CN103269209B - 一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器，包括基片、声反射层、压电层以及设置于压电层表面的至少一对电极对。电极对中两个电极的内侧边缘为至少包含两个尖齿的锯齿形状，外侧边缘为相互平行的直线，两个电极的长度相同。两个电极激发出的电场非对称分布，抑制纵波模式谐振和声表面波、次表面波等寄生杂波的产生，提高剪切波模式谐振的品质因数，从而在液体生化传感中具有更高的灵敏度和分辨率。

Description

一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器

技术领域

本发明涉及压电谐振器技术领域，具体的说，是涉及一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器。

背景技术

薄膜体声波谐振器是近年来在射频通信和生化传感领域中受到广泛关注的新型电声微纳器件。该器件基于压电薄膜产生高频电声谐振的原理，可以在硅片上采用现有半导体工艺进行制造，器件体积小，适合在集成电路中进行集成。薄膜体声波谐振器中压电层的电声谐振模式可以存在纵波和剪切波两种模式。在射频通信领域和气体传感领域，薄膜体声波谐振器工作在空气中，主要是以纵波模式谐振的三明治结构。在使用薄膜体声波谐振器进行液体环境中的生化传感时，剪切波谐振模式比纵波谐振受到的液体阻尼更小，因此剪切波谐振的薄膜体声波谐振器更适合在生化传感领域中应用。薄膜体声波谐振器有希望应用于化学物质分析以及生物基因检测、蛋白质分析等方面。

目前激发薄膜体声波谐振器压电层中的剪切波模式谐振的方法主要是在沿垂直于压电层极化轴的方向施加电场。例如：

瑞典林雪平大学G.Wingqvist等人在Surface&CoatingsTechnology（表面和涂层技术）杂志2010年第205卷1279页的文章“AlN-basedsputter-depositedshearmodethinfilmbulkacousticresonator(FBAR)forbiosensorapplications-Areview”（基于溅射沉积氮化铝的剪切波薄膜体声波谐振器在生物传感器中的应用综述）中报道了一种剪切波模式薄膜电声器件的技术方案。该方案采用的采用c轴倾斜30度的氮化铝压电薄膜，在氮化铝压电薄膜上下表面设置电极施加垂直电场，通过在c轴垂直方向的电场分量激发剪切波谐振。

美国专利US5936150公开了一种采用平面电极的薄膜体声波谐振器技术方案。通过设置与压电薄膜上表面的两个平行电极产生横向电场激发剪切波谐振。

公开号为CN1864063A的中国专利公开了一种剪切波模式薄膜体声波谐振器的技术方案，其压电堆栈的两个电极被放置在压电层的相同侧，这两个电极是叉指形电极。这种相同侧叉指形电极会剪切谐振。

公开号为CN101800524A的中国专利公开了一种具有非对称叉指结构的剪切模式薄膜体声波谐振器技术方案，通过输入电极和输出电极之间的间距非等比例增加降低寄生干扰。

上述技术方案的缺点在于，由于电极所激励的电场中存在垂直和平行压电层极化轴方向的两种分量，前者激发所需的剪切波谐振，而后者依然会激发压电层中的纵波谐振，从而使得薄膜体声波谐振器工作在两种谐振模式共存的模式下，其单一剪切波模式的能量不高。此外，目前的技术方案中所采用的产生电场的两个电极置于压电层两侧或置于压电层一侧且相互平行。这种电极产生的电场会激发少量压电层中的声表面波、兰姆波等寄生杂波，导致谐振能量分散。采用目前的技术方案的薄膜体声波谐振器在液体中工作时品质因数很难超过200，不能满足进行液体环境中高灵敏传感应用时所能够达到的灵敏度和分辨率要求。

为了使薄膜体声波谐振器获得高品质因数和敏感性能，需要通过电极设计抑制平行压电层极化轴的电场分量和寄生杂波的产生，从而提高剪切波谐振的激发效率。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器，包括基片、声反射层、压电层以及设置于压电层表面的至少一对电极对，其特征在于，电极对中两个电极的内侧边缘为至少包含两个尖齿的锯齿形状，外侧边缘为相互平行的直线，两个电极的长度相同。

电极对中两个电极的内侧边缘沿垂直外侧边缘方向的间隔距离为电极长度的四十分之一至二十分之一。

同一电极的内侧边缘与其外侧边缘之间沿垂直外侧边缘方向的间隔距离为电极长度的三十分之一至十分之一。

电极内侧边缘中尖齿的张角为30度至150度。

电极对中两个电极的面积相等，且大于两个电极间隔面积的五倍。

在本发明中，电极对中两个电极相对的一侧均为锯齿形，电极内侧各对应点之间的距离发不断变化，激发出的电场非对称分布。一方面，使沿垂直极化轴的电场分量发生紊乱，抑制纵波模式谐振的产生；另一方面，电极内侧的锯齿尖会产生较强的不规则电场，使其不能满足声表面波和次表面波等寄生杂波的激发条件。

与以往的技术相比，本发明的有益效果在于在压电层中能够获得较高效率的剪切波模式谐振，使器件在液体中获得较高的品质因数，从而具有更高的灵敏度和分辨率。

附图说明

附图1为本发明实施例1的电极形状示意图。

附图2为本发明的器件结构。

附图3为本发明实施例1的回波损耗S11曲线测试结果。

附图4为本发明实施例2的电极形状示意图。

附图5为本发明实施例2的回波损耗S11曲线测试结果。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器，包括基片201、声反射层202、压电层203以及设置于压电层表面的至少一对电极对204。

该谐振器采用标准的半导体微加工工艺进行制造，包括溅射、光刻、等离子体和反应离子刻蚀、湿法刻蚀以及牺牲层工艺。

硅或玻璃可作为该谐振器的基片201，声反射层202可以采用横膈膜结构、空气隙结构或由周期性声阻抗不同的膜层交替构成的布拉格结构。压电层203可以采用氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅薄膜或以这些材料为基质进行掺杂而成的复合压电薄膜材料，压电层的极化轴垂直于基片表面。

当器件工作时，在电极对204中两个电极间施加射频激励205。

为使沿垂直极化轴的电场分量发生紊乱，抑制纵波模式谐振和声表面波、次表面波等寄生杂波的产生，并保证足够的功率容量，两个电极的特征为：电极对204中两个电极的内侧边缘101为至少包含两个尖齿102的锯齿形状，外侧边缘103为相互平行的直线，两个电极的长度104相同。电极对204中两个电极的内侧边缘101沿垂直外侧边缘103方向的间隔距离为电极长度104的四十分之一至二十分之一。同一电极的内侧边缘101与其外侧边缘103之间沿垂直外侧边缘方向的间隔距离为电极长度104的三十分之一至十分之一。电极内侧边缘101中尖齿102的张角为30度至150度。电极对204中两个电极的面积相等，且大于两个电极间隔105面积的五倍。

具体实施中，根据不同应用需求，实际器件可以采用仅设置两个电极的长条状电极对，也可以采用插值状电极对。两个电极的材料可采用金属薄膜、导电多晶硅、导电氧化物以及这些材料的组合。根据所采用的声反射层202结构、压电层203材料以及各电极的形式、材料、面积等，通过数值仿真和实际试验，确定最优的上述具体电极结构参数。

实施例1

本实施例为采用长条状电极对方式的薄膜体声波谐振器，其电极形状如图1所示。

该器件制作在硅基片201上，在压电层203下方设置空气隙作为声反射层202。

压电层203为氮化铝薄膜，其厚度为1微米。采用一个电极对204，由两个长度为300微米的电极组成。两个电极的面积均为6324平方微米，两个电极间隔105面积为983平方微米。两个电极的内侧边缘101的尖齿102数量均为5个，其内侧边缘101沿垂直外侧边缘103方向的间隔距离为6微米至10微米。同一电极的内侧边缘101与其外侧边缘103之间沿垂直外侧边缘103方向的间隔距离为15微米至30微米。电极内侧边缘101中尖齿102的张角为30度至150度。

将两个电极接入网路分析仪进行谐振性能测试，测量得到在水中工作时的器件回波损耗S11曲线如图3所示。可以看到，该器件仅存在3.06GHz附近的剪切波谐振，品质因数为578，较以往剪切波谐振的薄膜体声波谐振器有了较大提高。

实施例2

本实施例为采用插值状电极对方式的薄膜体声波谐振器，其电极形状如图4所示。

该器件制作在硅基片201上，在压电层203下方设置空气隙作为声反射层202。

压电层203为氮化铝薄膜，其厚度为1微米。插值状电极对由重复的3个电极对204组成。各个电极的长度均为300微米。电极对内两个电极的面积均为5790平方微米，两个电极间隔105面积为763平方微米。电极对204内两个电极的内侧边缘101的尖齿102数量分别为5个和6个，其内侧边缘101沿垂直外侧边缘103方向的间隔距离为6微米至10微米。同一电极的内侧边缘101与其外侧边缘103之间沿垂直外侧边缘103方向的间隔距离为15微米至30微米。电极内侧边缘101中尖齿102的张角为30度至150度。

将两个电极接入网路分析仪进行谐振性能测试，测量得到在水中工作时的器件回波损耗S11曲线如图5所示。可以看到，该器件仅存在3.06GHz附近的剪切波谐振，品质因数为790，较以往剪切波谐振的薄膜体声波谐振器有了较大提高。

Claims (3)

1.一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器，包括基片、声反射层、压电层以及设置于压电层表面的至少一对电极对，其特征在于，电极对中两个电极的内侧边缘为至少包含两个尖齿的锯齿形状，外侧边缘为相互平行的直线，两个电极的长度相同；电极对中两个电极的内侧边缘沿垂直外侧边缘方向的间隔距离为电极长度的四十分之一至二十分之一；同一电极的内侧边缘与其外侧边缘之间沿垂直外侧边缘方向的间隔距离为电极长度的三十分之一至十分之一。

2.根据权利要求1所述的一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器，其特征在于，电极内侧边缘中尖齿的张角为30度至150度。

3.根据权利要求1所述的一种具有锯齿状内侧边缘电极的薄膜体声波谐振器，其特征在于，电极对中两个电极的面积相等，且大于两个电极间隔面积的五倍。