CN203241384U - 一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，包括声反射层、压电层以及输入电极对和输出电极对，输入电极对和输出电极对均由设置在压电层上下两表面的两个相同形状且相互连通的上电极和下电极组成。压电层上下表面对应两电极所产生的电场分布对称，使平行极化轴的电场分量相互抵消，而垂直极化轴电场分量相互加强，形成较强的单一剪切波激励电场。该器件在压电层中能够获得完全的纯剪切波模式谐振，品质因数高，从而在液体生化传感中具有更高的灵敏度和分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及压电传感器技术领域，具体的说，是涉及一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器。
背景技术
薄膜体声波谐振器是近年来在射频通信和生化传感领域中受到广泛关注的新型微纳器件。在生化传感领域中，该器件基于吸附质量的敏感原理，以压电薄膜产生高频电声谐振，其谐振频率、相位或振幅随检测物质的变化作为传感器的响应。这种传感器灵敏度非常高，并且可以在硅片上采用现有半导体工艺进行制造，器件体积小，适合大规模集成形成传感器阵列。该类传感器有希望应用于化学物质分析以及生物基因检测、蛋白质分析等方面。薄膜体声波谐振器中压电层的谐振模式可以存在纵波和剪切波两种模式。在液体环境中，剪切波谐振比纵波谐振受到的液体阻尼更小，因此剪切波谐振的薄膜体声波谐振器更适合在生化传感领域中应用。
激发压电层中的剪切波谐振的关键在于沿垂直于压电层极化轴的方向施加电场。例如：
瑞典林雪平大学G. Wingqvist等人在Surface & Coatings Technology（表面和涂层技术）杂志2010年第205卷1279页的文章“AlN-based sputter-deposited shear mode thin film bulk acoustic resonator (FBAR) for biosensor applications - A review”（基于溅射沉积氮化铝的剪切波薄膜体声波谐振器在生物传感器中的应用综述）中报道了一种剪切波模式薄膜电声器件的技术方案。该方案采用c轴倾斜30度的氮化铝压电薄膜，在氮化铝压电薄膜上下表面设置电极施加垂直电场，通过在c轴垂直方向的电场分量激发剪切波谐振。
美国专利US 5936150公开了一种采用平面电极的薄膜体声波谐振器技术方案。通过设置与压电薄膜上表面的两个平行电极产生横向电场激发剪切波谐振。
公开号为CN 1864063A的中国专利公开了一种剪切波模式薄膜体声波谐振器的技术方案，其压电堆栈的两个电极被放置在压电层的相同侧，这两个电极是叉指形电极。这种相同侧叉指形电极会激发剪切波谐振。
公开号为CN101800524A 的中国专利公开了一种具有非对称叉指结构的剪切波模式薄膜体声波谐振器技术方案，通过输入电极和输出电极之间的间距非等比例增加，降低了寄生干扰。
上述技术方案的缺点在于，在两电极施加激励时会同时产生垂直和平行压电层极化轴方向的两种分量，前者激发所需的剪切波谐振，而后者依然会激发压电层中的纵波谐振，从而使得薄膜体声波谐振器工作在两种谐振模式共存的模式下，其单一剪切波模式的能量不高。因此这种混合模式谐振的薄膜体声波谐振器在液体中工作时品质因数很难超过200，不能满足进行高灵敏传感应用时所能够达到的灵敏度和分辨率要求。
为了使薄膜体声波谐振器获得高品质因数，需要通过电极设计减小平行压电层极化轴的电场分量，从而提高剪切波谐振的激发效率。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，包括声反射层、压电层以及输入电极对和输出电极对，其特征在于，所述的输入电极对由设置在压电层上下两表面的两个相同形状且相互连通的输入上电极和输入下电极组成，输出电极对由设置在压电层上下两表面的两个相同形状且相互连通的输出上电极和输出下电极组成。
输入下电极的横向长度与压电层厚度的比例以及输出下电极的横向长度与压电层厚度的比例都介于50至150之间。
输入下电极的横向长度与横向电极间隔距离的比例以及输出下电极的横向长度与横向电极间隔距离的比例都介于20至100之间。
输入下电极距压电层外侧边界的距离以及输出下电极距压电层外侧边界的距离都大于压电层厚度的10倍。
所述的输入电极对和输出电极对中上下两电极之间设置有通孔，其截面积小于输入下电极和输出下电极面积的十分之一，其中心距电极侧边的距离为压电层厚度的10倍至50倍。
在本发明中，输入电极对和输出电极对中相应的上下电极相互连通，在器件工作时电位相等。压电层上方的两电极产生的电场平行极化轴分量方向向下，而压电层下方的两电极产生的电场平行极化轴的分量方向向上，两者相互抵消，从而提高了剪切波谐振的激发效率。
与以往的技术相比，本发明的有益效果在于在压电层中能够获得完全的纯剪切波模式谐振，使器件获得较高的品质因数，从而在液体传感中具有更高的灵敏度和分辨率。
附图说明
附图1为本发明的器件结构。
附图2为本发明实施例1的电极形状示意图。
附图3为本发明实施例1的回波损耗S11曲线测试结果。
附图4为本发明实施例2的电极形状示意图。
附图5为本发明实施例2的回波损耗S11曲线测试结果。
具体实施方式
如附图1所示的一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，包括基片101、声反射层102、压电层103以及输入电极对104和输出电极对105。
该谐振器采用标准的半导体微加工工艺进行制造，包括溅射、光刻、等离子体和反应离子刻蚀、湿法刻蚀以及牺牲层工艺。
硅或玻璃可作为该谐振器的基片101，声反射层102可以采用横膈膜结构、空气隙结构或由周期性声阻抗不同的膜层交替构成的布拉格结构。
压电层103可以采用氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅薄膜或以这些材料为基质进行掺杂而成的复合压电薄膜材料，压电层103的极化轴垂直于基片101表面。
该谐振器中输入电极对104和输出电极对105分别由设置在压电层上下两表面的两个相同形状且相互连通的电极组成，即相互连通的输入上电极106和输入下电极107以及相互连通的输出上电极108和输出下电极109。
当器件工作时，在输入电极对104与输出电极对105之间施加射频激励117，由于压电层上下表面对应两电极的形状相同，所产生的电场分布对称。压电层上方的平行极化轴的电场分量118方向向下，压电层下方的平行极化轴的电场分量119方向向上，两者相互抵消。同时两电极对所产生的垂直极化轴电场分量相互加强，从而形成较强的单一剪切波激励电场120。
为使所形成的剪切波激励电场120分布均匀且强度最大，各电极的特征为：输入下电极107的横向长度110与压电层103厚度的比例以及输出下电极109的横向长度111与压电层103厚度的比例都介于50至150之间。输入下电极107的横向长度110与横向电极间隔距离112的比例以及输出下电极109的横向长度111与横向电极间隔距离112的比例都介于20至100之间。输入下电极107距压电层外侧边界的距离113以及输出下电极109距压电层外侧边界的距离114都大于压电层103厚度的10倍。
为使上下两表面对应两电极相互连通，在压电层103上下两表面的两电极间设置有通孔115，通孔115内填充金属进行导电。为使压电层103中的电场分布和声波传播不受通孔115的影响，通孔115的截面积小于输入下电极107和输出下电极109面积的十分之一，其中心距电极侧边的距离116为压电层103厚度的10倍至50倍。
具体实施中，根据不同应用需求，压电层103同一表面两个电极为相互平行的长条状或插值状或环绕形状，其面积可以相同，也可以不同。各电极的材料可采用金属薄膜、导电多晶硅、导电氧化物以及这些材料的组合。根据所采用的声反射层102结构、压电层103材料以及各电极的材料、形状、面积等，通过数值仿真和实际试验，确定最优的上述具体电极结构参数。
实施例1
本实施例为采用空气隙结构声反射层的剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，其结构如图1所示。
该器件制作在硅基片101上，在压电层103下方设置空气隙作为声反射层102。压电层103为氮化铝薄膜，其厚度为1微米。输入下电极107和输出下电极109为如图2所示的相互平行的长条状。输入下电极107的横向长度110为100微米，其面积为0.03平方毫米。输出下电极109的横向长度111为200微米，其面积为0.06平方毫米。
根据数值仿真结果和比对试验，设计优化的电极的结构参数为：横向电极间隔距离112为3微米，输入下电极107距压电层外侧边界的距离113为15微米，输出下电极距压电层外侧边界的距离114为20微米。通孔115的半径为10微米，其中心位置距电极侧边的距离116为15微米。
将输入电极对104与输出电极对105接入网路分析仪进行谐振性能测试，测量得到在空气和水中工作时的器件回波损耗S11曲线如图3所示。可以看到，该器件仅存在3.06 GHz附近的剪切波谐振，而不存在5.2 GHz附近的纵波谐振。在空气中该器件剪切波的品质因数为650，在水中该器件剪切波的品质因数为580，说明该器件在水中的性能较以往剪切波谐振的薄膜体声波谐振器有了较大提高。
实施例2
本实施例为采用布拉格结构声反射层的剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，其结构如图1所示。
该器件制作在硅基片101上，在压电层103下方设置由氮化锌和氧化硅交替组成的3周期膜层作为声反射层102，其中氧化锌厚度为0.75微米，氧化硅为0.64微米。压电层103为氧化锌薄膜，其厚度为1.5微米。输入下电极107和输出下电极109为如图4所示的环绕形状。输入下电极107的横向长度110为150微米，其面积为0.07平方毫米。输出下电极109的横向长度111为200微米，其面积为0.1平方毫米。
根据数值仿真结果和比对试验，设计优化的电极的结构参数为：横向电极间隔距离112为2微米，输入下电极107距压电层外侧边界的距离113为20微米，输出下电极距压电层外侧边界的距离114为25微米。通孔115的半径为20微米，其中心位置距电极侧边的距离116为20微米。
将输入电极对与输出电极对接入网路分析仪进行谐振性能测试，测量得到在空气和水中工作时的器件回波损耗S11曲线如图5所示。可以看到，该器件仅存在976MHz附近的剪切波谐振，而不存在2.1 GHz附近的纵波谐振。在空气中该器件剪切波的品质因数为550，在水中该器件剪切波的品质因数为460，说明该器件在水中的性能较以往剪切波谐振的薄膜体声波谐振器有了较大提高。
Claims (5)
1.一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，包括基片（101）、声反射层（102）、压电层（103）以及输入电极对（104）和输出电极对（105），其特征在于，所述的输入电极对（104）由设置在压电层（103）上下两表面的两个相同形状且相互连通的输入上电极（106）和输入下电极（107）组成，输出电极对（105）由设置在压电层（103）上下两表面的两个相同形状且相互连通的输出上电极（108）和输出下电极（109）组成。
2.根据权利要求1所述的一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，其特征在于，输入下电极（107）的横向长度（110）与压电层（103）厚度的比例以及输出下电极（109）的横向长度（111）与压电层（103）厚度的比例都介于50至150之间。
3.根据权利要求1所述的一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，其特征在于，输入下电极（107）的横向长度（110）与横向电极间隔距离（112）的比例以及输出下电极（109）的横向长度（111）与横向电极间隔距离（112）的比例都介于20至100之间。
4.根据权利要求1所述的一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，其特征在于，输入下电极（107）距压电层外侧边界的距离（113）以及输出下电极（109）距压电层外侧边界的距离（114）都大于压电层（103）厚度的10倍。
5.根据权利要求1所述的一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，其特征在于，输入电极对（104）和输出电极对（105）中上下两电极之间设置有通孔（115），其截面积小于输入下电极（107）和输出下电极（109）面积的十分之一，其中心距电极侧边的距离（116）为压电层（103）厚度的10倍至50倍。
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