CN104833410A - 一种对压电材料声表面波速度进行测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种对压电材料声表面波速度进行测量的方法,在待测压电材料表面制作声表面波谐振器，包括叉指换能器和反射栅，使得二者的金属指条具有特定周期长度λ；将脉冲激励信号加载到叉指换能器，通过正压电效应生成声表面波；生成的声表面波从中间处的叉指换能器向两侧的反射栅传播，在这一过程中特定频率的声表面波信号会被增强放大并被检测到，将已有的数据代入公式V_SAW＝λ·f中，计算得出压电材料的声表面波速度。本发明的优点是：该方法可以更准确的对压电材料的声表面波速度进行测量，尤其是能够准确的获得压电薄膜材料的声表面波速度，同时降低了对测试设备精度的要求，该测量方法为后续设计各种声表面波器件提供了巨大的帮助。

Description

一种对压电材料声表面波速度进行测量的方法

技术领域

本发明涉及声表面波器件技术领域，具体地说是一种对压电材料声表面波速度进行测量的方法。

技术背景

早在1880年，Pierre Curie和Jacques Curie在研究晶体热电现象时，无意间发现在对某一类晶体中施以压力时，晶体内部会出现电极化效应；1881年，Wilhelm Hankel研究这一效应时将其命名为压电效应(Piezoelectric Effect)。压电效应本质上是因为某些具有特殊内部结构的晶体在应力或应变的作用下发生极化引起的，而电偶极矩是否具有对称中心很大程度上决定了是否具有极化现象。只有无对称中心的晶体发生形变后才会产生极化现象并表现出压电性能。在目前已知的七大晶系三十二种点群中，仅有九种点群具有对称中心，在其余的二十一种无对称中心的点群中，除432点群未发现压电晶体外，其余二十种点群均发现有压电晶体。基于成本和器件性能的考虑，目前人们除了使用各种压电晶圆外，也常将各种具有压电性能的材料沉积在其他材料的晶圆上组成叠层结构作为声表面波器件的衬底。

压电材料的声表面波速度是设计声表面波器件的一个重要参数。但是对于同一种压电材料，不同的切向会导致声表面速度产生较大的差异，与此同时，薄膜沉积工艺条件的差异以及其他因素的影响，对于沉积在其他材料上的压电薄膜而言，它们的声表面波速度与单晶材料的也不同。因此迫切需要寻找一种有效的方法能够准确的对各种压电材料的声表面波速度进行测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术分析，提供一种对压电材料声表面波速度进行测量的方法，该测量方法通过增强声表面波器件对其频率响应特性中的旁瓣的抑制能力，解决器件频率响应中主瓣识别困难的问题，以期增强声表面波器件的准确性和实用性。

本发明的技术方案：

一种对压电材料声表面波速度进行测量的方法,步骤如下：

1)在待测压电材料表面制作声表面波谐振器，压电材料衬底为64°YX切向的铌酸锂(LiNbO₃)，声表面波谐振器为单端口型谐振器，包括叉指换能器和反射栅，叉指换能器位于反射栅中间，反射栅位于叉指换能器的两侧，叉指换能器的汇流金属指条具有特定周期长度λ，叉指换能器的汇流金属指条厚度为20-100nm、宽度为λ/4的铝片，反射栅为普通的均匀短路型反射栅，指条宽度为λ/4，叉指换能器和反射栅的边界间距为λ/4；

2)将脉冲激励信号加载到叉指换能器上，通过正压电效应生成声表面波，生成的声表面波从中间处的叉指换能器向两侧的反射栅传播，在这一过程中特定频率f的声表面波信号会被增强放大并被检测到，这一特定频率f即为具有特定指条周期长度λ的声表面波谐振器的中心频率f，中心频率f的测量方法是：先在特定频率f为1±0.5％范围内，粗略测量确定峰值所在的区域，然后在特定频率f为1±0.1％范围内，得到精确的峰值即为所求的中心频率f；

3)将上述数据代入公式V_SAW＝λ·f中，计算得出压电材料的声表面波速度。

所述压电材料为64°YX切向的铌酸锂(LiNbO₃)单晶晶圆或在晶圆上沉积的该压电材料薄膜，其表面粗糙度RMS小于2.0nm。

本发明的有益效果是：

相比已有的延迟线型声表面波速度测量方法，本发明提供的对压电材料声表面波速度进行测量的方法可以更准确的对压电材料的声表面波速度进行测量，尤其是能够准确的获得压电薄膜材料的声表面波速度，同时降低了对测试设备精度的要求，该测量方法为后续设计各种声表面波器件提供了巨大的帮助。

附图说明

图1是本发明提供的对压电材料声表面波速度进行测量的方法的流程图。

图2是测试中采用的声表面波谐振器制作工艺的流程图。

图3是测试中采用的声表面波谐振器的结构示意图。

图中：1.叉指换能器、 2.反射栅、 3.压电材料衬底、 4.汇流金属指条。

图4是压电材料声表面波速度测试平台示意图。

图5是具体实施例中测试得到基于64°YX切向的铌酸锂(LiNbO₃)压电材料的声表面波谐振器中心频率的数据图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例：

一种对压电材料声表面波速度进行测量的方法,如图1流程图所示，步骤如下：

1)待测压电衬底3为64°YX切向的铌酸锂单晶晶圆，其表面粗糙度RMS为1.8nm，在待测压电衬底3表面制作声表面波谐振器，所述声表面波谐振器为单端口型谐振器，如图3所示，包括叉指换能器1和反射栅2，叉指换能器1位于反射栅2中间，反射栅2位于叉指换能器1的两侧，叉指换能器1的汇流金属指条4具有特定周期长度λ为23.26μm，叉指换能器的汇流金属指条4的厚度为20-100nm、宽度λ/4的铝片，反射栅2为普通的均匀短路型反射栅，叉指换能器1和反射栅2的边界间距为λ/4；

声表面波谐振器的制作，如图2所示，具体过程如下：

Ⅰ.对选取的64°YX切向的铌酸锂压电材料衬底表面进行清洗并干燥；

Ⅱ.在清洗及干燥后的64°YX切向的铌酸锂压电衬底表面涂覆光刻胶并进行曝光显影，相应的光刻工艺条件为：光刻胶选用苏州瑞红公司产RZJ304(50mpa.s)，匀胶机转速为3500rpm，曝光时间为10s，匀胶时间为40s，分别在120℃的温度下前烘90s，后烘120s；

Ⅲ.在涂覆了光刻胶并曝光显影后的压电衬底上采用电子束蒸发工艺制备金属铝(Al)薄膜，相应的电子束蒸发工艺条件为：蒸发源选用纯度为99.99％铝蒸发源，纯度在99.99％以上，蒸发腔室的真空度小于5×10^-4Pa，电子枪电压为9kV,电子枪电流为0.2A；

Ⅳ.采用丙酮溶剂对电子束蒸发的金属铝(Al)薄膜进行剥离(Lift-off),待剥离完全后，依次采用异丙醇和去离子水对晶片进行清洗，用氮气吹干。至此，完成了声表面波谐振器的制作。

2)将脉冲激励信号加载到叉指换能器上，通过正压电效应生成声表面波，生成的声表面波从中间处的叉指换能器向两侧的反射栅传播，在这一过程中特定频率f的声表面波信号会被增强放大并被检测到，这一特定频率f即为具有特定指条周期长度λ的声表面波谐振器的中心频率f，中心频率f的测量方法是：先在特定频率f为1±0.5％范围内，粗略测量确定峰值所在的区域，然后在特定频率f为1±0.1％范围内，得到精确的峰值即为所求的中心频率f；

图4是压电材料声表面波速度测试平台示意图。测试平台的矢量网络分析仪将脉冲激励信号通过射频传输线和相应的夹具加载到压电材料表面的声表面波谐振器的叉指换能器，通过正压电效应生成声表面波。生成的声表面波从中间处的叉指换能器向两侧的反射栅传播，在这一过程中特定频率的声表面波信号会被增强放大，并被如图4所示的测试平台中的矢量网络分析仪检测到，这一特定频率f即为具有特定指条周期长度λ的声表面波谐振器的中心频率f。如图5所示，本实施例中声表面波谐振器的中心频率f＝200.4375MHz。

3)将上述数据代入公式V_SAW＝λ·f中，计算得出压电材料的声表面波速度。计算得出压电材料的声表面波速度V_SAW＝4662.2m/s。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种对压电材料声表面波速度进行测量的方法,其特征在于步骤如下：

1)在待测压电材料表面制作声表面波谐振器，压电材料衬底为64°YX切向的铌酸锂(LiNbO₃)，声表面波谐振器为单端口型谐振器，包括叉指换能器和反射栅，叉指换能器位于反射栅中间，反射栅位于叉指换能器的两侧，叉指换能器的汇流金属指条具有特定周期长度λ，叉指换能器的汇流金属指条厚度为20-100nm、宽度为λ/4的铝片，反射栅为普通的均匀短路型反射栅，指条宽度为λ/4，叉指换能器和反射栅的边界间距为λ/4；

2)将脉冲激励信号加载到叉指换能器上，通过正压电效应生成声表面波，生成的声表面波从中间处的叉指换能器向两侧的反射栅传播，在这一过程中特定频率f的声表面波信号会被增强放大并被检测到，这一特定频率f即为具有特定指条周期长度λ的声表面波谐振器的中心频率f，中心频率f的测量方法是：先在特定频率f为1±0.5％范围内，粗略测量确定峰值所在的区域，然后在特定频率f为1±0.1％范围内，得到精确的峰值即为所求的中心频率f；

3)将上述数据代入公式V_SAW＝λ·f中，计算得出压电材料的声表面波速度。

2.根据权利要求1所述对压电材料声表面波速度进行测量的方法,其特征在于：所述压电材料为64°YX切向的铌酸锂(LiNbO₃)单晶晶圆或在晶圆上沉积的该压电材料薄膜，其表面粗糙度RMS小于2.0nm。