高性能声表面波谐振器及其制备方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910101149.1 (22)申请日 2019.01.31 (71)申请人 上海师范大学 地址 200232 上海市徐汇区桂林路100号 (72)发明人 赵祥永谢青秀唐艳学王飞飞 王涛 (74)专利代理机构 上海申新律师事务所 31272 代理人 竺路玲 (51)Int.Cl. H03H 9/02(2006.01) H03H 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种高性能声表面波谐振器及其制备方法 (57)摘要 本发明一种高性能声表面波谐振器及其制 备方法， 涉。

2、及声表面波谐振器技术领域。 谐振器 由电极层(1)、 压电基底层(2)依次叠加构成。 所 述电极层材料为金(Au)， 铝(Al)或铜(Cu)。 所述 电极层标准化厚度为0.5he20， 是声表面波波长。 所述压电基底层材料为掺杂钛 酸钡的钛酸铋钠系铁电晶体(NBT-xBT)。 所述压 电基底层材料标准化厚度为hNBBT4， 欧拉角 为0 180 。 本发明， 通过合理优化本发明 提出的谐振器结构能取得高的主模机电耦合系 数， 高达18， 在优化结构参数能够很好的抑制 杂波， 获得纯净的极大机电耦合系数的主模， 对 于设计宽带声表面波器件起到关键作用。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN。

3、 109905097 A 2019.06.18 CN 109905097 A 1.一种高性能声表面波谐振器， 其特征在于， 由电极层(1)、 压电基底层(2)依次叠加构 成； 其中， 所述电极层(1)材料为金(Au)， 铝(Al)或铜(Cu)； 电极层(1)标准化厚度为： 0.5 he20 ， 为声表面波波长； 所述压电基底层(2)材料为掺杂钛酸钡的钛酸铋钠系铁电晶体， Na0 .5Bi0 .5TiO3- xBaTiO3， 简称NBT-xBT， 其中， BaTiO3的掺杂范围x为： 0.110； 压电基底层(2)材料标准 化厚度为hNBBT4 ， 欧拉角为0 180 。 2.如权利要求1所述的。

4、一种高性能声表面波谐振器， 其特征在于， 所述晶体NBT-xBT的 切型选自下列任一种： a.X切(90 ， 90 ， 0 180 )； 或者 b.Y切(0 ， 90 ， 0 180 )； 或者 c.Z切(0 ， 0 ， 0 180 )。 3.一种高性能声表面波谐振器的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： A.选择NBT-xBT压电单晶材料， 定出三个面指数X， Y， Z； 晶片尺寸为0.5mm5mm10mm； B.溅射金电极并极化； 极化条件温度20200， 极化电压范围为500V5000V， 极化时间范围为1min 200min； C.去除金电极， 并对单晶一主表面进行抛光； D.在抛。

5、光表面通过溅射或沉积金属层； E.用旋涂法在金属层上旋涂光刻胶， 用曝光系统按照预设的图案对光刻胶曝光， 并显 影获得光刻胶图案； F.用干法或湿法或反应离子刻蚀， 把金属层刻蚀成预设的电极图案， 去除光刻胶； G.切片得到分离的芯片。 权利要求书 1/1 页 2 CN 109905097 A 2 一种高性能声表面波谐振器及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及声表面波技术领域， 具体指一种高性能声表面波谐振器及其制备方 法。 背景技术 0002 声表面波(Surface Acoustic Wave， SAW)是一种沿物体表面传播的弹性波。 声表 面波器件由于其结构简单、 性能出色、 成本。

6、低等众多优点而受到了广泛关注， 并且在互联 网、 数字电视、 汽车乃在军事等各个领域中具有巨大的需求。 而决定声表面波器件带宽宽度 的主要因素之一为声表面波谐振器中的机电耦合系数。 因此， 高机电耦合系数的谐振器是 设计宽带声表面波器件的关键所在。 0003 压电基底材料作为声表面波谐振器的核心元件， 其对谐振器性能至关重要。 常用 的谐振器压电基底材料为石英、 钽酸锂等， 典型切型和传播方向有X切Y传播， Y切Z传播， Z切 X传播， 128 旋转Y切X传播等， 但是它们的机电耦合系数都比较低。 如38 Y-X石英的机电耦 合系数为0.12， Y-X石英的机电耦合系数为0.23； 而对于钽酸。

7、锂而言， Y-Z切型的机电耦 合系数为0.6， 而42 Y-X的机电耦合系数高达7.6。 故此表明， 由于压电材料的各向异 性， 材料的不同切型会对其性能产生很大的影响。 目前， 已有文献报道基于铌镁酸铅系铁电 晶体设计声表谐振器， 能够取得很大的机电耦合系数， 但是铌镁酸铅系铁电晶体的居里温 度和相变温度较低， 不利于器件在高温环境下工作。 并且铅基压电材料在制备、 使用及后处 理过程中会引发铅污染问题， 其应用正逐步受到限制。 因此， 压电材料的无铅化是必然趋 势。 其中， 钛酸铋钠系铁电晶体被认为是最有希望的无铅压电材料体系。 在具有高的机电耦 合系数同时， 拥有更高的居里温度和相变温度。

8、。 但是， 现有的技术文献涉及此类压电材料的 声表面波传播特性和结构参数优化设计未见报道， 这是开发面向不同应用需求的声表面波 器件急需解决的关键问题。 发明内容 0004 本发 明的 目 的 在于 提 供 一 种基 于 掺 杂钛 酸 钡的 钛 酸 铋 钠 系铁电 晶 体 Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3， (简称NBT-xBT)的压电基底层用于设计环境友好型、 宽带声表器件 的谐振器。 0005 本发明技术方案： 0006 一种高性能声表面波谐振器， 由电极层、 压电基底层依次叠加构成的。 0007 其中， 所述电极层材料为金(Au)， 铝(Al)或铜(Cu)； 电极层标准化厚度。

9、为： 0.5 he20 ， 为声表面波波长。 0008 所述压电基底层材料为掺杂钛酸钡的钛酸铋钠系铁电晶体， Na0 .5Bi0 .5TiO3- xBaTiO3， (简称NBT-xBT)， 其中， BaTiO3的掺杂范围x为： 0.110； 压电基底层材料标准 化厚度为hNBBT4 ， 欧拉角为0 180 ； 0009 所述晶体NBT-xBT的切型选自下列任一种： 说明书 1/4 页 3 CN 109905097 A 3 0010 a.X切(90 ， 90 ， 0 180 )； 或者 0011 b.Y切(0 ， 90 ， 0 180 )； 或者 0012 c.Z切(0 ， 0 ， 0 180 。

10、)。 0013 一种高性能声表面波谐振器的制备方法， 包括以下步骤： 0014 A.选择NBT-xBT压电单晶材料， 定出三个面指数X， Y， Z； 晶片尺寸为0.5mm5mm 10mm； 0015 B.溅射金电极并极化； 0016 极化条件温度20200极化电压范围为500V5000V， 极化时间范围为1min 200min； 0017 C.去除金电极， 并对单晶一主表面进行抛光； 0018 D.在抛光表面通过溅射或沉积金属层； 0019 E.用旋涂法在金属层上旋涂光刻胶， 用曝光系统按照预设的图案对光刻胶曝光， 并显影获得光刻胶图案； 0020 F.用干法或湿法或反应离子刻蚀， 把金属层刻。

11、蚀成预设的电极图案， 去除光刻胶； 0021 G.切片得到分离的芯片。 0022 本发明有关术语说明： 0023 压电基底的切型一般采用压电材料的切割面和传播方向来表示， 例如Y-X石英表 示切割面垂直于Y晶轴， 沿X方向传播的石英。 有时候切割面并不是完全垂直于晶轴， 而是绕 着某个晶轴旋转一定角度以后进行切割。 例如42 Y-X钽酸锂， 它是Y绕着X轴旋转42 切X方 向传播的钽酸锂， 这种钽酸锂的切割面是Y轴绕着X轴旋转42 后与X轴构成的平面。 而X切 112 Y钽酸锂写成X-112 Y钽酸锂， 这种晶体切割面垂直于X轴， 传播方向是Y轴绕着X轴旋转 112 后的方向。 0024 常用。

12、欧拉(Euler)角以( ， ， )来表述晶体的切向角和声表面波传播方向。 用x3 轴表述基片的表面法向方向， x1轴表示声表面波传播的方向， x2轴平行于声表面波的波阵 面。 0025 晶体中晶轴方向(X， Y， Z)是固定的， 可通过X射线衍射法测定。 对于没有旋转切割 的晶体最初欧拉角为0， (x1， x2， x3)与(X， Y， Z)相同。 而为确定一般情况压电基片的坐标系 (x1， x2， x3)， 通常需要三个连续旋转操作。 首先绕Z晶轴逆时针旋转 角； 再绕X1轴旋转 角， 这样 和 就确定了基片的切面角； 最后再绕Z2轴旋转V角， 使传播方向与x1轴平行。 (如附图1 所示) 。

13、0026 与现有技术相比， 本发明具有以下优点： 0027 (1)相比于传统压电材料制备的谐振器， 具有更大的机电耦合系数， 有利于设计出 宽带的声表面波滤波器。 0028 (2)结构简单， 具有更小的声表面波器件尺寸， 有利于批量化生产。 附图说明 0029 图1为欧拉角示意图； 0030 图2为本发明一种声表面波谐振器结构示意图； 0031 图3为本发明实施例压电基底层的切型示意图； 说明书 2/4 页 4 CN 109905097 A 4 0032 图4为本发明一种声表面波谐振器的制备方法流程框图； 0033 图5为本发明实施例压电基底中主模机电耦合系数随电极厚度变化曲线； 0034 图。

14、6为本发明实施例压电基底中主模机电耦合系数随压电层欧拉角切型变化曲 线。 0035 具体实施方法 0036 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。 0037 一种高性能声表面波谐振器(如附图2所示)， 结构是由电极层1、 压电基底层2依次 叠加构成， 其标准化厚度分别为he、 hNBBT， 声表面波波长为 。 0038 本实例所选取的电极层1材料为金(Au)， 标准化厚度为： 0.5 he20 ， 为 声表面波波长。 0039 选取的压电基底层2材料为钛酸铋钠-钛酸钡(NBT-xBT)晶体， 具体指的是NBT-5 BT， 缩写为NBBT。 压电基底层2标准化厚度固定hNBBT4 。 。

15、该压电基底层切型(如附图3所 示)。 0040 一种高性能声表面波谐振器制备方法流程框图(如附图4所示)， 制备方法流程由 以下步骤： 0041 A.选择NBT-xBT压电单晶材料， 定出三个面指数X(100)， Y(010)， Z(001)； 晶片尺寸 为0.5mm5mm10mm； 0042 所述单晶材料化学式为Na0.5Bi0.5TiO3-xmolBaTiO3， BaTiO3的掺杂范围为0.1 10； 0043 B.溅射金电极并极化； 0044 极化条件： 温度20200， 最佳极化温度为150， 极化电压范围为500V 5000V， 最佳极化电压为2000V， 极化时间范围为1200mi。

16、n， 最佳极化时间为15min； 0045 C.去除金电极， 并对单晶一主表面进行抛光； 0046 D.在抛光表面通过溅射或沉积金属层； 0047 E.用旋涂法在金属层上旋涂光刻胶， 用曝光系统按照预设的图案对光刻胶曝光， 并显影获得光刻胶图案； 0048 F.用干法或湿法或反应离子刻蚀， 把金属层刻蚀成预设的电极图案， 去除光刻胶； 0049 G.切片得到分离的芯片。 0050 附图5为实施例中声表面波谐振器结构在不同电极厚度下主模机电耦合系数变化 情况， 电极厚度范围： 0.5 20 。 从图中可以看出， 主模机电耦合系数随着膜厚增加， 整体上先逐渐增大， 后趋于平稳。 在金电极厚度为13。

17、 时， 主模具有大的机电耦合系数， 高 达18。 0051 附图6为实施例中声表面波谐振器结构在金电极厚度为13 时， 主模机电耦合系 数随压电基底层切型欧拉角变化情况， 欧拉角范围设置在为0 180 。 当欧拉角为0 时， 机 电耦合系数取值最大， 达18； 在欧拉角为90 时， 机电耦合系数几乎为0。 0052 如所周知， 由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍， 而且在它的传播路径上 容易取样和进行处理。 因此， 用声表面波去模拟电子学的各种功能， 能使电子器件实现超小 型化和多功能化。 同时， 由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提 供了其它方法不易得到的信号处理功能。

18、， 具有设计灵活性大、 模拟/数字兼容、 群延迟时间 说明书 3/4 页 5 CN 109905097 A 5 偏差和频率选择优良(可选频率范围在10MHz-3GHz)、 输入输出阻抗误差小、 传输损耗小、 抗 电磁干扰性能好(EMI)、 可靠性高、 制作的器件体积小、 重量轻， 而且能够实现多种复杂的功 能等特征和优点。 0053 结合上述实施例， 通过合理优化本发明提出的谐振器结构能取得高的主模机电耦 合系数， 高达18， 并且优化结构参数能够很好的抑制杂波， 获得纯净的极大机电耦合系数 的主模， 对于设计宽带声表面波器件起到关键作用。 同时进一步为在雷达、 通信和电子对抗 等现代通信系统设备以及移动通信轻薄短小化和高频化、 数字化、 高性能、 高可靠性等方面 的要求提供坚实的技术物质基础。 说明书 4/4 页 6 CN 109905097 A 6 图1 图2 说明书附图 1/3 页 7 CN 109905097 A 7 图3 图4 说明书附图 2/3 页 8 CN 109905097 A 8 图5 图6 说明书附图 3/3 页 9 CN 109905097 A 9 。