[发明专利]具有组合式厚度和宽度振动模式的压电谐振器

说明书

技术领域

所公开的各实施例涉及压电谐振器，尤其涉及将厚度和宽度振动模式相组合以改善机电耦合的压电谐振器。

背景

压电谐振器可用于频率应用范围很广的各种组件中，诸如用在振荡器和滤波器中。这些谐振器还可用于在集成电路中生成时钟信号，其中振动频率与时钟频率直接相关。

压电谐振器可被认为是固态换能器，其可取决于谐振器被如何配置来将机械能转换成电能，以及将电能转换回机械能。机械能将其自身显现为谐振器的压电材料内的振动。

图1A和1B示出常规压电谐振器中不同的谐振模式。各种谐振模式可相对于产生振动的压电材料的几何关系来定义。在图1A中，压电谐振器100可包括压电基板115，该压电基板115具有耦合至其上表面的第一电极105以及耦合至其下表面的第二电极110。当向电极105和110施加电激励信号时，可在压电基板115内感生电场120。电场120可引起宽度振动模式125，其中振动的频率可取决于压电基板的宽度（W）。宽度振动模式也可被称为“d31”振动，其中d31是与压电基板115的宽度尺寸（即，图1A中示出的横向尺寸）有关的压电系数。

如图1B所示，相同的电场120也可引起压电基板115中的厚度振动模式130。此处，振动的频率可取决于压电基板的厚度（T）。厚度振动模式也可被称为“d33”振动，其中d33是与压电基板115的厚度尺寸（即，图1B中示出的纵向尺寸）有关的压电系数。

机电耦合系数（记为k_t²）表示能量转换的效率，从而较高的机电耦合系数指示机械能被更高效地转换为电能。

在实践中，在压电谐振器中通常利用厚度振动模式，因为这一模式往往展现出高机电耦合系数k_t²。然而，利用仅厚度振动模式的谐振器遭受这样的缺点的影响：T无法提供根据布局设计来定义谐振频率的自由，而这是具有仅宽度振动模式的谐振器的优点所在。应当注意，布局设计是制造前过程，其在制造之后无法更改。换言之，通过仅进行一个批次的制造，宽度振动模式可以在单个晶片上提供多个工作频率，但厚度振动模式谐振器仅提供一个频率。

另一方面，具有由氮化铝制成的基板的宽度振动模式压电谐振器展现出为与厚度振动模式谐振器相关联的值的大约三分之一的机电耦合系数。这意味着宽度振动模式谐振器的效率可能是低下的。然而，可以在制造前设计过程期间通过耦合多个振动谐振器以形成多指谐振器来容易地改变宽度。该多个指可被毗邻放置，并且通过它们的边缘机械耦合，以使得包括多个指的整体结构作为单个主体来振动。该多个指可以在电学上并联连接，以使得整个结构在电学上等效于单个谐振器。

目前没有能够利用宽度振动模式和厚度振动模式两者的积极属性的压电谐振器。相应地，存在对于能够将宽度和厚度振动模式的优点相组合以改善效率而同时仍然保留单片（即，单次制造）多频能力的压电谐振器的需求。

概述

所公开的各实施例涉及具有组合式厚度和宽度振动模式的压电谐振器。

一个实施例可包括一种压电谐振器，其可包括压电基板以及耦合至该压电基板的第一表面的第一电极。该压电谐振器可进一步包括耦合至该压电基板的第二表面的第二电极，其中第一表面和第二表面基本平行并且定义该压电基板的厚度尺寸，并且其中该压电基板的厚度尺寸和宽度尺寸被配置成当激励信号被施加于这些电极时产生来自厚度振动模式与宽度振动模式的相干组合的谐振。

另一实施例可包括一种用于在压电谐振器中生成振荡信号的方法。该方法可包括跨压电元件接收电信号，以及在该压电元件的厚度尺寸中建立第一振动模式。该方法可进一步包括在该压电元件的宽度尺寸中建立第二振动模式，并且相干地组合第一振动模式和第二振动模式以产生谐振振动，该谐振振动将机电耦合系数（k_t²）增大到超过仅宽度振动模式下的机电耦合系数而同时提供单片多频能力。

另一实施例可包括一种在纵向方向上具有谐振并且在横向方向具有谐振的压电谐振器。纵向方向上的谐振与横向方向上的谐振可被组合以生成电信号。

附图简述

给出附图以帮助描述各实施例，并且提供附图仅仅是为了解说各实施例而非对其构成限定。

图1A和1B示出常规压电谐振器的图示，该图示示出不同的振动模式。

图2解说具有组合式宽度和厚度振动模式的示例性单个压电谐振器的图示。

图3是示出具有组合式宽度和厚度振动模式的示例性多指压电谐振器的图示。