CN115411505A

CN115411505A - 基于拉梅模式声波激励的磁电天线及其应用

Info

Publication number: CN115411505A
Application number: CN202210694473.0A
Authority: CN
Inventors: 林文魁; 云小凡; 吴东岷; 张宝顺; 曾中明; 刘义彰
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2022-11-29

Abstract

本发明公开了一种基于拉梅模式声波激励的磁电天线及其应用。所述磁电天线包括至少一个谐振单元，所述谐振单元包括具有声波反射结构的衬底，压电层，设置在衬底上，第一电极和/或第二电极，所述第一电极设置在压电层上，所述第二电极设置在衬底与压电层之间；所述压电层在第一方向和第二方向上均具有压电性能，所述第一方向为所述压电层的平面方向，所述第二方向为所述压电层的厚度方向，所述第一电极和第二电极中的至少一者包含磁电复合层，所述磁电复合层包括磁致伸缩层，所述第一电极和第二电极中的至少一者具有叉指电极结构。本发明实施例提供的磁电天线，在单端口施加RF信号时能同时激励产生d33厚度扩展模式和d31横向扩展模式。

Description

基于拉梅模式声波激励的磁电天线及其应用

技术领域

本发明涉及一种小型化的天线，特别涉及一种基于拉梅模式声波激励的磁电天线，属于射频天线技术领域。

背景技术

基于磁电异质结构的声波激励磁电天线，基于MEMS制造工艺，相比最先进的电小天线尺寸能降低2个数量级。由于其小尺寸和高增益的特点，能够被应用在IoT(物联网)、GPS导航(1.2GHz和1.5GHz)、Bluetooth(2.45GHz)、可植入生物芯片和RF-ID等领域，有望成为未来小尺寸天线的重要发展方向，为小尺寸天线的应用领域带来重大变革。

现有基于磁电效应的磁电天线存在增益较低和带宽较窄的问题，现有的基于体声波谐振器的磁电天线仅能利用厚度扩展模式d33，应变介导耦合效应带动磁致伸缩层中总体磁畴中磁矩转动较小，产生动态磁通相对较小，进而向空间中辐射的电磁波较弱，增益受限。与此同时体声波谐振器的高品质因数也会带来磁电天线带宽窄的问题，利用多谐振器串并联的方式，需要保持各谐振器之间的微小频移，对薄膜沉积厚度的要求较高，工艺复杂性增大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于拉梅模式声波激励的磁电天线，充分利用Lamé(拉梅)模式中的d31和d33二维振动模态，进一步增强应变介导耦合带来的磁矩进动，增大增益，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种基于拉梅模式声波激励的磁电天线，包括至少一个谐振单元，所述谐振单元包括：

具有声波反射结构的衬底，

压电层，设置在衬底上，

第一电极和/或第二电极，所述第一电极设置在压电层上，所述第二电极设置在衬底与压电层之间；

所述压电层在第一方向和第二方向上均具有压电性能，所述第一方向为所述压电层的平面方向，所述第二方向为所述压电层的厚度方向，所述第一电极和第二电极中的至少一者包含磁性复合层，所述磁性复合层与所述压电层形成磁电复合层，以及，所述第一电极和第二电极中的至少一者具有叉指电极结构，从而能激励产生拉梅振动模式。

本发明实施例还提供了一种天线阵列，包括多个所述的磁电天线。

本发明实施例还提供了一种Lamé模式磁电天线的带宽展宽方法，包括：提供所述的磁电天线或者所述的天线阵列，并将磁电天线的多个谐振单元通过串联和/或并联的方式连接。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明实施例提供的一种Lamé模式声波激励的磁电天线，利用叉指电极结构的磁电复合层，在单端口施加RF信号时能同时激励产生d33厚度扩展模式和d31横向扩展模式，在工作频率时能辐射更大强度的电磁波，天线的参考增益更大；

2)本发明实施例提供的一种Lamé模式声波激励的磁电天线，可以通过调整叉指电极结构的宽度和叉指之间的沟道Trench深度进而调节整个磁电天线的工作频率，简化了工艺；

2)本发明实施例提供的一种Lamé模式声波激励的磁电天线，对于多个谐振器的串并联过程中，需求具有微小频移的谐振器仅仅通过控制光刻线宽或刻蚀沟道深度就能达到目的，大大简化了天线阵列的制造工艺。

附图说明

图1是本发明实施例1中提供的一种基于Lamé模式声波激励的磁电天线截面结构示意图；

图2是本发明实施例1中提供的一种基于Lamé模式声波激励的磁电天线的制备工艺示意图；

图3是本发明实施例1中提供的一种基于Lamé模式声波激励的磁电天线的俯视图；

图4是本发明实施例1中提供的一种基于体声波(BAW)结构的磁电天线在不同有效谐振区域形状所对应的增益；

图5是本发明实施例1中提供的一种基于传统Lamb波模式(LWR)声波激励的磁电天线的回波损耗S22与参考增益S32；

图6是本发明实施例1中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线的叉指间距pitch深度调频阻抗Z11机制；

图7是本发明实施例1中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线的叉指间距pitch深度调频S11机制；

图8是本发明实施例1中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线的压电层上表面沟道Trench深度调频S11机制；

图9是本发明实施例1中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线的压电层上表面沟道Trench深度调频阻抗Z11机制；

图10是本发明实施例2中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线 IDT/IDT-Cavity结构器件示意图；

图11是本发明实施例3中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线 IDT/IDT-常规结构器件示意图；

图12是本发明实施例4中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线 IDT/Ground结构器件示意图；

图13是本发明实施例5中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线 IDT/Floating结构器件示意图；

图14是本发明实施例6中提供的一种基于新型Lamé模式(CLMR)声波激励的磁电天线 IDT/Open结构器件示意图；

图15是本发明实施例7中提供的一种新型Lamé模式(CLMR)声波激励的多磁电天线串联带宽增强；

图16是本发明实施例8中提供的一种新型Lamé模式(CLMR)声波激励的多磁电天线的并联带宽增强；

图17是本发明实施例9中提供的一种新型Lamé模式(CLMR)声波激励的多磁电天线的串并联结合带宽增强；

图18是本发明实施例10中提供的一种新型Lamé模式(CLMR)声波激励的多磁电天线单芯片并联带宽增强。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例中所涉及的术语解释：IDT指叉指电极结构，Ground指接地，Floating指悬浮电位，Open指开路。

本案发明人研究发现，在体声波BAW结构的磁电天线中，不同谐振区形状的BAW天线的增益具有很大的差异性，如图4所示，矩形谐振区域的天线参考增益S21为-27dB，远高于圆形和不规则五边形谐振区域的BAW天线(约-50dB)，在谐振区域的面积大小相近和谐振频率基本一致的情况下，矩形区域能辐射更大的电磁波(相差一个数量级)。对这一现象的解释只能归结于振动模式的差异，矩形谐振区域的BAW磁电天线能产生更多的横波，因为谐振区域平行边界的反射形成横波驻波振荡，而体声波中能产生的横波一般分为厚度剪切波和横向兰姆波Lamb，而厚度剪切波由于d15压电系数较小，所以横向Lamb波贡献了更多的天线辐射增益，因此可以合理的推测横向Lamb波模式能够增强天线辐射，并且可通过设计优化形成Lamé 模式，横波和纵波达到更好的耦合，在特征频率处同时产生横波和纵波的振动模态；在此基础上，通过多个Lamé模式谐振器的串并联级联增强天线的带宽，该Lamé模式谐振器可以是同频率或不同频率。

本发明实施例提供了一种拉梅(Lamé)模式声波激励的磁电天线及其制造方法，所述 Lamé模式磁电天线主要利用了压电层中横波和纵波的耦合，同时产生横向和纵向位移，借由应变介导耦合传递到磁性复合层磁性复合层，诱导磁性复合层辐射强度更大的电磁波，使得天线增益增强；

所述Lamé模式磁电天线的带宽展宽方法为将多个相同频率或具有微小频移的Lamé模式磁电天线谐振单元相串并联，其中每个谐振单元具有相同结构但不同的叉指电极结构宽度或者不同的压电层沟道(如下简称为沟道)。

具有声波反射结构的衬底，

压电层，设置在衬底上，

在一具体的实施案例中，所述压电层中形成有一个以上沟道，每一沟道与所述叉指电极结构中相邻两个叉指之间的区域对应设置。

在一具体的实施案例中，所述的磁电天线，包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极均具有叉指电极结构，与所述压电层相同区域对应的所述第一电极、第二电极内具有同相激励信号或异相激励信号；即所述第一电极、第二电极具有或不具有相位差，与所述压电层相同区域对应的所述第一电极、第二电极可以是同相可以是反相。

在一具体的实施案例中，所述第一电极和第二电极中的叉指的宽度、叉指之间的间距、交叠长度均相同。

在一具体的实施案例中，所述第二电极的叉指电极结构中相邻两个叉指之间还设置有填充层。

在一具体的实施案例中，所述填充层的厚度与所述第一电极或第二电极的厚度相同。

在一具体的实施案例中，所述填充层的材质包括氧化硅。

在一具体的实施案例中，所述叉指电极结构的宽度为0.1μm-30μm，所述叉指电极结构的间距为0.1μm-30μm，所述叉指电极结构的交叠长度为10μm-1000μm，所述叉指电极结构的叉指数量为3-1000。

需要说明的是，叉指电极结构中的宽度指电极本身的宽度，交叠长度是指两侧的叉指电极交叉覆盖的长度，具体可参阅图1和图3，对照来看，交叠长度是指第一电极中左右两侧的叉指电极相交叉的长度，也就是能产生声波的有效电极长度，叉指电极数量是指第一电极或者第二电极中的叉指数量。

在一具体的实施案例中，所述第一电极和第二电极中的一者为磁性复合层，另一者为非磁性导电层，或者，所述第一电极和第二电极均为磁性复合层。

在一具体的实施案例中，所述磁性复合层包括磁致伸缩层和/或高k介质层，所述高k介质层与所述磁致伸缩层叠层设置。

在一具体的实施案例中，所述磁致伸缩层包括FeGa薄膜、FeCo薄膜、包含稀土元素的磁性合金薄膜、金属玻璃薄膜中的任意一种。

在一具体的实施案例中，所述高k介质层的介电常数在7以上。

在一具体的实施案例中，所述高k介质层的材质包括Al₂O₃、HfO₂、ZrO₂、TiO₂或金刚石中的任意一种或两种以上的组合。

在一具体的实施案例中，所述磁致伸缩层的厚度为10-1000nm，所述高k介质层的厚度为 1-100nm。

在一具体的实施案例中，所述非磁性导电层的材质包括Mo、Al、W、Pt、Ta中的任意一种。

在一具体的实施案例中，所述第一电极和第二电极的厚度为50-1000nm。

在一具体的实施案例中，所述第一电极和第二电极中的任一者包含磁性复合层且具有叉指电极结构。

在一具体的实施案例中，所述第一电极或压电层叠层设置在所述衬底层的第一表面，所述声波反射结构包括设置在所述衬底层内的空气腔，所述空气腔包括设置在所述衬底层的第一表面的凹槽，或者，沿厚度方向贯穿所述衬底层的通孔，其中，所述第一表面和第二表面背对设置。

在一具体的实施案例中，所述衬底层包括Si(100)晶圆，所述衬底层的厚度为20-800μm。

在一具体的实施案例中，所述的磁电天线还包括：缓冲层，所述缓冲层叠层设置在所述衬底层和第一电极之间。

在一具体的实施案例中，所述缓冲层包括AlN籽晶层，所述缓冲层的厚度为20-10nm。

在一具体的实施案例中，所述的磁电天线包括：多个谐振单元，多个所述谐振单元之间通过串联和/或并联的方式连接。

在一具体的实施案例中，多个所述谐振单元的谐振频率相同。

在一具体的实施案例中，多个所述谐振单元中第一电极和/或第二电极中的叉指的宽度不同。

在一具体的实施案例中，多个所述谐振单元中压电层中的沟道数量或宽度不同。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例提供的一种基于Lamé模式声波激励的磁电天线及其制造方法中所涉及的压电层、第一电极、第二电极、缓冲层和衬底层均可以采用本领域技术人员已知的，本发明实施例所采用的光刻、溅射、沉积、刻蚀等工艺，也可以是本领域技术人员已知的。

实施例1：

请参阅图1，一种基于Lamé模式声波激励的IDT/IDT结构磁电天线，包括自下而上依次叠层设置的衬底层1、缓冲层2、下电极层(即前述第一电极，下同)3、压电层5、上电极层 (即前述第二电极，下同)6和Pad层8，所述下电极层3和上电极层6均未叉指电极结构，所述填充层4设置在所述下电极层3的叉指电极结构的间隙内，

所述压电层5内还设置有压电层通孔7和压电层沟道9，所述压电层通孔7沿厚度方向贯穿压电层5，所述下电极层3的局部自所述压电层通孔7内露出，所述压电层沟道9为形成在未被上电极层6覆盖区域的沟槽，所述压电层5上还设置有Pad层8，所述Pad层8自所述压电层通孔7处与所述下电极层3电连接，所述下电极层3、压电层5和上电极层6形成磁电复合结构设置在器件的谐振区域内，所述磁电复合结构能够在压电层中激励出拉梅振动模式，所述拉梅振动模式包括横向振动模式或横向振动与纵向振动耦合模式。

具体的，所述衬底层1包括Si(100)晶圆，所述衬底层1的厚度为20-800μm，所述衬底层 1中设置有声波反射结构，所述声波反射结构在器件的纵向方向上的位置与上、下电极层的位置相对应，所述声波反射结构用来将压电谐振产生的声波限制在谐振区域内部，例如，所述声波反射结构可以是设置在所述衬底层1内的空气腔11，所述空气腔11可以位于衬底层1靠近缓冲层一侧表面的凹槽或贯穿整个衬底层的通孔，优选的，所述空气腔的深度为2-800μm。

具体的，所述缓冲层2主要用来提升下电极层的择优取向，也可以不设置，例如，所述缓冲层2可以为AlN籽晶，厚度约为20-100nm，

具体的，所述下电极层3和上电极层6均具有叉指电极结构，且与所述压电层5相同区域对应的所述下电极层3、上电极层6具有同相激励信号或异相激励信号，所述下电极层3和上电极层6的叉指电极结构的宽度、叉指之间的间距、交叠长度均相同，所述叉指电极结构的宽度为0.1μm-30μm，所述叉指电极结构的间距为0.1μm-30μm，所述叉指电极结构的交叠长度为10μm-1000μm，所述叉指电极结构的叉指数量为3-1000，例如，所述下电极层3可以是Mo 薄膜，厚度为50-800nm，所述上电极层6为磁性复合层，所述磁性复合层可由单层FeGaB磁性薄膜独立充当，或者，由FeGaB磁性薄膜和高k值介质薄膜(即前述高k介质层，下同)交替叠设形成，其中，所述FeGaB磁性薄膜具有晶体学择优取向和磁致伸缩系数，所述FeGaB 磁性薄膜的厚度为10-800nm，由FeGaB磁性薄膜和高k值介质薄膜形成的FeGaB/高k值材料复合磁性薄膜中的高k值介质薄膜可以是高介电常数的Al₂O₃介质薄膜，所述Al₂O₃介质薄膜的厚度为1-100nm。

具体的，所述下电极层3的叉指电极结构的间隙内还填充有填充层4，所述填充层4可以是SiO₂薄膜等，以利于后续压电层5的沉积，减小边角处的应力积聚，改善压电层的晶体质量。

具体的，具有相同谐振频率和不同谐振频率的Lamé模式磁电谐振器可以是相同或不同电极结构配置，能通过调节叉指电极的宽度和调节压电层表面叉指电极之间的沟道深度控制谐振器的频率偏移，进而使得不同Lamé模式磁电谐振器的谐振频率具有微小的频移，例如，所述下电极层3/上电极层6还可以配置为：IDT/Ground、IDT/Floating、IDT/Open、Ground/IDT、Floating/IDT和Open/IDT，所述压电层5两侧叠设的IDT电极配置可以是磁性复合层，Ground 和Floating电极配置可以是磁性复合层或非磁性导电层。

具体的，所述压电层5至少同时具有横向和纵向压电性能，并能同时激励出厚度扩展振动模式和横向扩展振动模式，所述压电层5的材质可以是AlN、AlScN、PZT、LiNbO3、LiTaO3 等具有压电系数的压电材料，例如，所述压电层5可以为AlN薄膜，厚度为100-3000nm(厚度越薄谐振频率越高)。

具体的，所述IDT/IDT结构磁电天线还具有衬底空腔释放孔10，所述衬底空腔释放孔10 沿纵向方向贯穿所述压电层5、下电极层3并与衬底层1内的空气腔11相连通。

具体的，Lamé模式磁电天线的带宽展宽方法包括将多个相同或不同谐振频率的磁电谐振器单元进行串联、并联或串并联。

请参阅图2，一种Lamé模式声激励的IDT/IDT结构磁电天线，其上电极层为具有叉指电极结构的磁性复合层，可以激励产生Lamé模式声波振动模态，该Lamé模式声激励的IDT/IDT结构磁电天线的制造方法主要基于微机电系统(MEMS)工艺设备进行，具体包括以下步骤：

a)取厚度为695μm的Si(100)晶圆作为衬底层1，采用直流溅射工艺，在衬底层1上依次形成叠设的AlN/Mo薄膜，厚度分别为30nm/800nm，直接设置在衬底层1表面的AlN薄膜作为缓冲层2，Mo薄膜作为下电极层3；

b)利用电感耦合等离子体ICP刻蚀设备对下电极层3进行图形化处理，以形成下电极层3 的叉指电极结构，在PECVD设备中沉积SiO₂薄膜，将下电极层3的叉指电极结构之间的间隙用SiO₂填满，利用CMP将高于Mo下电极层3的薄膜抛光掉，使得薄膜表面粗糙度较低；

c)采用直流溅射工艺在下电极层3上溅射沉积AlN压电层5，并在此基础上，采用磁控溅射等工艺在AlN压电层5上沉积FeGaB磁性薄膜层6；

d)采用IBE刻蚀等方式对上电极层6进行加工处理，以形成叉指电极结构；

e)采用ICP刻蚀等工艺在压电层5内形成沿厚度方向贯穿所述压电层5的压电层通孔7，以暴露下电极层3；

f)采用电子束蒸发工艺在压电层5上沉积Ti/Au金属作为Pad8，金属Ti/Au的厚度分别为30nm和150nm；

g)再次采用ICP刻蚀等方式形成压电层5的压电层沟道9，通过控制刻蚀速率来控制压电层沟道9的深度；

h)采用IBE刻蚀等方式形成释放孔10，借由XeF₂气体腐蚀衬底层，以在衬底层1内形成空气腔l1，深度为3μm。

由实施例1制备的一种Lamé模式声激励磁电天线结构如图1所示，Lamé模式天线的俯视图如图3所示。

具体的，对上述实施例1制备的磁电天线进行天线性能表征，性能表征测试所采用的测试装置为矢量网络分析仪、微波探针台和接收宽带天线，其中矢量网络分析仪频段10MHz～120GHz均可，探针间距满足待测磁电天线GSG三端电极Pad间距)，对天线的回波损耗S11和参考增益S21进行表征，基于同批次的制备器件中基于体声波磁电天线的测试结果显示矩形谐振区域的增益高于圆形和不规则五边形，即横波带来的增益增强效果，如图4所示。对传统兰姆波的天线增益进行表征，结果显示传统兰姆波型的磁电天线具有与矩形谐振区域磁电天线的增益，如图5所示。

具体的，涉及优化兰姆波声波激励磁电天线为Lam6模式，使得横波和纵波同时耦合起来，在同频段产生更多的振动幅度，带动更多磁矩转动，使得增益增强，对于Lamé模式磁电天线而言，其谐振频率可以利用叉指电极宽度和沟道深度来调谐，其调谐特性如图6、7、8和9所示。

实施例2：

本发明实施例2提供的一种Lamé模式声激励磁电天线及其制造方法，在器件结构和制造工艺上与实施例1中基本一致，两者区别仅在于仅改动了空气腔11的位置，故实施例2中器件制备工艺步骤只给出与实施例1中制备步骤不同的工艺、方法和参数等，未给出的默认与实施例 1相同，实施例2与实施例1不同的工艺具体为：

h)利用深硅刻蚀工艺在衬底层1背对压电层5的一侧表面形成贯穿衬底层1的通孔，并以所述通孔作为空气腔10，从而形成谐振器所需的空气反射界面，制造形成的天线结构如图10 所示。

请参阅图10，在一些较为具体的实施案例中，一种基于Lamé模式声波激励的IDT/IDT结构磁电天线包括：衬底层1、缓冲层2、下电极层3、填充层4、压电层5、上电极层6、压电层通孔7、Pad层8、压电层沟道9、和空气腔10，图10中的IDT/IDT结构磁电天线结构与图1中的IDT/IDT结构磁电天线结构基本类似，唯一的差异在于空气腔10的位置分布，图10的空气腔为沿厚度或纵向方向贯穿衬底层1的通孔。

实施例3：

本发明实施例3提供的一种Lam6模式声激励磁电天线及其制造方法，在器件结构和制造工艺上与实施例1中关键结构基本一致，差异主要体现在缓冲层和下电极层，电极配置仍为 IDT/IDT结构，故实施例3中器件制备工艺步骤只给出与实施例1中制备步骤不同的工艺、方法和参数等，未给出的默认与实施例1相同。

请参阅图11，在一些较为具体的实施案例中，一种基于Lamé模式声波激励的IDT/IDT常规结构磁电天线与图1中的IDT/IDT结构磁电天线结构基本类似，不同之处在于：

图11中示出的IDT/IDT结构磁电天线中省去了下电极层3与衬底层1之间的缓冲层以及下电极层3内的填充层。

实施例3与实施例1不同的工艺具体为：

a)取厚度为695μm的Si(100)晶圆作为衬底层1，采用直流溅射工艺，在衬底层1上沉积 Mo薄膜，厚度为800nm，Mo薄膜作为下电极层3；

b)利用电感耦合等离子体ICP刻蚀设备对下电极层3进行图形化处理，以形成下电极层的叉指电极结构IDT，形成的天线结构如图11所示。

实施例4：

本发明实施例4提供的一种Lamé模式声激励磁电天线及其制造方法，在器件结构和制造工艺上与实施例1中关键结构有差异，差异主要体现在下电极层，电极配置由IDT/IDT结构变为 IDT/Ground，故实施例4中器件制备工艺步骤只给出与实施例1中制备步骤不同的工艺、方法和参数等，未给出的默认与实施例1相同。

请参阅图12，一种基于Lamé模式声波激励的IDT/Ground结构磁电天线与图11中的IDT/IDT结构磁电天线结构基本类似，不同之处在于：图12中示出的IDT/Ground结构磁电天线中的下电极层3配置为IDT，所述上电极层6被配置为Ground。

实施例4与实施例1不同的工艺具体为：

b)不再对下电极层3进行图形化处理，保持下电极层3接地，形成IDT/Ground配置，形成的天线结构如图12所示。

实施例5：

本发明实施例5提供的一种Lamé模式声激励磁电天线及其制造方法，在器件结构和制造工艺上与实施例1中关键结构有较大差异，差异主要体现在下电极层和Pad的分布，本实施例中天线的电极配置由IDT/IDT结构变为IDT/Floating，故实施例5中器件制备工艺步骤只给出与实施例1中制备步骤不同的工艺、方法和参数等，未给出的默认与实施例1相同。

请参阅图13，在一些较为具体的实施案例中，一种基于Lamé模式声波激励的IDT/Floating 结构磁电天线与图11中的IDT/IDT结构磁电天线结构基本类似，不同之处在于：图13中示出的IDT/Floating结构磁电天线中的下电极层3配置为IDT，所述上电极层6被配置为Floating，上电极层6为磁性复合层，并且，图13中的IDT/Floating结构磁电天线略去了位于压电层5内的压电层通孔7。

实施例5与实施例1不同的工艺具体为：

a)取厚度为695μm的Si(100)晶圆作为衬底层1，采用直流溅射工艺在衬底层1上沉积 Mo薄膜，厚度为800nm，Mo薄膜作为下电极层3；

b)不再对下电极层3进行图形化，保持下电极层3完整；

e)略去对压电层5进行刻蚀形成压电层通孔7的步骤；

其它制备工艺保持一致，最终形成的天线结构如图13所示。

实施例6：

本发明实施例6提供的一种Lamé模式声激励磁电天线及其制造方法，在器件结构和制造工艺上与实施例1中关键结构有较大差异，差异主要体现在下电极层和Pad的分布，本实施例中天线的电极配置由IDT/IDT结构变为IDT/Open，故实施例6中器件制备工艺步骤只给出与实施例1中制备步骤不同的工艺、方法和参数等，未给出的默认与实施例1相同。

请参阅图14，在一些较为具体的实施案例中，一种基于Lamé模式声波激励的IDT/Open结构磁电天线与图13中的IDT/Floating结构磁电天线结构基本类似，不同之处在于：图14中示出的IDT/Open结构磁电天线中的上电极层6配置为IDT，且为磁性复合层，同时略去了下电极层3。

实施例6与实施例1不同的工艺具体为：

a)取厚度为695μm的Si(100)晶圆作为衬底层1；

b)不再设置下电极层；

c)采用直流溅射工艺在衬底层1上溅射沉积AlN压电层5，并在AlN压电层5上磁控溅射沉积FeGaB磁性薄膜层作为上电极层6；

e)略去对压电层5进行刻蚀形成压电层通孔7的步骤；

其它制备工艺保持不变，形成的天线如图14所示。

实施例7：

实施例7中利用多个Lamé模式声激励磁电天线的串联形成天线带宽展宽，其中所用Lamé 模式磁电天线包括上述6个实施例中任一种或几种，制备工艺与上述实施例中一致，且所用 Lam6模式磁电天线单元可以是相同谐振频率或具有微小谐振频率偏移，不再赘述，形成的天线结构如图15所示，但不局限于此。

请参阅图15，一种基于Lamé模式声波激励磁电天线可以通过多个谐振器的串联实现天线带宽的增强，多个谐振器可以是相同频率相同结构的磁电天线单元，也可以是具有微小频率偏移的磁电天线单元；微小频率偏移是指多个谐振单元具有不同的谐振频率，多个谐振频率之间的差距比较小，比如几MHz，或者10MHz。

具体的，所述磁电天线单元可以是IDT/IDT、IDT/Ground、IDT/Floating、IDT/Open、 Ground/IDT、Floating/IDT和Open/IDT等结构配置，具有微小频率偏移的磁电天线可以通过调节叉指电极结构的宽度和压电层沟道的深度，调节效果如图6、7、8和9所示。

具体的，串联的多个磁电天线单元可以位于一个Pad图形内，即单器件结构多个有效谐振区域，也可以是多个Pad对应多个谐振区域的串联。

实施例8：

实施例8中利用多个Lamé模式声激励磁电天线的并联形成天线带宽展宽，其中所用Lamé 模式磁电天线包括上述1-6实施例中任一种或几种，制备工艺与上述实施例中一致，且所用Lamé模式磁电天线单元可以是相同谐振频率或具有微小谐振频率偏移，不再赘述，形成的天线结构如图16所示，但不局限于此。

请参阅图16，一种基于Lamé模式声波激励磁电天线可以通过多个谐振器的并联实现天线带宽的增强，多个谐振器可以是相同频率相同结构的磁电天线单元，也可以是具有微小频率偏移的磁电天线单元。

具体的，所述磁电天线单元可以是IDT/IDT、IDT/Ground、IDT/Floating、IDT/Open、 Ground/IDT、Floating/IDT和Open/IDT等结构配置，所述具有微小频率偏移的磁电天线可以通过调节叉指电极的宽度和压电层沟道的深度，调节效果如图6、7、8和9所示。

具体的，并联的多个磁电天线单元可以位于一个Pad图形内，即单器件结构多个有效谐振区域，也可以是多个Pad对应多个谐振区域的并联。

实施例9：

实施例9中利用多个Lamé模式声激励磁电天线的串并联形成天线带宽展宽，其中所用 Lam6模式磁电天线包括上述l-8实施例中任一种或几种，制备工艺与上述实施例中一致，且所用Lamé模式磁电天线单元可以是相同谐振频率或微小谐振频率偏移，不再赘述，形成的天线结构如图17所示，但不局限于此。

请参阅图17，一种基于Lamé模式声波激励磁电天线可以通过多个谐振器的串并联组合的方式实现天线带宽的增强，多个谐振器可以是相同频率相同结构的磁电天线单元，也可以是具有微小频率偏移的磁电天线单元。

具体的，并联的多个磁电天线单元可以位于一个Pad图形内，即单器件结构多个有效谐振区域，也可以是多个Pad对应多个谐振区域的串并联。

实施例10：

实施例10中利用单芯片Lamé模式声激励磁电天线中不同谐振区域的等效并联关系形成天线带宽展宽，其中R1和R2两个区域具有不同的叉指电极宽度或不同的沟道深度。借由图6-9 所示的调频机制，在R1和R2两个区域产生两种不同的f1和f2，产生微小的频移Δf，实现天线的回波损耗S11带宽增强，与此同时S21同时增强。

实施例10中磁电天线的电极配置可以为IDT/IDT、IDT/Ground、IDT/Floating、IDT/Open 中任一种，在此仅给出以IDT/IDT电极配置的制备工艺，其它配置的制备工艺不再赘述，其主要差异在于IDT磁电复合层中的调频机制，故实施例10中器件制备工艺步骤只给出与实施例l 中制备步骤不同的工艺、方法和参数等，未给出的默认与实施例1相同。

请参阅图18，在一些较为具体的实施案例中，一种基于Lamé模式声波激励磁电天线可以通过单个谐振器内不同区域叉指宽度和沟道深度调节实现天线的谐振频率，等效为具有微小频移的多个谐振器的并联关系，进而实现天线的带宽展宽。

具体的，所述谐振器可以是磁电天线单元，所述磁电天线单元可以是IDT/IDT、IDT/Ground、IDT/Floating、IDT/Open、Ground/IDT、Floating/IDT和Open/IDT等结构配置，所述具有微小频率偏移的磁电天线可以通过调节叉指电极的宽度和压电层沟道的深度，调节效果如图6、7、8和9所示，图18中Rl和R2两个谐振器等效为两个磁电天线的并联，在单一谐振区域中实现天线带宽的展宽，避免了磁电天线尺寸的增大。

具体的，所述等效并联的多个磁电天线单元也可以利用图15、16和17中的串并联级联方式进行带宽的进一步展宽。

实施例10与实施例1不同的工艺具体为：

d)利用IBE刻蚀上电极层6形成叉指电极结构，且R1和R2两个区域分为先后两次光刻，进行先后两次IBE刻蚀，形成不同宽度(P1与P2不同)的叉指电极宽度；

g)对于R1和R2两个谐振区域分别进行两次光刻，先后利用ICP刻蚀形成压电层的沟道 9，通过刻蚀速率控制R1和R2不同的沟道深度(T1与T2不同)；

其它制备工艺与实施例1中一致，形成的天线结构如图18所示。

本发明实施例提供的一种Lamé模式声波激励的磁电天线，利用叉指电极结构的磁电复合层，在单端口施加RF信号时能同时激励产生d33厚度扩展模式和d31横向扩展模式，也就是在 BAW结构磁电天线的基础上增加了横波振动的模式，使得磁致伸缩材料中的磁畴磁矩偏转更有利，两种模式产生的动态磁流必定大于单一模式，因此在工作频率时能辐射更大强度的电磁波，天线的参考增益更大。

本发明实施例提供的一种Lamé模式声波激励的磁电天线，可以通过调整叉指电极结构的宽度和叉指之间的沟道Trench深度进而调节整个磁电天线的工作频率，即不需要类似BAW磁电天线增加额外的负载层去达到调频的目的，简化了工艺；同时对于多个谐振器的串并联过程中，需求具有微小频移的谐振器仅仅通过控制光刻线宽或刻蚀沟道深度就能达到目的，大大简化了天线阵列的制造。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于拉梅模式声波激励的磁电天线，包括至少一个谐振单元，所述谐振单元包括：

具有声波反射结构的衬底，

压电层，设置在衬底上，

其特征在于，所述压电层在第一方向和第二方向上均具有压电性能，所述第一方向为所述压电层的平面方向，所述第二方向为所述压电层的厚度方向，所述第一电极和第二电极中的至少一者包含磁性复合层，所述磁性复合层与所述压电层形成磁电复合层，以及，所述第一电极和第二电极中的至少一者具有叉指电极结构，从而能激励产生拉梅振动模式。

2.根据权利要求1所述的磁电天线，其特征在于：所述压电层中形成有一个以上沟道，每一沟道与所述叉指电极结构中相邻两个叉指之间的区域对应设置。

3.根据权利要求2所述的磁电天线，其特征在于：包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极均具有叉指电极结构，与所述压电层相同区域对应的所述第一电极、第二电极内具有同相激励信号或异相激励信号；

优选的，所述第一电极和第二电极中的叉指的宽度、叉指之间的间距、交叠长度均相同；

优选的，所述第二电极的叉指电极结构中相邻两个叉指之间还设置有填充层；优选的，所述填充层的厚度与所述第一电极第二电极的厚度相同，优选的，所述填充层的材质包括氧化硅；

优选的，所述叉指电极结构的宽度为0.1μm-30μm，所述叉指电极结构的间距为0.1μm-30μm，所述叉指电极结构的交叠长度为10μm-1000μm，所述叉指电极结构的叉指数量为3-1000。

4.根据权利要求1或2所述的磁电天线，其特征在于：所述第一电极和第二电极中的一者为磁性复合层，另一者为非磁性导电层，或者，所述第一电极和第二电极均为磁性复合层；

优选的，所述磁性复合层包括磁致伸缩层和/或高k介质层，所述高k介质层与所述磁致伸缩层叠层设置；

优选的，所述磁致伸缩层包括FeGa薄膜、FeCo薄膜、包含稀土元素的磁性合金薄膜、金属玻璃薄膜中的任意一种；

优选的，所述高k介质层的介电常数在7以上；

优选的，所述高k介质层的材质包括Al₂O₃、HfO₂、ZrO₂、TiO₂或金刚石中的任意一种或两种以上的组合；

优选的，所述磁致伸缩层的厚度为10-1000nm，所述高k介质层的厚度为1-100nm；

优选的，所述非磁性导电层的材质包括Mo、Al、W、Pt、Ta中的任意一种；

和/或，所述第一电极和第二电极的厚度为50-1000nm。

5.根据权利要求4所述的磁电天线，其特征在于：所述第一电极和第二电极中的任一者包含磁性复合层且具有叉指电极结构。

6.根据权利要求1所述的磁电天线，其特征在于：所述第一电极或压电层叠层设置在所述衬底层的第一表面，所述声波反射结构包括设置在所述衬底层内的空气腔，所述空气腔包括设置在所述衬底层的第一表面的凹槽，或者，沿厚度方向贯穿所述衬底层的通孔，其中，所述第一表面和第二表面背对设置；

优选的，所述衬底层包括Si(100)晶圆，所述衬底层的厚度为20-800μm。

7.根据权利要求1所述的磁电天线，其特征在于，还包括：缓冲层，所述缓冲层叠层设置在所述衬底层和第一电极之间；

优选的，所述缓冲层包括AlN籽晶层，所述缓冲层的厚度为20-10nm。

8.根据权利要求1所述的磁电天线，其特征在于，包括：多个谐振单元，多个所述谐振单元之间通过串联和/或并联的方式连接；

优选的，多个所述谐振单元的谐振频率相同；

优选的，多个所述谐振单元中第一电极和/或第二电极中的叉指的宽度不同；

优选的，多个所述谐振单元中压电层中的沟道数量或宽度不同。

9.一种天线阵列，其特征在于包括多个如权利要求1-8中任一项所述的磁电天线。

10.一种Lamé模式磁电天线的带宽展宽方法，其特征在于，包括：提供如权利要求1-8中任一项所述的磁电天线或者权利要求9所述的天线阵列，并将磁电天线的多个谐振单元通过串联和/或并联的方式连接。