CN105306004B - 一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，步骤包括：在有限元软件中进行带有压电材料的模态分析，上下电极以短路边界条件代替，得到目标模式的表面电荷分布；分别统计表面正负电荷的积分，取绝对值较大者为电极布置区域；将电极布置区域和引线转移至表面已溅射有压电材料的声子晶体结构中并与外围电路连接固定。本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，相比于传统的IDT激励，能够减少谐振器的插入损耗且增强模式的响应，增加了模式选择的自由性；适用范围较广，也可以用于其他基于压电换能且具有复杂模式振型的谐振器结构和除温度补偿外不同的应用背景中。

Description

一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法

技术领域

本发明属于微机电系统领域，涉及一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法。

背景技术

声子晶体是一种新型的复合人工声学材料，其周期性结构会对特定频段的声波造成强烈散射并阻断其传播，形成声学禁带。在其周期性结构中引入缺陷会使频率在禁带内的声波振动局域在缺陷处，实现高品质因数(Q)谐振。由于能极大减少支撑损耗及材料损耗低、易加工、集成等优点，硅基平板声子晶体缺陷结构在高Q谐振器设计中得到了广泛关注。无论在电路及传感器中，谐振器都要根据需要工作于特定的振动模式中。在振荡电路中，谐振器需工作于单模式；在传感器中，需要提高模式响应来提高信噪比或组合多模式抵消环境干扰。由于具有较低的边界损耗和较小的模式体积，声子晶体点缺陷适用于高分辨率质量传感，但其频率易受温度波动影响，导致测量误差。在Lamb波传感器中已实现利用A0和S0模式的温度系数差异的被动温度补偿。点缺陷模式间的温度系数差异很小，但由不同模式间能量分布差异导致的质量灵敏度差异为温度补偿提供新途径，但补偿的实现以选定模式的有效激励为前提。声子晶体缺陷结构通常采用压电换能的激励方式，但由于缺陷模式多、频率间隔小且振型复杂，Lamb波传感器采用的控制频率和叉指电极(IDT)周期进行模式选择的方法难以奏效。因此需要一种能够对缺陷模式进行自由选择的方法。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，步骤包括：

步骤一、在有限元软件中进行带有压电材料的模态分析，上下电极以短路边界条件代替，得到目标模式的表面电荷分布；

步骤二、分别统计表面正负电荷的积分，取绝对值较大者为电极布置区域；

步骤三、将电极布置区域和引线转移至表面已溅射有压电材料的声子晶体结构中并与外围电路连接固定。

在上述技术方案中，步骤三中是通过光刻和剥离的方法将电极布置区域和引线转移至表面已溅射有压电材料的声子晶体结构中。

在上述技术方案中，所述步骤三具体包括以下步骤：

(1)、清洗硅片，将3in晶向为(100)的p型380μm厚硅片放入由浓硫酸和双氧水按照体积比3：1的比例混合的溶液中，在85℃的温度下浸泡15分钟，然后利用2次煮沸的去离子水和3次未煮沸的去离子水交替进行清洗，最后在高压氮气流中吹干；

(2)、正面涂胶、曝光、显影先将硅片放在120℃的热板上烘5min，而后按转速/加速度/时间：2000/1000/30的参数旋涂黏附剂，按3000/1000/30的参数旋涂光刻胶，之后在热板上进行前烘，温度120℃，时间180s；然后，在光刻机上进行曝光，采用真空接触方式，距离45μm，曝光时间35s；之后进行显影，显影时间1min；

(3)、蒸铝；做铝掩膜，采用高真空镀膜机，铝质量为100mg，真空度1e-5Pa，加热电流150A，蒸发时间2min；

(4)、剥离；将蒸铝的硅片放入丙酮中，使光刻胶溶解，进而得到铝薄膜的多孔结构，之后用去离子水清洗并用氮气吹干；

(5)、正面ICP；进行ICP刻蚀，刻蚀深度为190μm；

(6)、溅射铝，将已有孔结构的一面溅射铝薄膜；

(7)、涂胶保护，在正面旋涂光刻胶进行保护；

(8)、反面涂胶，曝光，显影；操作过程与第2步相同；

(9)、蒸铝，剥离，操作过程与第3，4步相同；

(10)、反面ICP，操作过程与第5步相同；

(11)、清洗，操作过程与第1步相同；

(12)、溅射Ti薄膜；利用直流磁控溅射设备，溅射50nm厚钼膜；

(13)、溅射AlN薄膜；利用脉冲直流溅射设备，厚度为1.5μm；

(14)、制作Al上电极，操作过程与第2-4步相同；

(15)、腐蚀AlN；利用KOH溶液腐蚀AlN边缘，露出下电极。

在上述技术方案中，步骤三之后还包括步骤：利用模式间在不同位置处的质量灵敏度差异进行质量传感器的被动式温度补偿。

在上述技术方案中，所述有限元软件为comsol5.0。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，相比于传统的IDT激励，能够减少谐振器的插入损耗且增强模式的响应，增加了模式选择的自由性。

本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法适用范围较广，也可以用于其他基于压电换能且具有复杂模式振型的谐振器结构和除温度补偿外不同的应用背景中。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1(a)是由有限元计算得到的扭转模式表面的电荷分布示意图。白色部分为正电荷，黑色部分为负电荷。

图1(b)是根据图1(a)的电荷分布设计的电极示意图。

图2是声子晶体谐振器的器件示意图，白色部分为铝电极。

图3是模式选择的仿真和实验结果示意图。插图为分别激励伸展模式和扭转模式的电极。

图4是模式选择后的双端器件的传输谱示意图。插图分别为伸展模式振型、双模式激励电极和弯曲模式振型。虚线所示为传感区域。

图5是质量传感器的温度补偿实验结果示意图。插图为磁珠在传感区域内的分布示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

对于采用时间平均化的电能向机械能转换的功率P^f衡量模式响应。幅值为E^ex的电场施加于上下电极之间。只有与E^ex同相的应力分量T^E才会对P^f有贡献，有：

T^E＝-e^TE^ex

e^T是压电材料的压电应力矩阵,上标T代表转置。压电薄膜内单位体积内转换功率P^f可写成：

v^f为电极覆盖区的速度分布，可由模态分析的速度分布v^m估计v^f≈kv^m，k为待定常数。模态分析中上下电极接通，上标f和m分别表示频率响应分析和模态分析。由应变矩阵S^m＝1/(2iω)[(Δv^m)+(v^m)^T]和估计v^f≈kv^m可得：

ω是模式的角频率。将T^E带入并写成缩写下标形式：

由压电本构关系

D为电位移矢量，ε为介电常数矩阵，电极覆盖区域总的转换功率为：

其中，为电位移矢量在压电薄膜电极覆盖区的体积分；

外加电场沿z轴方向，只有z轴分量非零，进一步有：

由短路边界条件，D_z沿z轴方向是均匀分布的，所以积分的前段为：

h是薄膜的厚度，“top”表示积分在上表面，是设计变量，积分的后段在短路边界下是0，所以耗散功率的最终形式为：

由此可见，要使模式响应最高，就要使上述积分最大，所以应该将上电极布置于表面电荷符号相同处。

综上所述，本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法的步骤包括：

步骤一、在有限元软件中进行带有压电材料的模态分析，上下电极以短路边界条件代替，得到目标模式的表面电荷分布；

步骤二、分别统计表面正负电荷的积分，取绝对值较大者为电极布置区域；

步骤三、将电极布置区域、引线等通过光刻、剥离等工艺转移至表面已溅射有压电材料的声子晶体结构中并与外围电路连接固定。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法包括以下步骤：

利用有限元软件comsol5.0中建立带有点缺陷声子晶体超晶格结构：孔直径340μm，晶格周期380μm，厚度为381.5μm。材料为380μm厚单晶硅和1.5μm厚氮化铝。超晶格的对立边界设为Bloch周期性边界条件，氮化铝层的上下表面均设为接地边界条件(grounded)。然后对该结构进行模态分析，可得到缺陷模式的振型表面的电荷分布。共存在6个缺陷模式，其中振动类型为扭转的模式表面电荷分布如图1(a)所示。对缺陷内的正负电荷分别进行积分可得正电荷的积分绝对值大于负电荷积分的绝对值，根据模式选择原理，电极应该布置于正电荷区域内，如图1(b)。将声子晶体的孔阵列和电极结构分别通过电子束曝光的方法转移到掩模板上用于后续的光刻中。

器件加工过程：

1.清洗硅片。将3in晶向为(100)的p型380μm厚硅片放入由浓硫酸和双氧水按照体积比3：1的比例混合的溶液中，在85℃的温度下浸泡15分钟，然后利用2次煮沸的去离子水和3次未煮沸的去离子水交替进行清洗，最后在高压氮气流中吹干。

2.正面涂胶、曝光、显影先将硅片放在120℃的热板上烘5min，而后按转速/加速度/时间：2000/1000/30的参数旋涂黏附剂，按3000/1000/30的参数旋涂光刻胶，之后在热板上进行前烘，温度120℃，时间180s；然后，在光刻机上进行曝光，采用真空接触方式，距离45μm，曝光时间35s；之后进行显影，显影时间1min。

3.蒸铝。做铝掩膜，采用高真空镀膜机，铝质量为100mg，真空度1e-5Pa，加热电流150A，蒸发时间2min。

4.剥离。将蒸铝的硅片放入丙酮中，使光刻胶溶解，进而得到铝薄膜的多孔结构，之后用去离子水清洗并用氮气吹干。

5.正面ICP。进行ICP刻蚀，刻蚀深度为190μm。

6.溅射铝。为了保证在背面进行ICP刻孔的顺利进行，需要先将已有孔结构的一面溅射铝薄膜。

7、涂胶保护。在结构溅射铝之后，为了防止背面进行ICP工艺时正面的孔结构受到破坏，需要在正面旋涂光刻胶进行保护。

8、反面涂胶，曝光，显影，操作过程与工艺参数与第2步相同。

9、蒸铝，剥离，同第3，4步。

10、反面ICP，过程同第5步。

11、清洗，同第1步，至此已完成硅平板上通孔结构的加工。

12、溅射Ti薄膜。利用直流磁控溅射设备，溅射50nm厚钼膜。

13、溅射AlN薄膜。利用脉冲直流溅射设备，厚度为1.5μm。

14、制作Al上电极，步骤与2-4相似。

15、腐蚀AlN。利用KOH溶液腐蚀AlN边缘，露出下电极。

加工好的器件如图2所示，白色部分为铝电极。

连接测试部分：

将加工好的器件通过银浆和银线连接到PCB板上，然后使用网络分析仪Agilent4395a对器件进行测试。

测试结果：

运用上述的设计流程设计了两种缺陷模式(扭转模式和弯曲模式)的电极结构如图3中插图所示。

每种电极下通过网络分析仪测得的电导率与仿真计算的电导率随频率变化关系，如图3所示。实验测量频率与仿真频率之间存在微小差别，这是由于加工误差导致的。实验测量中存在的基线是由细长电极引线的电阻损耗引起的。实测电导率变化小于仿真值，这是由于溅射氮化铝薄膜存在缺陷。由图3中可见，对于每种电极，激励的模式数目和种类，实验和仿真结果吻合，且目标模式的响应都是最强的，其余模式的响应则受到抑制，实现了模式的选择性激励。

声子晶体谐振器高Q的特点使之适合应用于高分辨率的质量传感器。但谐振器的频率易受到温度变化的干扰，影响质量测量的精度。选择了两个模式，二者在传感区域内质量灵敏度差异很大而温度系数很接近，同时测量这两个模式的频率偏移可以实现温度补偿。根据模态分析中两个模式的表面电荷分布，在二者的电荷密度均较大的区域布置电极，对应器件的投射参数测试结果如图4所示，可见两个模式同时得到有效激励。将含有磁珠的液滴加载至传感区域，并通过网络分析仪测量两个模式的频率偏移，如图5所示。有液滴加载时，模式2的频率变化远大于模式1，体现了二者的灵敏度差异。没有液滴加载时，两个模式频率均呈相似的上升变化，这是由环境温度下降引起的漂移。但是两个模式的频率变化差值在没有液滴加载时，只有微小的波动，只随液滴加载呈现阶梯状变化。温度变化引起的漂移被有效的补偿掉。磁珠总数约为700，每颗磁珠的质量约为0.02ng，由此估算灵敏度为5.43Hz/ng，理论计算灵敏度为7.3Hz/ng，可与目前广泛应用的石英晶体微天平(QCM)可比拟。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，其特征在于，步骤包括：

步骤一、在有限元软件中进行带有压电材料的模态分析，上下电极以短路边界条件代替，得到目标模式的表面电荷分布；

步骤二、分别统计表面正负电荷的积分，取绝对值较大者为电极布置区域；

步骤三、将电极布置区域和引线转移至表面已溅射有压电材料的声子晶体结构中并与外围电路连接固定。

2.根据权利要求1所述的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，其特征在于，步骤三中是通过光刻和剥离的方法将电极布置区域和引线转移至表面已溅射有压电材料的声子晶体结构中。

3.根据权利要求2所述的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，其特征在于，所述步骤三具体包括以下步骤：

(1)、清洗硅片，将3in晶向为(100)的p型380μm厚硅片放入由浓硫酸和双氧水按照体积比3：1的比例混合的溶液中，在85℃的温度下浸泡15分钟，然后利用2次煮沸的去离子水和3次未煮沸的去离子水交替进行清洗，最后在高压氮气流中吹干；

(2)、正面涂胶、曝光、显影先将硅片放在120℃的热板上烘5min，而后按转速/加速度/时间：2000/1000/30的参数旋涂黏附剂，按3000/1000/30的参数旋涂光刻胶，之后在热板上进行前烘，温度120℃，时间180s；然后，在光刻机上进行曝光，采用真空接触方式，距离45μm，曝光时间35s；之后进行显影，显影时间1min；

(3)、蒸铝；做铝掩膜，采用高真空镀膜机，铝质量为100mg，真空度1e-5Pa，加热电流150A，蒸发时间2min；

(4)、剥离；将蒸铝的硅片放入丙酮中，使光刻胶溶解，进而得到铝薄膜的多孔结构，之后用去离子水清洗并用氮气吹干；

(5)、正面ICP；进行ICP刻蚀，刻蚀深度为190μm；

(6)、溅射铝，将已有孔结构的一面溅射铝薄膜；

(7)、涂胶保护，在正面旋涂光刻胶进行保护；

(8)、反面涂胶，曝光，显影；操作过程与第2步相同；

(9)、蒸铝，剥离，操作过程与第3，4步相同；

(10)、反面ICP，操作过程与第5步相同；

(11)、清洗，操作过程与第1步相同；

(12)、溅射Ti薄膜；利用直流磁控溅射设备，溅射50nm厚钼膜；

(13)、溅射AlN薄膜；利用脉冲直流溅射设备，厚度为1.5μm；

(14)、制作Al上电极，操作过程与第2-4步相同；

(15)、腐蚀AlN；利用KOH溶液腐蚀AlN边缘，露出下电极。

4.根据权利要求1所述的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，其特征在于，步骤三之后还包括步骤：利用模式间在不同位置处的质量灵敏度差异进行质量传感器的被动式温度补偿。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，其特征在于，所述有限元软件为comsol5.0。