CN106921363B - 一种薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器，涉及射频微机电系统技术领域。本发明谐振器包括基底、支撑台、薄膜结构层和外接电极，所述薄膜结构层包括石墨烯薄膜、压电薄膜和金属钛膜；薄膜结构层中两个石墨烯薄膜分别作为顶电极和底电极，顶电极和底电极相互交叉且隔离设置，并分别对应支撑台形成电气连通；压电薄膜位于顶电极与底电极平面之间形成石墨烯薄膜‑压电薄膜‑石墨烯薄膜的压电谐振堆，顶电极与输入外接电极电气连通，能够基于逆压电效应能够将电能量转换成声波形成谐振，底电极与输出外接电极电气连通，能够将产生信号进行输出。本发明能够有效降低薄膜体声波谐振器的锚点损耗和界面损耗，提高器件的工作频率和高品质因素。
Description
技术领域
本发明涉及射频微机电系统技术领域，具体为一种薄膜体声波谐振器。
背景技术
随着射频微波通信系统朝着小型化、集成化、低损耗的方向发展，对谐振器提出了更高的要求，其中最为显著的两个发展方向为高频率和高速度。薄膜体声波谐振器FBAR的工作频率范围为900MHz到3GHz之间，它在满足高频率的同时，兼顾了电子元器件的微型化和低功耗的发展趋势。相比于传统的介质滤波器和声表滤波器SAW，利用薄膜体声波谐振器FBAR集成的射频滤波器具有体积小、工作频率高、插入损耗低、带外抑制大、高Q、大功率容量以及良好的抗静电冲击能力和半导体工艺兼容性等优点。因此，薄膜体声波谐振器FBAR逐渐成为近年来无线通信行业的研究热点。。
目前，研究较多的薄膜体声波谐振器FBAR的基本结构主要为由上下金属电极和夹于上下金属电极之间压电薄膜所构成的三明治结构，它是通过压电薄膜的逆压电效应将电能量信号转换成声波从而形成谐振。即：当一交变电压信号作用于这一金属-压电薄膜-金属的三明治结构上时，处于中间层的压电薄膜材料由于逆压电效应，产生机械形变，使压电薄膜层随着电场的变化而产生膨胀、收缩，从而形成振动；这样的振动在薄膜内会激励出沿薄膜厚度方向传播的体声波弹性波，此声波传播至上下电极与空气的交界面处时将会反射回来，进而在薄膜内来回反射，形成振荡。这种传统的金属-电压薄膜-金属三明治结构在进行机械振动时，会有很多的能量在锚点处通过电极层耗散出去，使得谐振器的锚点损耗较大，从而严重限制了谐振器品质因数Q的提高。同时，金属电极层与压电层由于晶体不匹配导致的界面损耗也是不能忽略的。因此，如何有效提高薄膜体声波谐振器的品质因数，减小薄膜体声波谐振器的锚点损耗和界面损耗成为了本领域所要解决的技术问题。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种具有高品质因数的薄膜体声波谐振器。本发明能够有效降低薄膜体声波谐振器的锚点损耗和界面损耗，提高器件的工作频率。
为实现上述目的，本发明一方面提供如下技术方案：
一种薄膜体声波谐振器，包括设置于基底之上的四个支撑台、薄膜结构层和外接电极，所述薄膜结构层包括石墨烯薄膜、压电薄膜和钛金属膜；
其中：第一支撑台和第四支撑台上分别设有钛金属膜和设于钛金属膜表面的压电薄膜，第一压电薄膜和第二压电薄膜之间搭设有作为顶电极的第一石墨烯薄膜桥实现电气连通，第二支撑台和第三支撑台上之间搭设有作为底电极的第二石墨烯薄膜桥实现电气连通，所述第一石墨烯薄膜桥与第二石墨烯薄膜桥相互交叉且隔离设置，并且两个石墨烯薄膜桥相向桥面之间由下至上层叠有钛金属膜和第三压电薄膜形成三明治结构；第一石墨烯薄膜桥两端的顶面分别设置有外接输入电极以使得输入电能基于逆压电效应形成谐振，第二石墨烯薄膜桥两端的顶面分别设置有外接输出电极以基于压电效应输出电信号。
本技术方案中基底的材料应具有良好稳定性，通常选择硅基底；
本技术方案中压电薄膜的材料可以为任何合适的压电材料，可根据工艺和性能参数进行折衷选择；作为优选实施方式，本发明压电薄膜厚0.5μm。
本技术方案中石墨烯薄膜具有极高的强度、柔韧性和导电率，使得其能够代替传统的金属电极材料；作为优选实施方式，本发明石墨烯薄膜的厚度为0.4nm。
根据具体实施方式，本技术方案中支撑台材料为铜。另一方面本发明提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：对基底进行清洗，烘干处理后，在基底表面镀一层支撑层，然后在支撑层表面沉积第一石墨烯薄膜，通过光刻工艺在第一石墨烯薄膜上刻蚀制得第一目标图形作为底电极；
步骤B：在步骤A所得底电极两端区域及区域一分别制备钛层，所述区域一为底电极两端之间任一区域，然后在所述钛层上相应制备压电层，通过刻蚀制得所需图形；
步骤C：整体旋涂第一保护层并抛光，使之与压电层齐平，沉积第二石墨烯薄膜后，在器件表面旋涂第二保护层，并通过光刻工艺在第二石墨烯薄膜上刻蚀制得第二目标图形作为顶电极，所述顶电极与所述底电极在底面投影中的重叠区域为所述区域一；
步骤D：在步骤C所得顶电极表面涂覆光刻胶，通过热的丙酮溶液溶解上述保护层，然后溅射金属层，通过光刻工艺刻蚀制得外接金属电极，所述外接金属电极分别设置于底电极顶面两端和顶电极顶面两端；
步骤E：在步骤D所得器件表面整体旋涂保护层，然后刻蚀硅基底和支撑层使得器件中间形成悬空状，并得到四个相互独立的基底和四个相互独立的支撑台，通过热的丙酮溶液去除所述保护层，即得薄膜体声波谐振器。
本技术方案中基底的材料应具有良好稳定性，通常选择硅基底；
本技术方案中支撑层的材料通常选择铜；
本技术方案中压电薄膜的材料可以为任何合适的压电材料，可根据工艺和性能参数进行折衷选择；作为优选实施方式，本发明压电薄膜厚0.5μm。
本技术方案中石墨烯薄膜具有极高的强度、柔韧性和导电率，使得其能够代替传统的金属电极材料；作为优选实施方式，本发明石墨烯薄膜的厚度为0.4nm。
本发明原理简述如下：
薄膜体声波谐振器利用压电层材料的压电特性，将电能转化为声能，为了产生声波的谐振，需将声波限制在由石墨烯薄膜-压电薄膜-石墨烯薄膜组成的压电谐振堆中。根据传输线理论，当负载为无穷大或零时，入射波将产生全反射。在本发明中压电谐振堆上表面与空气交界，空气的声阻抗近似等于零，能自然形成良好的声波限制边界，压电谐振堆下表面因置于硅基底上形成悬空，构成了下表面声波限制边界。因此，声波在这两个界面之间发生反射，形成驻波振荡，此时的声波损耗最小，并由逆压电效应转化为电能。
薄膜体声波谐振器FBAR所激励起的声波为体声波，根据下式其谐振频率取决于压电薄膜厚度：
f＝v/2d
其中：f为谐振频率，v为谐振器中传输的纵声波速度，d为压电薄膜的厚度；
由于石墨烯具有薄、轻、断裂强度高和导电率高的优点，将石墨烯薄膜厚度设置为0.4nm，即可将薄膜体声波谐振器FBAR所产生的电能通过石墨烯薄膜，经过外接电极输出。此时，超薄石墨烯薄膜与支撑台的接触面积很小，基本可以消除谐振器的锚点损耗，并且相比传统电极层，石墨烯材料作为电极层能够大大减少与压电层之间的界面损耗。由于石墨烯薄膜的质量可以忽略不计，在压电层厚度相同的情况下，本发明器件可以工作在更高的频率。
综上所述，相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的薄膜体声波谐振器采用石墨烯薄膜作为电极，替代了传统的金属电极，由于石墨烯薄膜的厚度与传统金属电极的厚度相比明显薄，与支撑台的接触面积也相对小很多，因此能够基本消除锚点损耗。同时，采用石墨烯薄膜还可以进一步降低传统电极层与压电薄膜之间由于材料晶格不匹配所导致的界面损耗。此外，石墨烯薄膜兼具质量轻、断裂强度高和导电率高等优点，因此采用石墨烯薄膜替代传统金属电极，还能够减少了顶电极和底电极的质量对谐振频率的影响，在压电薄膜厚度相同的条件下，能够提高器件的工作频率。
附图说明
图1为本发明所提供薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图2为图1所示A-A’连线的界面示意图；
图3为图1所示B-B’连线界面示意图；
其中：1为基底，2-1为第一支撑台，2-2为第二支撑台，2-3为第三支撑台，2-4为第四支撑台，3-1为第一石墨烯薄膜桥，3-2为第二石墨烯薄膜桥，5-1为第一压电薄膜，5-2为第二压电薄膜，5-3为第三压电薄膜，4为金属钛膜，6-1、6-4分别表示设于第一石墨烯薄膜桥两端顶面的外接输入电极，6-2、6-3分别表示设于第二石墨烯薄膜桥两端顶面的外接输出电极。
具体实施方式
以下通过具体实施例结合说明书附图对本发明进行详细说明：
实施例：
结合图1至图3的结构示意图，公本发明开了一种薄膜体声波谐振器的具体实施例，包括：设置于基底1之上的四个支撑台、薄膜结构层和外接电极，所述薄膜结构层包括石墨烯薄膜、压电薄膜和钛金属膜4；本实施例采用四个相互独立的基底1，在所述四个基底上分别制得支撑台，根据实际需要也可以在同一基底1上直接制得四个支撑台；
其中：第一支撑台2-1和第四支撑台2-4上分别设有钛金属膜4和位于所述钛金属膜4表面的压电薄膜5-1、5-3，第一压电薄膜5-1和第二压电薄膜5-3之间搭设有作为顶电极的第一石墨烯薄膜桥3-1实现电气连通，第二支撑台2-2和第三支撑台2-3上之间搭设有作为底电极的第二石墨烯薄膜桥3-2实现电气连通，所述第一石墨烯薄膜桥3-1与第二石墨烯薄膜桥3-2相互交叉且隔离设置，并且两个石墨烯薄膜桥3-1、3-2相向桥面之间由下至上层叠有钛金属膜4和第三压电薄膜5-2形成三明治结构；第一石墨烯薄膜桥3-1两端的顶面分别设置有外接输入电极6-1、6-4，第二石墨烯薄膜桥3-2两端的顶面分别设置有外接输出电极6-2、6-3。
压电薄膜5-2位于顶电极3-1与底电极3-2平面之间形成石墨烯薄膜-压电薄膜-石墨烯薄膜的压电谐振堆，顶电极3-1与输入外接电极6-1、6-4电气连通，能够基于逆压电效应能够将电能量转换成声波形成谐振，底电极6-2与输出外接电极6-2、6-3电气连通，能够将产生信号进行输出。
在本实施中采用硅作为基底材料，采用铜作为支撑台材料，采用石墨烯薄膜作为底电极和顶电极材料，以工作在1阶模态的11GHz薄膜体声波谐振器为例，设计薄膜体声波谐振器中三个压电薄膜的长度均为200μm、厚度为0.5μm，石墨烯薄膜的长度为620μm，厚度为0.4nm。
根据本领域公知常识，薄膜体声波谐振器的Q值可由下式定义：
其中：Qi表示谐振器的各个能量损耗；
因此可以看出：消除锚点损耗和降低电极层与压电薄膜之间的界面损耗可以有效提高器件的品质因素。
薄膜体声波谐振器的中心频率可由公式定义：
其中：W0为底部电极的长度，Eeq是谐振器等效的杨氏模量，ρeq是谐振器等效质量密度。
石墨烯薄膜的抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa，杨氏模量约为42N/m2，是目前已知的强度最大的材料；同时兼具质量轻的优势，根据上述公式可以看出采用石墨烯代替传统电极材料能够提高器件的工作频率。
进一步地，本实施例公开了一种薄膜体声波谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤A：对硅基底进行清洗，烘干处理后，在硅基底上镀一层铜层，然后在所述铜层上利用化学气相沉积(CVD)法生长第一石墨烯薄膜层，在第一石墨烯薄膜层上涂光刻胶，采用氧等离子体(ICP)刻蚀法在第一石墨烯薄膜层上制得第一目标图形作为底电极，去除光刻胶；
步骤B：在步骤A所得底电极的两端区域及底电极两端之间任一区域(记作区域一)分别制备钛层，然后在所述钛层上相应制备压电层，通过磷酸溶液刻蚀制得所需图形；
步骤C：在表面整体旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)并抛光，使之与压电层齐平，沉积第二石墨烯薄膜后，在器件表面再旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以保护第二石墨烯薄膜结构不受后续刻蚀影响，并通过光刻工艺在第二石墨烯薄膜及甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上刻蚀制得第二目标图形作为顶电极，去除光刻胶，所述顶电极与所述底电极在底面投影中的重叠区域为所述区域一；
步骤D：在步骤C所得顶电极表面涂覆光刻胶，然后采用热的丙酮溶液溶解上述甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保护层，然后溅射金属层，通过光刻工艺刻蚀制得外接金属电极，去除光刻胶，所述外接金属电极分别设置于底电极顶面两端和顶电极顶面两端；
步骤E：在步骤D所得器件表面整体旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保护层，然后采用深反应离子法刻蚀硅基底，采用稀硝酸刻蚀铜支撑层，使得器件中间形成悬空状，并得到四个相互独立的基底和分别位于各基底上四个相互独立的支撑台，通过热的丙酮溶液去除聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保护层，即得薄膜体声波谐振器。
以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (1)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括设置于基底(1)之上的四个支撑台、薄膜结构层和外接电极，所述薄膜结构层包括石墨烯薄膜、压电薄膜和钛金属膜(4)；
其中：第一支撑台(2-1)和第四支撑台(2-4)上分别设有钛金属膜(4)和位于所述钛金属膜(4)表面的第一压电薄膜(5-1)和第二压电薄膜(5-3)，第一压电薄膜(5-1)和第二压电薄膜(5-3)之间搭设有作为顶电极的第一石墨烯薄膜桥(3-1)实现电气连通，第二支撑台(2-2)和第三支撑台(2-3)之间搭设有作为底电极的第二石墨烯薄膜桥(3-2)实现电气连通，所述第一石墨烯薄膜桥(3-1)与第二石墨烯薄膜桥(3-2)相互交叉且隔离设置，并且两个石墨烯薄膜桥(3-1、3-2)相向桥面之间由下至上层叠有钛金属膜(4)和第三压电薄膜(5-2)形成三明治结构；第一石墨烯薄膜桥(3-1)两端的顶面分别设置有外接输入电极(6-1、6-4)以使得输入电能基于逆压电效应形成谐振，第二石墨烯薄膜桥(3-2)两端的顶面分别设置有外接输出电极(6-2、6-3)以基于压电效应输出电信号。
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