CN112582780A - 一种体声波磁电阵列天线及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体声波磁电阵列天线，包括安装于硅基上的N个阵元，阵元均为同一结构的体声波磁电天线；体声波磁电天线由空腔型体声波谐振器和磁致伸缩薄膜复合组成；空腔型体声波谐振器包括从下到上堆叠组合的硅基底、隔离层、空气腔、种子层、下电极层、压电层和上电极层；磁致伸缩薄膜制作成磁致伸缩层并置于上电极层上；阵元均为等幅同相馈电且馈电方式为交流电压馈电，阵列类型为直线阵或平面阵；本发明提供的体声波磁电阵列天线及制备方法，在同一个硅片上同时制备出的多个体声波磁电天线进行组阵，实现增强天线的方向性、提高天线的辐射增益和使之更适用于无线通信中的应用场合的目的。

Description

一种体声波磁电阵列天线及制备方法

技术领域

本发明涉及天线领域，特别涉及一种体声波磁电阵列天线及制备方法。

背景技术

在射频前端器件中，天线作为与外界信息交换的窗口具有越来越重要的作用。目前的天线市场中主要以基于电流传导工作原理的电小天线为主导，但由于其通过电磁谐振向外场辐射电磁波，因此其尺寸通常较大，难以实现小型化，同时由于电流的镜像作用还有阻抗匹配困难、辐射效率低等缺点。体声波磁电天线利用声谐振向外场辐射电磁波，由于声波的波长远小于电磁波波长，其器件尺寸可以实现大幅微缩。同时其工作过程中不涉及电流传导，从根本上解决了电小天线阻抗匹配困难和辐射效率过低的问题。体声波磁电天线由压电层和磁致伸缩层交叉复合构成。

但是，由于体声波磁电天线的尺寸通常在微米量级，辐射区面积较小，单个体声波磁电天线的增益较低、方向性差。这就导致了体声波磁电天线在射频系统中应用时，低的辐射增益限制其应用范围。现有的技术方案采取采用在单个体声波磁电天线上制备多层磁致伸缩层 (辐射层)来提高辐射增益。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的体声波磁电阵列天线及其制备方法，在同一个硅片上同时制备出的多个体声波磁电天线进行组阵，实现增强天线的方向性、提高天线的辐射增益和使之更适用于无线通信中的应用场合的目的。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种体声波磁电阵列天线，包括安装于硅基上的N个阵元，阵元均为同一结构的体声波磁电天线；体声波磁电天线由空腔型体声波谐振器和磁致伸缩薄膜复合组成；空腔型体声波谐振器包括从下到上堆叠组合的硅基底、隔离层、空气腔、种子层、下电极层、压电层和上电极层；磁致伸缩薄膜制作成磁致伸缩层并置于上电极层上。

本发明的有益效果为：

本发明中的体声波磁电阵列天线通过对在同一个硅片上同时制备出的多个体声波磁电天线进行组阵的方法，可以实现增强天线的方向性、提高天线的辐射增益，克服了由于单个阵元辐射区面积小造成的问题，使之更适用于无线通信中的应用场合。并且利用微纳米加工工艺可以在硅基上批量化制备体声波磁电天线阵列，包括直线阵列、平面阵列、空间阵列等。

进一步地，阵元均为等幅同相馈电，馈电方式为交流电压馈电。

该进一步方案的有益效果为：保证各个阵元两端具有相同的激励信号，以产生等幅同相的电磁波辐射信号。

进一步地，阵元的阵列类型为直线阵和平面阵的其中一种，平面阵形状为正方形和圆形中的一种。

该进一步方案的有益效果为：保证不同位置的阵元所产生的电磁波辐射信号可以沿径向、横向和纵向叠加。

进一步地，阵元采用并联-串联馈电方式，阵元激励电压幅值比为U₁:U₂:U₃…U_N＝1:1:1…1。

该进一步方案的有益效果为：可以通过调整馈线的长度来保证馈源信号到达各个阵元时相位相同。

进一步地，每个相邻的阵元端口间距相等，为整数倍个0.5-1个波长。

该进一步方案的有益效果为：可以通过调整阵元端口间距来控制辐射方向，整数倍个 0.5-1个波长可以实现横向的电磁波的从抵消到叠加。

进一步地，下电极层宽度小于种子层，压电层和上电极层的宽度一致并小于下电极层，磁致伸缩层宽度小于上电极层。

该进一步方案的有益效果为：压电层和上电极层一致并小于下电极层，方便在刻蚀的时候露出下电极引出电极；磁致伸缩层宽度小于上电极层，方便在刻蚀的时候露出上电极引出电极。

第二方面，本发明还提供了一种体声波磁电阵列天线制备方法，包括以下步骤：

S1、利用光刻工艺在硅基底上刻蚀出平行和竖直的N个凹槽，并利用氧化工艺形成SiO₂隔离层；

S2、利用磁控溅射法在N个凹槽中填充非晶硅作为牺牲层，非晶硅厚度高于凹槽深度，利用化学机械抛光工艺使非晶硅层与隔离层厚度表面平整；

S3、利用磁控溅射法在N个位置处的隔离层上将材料AlN沉积成种子层；

S4、在N个位置处的种子层上沉积压电振荡堆，利用磁控溅射法依次沉积下电极层、压电层和上电极层并刻蚀下电极层；

S5、释放牺牲层凹槽内的非晶硅形成空腔层并进行干燥处理；

S6、在上电极表面利用磁控溅射法沉积磁致伸缩层。

进一步地，还包括以下步骤：

S7、利用干法刻蚀工艺分别刻蚀器件的两端和磁致伸缩层，使下电极和两端的上电极层暴露；最后将相邻两个凹槽位置处的压电层刻断，刻蚀宽度为0.5-1.0个波长，并刻至下电极处，器件制备完成。

该进一步方案的有益效果为：进行刻蚀工艺，可以简化整个工艺的复杂度。将相邻两个凹槽处的压电层刻断，可以防止两个器件之间的相互干扰。刻蚀宽度在0.5-1.0个波长可以增强天线阵列的方向性和辐射增益。

附图说明

图1为体声波磁电天线结构示意图；

图2为体声波磁电阵列天线结构俯视图；

图3为二元阵列天线结构示意图；

图4为等幅同相二元阵阵因子方向图；

图5为体声波磁电阵列天线制备过程中的结构示意图；

其中：1、硅基片；2、隔离层；3、空腔层；4、种子层；5、下电极层；6、压电层；7、 上电极层；8、磁致伸缩层；9、阵元。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例一：

如图1所示，本实施例中的一种体声波磁电阵列天线，包括安装于硅基上的2个阵元9，阵元9均为同一结构的体声波磁电天线；体声波磁电天线由空腔型体声波谐振器和磁致伸缩薄膜复合组成；空腔型体声波谐振器包括从下到上堆叠组合的硅基底1、隔离层2、空气腔3、种子层4、下电极层5、压电层6和上电极层7；磁致伸缩薄膜制作成磁致伸缩层8并置于上电极层7上。磁致伸缩薄膜材料为FeGaB，厚度为1μm；种子层和压电层材料均为AlN，厚度分别为30nm、1μm，本发明中的体声波磁电阵列天线结构俯视图如图2所示。

本发明实施例中，阵元9均为等幅同相馈电，馈电方式为交流电压馈电。

本发明实施例中，阵元9的阵列类型为直线阵和平面阵的其中一种，平面阵形状为正方形和圆形中的一种，阵元表面积为100μm×100μm-200μm×200μm。

本发明实施例中，阵元9采用并联-串联馈电方式，阵元9激励电压幅值比为 U₁:U₂:U₃…U_N＝1:1:1…1。

本发明实施例中，每个相邻的阵元9端口间距相等，为整数倍个0.5-1个波长。

本发明实施例中，下电极层5宽度小于种子层4，压电层6和上电极层7的宽度一致并小于下电极层5，磁致伸缩层8宽度小于上电极层7。

以二元体声波磁电阵列天线为例，在同一硅片上的两个具有相同结构的天线阵元馈入等幅同相的交变电压，由压电层的压电效应可知，当上下电极两端电压等幅同相时，在两个相同阵元9的内部激发出的极化电流I₀ ^e和应力场也是等幅同相的。该应力场将连续传导至磁致伸缩层，可以激发出相同的假想磁流I₀ ^m。这也就保证了两个阵元9中的总源(包括极化电流和假想磁流)I₀是等幅同相的。并且在实际工艺中，可以通过调整阵元的物理结构来控制辐射方向。

以全向体声波磁电天线为例，计算如图2所示的二元阵列磁电天线的辐射特性，全向体声波磁电天线阵元的阵因子AF＝I₀

由于各阵元的总源的幅值相等、相位相同，因此二元阵列天线的阵因子可以表示为：

AF＝I₀e^{-jβ(d/2)cosθ}+I₀e^{jβ(d/2)cosθ}＝2I₀cos(β(d/2)cosθ)

归一化后的阵因子f_a(θ)＝cos(β(d/2)cosθ)，当d＝0.5λ，形成如图3所示的等幅同相二元阵阵因子方向,当θ＝90°和θ＝270°时，阵因子最大；当θ＝0°和θ＝180°时，阵因子最小；而阵列磁电天线的方向图为单个阵元的方向图与阵因子的乘积，因此阵列磁电天线在90°和270°上明显增强了单个阵元的方向性。

天线的电场强度幅值E_1m正比于阵元的源大小I₀，单个阵元的电场E₁＝E_1mf(θ)，二元阵列的中阵元的电场分别为E₁＝E_1mf₁(θ)，E₂＝E_1mf₁(θ)e^{j(α+βdcosθ)}，总电场 E＝E₁+E₂＝E_1mf₁(θ)(1+e^{j(α+βdcosθ)})，其中E_1m为电场最大值，α为两个阵元的源相位差， f₁(θ)为阵元方向图函数的单元因子，f_a(θ)＝1+e^{j(α+βdcosθ)}。当同相馈电且阵元间距为半个波长时，f_a(θ)＝cos(β(d/2)cosθ)。由图3的分析可知，当θ＝90°和θ＝270°时，阵因子最大为1，此时阵列天线的电场E＝2E_1mf₁(θ)＝2E₁，其辐射电场强度加倍，而天线的辐射增益与辐射强度成正比，因此在输入功率变化较小的情况下，其增益可以实现大幅提高。

实施例二：

如图4所示，本实施例中的一种体声波磁电阵列天线制备方法，包括以下步骤：

S1、利用光刻工艺在图5(a)所示的硅基底上刻蚀出两个相邻的凹槽，相邻凹槽的间距为一个波长，深度为1.5μm，表面积为100μm×100μm-200μm×200μm；并利用湿氧氧化工艺形成约150nm的SiO₂隔离层2，结果如图5(b)所示；

S2、利用磁控溅射法在两个凹槽中填充非晶硅作为如图5(c)所示的牺牲层，厚度约为1.5μm，非晶硅厚度高于凹槽深度，之后利用化学机械抛光工艺使非晶硅层与隔离层2厚度表面平整，结果如图5(d)所示；

S3、利用磁控溅射法在隔离层2上将材料AlN沉积成种子层4，结果如图5(e)所示；

S4、在种子层4上沉积压电振荡堆，利用磁控溅射法沉积200-300nm的下电极层5，并进行图形化，下电极层材料为金属钼，结果如图5(f)所示；在下电极层的表面利用磁控溅射法沉积1μm的AlN压电层，结果如图5(g)所示；之后在压电层的表面沉积150-250nm 的上电极层，上电极层材料为金属钼或铝，结果如图5(h)所示；

S5、利用干法释放牺牲层两个凹槽内的非晶硅形成空腔层3并进行干燥处理，结果如图 5(i)所示；

S6、在上电极层7的表面利用磁控溅射法，将磁致伸缩薄膜沉积成为磁致伸缩层8，沉积厚度为1μm，磁致伸缩材料为FeGaB，结果如图5(j)所示；

本发明实施例中，还包括以下步骤：

S7、利用干法刻蚀工艺分别刻蚀器件的两端和磁致伸缩层8，使下电极层6和两端的上电极层7暴露；最后将相邻两个凹槽位置处的压电层6刻断刻蚀宽度为0.5-1个波长，并刻至下电极层6处，器件制备完成，如图5(k)所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种体声波磁电阵列天线，其特征在于，包括安装于硅基上的N个阵元(9)，所述阵元均为同一结构的体声波磁电天线；所述体声波磁电天线由空腔型体声波谐振器和磁致伸缩薄膜复合组成；所述空腔型体声波谐振器包括从下到上堆叠组合的硅基底(1)、隔离层(2)、空气腔(3)、种子层(4)、下电极层(5)、压电层(6)和上电极层(7)；所述磁致伸缩薄膜置于所述上电极层(7)上并刻蚀成磁致伸缩层(8)。

2.根据权利要求1所述的体声波磁电阵列天线，其特征在于，所述阵元(9)均为等幅同相馈电，所述馈电方式为交流电压馈电。

3.根据权利要求2所述的体声波磁电阵列天线，其特征在于，所述阵元(9)的阵列类型为直线阵和平面阵其中的一种，所述平面阵形状为正方形和圆形中的一种。

4.根据权利要求3所述的体声波磁电阵列天线，其特征在于，所述阵元(9)采用并联-串联馈电方式，所述阵元(9)激励电压幅值比为U₁:U₂:U₃…U_N＝1:1:1…1。

5.根据权利要求4所述的体声波磁电阵列天线，其特征在于，每个相邻的所述阵元(9)端口间距相等，为整数倍个0.5-1个波长。

6.根据权利要求5所述的体声波磁电阵列天线，其特征在于，所述下电极层(5)宽度小于所述种子层(4)，所述压电层(6)和所述上电极层(7)的宽度一致并小于所述下电极层(5)，所述磁致伸缩层(8)宽度小于所述上电极层(7)。

7.一种应用权利要求1、2、3、4或5任一所述的体声波磁电阵列天线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用光刻工艺在硅基底上刻蚀出平行和竖直的N个凹槽，并利用氧化工艺形成由SiO₂制成的隔离层(2)；

S2、利用磁控溅射法在N个凹槽中填充非晶硅作为牺牲层；

S3、利用磁控溅射法在N个位置处的所述隔离层(2)上将材料AlN沉积成所述种子层(4)；

S4、在N个位置处的种子层(4)上沉积压电振荡堆，利用磁控溅射法依次沉积下电极层(5)、压电层(6)和上电极层(7)并刻蚀所述下电极层(5)；

S5、释放所述牺牲层凹槽内的非晶硅形成空气腔(3)并进行干燥处理；

S6、在所述上电极层(7)表面利用磁控溅射法，将所述磁致伸缩薄膜沉积成为磁致伸缩层(8)；

8.根据权利要求7所述的体声波磁电阵列天线的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S7、利用干法刻蚀工艺分别刻蚀器件的两端和所述磁致伸缩层(8)，使所述下电极层(6)和两端的所述上电极层(7)暴露；最后将相邻两个凹槽位置处的所述压电层(6)刻断，刻蚀宽度为0.5-1个波长，并刻至所述下电极层(6)处，器件制备完成。

Images