本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器、一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该谐振器或者该滤波器的电子设备。
背景技术：
电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、5g通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。
电子器件根据不同工作原理可以发挥不同的特性与优势，在所有电子器件中，利用压电效应(或逆压电效应)工作的器件是其中很重要一类，压电器件有着非常广泛的应用情景。薄膜体声波谐振器(filmbulkacousticresonator，简称fbar，又称为体声波谐振器，也称baw)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是fbar滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，fbar具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(saw)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。
薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，fbar利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
通信技术的快速发展要求滤波器工作频率不断提高，例如5g通信频段(sub-6g)的频率在3ghz-6ghz,频率高于4g等通信技术。对于体声波谐振器和滤波器，高工作频率意味着薄膜厚度尤其是电极的薄膜厚度，要进一步减小；然而电极薄膜厚度的减小带来的主要负面效应为电学损耗增加导致的谐振器q值降低，尤其是串联谐振点及其频率附近处的q值降低；相应地，高工作频率体声波滤波器的性能也随着体声波谐振器的q值降低而大幅恶化。
此外，谐振器工作时，会不可避免的产生可观的热功率，从而导致谐振器温度升高，此外环境的温度同样会导致谐振器温度发生变化，在较为极端(严寒或高温)环境下尤为显著。而谐振器的温度变化会引发材料物理特性的一系列相应变化，从而导致谐振器的谐振频率发生漂移。该频率的漂移会导致谐振器自身的性能以及使用该谐振器的各种电子器件和设备的性能恶化。
技术实现要素：
为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。在本发明中，在电极具有空气间隙的谐振器的三明治结构中加入温度系数和压电层材料温度系数相反的材料层，对温度漂移进行补偿，从而抑制由温度变化带来的谐振器性能下降。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极具有至少一个空隙层，在所述间隙电极的厚度方向上，所述空隙层与所述间隙电极的顶面与底面均存在距离；
温补层，所述温补层的材料的温度系数与压电层的材料的温度系数相反，所述温补层设置在谐振器的由底电极、压电层和顶电极组成的三明治结构中。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1a为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
图1b为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极设置有空隙层，底电极设置有温补层；
图1c为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极设置有空隙层，底电极设置有温补层，且顶电极设置有悬翼结构和桥结构；
图2a为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，底电极设置有温补层；
图2b为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，底电极设置有温补层，顶电极设置有悬翼结构与桥结构；
图2c为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，顶电极设置有温补层，且顶电极设置有悬翼结构与桥结构；
图3a为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，温补层设置在压电层中；
图3b为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，温补层设置在压电层中，且温补层外包覆有屏蔽用金属层；
图4为体声波谐振器的频率-阻抗曲线图，其中实线对应于图1b中的体声波谐振器，虚线对应于电极中没有设置空隙层的体声波谐振器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图1a为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器结构的一个示意性俯视图，图1b为沿图1a中的折线a1oa2将图1a剖开得到的剖面图。各附图标记如下：
10：基底，可选材料为单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英等。
20：声学镜，可以空气腔，布拉格反射层或其他等效的声反射结构。
30：第一底电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
31：第二底电极，材料选择范围同第一底电极30，但具体材料不一定与第一底电极30相同。
36：电极引脚，材料与第一底电极相同。
40：压电薄膜层，可选氮化铝(aln)、氧化锌(zno)、锆钛酸铅(pzt)、铌酸锂(linbo3)、石英(quartz)、铌酸钾(knbo3)或钽酸锂(litao3)等材料，也可包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
50：第一顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
56：电极引脚，材料与第一顶电极相同。
60：位于顶电极之中的空气间隙，处于第一顶电极50和第二顶电极70之间。
65：温度补偿层：要求其材料的温度系数与具体选用的压电层材料温度系数相反，例如，压电层为氮化铝时，温补层应具有正温度系数，进一步温补层材料为二氧化硅。
70：第二底电极，材料选择范围同第一顶电极50，但具体材料不一定与第一顶电极50相同。
当谐振器工作时，交变电场通过电极施加在压电层40上，由于声电能量耦合并相互转化，电极中会有电流通过，由于本实施例的顶电极具有双层电极并联结构，因此可以有效减小谐振器的电学损耗。在交变电场的激励下，压电层产生声波，当声波向上方传导至位于顶电极中的空气间隙60和电极层50的界面时声波能量会被反射回压电层40(因为空气和电极的声阻抗不匹配程度极大)，并不会进入电极层70。本发明中含有空气间隙的电极结构一方面可显著降低谐振器的电学损耗(表现为提升串联谐振频率处及其附近q值的提高)，如图4所示，当谐振器使用如图1b所示的电极含空气间隙的结构时，在串联谐振频率点(5.9ghz)及其邻域阻抗从2.2欧姆降低到1.3欧姆(未考虑温补层的情况下)。另一方面，空气间隙对顶电极70起到了声学隔离作用，从而基本避免电极层70对谐振器性能造成的负面影响(如谐振频率和机电耦合系数的改变)。
空气间隙的高度可以是如下范围：
需要说明的是，空气间隙构成空隙层，但是本发明中，空隙层除了可以为空气间隙层之外，还可以是真空间隙层，也可以是填充了其他气体介质的空隙层。
此外，图1b中的温补层65在横向上应延伸至有效声学区域ar之外，进一步还可延伸至声学镜20区域以外。
图1c为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极设置有空隙层，底电极设置有温补层，且顶电极设置有悬翼结构55和桥结构57。在图1c中，顶电极上还设置有凸起结构81、凹陷结构82。悬翼结构、桥结构、凸起结构和凹陷结构构成谐振器的声学阻抗不匹配结构。
在本发明所示的其他实施例中，也可以设置声学阻抗不匹配结构，声学阻抗不匹配结构包括悬翼结构、桥结构、凸起结构和凹陷结构中的一种或多种。图2a为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，底电极设置有温补层。在图2a中，第一底电极30与第二底电极31之间包括空隙层61，同时温补层65位于第二底电极31中。如图2a所示，温补层65在厚度方向上与压电层的距离小于与空隙层的距离。
图2b为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，底电极设置有温补层65，图2b是在图2a的结构的基础上，顶电极设置有悬翼结构55与桥结构57。
图2c为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，顶电极的第一顶电极50与第二顶电极70之间设置有空隙层60，且第一顶电极50内设置有温补层65，另外，顶电极设置有悬翼结构55与桥结构57。如图2c所示，温补层65在厚度方向上与压电层的距离小于与空隙层的距离。
需要指出的是，温补层的位置不限于单侧电极内，也可以在两侧电极均设置温补层。
除了电极内设置温补层之外，压电层中也可以设置温补层。
图3a为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，温补层65设置在压电层40中。
图3b为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的类似于沿图1a中的a1oa2截得的截面示意图，其中顶电极和底电极均设置有空隙层，温补层65设置在压电层40中，且温补层外包覆有屏蔽用金属层45，用于屏蔽电厂，从而使得温补层65不受电场的作用，从而减少由于温补层为介质层会对谐振器形成一个串联电容从而对谐振器性能(特别是机电耦合系数)产生负面影响。
在本发明的上述实施例中，基底10设置有声学空腔20，声学空腔、底电极、压电层和顶电极在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域。但是本发明不限于此，例如，在底电极为空隙电极的情况下，底电极内的空隙层也可以自身作为声学镜结构。此时，顶电极、底电极、压电层和空隙层在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域，在此情况下，可以省略声学空腔20，当然也可以保留声学空腔20，且在谐振器的俯视图中，所述空隙层全面覆盖所述声学空腔。
此外，在本发明中，当声学阻抗不匹配结构中包含悬翼结构和桥结构时，谐振器的有效区域边界由悬翼结构和桥结构的内侧边缘限定。
在本发明中，在体声波谐振器的顶电极和/或底电极中设置空隙层。位于电极中的空气间隙可有效的反射声波，大幅降低进入远离压电薄膜(或压电层)一侧的附加电极的声波能量，从而有效抑制或消除所述附加电极由于参与声学振动所带来的负面效应。另外，围成空气间隙的两层(多层)电极可以构成并联电路结构，这可有效降低谐振器的电学损耗，提高谐振器的q值，尤其是串联谐振点及其附近频率处的q值。
因此，附加电极由于空气间隙的存在从而与谐振器谐振腔声学解耦(绝大部分声波在空气间隙处反射回谐振腔，不进入附加电极)，附加电极的存在和参数变化不影响谐振器除q值外的其他关键参数(如谐振频率，机电耦合系数等)。
与空气间隙位于压电层和电极之间的结构相比，本发明由于避免了空气间隙带来的寄生串联电容，谐振器的机电耦合系数kt2不会恶化；与温度补偿夹层(如二氧化硅)位于两层电极中间的结构相比，本发明的空气间隙或真空间隙使得谐振器谐振频率不会变化，其他关键参数(q值、机电耦合系数)不会恶化，串联谐振点及其附近频率处的q值反而会得到提升。
此外，在本发明中，因为设置了温补层，使得根据本发明中的谐振器结构一方面可以减小谐振器的阻抗，另一方面可对温度变化引起的频率漂移进行有效抑制。
在本发明中，提到的数值范围除了可以为端点值之外，还可以为端点值之间的中值或者其他值，均在本发明的保护范围之内。
如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极具有至少一个空隙层，在所述间隙电极的厚度方向上，所述空隙层与所述间隙电极的顶面与底面均存在距离；
温补层，所述温补层的材料的温度系数与压电层的材料的温度系数相反，所述温补层设置在谐振器的由底电极、压电层和顶电极组成的三明治结构中。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述温补层设置在底电极与顶电极中的至少一个内。
3、根据2所述的谐振器，其中：
所述温补层包括设置在间隙电极内的间隙电极温补层。
4、根据3所述的谐振器，其中：
所述间隙电极包括彼此电连接的第一电极层与第二电极层，第一电极层比第二电极层更靠近压电层，空隙层设置在第一电极层与第二电极层之间；
所述温补层设置在间隙电极的第一电极层内。
5、根据4所述的谐振器，其中：
所述间隙电极温补层在谐振器的厚度方向上，与压电层之间的距离小于与空隙层之间的距离。
6、根据权利要4或5所述的谐振器，其中：
所述间隙电极温补层平行于空隙层设置。
7、根据1所述的谐振器，其中：
所述温补层包括设置在压电层中的压电层温补层。
8、根据7所述的谐振器，其中：
所述压电层温补层的周围包绕有屏蔽用金属层。
9、根据权利要1所述的谐振器，其中：
所述间隙电极温补层在横向上延伸过谐振器的整个有效区域。
10、根据1所述的谐振器，其中：
所述底电极为间隙电极，且所述空隙层构成所述声学镜，顶电极、底电极、压电层和空隙层在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域。
11、根据10所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括设置在基底的声学空腔，在谐振器的俯视图中，所述空隙层全面覆盖所述声学空腔。
12、根据1所述的谐振器，其中：
所述顶电极为间隙电极；
顶电极、压电层、底电极与声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域形成谐振器的有效区域。
13、根据1所述的谐振器，其中：
所述顶电极在有效区域的边缘设置有声学阻抗不匹配结构。
14、根据1-13中任一项所述的谐振器，其中：
所述空隙层为空气间隙层或者真空间隙层。
15、根据14所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
16、根据14所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
17、一种滤波器，包括根据1-16中任一项所述的体声波谐振器。
18、一种电子设备，包括根据17所述的滤波器或者根据1-16中任一项所述的谐振器。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述声学镜、底电极、压电层和顶电极在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域；
底电极和/或顶电极为间隙电极，所述间隙电极具有至少一个空隙层，在所述间隙电极的厚度方向上，所述空隙层与所述间隙电极的顶面与底面均存在距离；
温补层，所述温补层的材料的温度系数与压电层的材料的温度系数相反，所述温补层设置在谐振器的由底电极、压电层和顶电极组成的三明治结构中。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述温补层设置在底电极与顶电极中的至少一个内。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述温补层包括设置在间隙电极内的间隙电极温补层。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述间隙电极包括彼此电连接的第一电极层与第二电极层，第一电极层比第二电极层更靠近压电层，空隙层设置在第一电极层与第二电极层之间；
所述温补层设置在间隙电极的第一电极层内。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述间隙电极温补层在谐振器的厚度方向上，与压电层之间的距离小于与空隙层之间的距离。
6.根据权利要4或5所述的谐振器，其中：
所述间隙电极温补层平行于空隙层设置。
7.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述温补层包括设置在压电层中的压电层温补层。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述压电层温补层的周围包绕有屏蔽用金属层。
9.根据权利要1所述的谐振器，其中：
所述间隙电极温补层在横向上延伸过谐振器的整个有效区域。
10.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述底电极为间隙电极，且所述空隙层构成所述声学镜，顶电极、底电极、压电层和空隙层在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成谐振器的有效区域。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述谐振器还包括设置在基底的声学空腔，在谐振器的俯视图中，所述空隙层全面覆盖所述声学空腔。
12.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述顶电极为间隙电极；
顶电极、压电层、底电极与声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域形成谐振器的有效区域。
13.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述顶电极在有效区域的边缘设置有声学阻抗不匹配结构。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的谐振器，其中：
所述空隙层为空气间隙层或者真空间隙层。
15.根据权利要求14所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
16.根据权利要求14所述的谐振器，其中：
所述空隙层的厚度在
17.一种滤波器，包括根据权利要求1-16中任一项所述的体声波谐振器。
18.一种电子设备，包括根据权利要求17所述的滤波器或者根据权利要求1-16中任一项所述的谐振器。
技术总结