CN107991632A - 一种新型磁流体-压电薄膜结构器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的磁流体‑压电薄膜结构器件及其制造方法，本发明的器件包括压电三明治结构及磁流体层，压电三明治结构包括压电薄膜层和设置在压电薄膜层上、下表面的上电极层和下电极层，上电极层和下电极层之间设有引线（未示出）；磁流体层位于上电极层之上。本发明的器件磁场传感器灵敏度高，工作稳定性好，抗干扰能力强，无线无源，避免了长期工作状态下探头失效难以维修的问题。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS) 领域，特别涉及到一种新型磁流体-压电薄膜结构器件及其制造方法。
背景技术
伴随着现代无线通讯技术的迅速发展，对工作在射频波段的通讯器件提出了更高的要求：微型化、集成化、低功耗、低成本，以及高性能。基于微机电系统技术的压电薄膜体声波谐振器FBAR(Film-bulk-acoustic-resonator)在过去20多年间得到了飞速的发展。同时，也成功地带动了 FBAR谐振器的另一应用领域——传感器件的发展。对于传感器件应用，外部化学或物理敏感薄膜通常被涂覆在谐振器的顶部，构成的层状压电薄膜传感装置，利用谐振频率的微小变化可以测量微小物质的质量，也可以测定生物分子薄膜的粘弹特性，或者蛋白质吸附层的有关性质，还可用于加速度、力、角速度传感器等其他器件。
含有磁性和铁电或压电层的层状磁电结构传感器件在最近几年引起了人们的广泛注意。磁流体是一种新型纳米功能材料，它兼有磁性物质和流体特性，被认为是一种“智能”流体，其粘弹性特性可以通过改变磁场强度来控制。这种独特的性能吸引了越来越多的研究人员在传感器件领域研究其理论和应用。但目前的磁流体结构器件的信息流通方式都是有线或有源传递，限制了磁流体结构器件往无线化、无源化方向的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种新型磁流体-压电薄膜结构器件及其制造方法，该器件能够实现无线化、无源化传感，并且结构简单，操作方便。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种新型磁流体-压电薄膜结构器件，包括压电三明治结构及磁流体层（6），所述压电三明治结构包括压电薄膜层（4）和设置在所述的压电薄膜层（4）上、下表面的上电极层（5）和下电极层（3），上电极层（5）和下电极层（3）之间设有引线（未示出）；所述磁流体层（6）位于所述上电极层（5）之上。
当施加交变电信号作用于电极—薄膜—电极的压电三明治结构上时，压电薄膜层随着电场的变化而产生膨胀、收缩，进而形成谐振。当外界均匀磁场作用于磁流体层时，其中的磁流变液力学性质发生变化，会使谐振的谐振频率会发生漂移，利用外围射频振荡电路可以检测到这个漂移，并将漂移量读出从而实现传感。
本发明的另一方面，还提供了一种新型磁流体-压电薄膜结构器件的制造方法，包括以下步骤：
选取衬底，对其进行清洗、烘干；
采用低压化学气相淀积的方法在衬底层上表面生长低应力氧化物薄膜，作为压电薄膜层的支撑层；
刻蚀衬底层下表面，形成压电三明治结构背部空腔；
沉积下电极层并图形化；
采用磁控溅射方法，沉积压电薄膜层，并图形化，露出电极引线；
沉积上电极层并图形化，将上电极层引至下电极层平面与外电路连接；
采用低压化学气相淀积的方法在下电极上层表面生长支撑层，然后刻蚀露出上电极层部分；
将磁流变液覆盖在上电极表面，形成磁流体层。
本发明的有益效果是：本发明的磁流体-压电薄膜结构器件通过利用磁流变液的磁控力学特性，在磁场作用下磁流变液的密度、粘性系数等性质发生连续变化，进而通过薄膜谐振器谐振频率的漂移检测这些力学性质的变化，最后对电信号进行处理得到所需测量的磁场强度。由于薄膜谐振器工作在GHz频率段，对于微小的力学性质变化可以有效探测，且利用磁流变液的磁控力学性质，故本发明的器件磁场传感器灵敏度高，工作稳定性好，抗干扰能力强，无线无源，避免了长期工作状态下探头失效难以维修的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1 是本发明的新型磁流体-压电薄膜结构器件的侧面示意图；
图2 是本发明的新型磁流体-压电薄膜结构器件的顶面俯视示意图；
图3 是本发明的新型磁流体-压电薄膜结构器件的压电三明治结构示意图；
图4 是自由振动相对谐振频率在不同的磁场强度下随粘性系数变化的曲线；
图5 是自由振动相对谐振频率在不同的磁流体密度条件下随外加磁场变化的曲线；
图6 是强迫振动不同磁场强度下输出阻抗频谱图；
其中1——衬底层，2——支撑层，3——下电极层，4——压电薄膜层，5——上电极层，6——磁流体层。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1～图3，本发明提出一种新型的磁流体-压电薄膜结构器件，图1 是本发明磁流体-压电薄膜结构器件的侧面示意图。包括压电三明治结构及磁流体层，压电三明治结构（如图3）包括压电薄膜层4和设置在压电薄膜层4上、下表面的上电极层5和下电极层3，上电极层5和下电极层3之间设有引线（未示出）；磁流体层6位于上电极层5之上。
本发明的器件还包括衬底层1和支撑层2，衬底层1位于压电三明治结构底部，支撑层2位于衬底层1之上，覆盖于衬底层1的上表面及磁流体层6的四周；具体可以参考图1和图2。支撑层2可以起到更好的限定磁流体层6，提高器件安全性和使用寿命。
优选的，衬底层1为硅衬底层，支撑层2为二氧化硅支撑层。
压电薄膜层4通常为AlN薄膜层或ZnO薄膜层，优选地，为平行c 轴取向的 ZnO薄膜层。
上电极层5和下电极层3通常为金属电极层，优选为铝电极层。
此外，本发明的器件上电极层5和磁流体层6之间还可以设有绝缘层，以提高器件的安全性。
本发明的器件利用压电薄膜的逆压电效应将电信号转化成薄膜振动的声波信号从而形成谐振。当交变电信号作用于电极—薄膜—电极的压电三明治结构上，并满足适当的边界条件时，处于中间的压电薄膜层由于逆压电效应，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。若压电薄膜层的厚度等于声波半波长的整数倍时，将声波限制在压电三明治结构的压电振荡堆中，就会形成谐振。根据传输线理论，当负载不同时，入射波将产生不同程度的反射。压电振荡堆的上表面一般与空气交界，当压电薄膜被覆盖磁流变液层后，外界均匀磁场作用于电极上层的磁流变液，敏感层的力学性质发生变化，压电震荡堆的上表面声阻抗发生变化，会使谐振器的谐振频率会发生漂移，利用外围射频振荡电路可以检测到这个漂移，并将漂移量读出从而实现传感。
图4和图5是本发明的器件在自由振动条件下的频移曲线图（所谓的自由振动即：将上、下电极层短接，不外加驱动），分别呈现了不同磁场强度下，相对谐振频率对粘度系数的依赖关系和不同磁流体密度条件下相对谐振频率对磁场强度的依赖关系。图6则直接呈现了强迫振动时，即：将上、下电极与外电路连接，加入交变电信号，在外加电信号的驱动下产生振动，也正是器件的工作模式条件下，不同磁场强度作用下输出阻抗与驱动频率的依赖关系。共振峰的个数、共振峰的位置及共振峰附近的输出阻抗大小都可以显示。
本发明的器件可以通过以下步骤制造，具体的：
选取衬底，对其进行清洗、烘干；
采用低压化学气相淀积的方法在衬底层上表面生长低应力氧化物薄膜，作为压电薄膜层的支撑层；
刻蚀衬底层下表面，形成压电三明治结构背部空腔；
沉积下电极层并图形化；
采用磁控溅射方法，沉积压电薄膜层，并图形化，露出电极引线；
沉积上电极层并图形化，将上电极层引至下电极层平面与外电路连接；
采用低压化学气相淀积的方法在下电极上层表面生长支撑层，然后刻蚀露出上电极层部分；
将磁流变液覆盖在上电极表面，形成磁流体层。
对于具有绝缘层结构的器件，具体的制造方法还可以包括如下步骤：
选取衬底，对其进行清洗、烘干；
采用低压化学气相淀积的方法在衬底层上表面生长低应力氧化物薄膜，作为压电薄膜层的支撑层；
刻蚀衬底层下表面，形成压电三明治结构背部空腔；
沉积下电极层并图形化；
采用磁控溅射方法，沉积压电薄膜层，并图形化，露出电极引线；
沉积上电极层并图形化，将上电极层引至下电极层平面与外电路连接；
采用低压化学气相淀积的方法在下电极上层表面生长支撑层，然后刻蚀露出上电极层部分；
在上电极层表面沉积绝缘膜；
将磁流变液覆盖在上电极表面，形成磁流体层。
具体实施方式一：
1、选取硅片作为衬底层，对硅片进行清洗、烘干备用；
2、采用低压化学气相淀积的方法在硅片上表面生长一层厚度为2µm的低应力SiO2薄膜，作为压电薄膜层的支撑层；
3、采用体硅刻蚀工艺去除硅衬底层背面的大部分硅，释放出压电三明治结构；
4、沉积厚度为2nm的金属Al作为下电极层并图形化；
5、采用磁控溅射方法，沉积平行c 轴择优取向的厚度为3µm的 ZnO 压电薄膜层，并图形化露出下电极层的引线；
6、沉积厚度为2nm的金属Al作为上电极层并图形化，将上电极层引至下电极层平面与外电路连接；
7、采用低压化学气相淀积的方法在上电极层上面生长一层SiO2薄膜，采用体硅刻蚀工艺去除中心大部分SiO2，露出上电极层部分；
8、在上电极层表面沉积一层绝缘薄膜，形成绝缘层；
9、将磁流变液覆盖在上电极表面形成磁流体层。
本发明的器件利用磁流变液的磁控力学特性，在磁场作用下磁流变液的密度、粘性系数等性质发生连续变化，进而通过薄膜谐振器谐振频率的漂移检测这些力学性质的变化，最后对电信号进行处理得到所需测量的磁场强度。由于薄膜谐振器工作在GHz频率段，对于微小的力学性质变化可以有效探测，且利用磁流变液的磁控力学性质，故本薄膜体声波磁场传感器灵敏度高，工作稳定性好，抗干扰能力强，无线无源，避免了长期工作状态下探头失效难以维修的问题。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种新型磁流体-压电薄膜结构器件，其特征在于：所述结构器件包括压电三明治结构及磁流体层（6），所述压电三明治结构包括压电薄膜层（4）和设置在所述的压电薄膜层（4）上、下表面的上电极层（5）和下电极层（3），上电极层（5）和下电极层（3）之间设有引线（未示出）；所述磁流体层（6）位于所述上电极层（5）之上。
2.根据权利要求1所述的新型磁流体-压电薄膜结构器件，其特征在于：所述结构器件还包括衬底层（1）和支撑层（2），所述衬底层（1）位于所述压电三明治结构底部，所述支撑层（1）位于所述衬底层（1）之上，覆盖于所述衬底层（1）的上表面及所述磁流体层（6）四周。
3.根据权利要求2所述的新型磁流体-压电薄膜结构器件，其特征在于：所述衬底层为硅衬底层，所述支撑层为二氧化硅支撑层。
4.根据权利要求1所述的新型磁流体-压电薄膜结构器件，其特征在于：所述压电薄膜层为AlN薄膜层或ZnO薄膜层。
5.根据权利要求4所述的新型磁流体-压电薄膜结构器件，其特征在于：所述压电薄膜层为平行c 轴取向的 ZnO薄膜层。
6.根据权利要求1所述的新型磁流体-压电薄膜结构器件，其特征在于：所述上电极层和下电极层为金属电极层。
7.根据权利要求6所述的新型磁流体-压电薄膜结构器件，其特征在于：所述上电极层和下电极层为铝电极层。
8.根据权利要求1所述的新型磁流体-压电薄膜结构器件，其特征在于：所述上电极层（5）和磁流体层（6）之间还设有绝缘层。
9.一种新型磁流体-压电薄膜结构器件的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
1、选取衬底，对其进行清洗、烘干；
2、采用低压化学气相淀积的方法在衬底层上表面生长低应力氧化物薄膜，作为压电薄膜层的支撑层；
3、刻蚀衬底层下表面，形成压电三明治结构背部空腔；
4、沉积下电极层并图形化；
5、采用磁控溅射方法，沉积压电薄膜层，并图形化，露出电极引线；
6、沉积上电极层并图形化，将上电极层引至下电极层平面与外电路连接；
7、采用低压化学气相淀积的方法在下电极上层表面生长支撑层，然后刻蚀露出上电极层部分；
8、将磁流变液覆盖在上电极表面，形成磁流体层。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：步骤7和8之间还包括步骤9、在上电极层表面沉积绝缘层。
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