一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器，依次包括衬底、隔离层和压电堆层，所述压电堆层包括下电极、压电薄膜、上电极。隔离层用于隔开调节层和压电堆层，支撑薄膜体声波谐振器主体结构，还可以实现声波限制。压电堆层利用压电薄膜材料的压电性产生声波谐振，电极材料外接电源提供压电薄膜材料两端的电压，其中压电薄膜材料采用压电材料，下电极材料采用金属材料，特别的是该器件结构的上电极材料采用碳纳米材料，相比金属电极能够降低质量负载效应，利于实现器件的高频特性，同时具有更高的声阻抗，使得电极与外界零声阻抗空气更加失配，增加声波在电极处的反射。

A Thin Film Bulk Acoustic Resonator with Carbon Nanoelectrodes

The utility model discloses a thin film bulk acoustic wave resonator with carbon nano-electrodes, which comprises a substrate, an isolation layer and a piezoelectric stack layer in turn. The piezoelectric stack layer comprises a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode. The isolation layer is used to separate the regulator layer and the piezoelectric stack layer, to support the main structure of the thin film bulk acoustic resonator, and to achieve acoustic limitation. The piezoelectric stack layer generates acoustic resonance by piezoelectric properties of the piezoelectric thin film material. The external power supply of the electrode material provides the voltage at both ends of the piezoelectric thin film material. The piezoelectric thin film material uses piezoelectric material, and the lower electrode material uses metal material. Especially, the upper electrode material of the device structure uses carbon nano-material. Compared with the metal electrode, it can reduce the mass load effect and facilitate the realization of the piezoelectric thin film material. The high frequency characteristics of the device and the higher acoustic impedance make the electrode mismatch with the air with zero acoustic impedance and increase the reflection of acoustic wave at the electrode.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器
本技术属于射频微机电系统
，特别涉及一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器。
技术介绍
薄膜体声波谐振器(FilmBulkAcousticResonator，FBAR)是一种新型声波谐振器件，核心结构为上下两层电极和压电薄膜的三明治结构，其原理是利用压电体的电能与机械能的相互转换，由交变场激励起声波谐振，具有体积小、工作频率高、功耗低、插入损耗小等优点。目前，FBAR已被广泛应用于无线通信领域，围绕FBAR的研究很多集中在提高FBAR的谐振频率以及Q值等谐振特性上。FBAR器件研究中常见的压电薄膜材料有PZT、ZnO和AlN三种，PZT材料由于本身的固有损耗较大，不易制备而很少采用。ZnO材料的机电耦合系数、介电常数以及纵波声速数值适中，制备工艺也较成熟，AlN薄膜的纵波声速高，响应更快，温度系数较低，与标准CMOS工艺较好的兼容。在之前的FBAR器件研究中，很多都忽略了电极对FBAR器件本身谐振特性的影响，实际上电极不仅仅只有为压电薄膜提供激励信号引发压电材料压电性的作用，电极材料也会对FBAR器件的性能产生影响。此外电极材料多数也只限于金属材料，例如Al、Pt、Mo等等。随着FBAR在更高频段的应用需求，电极材料本身的限制也体现出来，需要找到与频段匹配的更合适的电极材料。而基于解决压电振荡堆下表面声波限制边界问题的不同，传统FBAR的结构可以大致分为三种：背刻蚀型谐振器、空气隙型谐振器和固体装配型谐振器。上述三种结构都可以不同程度的提高FBAR器件的Q值。其中背刻蚀型谐振器机械强度不高，FBAR器件的良品率低，所以常见于实验室研究；固体装配型谐振器由于需要制备Bragg反射层，所以对薄膜厚度要求高，制备难度大，所以也少采用；空气隙型谐振器弥补了上述两种结构的缺点，专利CN103873010A中提出的碳纳米电极薄膜体声波谐振器就是采用的空气隙型谐振器结构，虽然对比背刻蚀谐振器有更好的器件结构强度，提升了Q值，不需要固体装配型谐振器那样在工艺中精确控制Bragg反射层每一层的厚度，但是该结构所采用的牺牲层工艺难度仍然会增加FBAR器件的制作成本。现有的FBAR器件仍然存在不足，随着FBAR器件应用场景的不断增多，对FBAR器件自身的性能要求更高，因此需要通过改进器件结构和新的薄膜材料继续寻找更合适的FBAR器件结构，充分提高FBAR器件的谐振频率、Q值等谐振特性。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本技术的目的在于提供一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器。本技术的技术方案如下：一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器，所述谐振器从下至上依次包括衬底、隔离层和压电堆层，所述压电堆层包括下电极、压电薄膜和上电极，所述压电薄膜设置在隔离层上，压电薄膜的底面的左端从外至内开设一个凹槽，凹槽不贯穿整个压电薄膜，凹槽用于下电极的放置，下电极的右端与压电薄膜的端面齐平，所述上电极设置在压电薄膜的表面，上电极的左端与压电薄膜的端面齐平，所述压电薄膜的上表面的右端从上至下开设一个通孔，通孔底部延伸至下电极的上表面，上电极的右端未达到通孔的孔口。上述隔离层的材料为聚酰亚胺，厚度介于4μm-10μm。上述下电极材料为金属材料，上电极材料为碳纳米材料。上述压电薄膜的材料为ZnO、AlN中的一种。本技术的隔离层为聚酰亚胺材料，依靠足够厚度的低声阻抗材料聚酰亚胺可以实现下电极与隔离层界面处的阻抗失配，声波会在聚酰亚胺膜内部衰减无法传输至衬底从而实现全反射减少声波泄露，提高Q值，同时也能保证器件的机械强度，工艺难度低；上电极材料为碳纳米材料，能够降低质量负载效应，利于实现器件的高频特性，同时具有更高的声阻抗，使得电极与外界零声阻抗空气更加失配，增加声波在电极处的反射，提升FBAR的器件谐振性能。本技术提出的碳纳米电极的薄膜体声波谐振器，具有机械强度高，制作工艺简单，器件谐振性能更好等优点。附图说明图1是本技术实施例提供的碳纳米电极的薄膜体声波谐振器的整体结构示意图；图2是本技术的制作流程示意图。图中：1是单晶硅衬底、2隔离层、3下电极、4压电层、5通孔、6上电极。具体实施方式下面结合实例对本技术做具体说明：图1是本技术实施例1的整体结构示意图，如图所示，一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器，所述谐振器从下至上依次包括衬底1、隔离层2和压电堆层，所述压电堆层包括下电极3、压电薄膜4和上电极6，所述压电薄膜4设置在隔离层2上，压电薄膜4的底面的左端从外至内开设一个凹槽，凹槽不贯穿整个压电薄膜4，凹槽用于下电极3的放置，下电极3的右端与压电薄膜4的端面齐平，所述上电极6设置在压电薄膜4的表面，上电极6的左端与压电薄膜4的端面齐平，所述压电薄膜4的上表面的右端从上至下开设一个通孔5，通孔5底部延伸至下电极3的上表面，上电极6的右端未达到通孔5的孔口。上述隔离层2的材料为聚酰亚胺，厚度介于4μm-10μm。上述下电极3的材料为金属材料，上电极8的材料为石墨烯。上述压电薄膜4的材料为ZnO、AlN中的一种。图2是本技术的制作方法工艺步骤示意图，如图所示，本技术提供的碳纳米电极的薄膜体声波谐振器的制作方法，包括以下步骤：(a)采用N型（100）单晶硅作为衬底1；(b)制备隔离层2，材料为聚酰亚胺，厚度约为9μm；(c)沉积Al下电极3并图形化；(d)沉积ZnO压电薄膜4；(e)刻蚀通孔5，露出下电极；(f)利用CVD法在Cu表面沉积多层石墨烯并图形化，再利用PMMA转移法将多层石墨烯转移至压电薄膜4表面上作为上电极6，所述下电极、压电薄膜和上电级形成压电堆层。与现有技术相比，本技术的优点在于：所述隔离层可以隔开衬底和压电堆层，支撑薄膜体声波谐振器主体结构，提高了器件的机械牢固度，同时形成声波隔离，从而提升Q值；所述压电堆层中的上电极采用碳纳米材料，能够降低质量负载效应，利于实现器件的高频特性，同时具有更高的声阻抗，使得电极与外界零声阻抗空气更加失配，增加声波在电极处的反射，提升FBAR的器件谐振性能。以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述谐振器从下至上依次包括衬底（1）、隔离层（2）和压电堆层，所述压电堆层包括下电极（3）、压电薄膜（4）、上电极（6），所述压电薄膜（4）设置在隔离层（2）上，压电薄膜（4）的底面的左端从外至内开设一个凹槽，凹槽不贯穿整个压电薄膜（4），凹槽用于下电极（3）的放置，下电极（3）的右端与压电薄膜（4）的端面齐平，所述上电极（6）设置在压电薄膜（4）的表面，上电极（6）的左端与压电薄膜（4）的端面齐平，所述压电薄膜（4）的上表面的右端从上至下开设一个通孔（5），通孔（5）底部延伸至下电极（3）的上表面，上电极（6）的右端未达到通孔（5）的孔口。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米电极的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述谐振器从下至上依次包括衬底（1）、隔离层（2）和压电堆层，所述压电堆层包括下电极（3）、压电薄膜（4）、上电极（6），所述压电薄膜（4）设置在隔离层（2）上，压电薄膜（4）的底面的左端从外至内开设一个凹槽，凹槽不贯穿整个压电薄膜（4），凹槽用于下电极（3）的放置，下电极（3）的右端与压电薄膜（4）的端面齐平，所述上电极（6）设置在压电薄膜（4）的表面，上电极（6）的左端与压电薄膜（4）的端面齐平，所述压电薄膜（4）的上表面的右端从...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐本胜，孙彬彬，蔡春华，华迪，谈俊燕，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：新型
国别省市：江苏,32