CN1386321A - 具有交替极化区域的声波器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声波器件,它包括铁电材料层(C)和基片(S)。铁电材料层位于淀积在基片的表面上或者是基片的组成部分的第一电极(E1)和第二电极(E2)之间,铁电材料层包括正的第一极化区域(D1)和负的第二极化区域(D2)。对用于表面波传感器领域,该结构可优选地制成间距为几百毫微米数量级的转换区域,以适合高频率(数量级为一千兆赫)的应用。

Description

具有交替极化区域的声波器件
技术领域
本发明涉及声波器件，更具体地涉及能够在几千兆赫数量级的非常高的频率工作的表面波传感器。
背景技术
通常，根据应用需要，当前制造传感器采用基于交叉电极的梳状结构、采用包括每个波长λ二个、四个或八个电极，λ对应传感器的中心工作频率。在各种传感器中，通常采用的基片上的金属化表面的面积与自由表面的面积的比值大约在0.25到0.75之间。
然而，已经出现了一种新型的传感器，这就是所谓的小间隙传感器，其中，自由表面非常小以便获得两个相邻电极之间最小可能的距离。这类传感器的优点是，可以获得最大可能的每个周期的电极宽度，而具有大大减小的电极间的反射现象。
这种结构的缺点是由于技术性的困难。例如，对于在1.6GHz工作的传感器，宽度为λ/2，即，1.5μm的电极必须被几百埃数量级的距离间隔开，这需要非常精细的技术。
而且，当给相互间隔很近的电极通电时，所述电极的组成金属，在这种情况下是铝(使用最多的)，将电能转换成热能并具有蠕变的趋势，这样有可能使不同电极短路(在瑞利波的情况下)。
发明内容
为了解决这些问题，本发明提供一种具有连续电极的声波器件，该声波器件由极性转换的铁电材料制成。
更具体地，本发明提供一种声波器件，它包括铁电材料层和基片，其特征在于，铁电材料层位于淀积在基片的表面上或者是基片的组成部分的第一电极和第二电极之间，铁电材料层包括正的第一极化区域和负的第二极化区域。
根据第一变型，第二电极淀积在铁电材料层上。根据第二变型，第二电极由一个盖支撑，以便在所述第二电极和铁电材料层之间形成一个空间，从而提高表面波的传播特性，由于在铁电材料和上部电极之间没有接触，表面波很少地被限制。
根据本发明的一个变型，铁电材料层也可以包括非极化的区域，这种区域能够引入相位元件，以便影响在铁电材料层中的声波传播的方向性，如后面将要解释的。
根据本发明的一个变型，声波器件包括一系列正、负和零极化的线性区域。
根据本发明的另一个变型，区域沿着两个正交方向分布，这有利于声波之间的干涉的组合并可以具有另外的自由度，以制造特殊的传感器结构。
根据本发明的一个变型，声波器件包括至少一个电极，其表面是由满足等式y＝f(x)的两个参数限定的，其中f是一个实函数。
根据本发明的一个变型，在铁电材料层的平面中的空间极化分布遵循一个几何定律，使得所形成的极化表面是由满足等式y＝f(x)的两个参数限定的，其中f是一个实函数。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明以及本发明的其它优点可以更加容易被理解。其中：
图1显示了对根据本发明的表面波器件产生正极化区域和负极化区域的方法；
图2显示了根据本发明的表面波器件的第一示例；
图3显示了根据本发明的器件的一个示例，它具有非极化区域；
图4显示了根据现有技术用于产生变迹功能的交叉电极结构；
图5显示了用于本发明中产生变迹功能的电极形式的示例；以及
图6显示了采用不与铁电材料层接触的第二电极的表面波器件的第二示例。
具体实施方式
总之，本发明提供一种声波器件，该声波器件采用其中形成有交替极化区域的铁电材料层。
具体地，本发明提出产生局部极化区域并且从这类局部极化获得优点，以便使所形成的材料电声性质功能化或周期化，从而制造声波器件，由于局部电极化，该声波器件借助于任何类型的金属基片或金属化的表面上的铁电材料压电地激励。
为此，一个铁电材料层按照现有方式形成在金属基片的表面或金属化基片的表面上。通常，这可以是任何单晶或多晶的铁电材料，例如，铅钛锆氧化物(PZT)、LiNbO3，LiTaO3或者KNbO3。通常，这个层的厚度小于10μm。该材料(极化或不极化)随后局部地经受大电场的作用，尤其是借助于电极头或顶尖形式的金属电极、或根据所需的局部极化外形制造的几何形状的电极。
这种操作的目的是为了超过材料的矫顽场足够的时间，该时间大于材料的最小特定极化时间。这样，铁电材料的分子偶极永久地对齐以便获得受控制的压电极化。这是因为如此施加的电场的极化使得对于铁电材料的极化方向而言可以局部地强加。在施加电场的过程中，下方的电极或或基片本身根据情况可以升高到电参考值。图1显示了用于在覆盖有第一电极E1的基片S的表面上的铁电材料层C中形成正的第一极化区域D1和负的第二极化区域D2、并且保持未极化的第三区域D3的方法。一个电极头P与所述层C相对地设置。
现在我们在PZT氧化物层的情况下描述该方法。通常，由能够经受制造PZT陶瓷的温度(大于大约500℃的温度)的铂/钛合金制成的第一电极形成在基片上，该基片由包括硅、蓝宝石和玻璃等的这类材料组成。PZT层通过喷涂淀积或溶胶凝胶工艺形成，以获得厚度为几微米数量级的层。随后，使用一个电极头，诸如用于原子力型显微镜的近场显微镜的电极头，其中，电极头充分地接近试样以便对范德华力(AMF)敏感，从而使电子通过电子隧道效应从试样转移到电极头。通过给电极头施加一个电势，以精确和可重复的方式获得预期的强制极化。对于厚度为500nm数量级的非常薄的PZT层，5到12V的电势足以产生比矫顽场大的电场。实际中，如此形成的区域的尺寸可以小于130nm。
根据电极头的优良程度，该方法可用于宽度或大或小的区域。在PZT的情况下，区域转换的空间分辨率直接取决于材料颗粒尺寸。在通过喷涂淀积的层中，颗粒尺寸通常是几百毫微米数量级，以及在通过溶胶凝胶工艺获得的颗粒的情况下大约是60nm数量级。
对于应用于表面波传感器领域，可以形成间距为几百毫微米数量级的领域转换的结构，因此，这种结构非常适合于高频率的应用。这是因为根据本发明，格栅间距是声波长数量级。通过按照格栅间距划分波的相速度获得第一近似的频率。在现有的表面波器件的情况下，使用的格栅间距通常等于声波长的一半。
根据本发明采用铁电材料中的极化转换的声波器件可以优选地是表面波器件。
这是因为通过使铁电材料层覆盖一个第二电极，如此形成的结构可以动态地被激励。
通过使正极化区域与负极化区域交替，在铁电材料层中的物质经历交替的延伸和压缩以产生有益的声干涉，优选地是在层的平面而不是在体积中传播(因此具有引导功能)。这是因为在层中被引导的弹性波的传播速度小于在基片中的弹性波的传播速度。图2显示了根据本发明的器件的示例，它包括基片S、具有第一极化区域D1和第二极化区域D2的铁电材料层C以及沉积在层C的表面上的第二电极E2，通过电极E1和E2进行电激励。因此可以在基片的表面上限定一个单一的传感器，它具有很好限定的特征导纳，与这种类型的其它传感器(其中心频率不同)一起使用以便形成网格滤波器或多节滤波器，或者限定一个输入传感器和一个输出传感器。
根据本发明，可以获得非常直接的传感功能，以便传感器具有给定的规格。
区域D1和D2的周期等于现有的交叉结构中的同一极性的电极之间的周期。
具体地，如图3所示，从极化观点来看，可以通过形成中性部分来影响表面声波的方向性，中性部分通过局部干扰交替区域的间距来改变波的相位。这是因为通过在正极化区域D1和负极化区域D2的交替分布中局部产生干扰区域D3，表面声波的传播被非对称地干扰，在一个方向比另一方向强。
也可以比现有技术更简单地形成具有高度波长选择性过滤功能的表面波器件。
这是因为，为了形成高滤去性能的表面波器件，通常通过使复杂的交叉电极交叠来获得变迹功能，如图4所示。变量y表示两相邻电极的交叠长度。已经证明，这种函数y＝sinx/x使得可以获得非常急剧的过滤功能。
通常，变迹功能使得弹性波传送的调幅是以这种方式，具有两个相对传感器的结构的脉冲响应与变迹功能具有相同的形式，其中一个传感器被变迹，另一个不变迹(但具有一个至少等于变迹传感器的最大孔的声孔)。如果空间变迹例如是三角形的，通过激励具有狄拉克函数的系统，接收一个随着时间是三角形的信号。
通过形成更长或更短的线性区域，也可以在局部极化操作过程中在自发地非极化的材料(例如薄膜PZT)中直接产生变迹功能，以重建所需的功能。
根据本发明，通过表面波器件的一个电极的几何形状可以模拟这类交叠，如图5所示。
在根据本发明的器件的第一示例中，如图3所示，第二电极形成在铁电材料的表面上。
图6显示了根据本发明的表面波器件的第二示例，在其中产生激励而在上部电极与铁电材料层之间不会有任何接触。为此，电极E2被一个位于基片S上的盖CL所支撑。通常，该间隙的厚度可以小于大约二十微米。电场线仍然存在于两个电极之间并因此存在于铁电材料中。这种结构具有如下优点：
金属化老化问题至少在上部电极处被限制，金属层的耐能问题以及由于薄膜金属引入的声损耗问题也被限制。
通过盖可被取下的结构，可以重新构造正、负或零极化区域，因此可以改编声波器件的程序。

Claims (18)

1、一种声波器件，包括铁电材料层(C)和基片(S)，其特征在于，铁电材料层位于淀积在基片的表面上或者是基片的组成部分的第一电极(E1)和第二电极(E2)之间，铁电材料层包括正的第一极化区域(D1)和负的第二极化区域(D2)。
2、如权利要求1所述的声波器件，其特征在于，第二电极淀积在铁电材料层的表面上。
3、如权利要求1所述的声波器件，其特征在于，它包括一个位于基片上的盖(CL)，所述盖具有第二电极，以便在所述第二电极和铁电材料层之间形成一个空间。
4、如权利要求3所述的声波器件，其特征在于，所述盖能够从铁电材料层上取下。
5、如权利要求1至4任一所述的声波器件，其特征在于，它包括非极化的第三区域(D3)，以便影响声波的方向性。
6、如权利要求1至5任一所述的声波器件，其特征在于，它包括一系列具有第一区域和第二区域的线性区域。
7、如权利要求6所述的声波器件，其特征在于，所述一系列线性区域还包括非极化区域。
8、如权利要求1至5任一所述的声波器件，其特征在于，它包括第一区域和第二区域的矩阵布置。
9、如权利要求8所述的声波器件，其特征在于，它还包括非极化区域。
10、如权利要求1至9任一所述的声波器件，其特征在于，铁电材料是铅钛锆氧化物。
11、如权利要求10所述的声波器件，其特征在于，铁电材料是铂/钛合金。
12、如前述任一权利要求所述的声波器件，其特征在于，基片由硅制成。
13、如前述任一权利要求所述的声波器件，其特征在于，第二电极由铝制成。
14、如权利要求10至13任一所述的声波器件，其特征在于，它包括至少一个电极，其表面是由满足等式y＝f(x)的两个参数限定的，其中f是一个实函数。
15、如权利要求10至13任一所述的声波器件，其特征在于，在铁电材料层的平面中的空间极化分布遵循一个几何定律，使得所形成的极化表面是由满足等式y＝(x)的两个参数限定的，其中f是一个实函数。
16、一种用于制造如权利要求1至15任一所述的表面波器件的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
在具有第一电极的基片表面上形成铁电材料层；
通过施加一个比铁电材料的矫顽场大的电场在铁电材料层中形成正、负极化区域，铁电材料的极性决定区域的极化方向；以及
与铁电材料相对地形成第二电极。
17、如权利要求16所述的用于制造表面波器件的方法，其特征在于，第二电极形成在铁电材料层的表面上。
18、如权利要求16所述的用于制造表面波器件的方法，其特征在于，第二电极由固定到基片上的盖支撑。
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