CN101846653B

CN101846653B - 一种多边形电极的压电薄膜体声波传感器

Info

Publication number: CN101846653B
Application number: CN2010101643471A
Authority: CN
Inventors: 顾豪爽; 熊娟; 吴雯; 杜鹏飞; 胡明哲; 胡永民
Original assignee: Hubei University
Current assignee: Hubei University
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: CN101846653A

Abstract

本发明提出了一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，它包括衬底、压电薄膜、分布于压电薄膜两表面的上下金属电极、电极引线以及覆盖在所述上电极表面的敏感膜。压电薄膜上的上下电极有一个或者两个是多边形，该多边形为任意两边不平行、内角均为钝角、边数小于10的多边形，其中正五边形的效果最好。本发明减小微波信号在平行边及锐角或直角处产生较强的反射，提高声波的振动效率，改善了器件的品质因数和测试灵敏度，增加了传感器的负载测试范围。本传感器同时还具有结构简单、制作方便、可靠性高、可采用微机械加工(MEMS)工艺流程制作等优点，也可用于其它声波谐振器和传感器。

Description

一种多边形电极的压电薄膜体声波传感器

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及到一种适于液体和气体检测的具有多边形电极的压电薄膜体声波传感器。

背景技术

体声波传感器是一类通用的物理、化学和生物传感器，具有操作简便、响应速度快、灵敏度高、无需标记等优点，在食品安全检测、药物研发、临床医学检验、环境监测等领域具有广阔的应用前景。采用微电子机械系统(MEMS)技术促进了体声波传感器技术向微型化、集成化和智能化的发展，同时还具有低成本、低功耗、易集成等优点。

体声波用于气体和特殊物质检测时，可以采用纵波振动模式也可以采用剪切波振动模式。但为了减小声波能量向被分析物中散射，大部分采用的是剪切波模式。以厚度剪切模式振动的体声波传感器由于具有较高的质量灵敏度已广泛用于各种气相和液相的生物化学测量。这类传感器通过在一定切向的压电晶片或压电薄膜两面敷设电极，当施加交变电压后可激发沿厚度方向传播的剪切波。测量时晶体上有效负载的变化会影响其谐振频率，通过检测传感器上敏感膜与待测物接触后器件谐振频率的漂移可实现各种气相和液相的生物化学测量。根据压电体声波传感器测试原理，传感器的谐振频率是由压电晶片或压电薄膜的厚度决定。由于压电晶片厚度受切割工艺的制约，只能工作于较低的频率范围(MHz)，难以继续提高，因此该类传感器存在检测灵敏度低等问题。而采用MEMS加工技术制作的压电薄膜体声波传感器谐振频率能达GHz以上，质量检测下限可以达到ng级，因此成为当前国际上研究的热点。

根据压电薄膜体声波传感器设计原理，传感器的谐振频率由压电薄膜、金属电极的厚度共同决定。电极是该类传感器的重要组成部分，电极的材料、形状、厚度以及由上下电极相对区域构成的谐振区面积大小都会直接影响薄膜体声波传感器的品质因数(Q值)和动态阻抗等关键参数，从而影响传感器的频率稳定性与负载测量范围。

现有的压电传感器通常采用圆形电极。声波在压电晶体或压电薄膜两面的电极之间传播时，晶体表面的质点位移主要沿某一特定晶轴方向，具有非圆形对称性，微波信号在传输过程中会在平行边及锐角或直角处产生较强的反射，引起损耗与附加的谐振(也称之为伪谐振)。而圆形可看作无限多平行边图形的近似，因此体声波传感器中圆形电极的使用将影响传感器的灵敏性与频率稳定性。

中国专利“压电晶体谐振器电极形状设计方法”(200810030833.7)报道了一种让压电谐振器电极形状在每个方向都满足Bechmann系数的设计方法。此方法设计的压电谐振器虽然性能有所提高，但这种方法获得的电极形状比较复杂，造成器件加工工艺复杂，生产成本提高。本发明提出了一种加工简单、性能优越的具有多边形电极的薄膜体声波传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服已有压电传感器测量性能的不足，提出一种任意两边不平行、内角均为钝角的多边形电极的薄膜体声波传感器。本发明提出的具有多边形的薄膜体声波传感器很好的改善了器件的品质因数，提高了器件的灵敏度与频率稳定性，特别是提高了器件对大阻尼液相的频率响应特性，并且结构简单、制作方便、可靠性高。

本发明的技术方案如下：

一种具有多边形电极的压电薄膜体声波传感器，包括衬底、压电薄膜、分布于压电薄膜上下表面的金属电极、电极引线以及覆盖在所述上电极表面的敏感膜，压电薄膜两表面的上下电极有一个或者两个是多边形，该多边形为任意两边不平行、内角均为钝角、边数小于10的多边形。

所述的一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，其多边形可以是正五边形、非正五边形、正七边形、非正七边形、正九边形、非正九边形、非正六边形、非正八边形等，其中正五边形的效果最好。

所述的一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，压电薄膜两表面的上下电极只有一个金属电极为多边形时，其面积应小于另一个金属电极的面积。

所述的一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，压电薄膜是沿c轴择优取向或c轴倾斜择优取向的压电薄膜。

所述的一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，压电薄膜生长在Si衬底或GaAs衬底表面。

当本薄膜体声波传感器用于气相检测时，通常传感器的两个电极都设计成多边形且大小相等、两多边形的各条边上下对齐，与气体接触的电极表面敷设的敏感膜吸附被测物质后，传感器谐振频率发生变化而反映气体的相关参数。与传统的具有圆形电极的压电传感器相比，本传感器工作时的频率稳定性、信噪比更高，从而导致测量灵敏度提高。

当本薄膜体声波传感器用于大阻尼液相检测时，通常传感器只有上电极与被测液相基础。为消除厚度剪切振动的体声波边缘对测试结果的影响，与液相接触的压电薄膜表面全部覆盖金属电极，而另一表面为多边形金属电极。与常用的具有圆形电极的压电传感器相比，本压电薄膜体声波传感器可以在粘度更大的液相中实现检测，因而具有更大的粘度检测范围。

本薄膜体声波传感器同时还具有结构简单，可采用微机械加工(MEMS)工艺流程制作等优点，

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明

图1是本发明具有单面五边形电极和单面全金属电极的压电薄膜体声波传感器示意图；

图2是本发明具有双面五边形电极的压电薄膜体声波传感器示意图；

图3是现有技术中具有双面圆形电极的压电薄膜体声波传感器示意图；

图4是双面五边形电极的压电薄膜体声波传感器的S₁₁参数测试曲线；

图5是双面圆形金属电极的压电薄膜体声波传感器的S₁₁参数测试曲线。

其中1——衬底，2——五边形金属下电极，3——AlN压电薄膜，4——全面金属上电极，5——敏感膜，6——五边形金属上电极，7——五边形敏感膜，8——圆形金属下电极，9——圆形金属上电极，10——圆形敏感膜。

具体实施方式

实施例1

单面五边形电极和单面全金属电极的压电薄膜体声波传感器。

1、选取p型(100)晶向Si衬底(1)，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗；

2、沉积金属下电极(2)，通过光刻、刻蚀形成五边形金属下电极；

3、采用磁控溅射方法，以高纯Al为靶材、Ar与N₂为反应气体沉积平行c轴择优取向的AlN压电薄膜(3)，并光刻、刻蚀AlN膜层，露出五边形金属下电极的引线；

4、沉积一层覆盖AlN薄膜上表面的单面全金属上电极(4)，并将上电极引至AlN薄膜的下表面与外电路连接；

5、沉积一层覆盖单面全金属上电极的敏感膜Au(5)。

实施例2

双面五边形金属电极的压电薄膜体声波传感器。

2、沉积五边形金属下电极(2)，通过光刻、刻蚀形成五边形金属下电极；

4、沉积五边形金属上电极(6)，通过光刻、刻蚀形成五边形金属上电极；

5、沉积敏感膜Au(7)，通过光刻、刻蚀形成与五边形金属上电极相同形状与面积的敏感膜。

实施例3

双面圆形金属电极的压电薄膜体声波传感器。

2、沉积圆形金属下电极(8)，通过光刻、刻蚀形成圆形金属下电极；

3、采用磁控溅射方法，以高纯Al为靶材、Ar与N₂为反应气体沉积平行c轴择优取向的AlN压电薄膜(3)，并光刻、刻蚀AlN膜层，露出圆形金属下电极的引线；

4、沉积圆形金属上电极(9)，通过光刻、刻蚀形成圆形金属上电极；

5、沉积敏感膜Au(10)，通过光刻、刻蚀形成与圆形金属上电极相同形状与面积的敏感膜。

在实施例2和实施例3中，分别对具有双面五边形电极和双面圆形电极的压电薄膜体声波传感器进行了S₁₁参数的测试，如图4和图5所示。可见实施例3中传感器的S₁₁参数出现了两处附加的伪谐振，而实施例2中传感器的S₁₁参数仅出现一个频率点处的谐振，且该传感器的插入损耗比实施例3得到明显改善。

Claims

1.一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，包括衬底、压电薄膜、上下金属电极、电极引线以及覆盖在上电极表面的敏感膜，其特征在于压电薄膜两表面的上下电极有一个或者两个是多边形，该多边形为任意两边不平行、内角均为钝角、边数小于10的多边形。

2.根据权利要求1所述的具有多边形电极的薄膜体声波传感器，其特征在于压电薄膜两表面的上下电极有一个为任意两边不平行、内角均为钝角、边数小于10的多边形时，其面积小于另一个金属电极的面积。

3.根据权利要求1或2所述的具有多边形电极的薄膜体声波传感器，其特征在于所述的多边形是正五边形、或非正五边形、或正七边形、或非正七边形、或正九边形、或非正九边形、或非正六边形、或非正八边形。

4.根据权利要求1或2所述的具有多边形电极的薄膜体声波传感器，其特征在于所述的压电薄膜是c轴择优取向或c轴倾斜择优取向的压电薄膜。

5.根据权利要求1或2所述的具有多边形电极的薄膜体声波传感器，其特征在于所述的压电薄膜是生长在Si衬底或GaAs衬底表面。

6.根据权利要求1或2所述的具有多边形电极的薄膜体声波传感器，其特征在于所述的覆盖在上电极表面的敏感膜是Au、Pt、Pb、ZnO金属催化物。