具有改进的温度补偿的压电晶体谐振器及其制造方法

摘要

压电晶体谐振器，包括：具有第一符号的第一谐振频率温度系数的压电层(11)；第一和第二电极(7a，7b)，该压电层(11)设置在第一和第二电极(7a，7b)之间；以及配置在第一电极(7a)和压电层(11)之间的补偿层(13)，其补偿材料具有和第一符号相反的第二符号的第二谐振频率温度系数，其中给该补偿材料提供修改材料以增加补偿层(13)在第一电极(7a)和压电层(11)之间方向上的导电性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有温度补偿以及改进的机电耦合系数的压电晶体谐振器，及其制造方法。

背景技术

在电子装置中采用压电晶体谐振器日渐增加。压电晶体谐振器例如适于用在移动电话中以从频谱中滤除频率。除了移动电话，允许无线通信的所有模块通常都是压电晶体谐振器的典型应用。这些模块例如是用在膝上型计算机或PDA中从而和数据网络无线通信。

压电晶体谐振器包括至少两个电极，其间配设有压电层。一种压电晶体谐振器的特殊例子是所谓的BAW(体声波)谐振器，其根据施加的交流电压的频率而具有高或低电阻抗。BAW滤波器在此用作开关，当两个电极之间的交流电压频率在谐振频带之内时闭合，而当该交流电压的频率不在谐振频带之内时断开。

压电晶体谐振器以及体声波谐振器的谐振频率是依赖于温度的。对于压电晶体谐振器，谐振频率对温度的依赖性是决定性性能特性，因为其决定了压电晶体谐振器工作时谐振频率的变化范围。当运行压电晶体谐振器时，必须在脑中铭记：选择所采用的压电晶体谐振器的通过区域(pass region)的极限，从而在整个温度范围内，滤出的频率在该通过区域的极限之内。压电晶体谐振器的谐振频率对温度依赖性的降低允许制造具有改进特性的滤波器，同时制造成品率增加。当测试压电晶体谐振器时，仅有那些在压电晶体谐振器整个指定温度范围其谐振频率在制造商预定的极限之内的才被分类为适于交货。

对压电晶体谐振器的这个要求导致了通带性能或生产中制造成品率的恶化。

图7显示了传统的压电晶体谐振器。三个导电层3以及两个绝缘层5交替的涂敷到基底1。第一电极7a设置在最上面的导电层5上。第一电极7a由第一声学致密层9a覆盖，该致密层之上沉积有压电层11。压电层11由第二声学致密层9b覆盖，该致密层上是第二电极7b。

当在第一电极7a和第二电极7b之间施加交流电压时，在该多层结构中形成机械波。在谐振频率，电极7a、7b内有电流。在此所示的压电晶体谐振器的谐振频率取决于多层结构的形状和尺寸、环境温度以及该多层结构中使用的材料。

然而，谐振频率的值非常依赖于温度是图7所示的传统压电晶体谐振器的缺点。这主要是由于压电层11对压电晶体谐振器谐振频率值的影响依赖于温度。所谓的形成压电层11的材料的谐振频率温度系数是影响压电晶体谐振器谐振频率值的度量。

声学致密层9a、9b的特征是高声阻抗，并使机械波极小程度地从压电层传播到在此所示多层结构的其他层，特别是电极7a、7b。同时，声学致密层9a、9b由具有低电阻率的材料形成，因此它们具有较强导电性。

为了减少压电晶体谐振器谐振频率对温度的依赖性，有多种可行方法。然而，容易实施的唯一方法是将非晶二氧化硅层沉积在压电层11上，使得设置在两个电极7a、7b之间的多层结构尤其包括压电层11和非晶二氧化硅层。

非晶二氧化硅具有正的谐振频率温度系数，而形成压电层11的材料优选地包括负的谐振频率温度系数。为了获得谐振频率对温度依赖性的显著改进，必须在两个电极7a、7b之一和压电层11之间，优选的是在两个声学致密层9a、9b之一和压电层11之间设置非晶二氧化硅层，该层也称为补偿或温度补偿层。在两个电极7a、7b之一和压电层11之间的该区域，运行压电晶体谐振器时所产生的机械波具有高振幅。

在两个电极7a、7b之一和压电层11之间设置非晶二氧化硅层的方法适于补偿谐振频率的温度依赖性，然而伴随而来的是机电耦合系数Keff的值降低，这导致压电晶体谐振器的通过区域更为窄带。这对于压电晶体谐振器的使用方式有负面影响。

机电耦合系数的降低有两个原因。首先，在非晶二氧化硅补偿层中形成的电场导致了压电层11中电场的降低，并因此使机电耦合恶化。

声学致密层9a、9b、压电层11以及非晶二氧化硅层被认为是两个电阻器的串联连接，其中压电层以及非晶二氧化硅层处的电压降取决于这两个层的导电性。由于声学致密层9a、9b具有导电性高的特征，因此它们不影响该串联连接的性能以及压电层11和在非晶二氧化硅层处的电压降。

在仅在两个电极7a、7b之间设置压电层11的压电晶体谐振器中，全部电压降会在压电层11上，从而其中形成的电场会大于还在两个电极7a、7b之一和压电层11之间额外设置非晶二氧化硅层的压电晶体谐振器内形成的电场。

非晶二氧化硅的特征在于高电阻率，导致非晶二氧化硅层的特征在于弱导电性。这导致在声学致密层9a、9b、非晶二氧化硅层、以及压电层11的串联连接中，两个电极7a、7b之间相当大部分电压落在非晶二氧化硅层。由此使得压电层11上的电压降降低，因此压电层11内的电场减小。压电层11内的电场减小又降低了压电晶体谐振器的机电耦合系数。

除了这些，用作谐振频率的温度依赖性补偿层的非晶二氧化硅层还具有相对较小的声阻，这使得它与压电晶体谐振器内的压电层11以及电极材料的协作使用更加困难。

机电耦合系数Keff的降低在压电晶体谐振器的多数应用中是不能忍受的，尤其是当其实现为体声波谐振器时。这使得在压电晶体谐振器中应用非晶二氧化硅层补偿谐振频率对温度的依赖性更为困难。

例如在移动电话内要求体声波谐振器的机电耦合系数高于0.9这一临界值。

DE 10045090 A1公开了一种具有第一电极和第二电极以及其间设置的压电谐振器的共鸣器。在该共鸣器中，压电层和第一电极之间有声学致密层，该声学致密层具有高于第一电极的声阻抗。

US 4456850公开了一种压电晶体薄膜谐振器，其中在压电材料的两个薄膜之间插入二氧化硅薄膜，其具有和压电材料的谐振频率温度系数符号相反的谐振频率温度系数。该多层结构设置在两个电极薄膜之间并沉积在基底上。

在Applied Physics Letters(vol.74，no.20，1999年5月17日)上的文章“Eigenschaften von Aluminiumitrid-Dünnfilmen für piezoelektrischeWandler und Mikrowellen-Filter Anwendungen”中，讨论了具有近似零的谐振频率温度系数的薄膜体共鸣器。在上述研究中，解释说SiO₂层的正谐振频率温度系数对谐振频率具有稳定化影响，因为它补偿了用AlN制造的压电层的负谐振频率温度系数。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有温度补偿的压电晶体谐振器，其具有改进的机电耦合系数并且制造起来更便宜。

通过根据权利要求1的压电晶体谐振器以及根据权利要求18的制造该压电晶体谐振器的方法来实现这一目标。

本发明提供一种压电晶体谐振器，它包括：具有第一符号的第一谐振频率温度系数的压电层；第一和第二电极，其中该压电层设置在第一和第二电极之间；以及补偿层，其设置在第一电极和压电层之间，并包含具有第二符号的第二谐振频率温度系数的补偿材料，该第二符号与第一符号相反，其特征在于为该补偿材料提供修改材料，以增加该补偿层在第一电极和压电层之间方向上的导电性。

同时，本发明提供一种制造压电晶体谐振器的方法，包括产生具有压电层、第一和第二电极、以及补偿层的结构的步骤，其中该压电层具有第一符号的谐振频率温度系数，该压电层设置在第一和第二电极之间，该补偿层设置在第一电极和压电层之间，并包含具有和第一符号相反的第二符号的第二谐振频率温度系数的补偿材料，其特征在于执行产生步骤，使得向该补偿层提供修改材料，以增加该补偿层在第一电极和压电层之间方向上的导电性。

本发明是基于如下发现的，即可给压电晶体谐振器内的补偿层的补偿材料提供修改材料，从而增加该补偿层在电极和压电层之间的方向上的导电性，同时修改材料不会抵消补偿材料的期望声学特性。当向压电晶体谐振器的电极施加电压时，在补偿层和压电层内形成电场。补偿层内的电场由于给补偿材料提供修改材料使得补偿层的导电性增加的事实而被降低，这就是同时压电层内形成的电场增加的原因。压电层电场的增加使得压电晶体谐振器的机电耦合系数增加。

在本发明一个实施例中，机电耦合系数值的增加可以通过在用于补偿压电晶体谐振器的谐振频率的温度依赖性的补偿层内插入修改材料来实现。这增加了向压电晶体谐振器的电极施加电压时压电层内形成的电场，这也是机电耦合系数增加的原因。机电耦合系数的增加与压电晶体谐振器滤波特性的改进是一致的。

同时，当大量生产根据本发明实施例的压电晶体谐振器时，创新性地为补偿材料提供修改材料使得制造成品率更高。大量生产的根据本发明实施例的压电晶体谐振器的机电耦合系数的统计平均值由于为补偿材料提供修改材料而增加。统计平均值的这种增加和制造容许偏差的增加是一致的，这使得大量生产制造出的根据本发明实施例的压电晶体谐振器的绝大部分在制造时的最后测试中都具有高于指定值的机电耦合系数，当高于该指定值时，压电晶体谐振器才能在电器中应用。

同时，由于增加了制造成品率，所以根据本发明实施例的压电晶体谐振器的制造成本也降低了。

同时，创新性地给补偿材料提供修改材料以增加补偿层导电性，产生实现根据本发明实施例的压电晶体谐振器的更多灵活变化。由于通常用作补偿层的二氧化硅层对压电层内电场的负面影响减小，所以根据本发明实施例的压电晶体谐振器能同时制造成具有更厚的非晶二氧化硅层。

附图说明

下面参考附图详细说明本发明优选实施例，其中：

图1显示根据本发明第一到第三实施例的压电晶体谐振器的通用结构；

图2显示在根据本发明第一实施例的压电晶体谐振器中具有金属纳米粒子的补偿层的结构；

图3显示在根据本发明第二实施例的压电晶体谐振器中，包括多层结构金属薄膜的补偿层结构，其中在金属薄膜之间布置二氧化硅颗粒；

图4显示在根据本发明第三实施例的压电晶体谐振器内的补偿层结构，其包括用金属填充的凹槽；

图5显示了根据本发明第一实施例的压电晶体谐振器的频率响应与传统压电晶体谐振器的比较；

图6显示根据本发明第四实施例制造压电晶体谐振器的方法；以及

图7显示了传统压电晶体谐振器的多层结构。

具体实施方式

在下面优选实施例的描述中，相同元件或具有相同效果的元件将用相同附图标记表示。更具体的，等于或具有如图7所示那些元件相同效果的元件使用相同附图标记，下面的说明限于解释与图7所示结构的不同之处。

图1显示了根据本发明第一到第三实施例的压电晶体谐振器的通用结构。根据本发明第一到第三实施例的压电晶体谐振器与图7所示传统压电晶体谐振器的不同之处在于，在第一声学致密层9a上有一个补偿层13，在该补偿层13上设置压电层11。

补偿层13的功能及其实施例将在下面图2到5所示实施例中更详细进行说明。

图2显示了在根据本发明第一实施例的压电晶体谐振器内的补偿层13的第一实施例。在补偿层13内引入金属纳米粒子15，金属纳米粒子15的尺寸从第一声学致密层9a扩展到沉积在补偿层13上的覆盖层17。覆盖层17使用导电材料制成，优选由金属制成。压电层11沉积在覆盖层17上。A部分解释了图2所示的层怎样布置在图1所示多层结构中。

当向图2未显示的电极7a、7b施加电压时，在电极7a、7b之间形成电场。因为电极7a、7b之间设置的层代表串联的电阻器，所以各层的电压降取决于该层的导电性。该多层结构各层内的电场强度值因此也取决于各个层的导电性。

如上所述，电极7a、7b、覆盖层17以及声学致密层9a、9b使用导电材料制成，因此其中不形成电场。仅有补偿层13和压电层11用绝缘材料制成。在此，绝缘层内的电场强度相互影响，从而当补偿层13内电场强度大时，压电层11内电场强度小，或当补偿层13内电场强度小时，压电层11内的电场强度大。

通过将金属纳米粒子15引入补偿层13，补偿层13在第一电极7a和压电层11之间方向上的导电性增加，由此导致补偿层13在第一电极7a和压电层11之间方向上的电场强度降低。补偿层13电场强度的降低的结果是压电层11的电场强度增加，同时使得在此所示的根据本发明第一实施例的压电晶体谐振器的机电耦合系数增加。因此，第一电极7a和第二电极7b之间的大部分电场集中于压电层11。

设置在补偿层13和压电层11之间的覆盖层17用于使得包括非晶二氧化硅以及引入的金属纳米粒子15两个区域的补偿层13内的电场在其垂直分布上，即在和两个电极7a、7b之间的方向垂直的方向上更加均匀。

然而除了金属纳米粒子15，还可以引入用金属材料制成的金属丝或线。

除了将金属纳米粒子15引入补偿层13，还可将能增加补偿层13导电性的适当掺杂原子引入到补偿层13中。

通过给补偿层13的补偿材料提供修改材料，当向电极7a、7b施加电压时，补偿层13在第一电极7a和压电层11之间方向上的导电性增加，或补偿层13在第一电极7a和压电层11之间方向上的电场减弱。

图3显示了根据本发明第二实施例的压电晶体谐振器的补偿层13的另一个实施例。这里，该补偿层13由第一金属薄膜21a、第二金属薄膜21b以及第三金属薄膜21c形成。在金属薄膜21a-c之间引入二氧化硅颗粒19。同样，在图3所示补偿层13的实施例中，补偿层13的声学性能由非晶二氧化硅颗粒19决定性地确定，这样得到的结果是补偿层13抵消压电层11产生的压电晶体谐振器的谐振频率对温度的依赖性。

同时，通过在金属薄膜21a-c之间布置二氧化硅颗粒19并且金属薄膜21a-c逐层叠加从而这些金属薄膜相互电连接，补偿层13的导电性增加。这样得到的结果是与在图2所示的实施例中相似，当在电极7a、7b之间施加电压时，补偿层13内的电场强度降低，这就是压电层11内的电场强度增加的原因。

这样又使得根据本发明第二实施例的压电晶体谐振器的机电耦合系数增加。

图4显示了在根据本发明第三实施例的压电谐振器中的补偿层13的另一个实施例。在补偿层13中，在补偿层13中引入在从第一声学致密层9a到压电层11的垂直方向上延伸的孔或凹槽23。在此的凹槽23用金属填充，这样增加了补偿层13的导电性。当在电极7a、7b之间施加电压时，这会影响压电层11内的电场强度，因此影响根据本发明第三实施例的压电晶体谐振器的机电耦合系数，这已经在补偿层13的先前实施例中进行了说明。

图5显示了在图2中讨论的根据本发明第一实施例的压电晶体谐振器的频率响应和传统谐振器频率响应的比较。在1.82GHz到1.92GHz之间频带部分在x轴上以线性标度标出频率，而谐振器阻抗在y轴上以对数标度标出。根据本发明第一实施例的压电谐振器的频率响应25和传统谐振器的频率响应27的不同在于，根据本发明第一实施例的压电谐振器的阻抗最小值P1处于比传统谐振器阻抗最小值P2小的频率值处。在此，根据本发明第一实施例的谐振器以及传统谐振器的阻抗最大值P3在相同的频率值处。

从测量的频率响应25、27的比较可以明显看出，在根据本发明第一实施例的谐振器中，阻抗最小值P1和阻抗最大值P3的频率值之间的距离大于传统谐振器中的距离，在传统谐振器中，阻抗最小值P2在较高频率值处。正如从文献中已知的，例如从上述Applied Physics Letters(vol.74，no.20，1999年5月17日)提及的文章已知的，该文章已经在现有技术说明中引用，机电耦合系数的平方，即Keff²，直接和出现压电晶体谐振器阻抗最小值及阻抗最大值的频率值的差成比例。因此，很明显该测量结果是：根据本发明第一实施例的压电晶体谐振器相较于传统压电晶体谐振器具有更大的机电耦合系数。

在根据本发明第一实施例的压电晶体谐振器中，补偿层13的导电性由于在第一电极7a和压电层11之间的方向上引入金属纳米粒子15而增加，这也是当在两个电极7a、7b之间施加电压时，补偿层13内形成的寄生电场减弱的原因。然而优点是不影响对压电晶体谐振器的温度依赖性的补偿，因为该补偿仅取决于补偿层13的声学特性，而该声学特性仍主要受补偿层13中非晶二氧化硅的影响。

对于在图3和4中讨论的根据本发明第二和第三实施例的压电晶体谐振器的频率响应，有类似的影响结果。在此，也给补偿层13内的补偿材料提供修改材料，用于增加其导电性，从而使得和传统压电晶体谐振器相比，出现阻抗最小值P1和阻抗最大值P3的频率之间的距离增加。

因此，除了在传统压电晶体谐振器中可能的频谱之外，还能应用至少部分或完全的温度补偿到压电晶体谐振器的另一频谱，因为补偿层13导电性的增加抵消了由于增加补偿层13的层厚度而引起的机电耦合系数的降低。

因此，在图2中讨论的根据本发明第一实施例的压电晶体谐振器能被制造成具有比在传统压电晶体谐振器中可能的还要厚的补偿层13，因为通过引入金属纳米粒子15，补偿层13较大层厚度对其导电性的以及因此对机电耦合系数的负面影响减少。

由于传统压电晶体谐振器中的补偿层13形成为绝缘层或电介质层形成，因此，在本发明实施例中提及的增加补偿层13导电性的方法还可以被认为是导电性的人为增长或人为导电性。因为传统压电晶体谐振器内的补偿层13通常非常薄，所以补偿层13导电性能的微小增长通常足以以期望方式改进压电晶体谐振器的机电耦合系数。

当增加补偿层13的导电性时，使该增加发生在垂直方向上，即在图1所示压电晶体谐振器多层结构电极7a、7b之间的方向上是决定性的。

图6说明了一种根据本发明第四实施例制造压电晶体谐振器的方法。首先，在步骤S1提供压电晶体谐振器的基底1。随后，在步骤S3交替沉积导电层3和绝缘层5。之后，在步骤S5，在导电层3的最上面沉积第一电极7a。随后，在相同方法步骤中用第一声学致密层9a覆盖第一电极7a。

在随后的步骤S7中，具有粗糙表面的金属层被沉积到第一声学致密层9a上。随后，在方法步骤S9中，补偿层13被沉积到具有粗糙表面的金属层上，它被布置在背离第一声学致密层9a的具有粗糙表面的金属层的表面上。此后，在步骤S11打磨补偿层13，其中打磨补偿层13直到到达金属层粗糙表面的高度，金属层也被部分打磨。当检查被打磨的补偿层13的平面时，能够识别出通过打磨金属层粗糙表面高度形成的区域。随后，在步骤S13，在背离金属层的补偿层13的表面上沉积金属覆盖层17。压电层11、第二声学致密层9b以及第二电极7b在最后的方法步骤S15中被逐层沉积在金属覆盖层17上。

将补偿层13沉积到具有粗糙表面的金属层上并随后在步骤S11打磨补偿层13导致补偿层13导电性的增加，增加了贯穿补偿层13形成的粗糙表面的金属层的表面的高度。在用于根据本发明第四实施例的压电晶体谐振器的制造方法中，在步骤S13沉积具有导电材料的覆盖层17，用于当在第一电极7a和第二电极7b之间施加电压时，使得补偿层13内的电场更为均匀。

在上述实施例中，补偿层13在用于制造根据本发明实施例的压电晶体谐振器的方法中被打磨。任何打磨补偿层13的形式，例如磨光、优选的甚至是化学机械抛光或甚至蚀刻处理，都是可以选择的方式。

在图6所示制造方法中，在步骤S7中沉积具有粗糙表面的金属层。金属层的替换物可以是用任何导电并具有粗糙表面的材料制成的层。这也可同样应用于在步骤S13沉积的金属覆盖层17，它也可用任何导电材料形成。

图2所示的金属纳米粒子15还可选择包括任何导电材料。

在本发明上述实施例讨论的多层结构设置在三层导电层3以及两层绝缘层5上的电极7a和7b之间。然而可以选择省略导电层3和绝缘层5，或可在压电晶体谐振器内第一电极7a和基底1之间设置任意数目的导电和绝缘层。

在上述实施例中，补偿层13是用非晶二氧化硅形成的。也可利用谐振频率温度系数与压电层11的谐振频率温度系数符号相反的任意材料作为替代。在上述实施例中，声学致密层9a、9b是导电的，然而它的替换物是电绝缘的声学致密层。

在上述压电晶体谐振器实施例中，压电层11和补偿层13设置在声学致密层9a、9b之间。在图1所示本发明实施例的多层结构的电极7a、7b之间设置任意层或在图1所示电极7a、7b之间的层序列中引入另外的层都是替换方案。

此外，在图1所示根据本发明第一到第三实施例的压电晶体谐振器的通用结构中还能省略声学致密层9a、9b。此外，还可以预见这样的配置，其中(作为替换或者额外)在上层电极9b(即第二电极9b)和压电层11之间设置补偿层13。

同样，可以替换成，在面向第一声学致密层9a的补偿层13表面上在电极7a、7b之间的层序列中设置覆盖层17，优选的是当该声学致密层用绝缘材料形成时。

附图标记列表

1基底

3导电层

5绝缘层

7a第一电极

7b第二电极

9a第一声学致密层

9b第二声学致密层

11压电层

13补偿层

15金属纳米粒子

17覆盖层

19二氧化硅颗粒

21a第一金属薄膜

21b第二金属薄膜

21c第三金属薄膜

23凹槽

25根据第一实施例的压电晶体谐振器的频率响应

27传统压电晶体谐振器的频率响应

P1根据第一实施例的压电晶体谐振器的阻抗最小值

P2传统压电晶体谐振器的阻抗最小值

P3阻抗最大值

S1提供基底

S3沉积导电层和绝缘层

S5沉积第一电极和第一声学致密层

S7沉积具有粗糙表面的金属层

S9沉积补偿层

S11打磨补偿层

S13沉积覆盖层

S15沉积压电层、第二补偿层和第二电极