在相邻的空气隙15之间的壁障151上可开设有过孔152，使得相邻的两个空气隙15之间导通，这样，在FBAR制作过程中，可便于刻蚀工艺中刻蚀气体或液体在各空气隙之间流动，其中，过孔152可为所在壁障151的中间位置，且过孔的宽度可为壁障长度的1/5-1/3，避免过孔尺寸过大而影响FBAR工作性能。

本领域技术人员可以理解，上述的在衬底11上层叠设置下电极层12、压电薄膜13和上电极层14，是指在衬底11的表面并沿垂直该表面的方向上，依次设置下电极层12、压电薄膜13和上电极层14。

本领域技术人员可以理解，本实施例提供的FBAR在电路功能上，可相当于多个传统FBAR并联，因此本实施例FBAR可具有传统FBAR成本的功率容量，使得FBAR容量得到大幅度提高；同时，本实施例提供的FBAR结构中，多个空气隙共用上电极层、压电薄膜和下电极层，使得FBAR结构稳定，相对多个传统FBAR的功率电路而言，在达到相同功率容量的基础上，可具有更小的体积，使得使用本实施例FBAR的通信器件可具有更小的体积和更高的功率容量。

本实施例提供的薄膜体声波谐振器，具有多个空气隙结构，各空气隙共用相同的上电极层、压电薄膜和下电极层，这样，FBAR工作时，压电薄膜产生的振动就会分散到各空气隙结构上，使得每个空气隙结构边缘处产生的应力均较小，可有效提高整个FBAR结构的稳定性和可靠性；同时，由于各空气隙共用上电极层、压电薄膜下电极层，FBAR的功率就是各空气隙对应的压电薄膜区域产生的功率之和，使得FBAR整体可具有较高的功率容量，满足大功率需求的FBAR应用中。

图3为本发明实施例二提供的薄膜体声波谐振器中空气隙的结构示意图。与上述图2A和图2B所示实施例技术方案不同的是，本实施例中形成在衬底上的空气隙可以为多边形结构，例如可以为五边形、六边形，或者，也可为正多边形结构，具体地，如图3所示，本实施例中空气隙15为六边形结构。

图4为本发明实施例三提供的薄膜体声波谐振器的结构示意图。与上述图2A所示实施例技术方案不同的是，本实施例中空气隙可为设置在衬底上的凹槽结构，具体地，如图4所示，衬底11上开设有2个或2个以上的凹槽结构，该凹槽结构形成空气隙15。

通过在衬底上设置凹槽的方式来形成所需的空气隙，可有效提高FBAR制作的便利性，降低制作成本。

本领域技术人员可以理解，本发明上述各实施例中，空气隙的结构除了可以是所说的方形、多边形等规则结构外，实际应用中，也可根据需要将空气隙设置成为其他不规则的形状，或者多种形状结合的结构，对此本发明实施例并不做限制，

本发明实施例还提供一种通信器件，该通信器件可包括上述本发明实施例提供的FBAR，具体地，该通信器件可以为滤波器、双工器或振荡器，可由上述本发明提供的FBAR通过串联、并联连接组成，或者通过串联和并联结合方式连接而成。由于组成该通信器件的FBAR具有更高的功率容量，相应的可减少通信器件中谐振器的使用数量，提高通信器件的功率容量；同时，本实施例通信器件中，FBAR可相当于传统器件中多个并联的FBAR，在具有传统多个并联的FBAR功率容量的基础上，还可减少整个通信器件的体积。

本发明实施例中还提供一种射频模块，该射频模块包括双工器或多工器，且双工器或多工器中的谐振器为采用上述本发明实施例提供的FBAR。下面将以无线通信基站中射频模块为例，对本发明实施例技术方案进行说明。

图5A为本发明实施例四提供的射频模块的结构示意图；图5B为图5A中双工器的结构示意图。本实施例射频模块可应用于第三代移动通信技术(3rd-generation，3G)和长期演进(Long Term Evolution，LTE)等的无线基站中，可满足无线基站的高功率需求，同时可具有更小的体积，具体地，如图5A所示，本实施例射频模块可包括双工器10，该双工器10分别连接有射频接收电路20、射频发射电路30和天线40，接收信号时，从天线40接收到的信号可经过双工器10和射频接收电路20处理后，传输至相应的基站信号处理器；发射信号时，基站信号处理单元发出的信号，可经过射频发射电路30和双工器10处理后，从天线40发射出去。

本实施例中，如图5A所示，上述的射频接收电路20可包括依次电连接的接收端衰减器201、信号抑制滤波器202和低噪声放大器203，该低噪声放大器203与双工器10连接，接收端衰减器201与基站中的信号处理器连接；射频发射电路30可包括依次电连接的发射端衰减器301、第一功率放大器302和第二功率放大器303，第二功率放大器303与双工器10连接，发射端衰减器301与基站中的信号处理器连接。本实施例中射频接收电路和射频发射电路可具有与传统基站中射频模块相同或类似的结构，本发明实施例并不做限制。

本实施例中，上述的双工器10中的谐振器可采用上述本发明实施例提供的FBAR。如图5B所示，双工器10由发射链路110、接收链路120、天线端子130和四分之一传输线140组成，其中，发射链路110和接收链路120中的均由上述本发明实施例提供的FBAR 140串联和并联连接而成。实际应用中，可根据需要将各FBAR构成T型、л型、Γ型或网络交叉型结构电路，以实现所需的带通或带阻特性。本领域技术人员可以理解，本实施例中的双工器可采用传统电路结构形式，只是其中的谐振器采用上述本发明实施例提供的FBAR；此外，上述的FBAR可相当于传统多个FBAR并联而成，因此根据需要可将本实施例提供的FBAR代替传统电路中并联的多个FBAR，并可具有相同的功率，且体积更小。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：衬底，所述衬底上依次层叠设置有下电极层、压电薄膜和上电极层，所述下电极层、所述压电薄膜和所述上电极层形成三明治结构；

所述衬底与下电极层之间设置有2个或2个以上的空气隙；其中，各空气隙共用所述下电极层、所述压电薄膜和所述上电极层。

2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述衬底与下电极层之间设置有多个壁障，所述多个壁障围合形成所述各空气隙。

3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述衬底上开设有2个或2个以上的凹槽结构，所述凹槽结构形成的所述空气隙。

4.根据权利要求2或3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，各空气隙之间设置有过孔。

5.根据权利要求1、2或3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空气隙为多边形结构。

6.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空气隙为正多边形结构。

7.根据权利要求1、2或3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空气隙为方形结构。

8.根据权利要求7所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空气隙为宽长比为1:1～1:5的长方形结构。

9.根据权利要求1、2或3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述下电极层与各空气隙之间还设置有支撑层。

10.一种通信器件，其特征在于，包括上述权利要求1～9任一所述的薄膜体声波谐振器。

11.根据权利要求10所述的通信器件，其特征在于，所述通信器件为滤波器、双工器或振荡器。

12.一种射频模块，包括双工器或多工器，其特征在于，所述双工器或多工器中的谐振器为采用上述权利要求1-9任一所述的薄膜体声波谐振器。