CN102066919B - 衬底的声学镜上的压电声学谐振器的装置、用于制造该装置的方法以及该装置的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种位于衬底的衬底表面上的至少一个压电声学谐振器的装置，其中所述谐振器具有至少一个压电层、电极和至少一个另外的电极，这些部件被彼此布置为使得对所述电极的确定电操控导致所述谐振器以一谐振频率谐振，所述衬底的衬底表面由集成在衬底中的用于使所述衬底和所述谐振器彼此声学绝缘的声学镜形成，并且存在至少一个用于确定所述谐振器的谐振频率的分析设备。该装置的特征在于，所述分析设备和至少一个所述电极通过电印制导线彼此导电连接，并且所述电印制导线被引导穿过所述声学镜的镜开口。所述声学镜优选地具有布拉格反射器，该布拉格反射器具有声阻抗不同的厚度为λ/4的层。在此，最上面的层由二氧化硅制成。该层也充当镜开口中的用于使印制导线和布拉格反射器的导电层彼此电绝缘的绝缘层。该装置可用作用于检测尤其是液体形式的流体物质的装置的物理换能器（生物传感器）。
Description
背景技术
本发明涉及一种衬底的衬底表面上的至少一个压电声学谐振器的装置，其中该谐振器具有至少一个压电层、电极以及至少一个另外的电极，这些部件被彼此布置为使得对所述电极的确定电操控导致该谐振器以一谐振频率谐振，该衬底的衬底表面由集成在该衬底中的用于使该衬底和谐振器彼此声学绝缘的声学镜形成，并且存在至少一个用于确定该谐振器的谐振频率的分析设备。此外，说明有一种用于制造该装置的方法以及该装置的一种应用。
背景技术
压电声学谐振器例如是压电声学薄膜谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator（薄膜体声波谐振器），FBAR）。这样的薄膜谐振器例如在WO 2004/017063 A2中予以描述。薄膜谐振器例如由两个电极层和被布置在这些电极层之间的压电陶瓷层形式的压电层构成。该压电陶瓷层是由氧化锌单晶构成的多晶层。这些电极层例如由铂构成。这些电极层和压电陶瓷层被彼此布置为使得用交变电场对电极层的电操控导致该谐振器的谐振。在用确定交变电场进行操控的情况下，导致以确定谐振频率进行谐振。振动的谐振频率尤其是与这些层的层厚度有关。由于氧化锌单晶的取向，薄膜谐振器可以被激励为纵向厚度振动以及剪切厚度振动。
为了在衬底—例如硅衬底—上产生薄膜谐振器的层，执行汽化沉积方法（从气相中的沉积）。为了确定谐振频率，在衬底中集成有分析设备。在现有技术中未说明的是，如何使该分析设备与薄膜谐振器的电极层电接触。
发明内容
本发明的任务是指出，如何能够节省空间地和可靠地对压电声学谐振器的电极进行电接触，从而该谐振器的谐振频率可以被确定。
为了解决该任务，说明一种位于衬底的衬底表面上的至少一个压电声学谐振器的装置，其中所述谐振器具有至少一个压电层、电极和至少一个另外的电极，所述部件被彼此布置为使得对所述电极的确定电操控导致所述谐振器以一谐振频率谐振，所述衬底的衬底表面由集成在衬底中的用于使衬底和谐振器彼此声学绝缘的声学镜形成，并且存在用于确定所述谐振器的谐振频率的至少一个分析设备。该装置的特征在于，分析设备和所述电极至少之一通过电印制导线彼此导电连接，并且所述电印制导线被引导穿过所述声学镜的镜开口。所述电印制导线用作所述压电声学谐振器的信号线或地线。
为了解决该任务，还说明一种具有下列方法步骤的用于制造该装置的方法：
a）提供衬底，所述衬底具有形成衬底表面的声学镜以及存在于所述镜中的镜开口，通过所述镜开口可以导电连接分析设备的读取电路；以及b）将电印制导线在所述镜开口中布置为使得所述读取电路和所述电印制导线导电连接。
在方法方面，为了提供衬底尤其是执行下列另外的方法步骤：a'）提供衬底，该衬底具有集成在衬底中的读取电路；a''）将声学镜涂覆在衬底上读取电路之上，使得所述声学镜形成所述衬底的衬底表面；以及a'''）生成所述声学镜中的镜开口，使得可到达所述读取电路。在此，所述压电声学谐振器优选地在产生所述镜开口以前被布置在所述声学镜上。
优选地使用具有镜层堆叠的声学镜，所述镜层堆叠具有交替地相叠堆叠的层，这些层具有彼此相比不同的声阻抗，并且这些层中的每一个具有对应于结果得到谐振器的谐振的谐振波长λ的大致四分之一的层厚度。为了对这些层进行沉积，优选地使用汽化沉积方法，例如化学汽化沉积方法（Chemical Vapour Deposition（化学气相沉积），CVD）或者物理汽化沉积方法（Physical Vapour Deposition（物理气相沉积），PVD）。结果得到具有厚度为λ/4的层的布拉格反射器（Bragg－Reflektor）形式的声学镜。结合硅衬底特别合适地得出由二氧化硅和钨构成的层交替地相叠堆叠所构成的层序列。
在一个特别的扩展方案中，所述声学镜的镜开口的侧向边缘（侧壁）具有电开口绝缘层，该电开口绝缘层具有开口绝缘材料并且在该电开口绝缘层的上面涂覆有电印制导线。
根据一个特别的扩展方案，所述镜层堆叠的最上面的形成衬底表面的层具有电镜绝缘层，该电镜绝缘层具有电镜绝缘材料。所述电镜绝缘材料和所述开口绝缘材料基本上相同。这意味着，所述镜绝缘层与所述开口绝缘层同样由二氧化硅制成。在此，尤其是镜绝缘层的层厚度和开口绝缘层的层厚度基本上相同。层厚度特别优选地为结果得到的谐振器谐振的谐振波长λ的大致四分之一。
根据一个特别的扩展方案，所述镜绝缘层和所述开口绝缘层形成联合的总绝缘层。为此，尤其是在产生所述镜开口以后在所述镜开口中涂覆开口绝缘层，并且在涂覆开口绝缘层期间将镜绝缘层涂覆为使得所述镜绝缘层形成所述衬底的衬底表面。这些绝缘层在单个方法步骤中产生。但是原则上也可以相继地以及由不同的绝缘材料制造这些绝缘层。
在涂覆镜绝缘层以后，所述谐振器被施加到所述衬底的由所述镜绝缘层形成的衬底表面上。
根据一个特别的扩展方案，谐振器是薄膜谐振器。电极是电极层。所述电极层和压电层可以被任意地相对于彼此布置。但是所述薄膜谐振器优选地具有谐振器层堆叠（Resonator-Schicht-Stapel）。在此，所述电极之一具有在声学镜上涂覆的电极层。在所述电极层之上涂覆有压电层。另一电极具有直接在压电层上涂覆的另一电极层。由此产生谐振器层堆叠，其中在电极层之间布置有所述谐振器的压电层。
所述压电层优选地为由氧化锌或氮化铝制成的多晶层。在相应单晶体的极性C轴（polare C-Achse）的合适取向的情况下，可以将压电声学谐振器激励为厚度剪切振动。
该装置可用作用于检测流体物质的装置的物理换能器。在此所利用的效应是，通过覆盖谐振器的谐振器表面，该谐振器的质量增加并且由此薄膜谐振器的谐振频率减小。由于剪切厚度振动，可以借助于该装置来研究液体形式的流体。
本发明的下列优点应当予以强调：
－借助于本发明，可以节省空间地在衬底上构造由压电声学谐振器构成的所述装置。
－由声学镜的镜层堆叠最上面的二氧化硅层和开口绝缘层组成的总绝缘层的使用尤其是导致电印制导线与金属镜层（钨镜层）之间的可靠电绝缘。
－在总绝缘层的鉴于声学镜所选的λ/4的层厚度的情况下，同时导致电印制导线和声学镜彼此之间的良好的电容耦合。在由SiO2制成的总绝缘层的情况下，在1 GHz以下的谐振频率时，实现总绝缘层的1μm以上的层厚度并且由此实现有效的电绝缘。
－不需要附加的绝缘层。这导致相对小的制造成本。
－将最上面的镜层用作绝缘层导致声学镜构造的部分偏振化，这有利于后面在构造谐振器时可能需要的光刻过程。
附图说明
下面根据实施例和相关附图进一步阐述本发明。这些附图是示意性的并且不是比例正确的图。
图1至3以侧视截面图分别示出在用于制造衬底的衬底表面上的压电声学谐振器的装置的方法期间所经历的开发阶段的片段。
具体实施方式
根据实施例，装置1具有谐振器阵列，所述谐振器阵列由分别位于衬底12的衬底表面121上的三个压电声学谐振器11构成。这些压电声学谐振器是压电声学薄膜谐振器。这些谐振器由谐振器层堆叠11构成，该谐振器层堆叠11具有电极或电极层113、另一电极或另一电极层114、以及被布置在这些电极层之间的压电层112。该压电层是多晶陶瓷层氧化锌（氧化锌膜）。氧化锌膜的氧化锌单晶的极性C轴相对于衬底表面倾斜。由此，通过对电极层进行电操控不仅可以将谐振器激励为纵向厚度振动，而且也可以激励为剪切厚度振动。氧化锌膜的层厚度为大致0.5 μm。电极层由铂构成。上电极层为大致100 nm厚，并且下电极层为890 nm厚。薄膜谐振器的侧向伸展为大致200 μm。
衬底12的衬底表面121由集成在该衬底中的用于使该衬底和谐振器彼此声学绝缘的声学镜14形成。该声学镜具有镜层堆叠141。该镜层堆叠是布拉格反射器，其中具有较低声阻抗的层1411与具有较高声阻抗的层1412被相叠地堆叠。具有较低声阻抗的层由二氧化硅构成。具有较高声阻抗的层由钨构成。声阻抗不同的这些层的层厚度为谐振器谐振的谐振波长的大致四分之一。
在衬底中集成有用于确定谐振器的谐振频率的分析设备13。该分析设备具有读取电路131。该读取电路与电极中的至少一个导电连接。为此，电印制导线15被引导穿过镜开口142。该印制导线由铝构成。镜开口的侧面边缘（侧壁）1421具有用于使电印制导线15和导电钨层1411电绝缘的开口绝缘层1422。该开口绝缘层由二氧化硅构成。
镜层堆叠的最上面的层形成镜绝缘层1414。该镜绝缘层和开口绝缘层一起形成总绝缘层143。镜绝缘层形成衬底的衬底表面。在镜绝缘层上直接涂覆有薄膜谐振器的电极层。
为了制造该装置执行下列方法步骤：a）提供由硅构成的衬底，该衬底具有形成衬底表面121的声学镜14和存在于镜中的镜开口142，通过该镜开口142，可以导电连接分析设备的集成在衬底中的读取电路；以及b）将电印制导线在镜开口中布置为使得读取电路和电印制导线彼此导电连接。
为了提供该衬底执行下列另外的方法步骤：a'）提供衬底，该衬底具有集成在该衬底中的读取电路；a''）将声学镜涂覆在衬底上读取电路之上，使得声学镜形成该衬底的衬底表面；以及a'''）生成声学镜中的镜开口，使得可到达读取电路。
为了产生声学镜，声阻抗不同的各个层通过汽化沉积方法被涂覆。为了提供镜开口，在涂覆镜层堆叠以后，在下面存在读取电路的位置处的镜层堆叠的材料被再次除去。
接着，在汽化沉积方法中，由二氧化硅制成的由开口绝缘层和镜绝缘层构成的总绝缘层被涂覆。这在单个方法步骤中进行。总绝缘层实现两个功能：总绝缘层作为声学镜的组成部分有助于对谐振器和衬底彼此间的声学绝缘。除此之外，该总绝缘层充当电绝缘体。
接下来，施加谐振器。这以公知方式通过从气相中沉积相应的层来进行。
接着，产生开口绝缘层区域中的开口。穿过该开口对谐振器的电极层和相应读取电路进行电接触。
该装置可用作用于检测流体物质的装置的物理换能器。由于不仅能够将谐振器激励为纵向厚度振动，而且还激励为剪切厚度振动，该装置适于用在液体形式的流体中。
Claims (18)
1.一种位于衬底（12）的衬底表面（121）上的至少一个压电声学谐振器（10）的装置，其中
－所述谐振器具有至少一个压电层（112）、第一电极（113）和至少一个第二电极（114），这些部件被彼此布置为使得对第一和第二电极（113，114）的确定电操控导致所述谐振器以一谐振频率谐振；
－所述衬底的衬底表面由集成在衬底中的用于使所述衬底和所述谐振器彼此声学绝缘的声学镜（14）形成；以及
－存在至少一个用于确定所述谐振器的谐振频率的分析设备（13）；
－所述分析设备和所述第一和第二电极（113，114）中的至少一个通过电印制导线（15）彼此导电连接；以及
－所述电印制导线被引导穿过所述声学镜的镜开口（142），并且其中
－所述声学镜具有镜层堆叠，所述镜层堆叠的最上面的层形成镜绝缘层（1414），所述镜层堆叠的镜绝缘层和开口绝缘层一起形成总绝缘层（143），所述总绝缘层配备有谐振器的谐振的谐振波长的四分之一的厚度，在所述镜层堆叠中具有彼此相比而言较低声阻抗以及较高声阻抗的层（1411，1412）被交替地相叠堆叠，其中这些层（1411，1412）分别具有对应于所述谐振器的谐振的谐振波长的大致四分之一的层厚度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述声学镜的镜开口的侧向边缘（1421）具有电开口绝缘层（1422），所述电开口绝缘层（1422）具有开口绝缘材料并且在所述电开口绝缘层（1422）的上面涂覆有电印制导线。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述分析设备具有集成在所述衬底中的读取电路（131），所述读取电路（131）通过所述电印制导线与第一电极（113）导电连接。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述谐振器是薄膜谐振器。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一电极（113）具有直接在所述声学镜上涂覆的第一电极层。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第二电极（114）具有第二电极层，所述第二电极层被涂覆在压电层上。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第二电极层被涂覆在所述压电层上，使得所述第一电极层、所述第二电极层以及所述压电层形成谐振器层堆叠（111），其中所述压电层被布置在第一和第二电极层之间。
8.根据权利要求1、2或7之一所述的装置，其中具有较低声阻抗的层（1411）具有二氧化硅。
9.根据权利要求1、2或7之一所述的装置，其中具有较高声阻抗的层（1412）具有元素钨。
10.根据权利要求2所述的装置，其中所述镜层堆叠的最上面的形成所述衬底的衬底表面的层具有电镜绝缘层（1411），所述电镜绝缘层（1411）具有电镜绝缘材料，并且所述电镜绝缘材料和所述开口绝缘材料基本上相同。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述镜绝缘层的层厚度和所述开口绝缘层的层厚度基本上相同。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述开口绝缘材料和所述镜绝缘材料具有二氧化硅。
13.一种用于制造根据权利要求1至12之一所述装置的方法，具有下列方法步骤：
a）提供衬底，所述衬底具有形成衬底表面的声学镜以及存在于所述声学镜中的镜开口，通过所述镜开口能够导电连接分析设备的读取电路；以及
b）将电印制导线在所述镜开口中布置为使得所述读取电路和所述电印制导线导电连接，和
c）将镜层堆叠最上面的镜层用作绝缘层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中为了提供所述衬底而执行下列另外的方法步骤：
a'）提供衬底，所述衬底具有集成在衬底中的读取电路；
a''）将所述声学镜在所述衬底上涂覆在所述读取电路之上，使得所述声学镜形成所述衬底的衬底表面；以及
a'''）生成所述声学镜中的镜开口，使得能到达所述读取电路。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中使用具有镜层堆叠的声学镜，所述镜层堆叠具有交替地相叠堆叠的层，这些层具有彼此相比而言较低或较高的声阻抗，并且这些层分别具有对应于结果得到谐振器的谐振的谐振波长的大致四分之一的层厚度。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其中在产生所述镜开口以后涂覆所述开口绝缘层，并且在涂覆开口绝缘层期间将镜绝缘层涂覆为使得所述镜绝缘层形成所述衬底的衬底表面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在涂覆所述镜绝缘层以后，所述谐振器被施加到所述衬底的由所述镜绝缘层形成的衬底表面上。
18.一种将根据权利要求1至12之一所述的装置用作用于检测流体物质的装置的物理换能器的应用。
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