專利名稱：一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電傳感器技術領域，具體的說，是涉及一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器。
背景技術：
薄膜體聲波諧振器是近年來在射頻通信和生化傳感領域中受到廣泛關注的新型微納器件。在生化傳感領域中，該器件基于吸附質量的敏感原理，以壓電薄膜產(chǎn)生高頻電聲諧振，其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質的變化作為傳感器的響應。這種傳感器靈敏度非常高，并且可以在硅片上采用現(xiàn)有半導體工藝進行制造，器件體積小，適合大規(guī)模集成形成傳感器陣列。該類傳感器有希望應用于化學物質分析以及生物基因檢測、蛋白質分析等方面。薄膜體聲波諧振器中壓電層的諧振模式可以存在縱波和剪切波兩種模式。在液體環(huán)境中，剪切波諧振比縱波諧振受到的液體阻尼更小，因此剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器更適合在生化傳感領域中應用。
激發(fā)壓電層中的剪切波諧振的關鍵在于沿垂直于壓電層極化軸的方向施加電場。例如: 瑞典林雪平大學G.Wingqvist等人在Surface & Coatings Technology (表面和涂層技術)雜志 2010 年第 205 卷 1279 頁的文章 “AlN-based sputter-deposited shear modethin film bulk acoustic resonator (FBAR) for biosensor applications - A review，，(基于濺射沉積氮化鋁的剪切波薄膜體聲波諧振器在生物傳感器中的應用綜述)中報道了一種剪切波模式薄膜電聲器件的技術方案。該方案米用c軸傾斜30度的氮化招壓電薄膜，在氮化鋁壓電薄膜上下表面設置電極施加垂直電場，通過在c軸垂直方向的電場分量激發(fā)剪切波諧振。
美國專利US 5936150公開了一種采用平面電極的薄膜體聲波諧振器技術方案。通過設置與壓電薄膜上表面的兩個平行電極產(chǎn)生橫向電場激發(fā)剪切波諧振。
公開號為CN 1864063A的中國專利公開了一種剪切波模式薄膜體聲波諧振器的技術方案，其壓電堆棧的兩個 電極被放置在壓電層的相同側，這兩個電極是叉指形電極。這種相同側叉指形電極會激發(fā)剪切波諧振。
公開號為CN101800524A的中國專利公開了一種具有非對稱叉指結構的剪切波模式薄膜體聲波諧振器技術方案，通過輸入電極和輸出電極之間的間距非等比例增加，降低了寄生干擾。
上述技術方案的缺點在于，在兩電極施加激勵時會同時產(chǎn)生垂直和平行壓電層極化軸方向的兩種分量，前者激發(fā)所需的剪切波諧振，而后者依然會激發(fā)壓電層中的縱波諧振，從而使得薄膜體聲波諧振器工作在兩種諧振模式共存的模式下，其單一剪切波模式的能量不高。因此這種混合模式諧振的薄膜體聲波諧振器在液體中工作時品質因數(shù)很難超過200，不能滿足進行高靈敏傳感應用時所能夠達到的靈敏度和分辨率要求。
為了使薄膜體聲波諧振器獲得高品質因數(shù)，需要通過電極設計減小平行壓電層極化軸的電場分量，從而提高剪切波諧振的激發(fā)效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足和缺陷，提出一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的: 一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，包括聲反射層、壓電層以及輸入電極對和輸出電極對，其特征在于，所述的輸入電極對由設置在壓電層上下兩表面的兩個相同形狀且相互連通的輸入上電極和輸入下電極組成，輸出電極對由設置在壓電層上下兩表面的兩個相同形狀且相互連通的輸出上電極和輸出下電極組成。
輸入下電極的橫向長度與壓電層厚度的比例以及輸出下電極的橫向長度與壓電層厚度的比例都介于50至150之間。
輸入下電極的橫向長度與橫向電極間隔距離的比例以及輸出下電極的橫向長度與橫向電極間隔距離的比例都介于20至100之間。
輸入下電極距壓電層外側邊界的距離以及輸出下電極距壓電層外側邊界的距離都大于壓電層厚度的10倍。
所述的輸入電極對和輸出電極對中上下兩電極之間設置有通孔，其截面積小于輸入下電極和輸出下電極面積的十分之一，其中心距電極側邊的距離為壓電層厚度的10倍至50倍。
在本發(fā)明中，輸入電極對和輸出電極對中相應的上下電極相互連通，在器件工作時電位相等。壓電層上方的兩電極產(chǎn)生的電場平行極化軸分量方向向下，而壓電層下方的兩電極產(chǎn)生的電場平行極化軸的分量方向向上，兩者相互抵消，從而提高了剪切波諧振的激發(fā)效率。
與以往的技術相比，本發(fā)明的有益效果在于在壓電層中能夠獲得完全的純剪切波模式諧振，使器件獲得較高的品質因數(shù)，從而在液體傳感中具有更高的靈敏度和分辨率。


附圖1為本發(fā)明的器件結構。
附圖2為 本發(fā)明實施例1的電極形狀示意圖。
附圖3為本發(fā)明實施例1的回波損耗Sll曲線測試結果。
附圖4為本發(fā)明實施例2的電極形狀示意圖。
附圖5為本發(fā)明實施例2的回波損耗Sll曲線測試結果。
具體實施方式
如附圖1所示的一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，包括基片101、聲反射層102、壓電層103以及輸入電極對104和輸出電極對105。
該諧振器采用標準的半導體微加工工藝進行制造，包括濺射、光刻、等離子體和反應離子刻蝕、濕法刻蝕以及犧牲層工藝。
硅或玻璃可作為該諧振器的基片101，聲反射層102可以采用橫膈膜結構、空氣隙結構或由周期性聲阻抗不同的膜層交替構成的布拉格結構。
壓電層103可以采用氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛薄膜或以這些材料為基質進行摻雜而成的復合壓電薄膜材料，壓電層103的極化軸垂直于基片101表面。
該諧振器中輸入電極對104和輸出電極對105分別由設置在壓電層上下兩表面的兩個相同形狀且相互連通的電極組成，即相互連通的輸入上電極106和輸入下電極107以及相互連通的輸出上電極108和輸出下電極109。
當器件工作時，在輸入電極對104與輸出電極對105之間施加射頻激勵117，由于壓電層上下表面對應兩電極的形狀相同，所產(chǎn)生的電場分布對稱。壓電層上方的平行極化軸的電場分量118方向向下,壓電層下方的平行極化軸的電場分量119方向向上,兩者相互抵消。同時兩電極對所產(chǎn)生的垂直極化軸電場分量相互加強，從而形成較強的單一剪切波激勵電場120。
為使所形成的剪切波激勵電場120分布均勻且強度最大，各電極的特征為:輸入下電極107的橫向長度110與壓電層103厚度的比例以及輸出下電極109的橫向長度111與壓電層103厚度的比例都介于50至150之間。輸入下電極107的橫向長度110與橫向電極間隔距離112的比例以及輸出下電極109的橫向長度111與橫向電極間隔距離112的比例都介于20至100之間。輸入下電極107距壓電層外側邊界的距離113以及輸出下電極109距壓電層外側邊界的距離114都大于壓電層103厚度的10倍。
為使上下兩表面對應兩電極相互連通，在壓電層103上下兩表面的兩電極間設置有通孔115，通孔115內(nèi)填充金屬進行導電。為使壓電層103中的電場分布和聲波傳播不受通孔115的影響,通孔115的截面積小于輸入下電極107和輸出下電極109面積的十分之一，其中心距電極側邊的距離116為壓電層103厚度的10倍至50倍。
具體實施中，根據(jù)不同應用需求，壓電層103同一表面兩個電極為相互平行的長條狀或插值狀或環(huán)繞形狀，其面積可以相同，也可以不同。各電極的材料可采用金屬薄膜、導電多晶硅、導電氧化物以及這些材料的組合。根據(jù)所采用的聲反射層102結構、壓電層103材料以及各電極的材料、形狀、面積等，通過數(shù)值仿真和實際試驗，確定最優(yōu)的上述具體電極結構參數(shù)。
實施例1 本實施例為采用空氣隙結構聲反射層的剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，其結構如圖1所示。
該器件制作·在硅基片101上，在壓電層103下方設置空氣隙作為聲反射層102。壓電層103為氮化鋁薄膜，其厚度為I微米。輸入下電極107和輸出下電極109為如圖2所示的相互平行的長條狀。輸入下電極107的橫向長度110為100微米，其面積為0.03平方暈米。輸出下電極109的橫向長度111為200微米,其面積為0.06平方暈米。
根據(jù)數(shù)值仿真結果和比對試驗，設計優(yōu)化的電極的結構參數(shù)為:橫向電極間隔距離112為3微米，輸入下電極107距壓電層外側邊界的距離113為15微米，輸出下電極距壓電層外側邊界的距離114為20微米。通孔115的半徑為10微米，其中心位置距電極側邊的距離116為15微米。
將輸入電極對104與輸出電極對105接入網(wǎng)路分析儀進行諧振性能測試，測量得到在空氣和水中工作時的器件回波損耗Sll曲線如圖3所示?？梢钥吹剑撈骷H存在3.06GHz附近的剪切波諧振，而不存在5.2 GHz附近的縱波諧振。在空氣中該器件剪切波的品質因數(shù)為650，在水中該器件剪切波的品質因數(shù)為580，說明該器件在水中的性能較以往剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器有了較大提高。
實施例2 本實施例為采用布拉格結構聲反射層的剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，其結構如圖1所示。
該器件制作在硅基片101上，在壓電層103下方設置由氮化鋅和氧化硅交替組成的3周期膜層作為聲反射層102，其中氧化鋅厚度為0.75微米，氧化硅為0.64微米。壓電層103為氧化鋅薄膜，其厚度為1.5微米。輸入下電極107和輸出下電極109為如圖4所示的環(huán)繞形狀。輸入下電極107的橫向長度110為150微米，其面積為0.07平方毫米。輸出下電極109的橫向長度111為200微米，其面積為0.1平方毫米。
根據(jù)數(shù)值仿真結果和比對試驗，設計優(yōu)化的電極的結構參數(shù)為:橫向電極間隔距離112為2微米，輸入下電極107距壓電層外側邊界的距離113為20微米，輸出下電極距壓電層外側邊界的距離114為25微米。通孔115的半徑為20微米，其中心位置距電極側邊的距離116為20微米。
將輸入電極對與輸出電極對接入網(wǎng)路分析儀進行諧振性能測試，測量得到在空氣和水中工作時的器件回波損耗Sll曲線如圖5所示?？梢钥吹剑撈骷H存在976MHz附近的剪切波諧振，而不存在2.1 GHz附近的縱波諧振。在空氣中該器件剪切波的品質因數(shù)為550，在水中該器件剪切波的品質因數(shù)為460，說明該器件在水中的性能較以往剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器有了較大提高。 ·
權利要求
1.一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，包括基片(101)、聲反射層(102)、壓電層(103)以及輸入電極對(104)和輸出電極對(105)，其特征在于，所述的輸入電極對(104)由設置在壓電層(103)上下兩表面的兩個相同形狀且相互連通的輸入上電極(106)和輸入下電極(107)組成,輸出電極對(105)由設置在壓電層(103)上下兩表面的兩個相同形狀且相互連通的輸出上電極(108)和輸出下電極(109)組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，輸入下電極(107)的橫向長度(110)與壓電層(103)厚度的比例以及輸出下電極(109)的橫向長度(111)與壓電層(103 )厚度的比例都介于50至150之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，輸入下電極(107)的橫向長度(110)與橫向電極間隔距離(112)的比例以及輸出下電極(109)的橫向長度(111)與橫向電極間隔距離(112)的比例都介于20至100之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，輸入下電極(107)距壓電層外側邊界的距離(113)以及輸出下電極(109)距壓電層外側邊界的距離(114)都大于壓電層(103)厚度的10倍。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，輸入電極對(104)和輸出電極對(105)中上下兩電極之間設置有通孔(115)，其截面積小于輸入下電極(107)和輸出下電極(109)面積的十分之一，其中心距電極側邊的距離(116)為壓電層(103)厚度的 10倍至50倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效激發(fā)剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，包括聲反射層、壓電層以及輸入電極對和輸出電極對，輸入電極對和輸出電極對均由設置在壓電層上下兩表面的兩個相同形狀且相互連通的上電極和下電極組成。壓電層上下表面對應兩電極所產(chǎn)生的電場分布對稱，使平行極化軸的電場分量相互抵消，而垂直極化軸電場分量相互加強，形成較強的單一剪切波激勵電場。該器件在壓電層中能夠獲得完全的純剪切波模式諧振，品質因數(shù)高，從而在液體生化傳感中具有更高的靈敏度和分辨率。
文檔編號H03H9/15GK103236823SQ201310138350
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優(yōu)先權日2013年4月19日
發(fā)明者陳達, 王璟璟, 孫學軍, 金熒熒, 干耀國 申請人:山東科技大學