一种柔性薄膜体声波谐振器及其制备方法技术

技术编号:20394278 阅读:57 留言:0更新日期:2019-02-20 04:40
本发明专利技术涉及射频微机电系统技术领域,提出一种柔性薄膜体声波谐振器,包括由下至上依次设置的衬底、下电极、压电层和上电极,其中上电极和下电极的材质为石墨烯、碳纳米管或聚3,4‑乙烯二氧噻吩,压电层的材质为ZnO纳米棒和P(VDF‑TrFE)组成的复合材料,或氮化铝和P(VDF‑TrFE)组成的复合材料。本发明专利技术还提出一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法:固定衬底,在衬底上通过还原氧化石墨制备下电极;在下电极上利用水热法制备ZnO纳米棒;在ZnO纳米棒上旋涂P(VDF‑TrFE),并真空退火处理;在ZnO/P(VDF‑TrFE)上通过还原氧化石墨制备上电极并进行极化;在上电极上沉积固化聚二甲基硅氧烷溶液制备保护层。本发明专利技术具有高柔性、高品质因素、高谐振频率的特点,可应用于射频电路中的滤波器及触觉检测领域。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性薄膜体声波谐振器及其制备方法
本专利技术涉及射频微机电系统
,更具体地,涉及一种柔性薄膜体声波谐振器,以及一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法。
技术介绍
薄膜体声波谐振器(FBAR)利用逆压电效应进行工作,当电信号激励频率与其固有频率相等时,压电层发生共振,激发高频共振弹性波。传统的体声波谐振器,如石英晶体微天平(QCM),被广泛用于重量分析。QCM的压电材料为AT切割的石英晶体,而FBAR的压电材料为氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)薄膜。与QCM相比,FBAR具有尺寸小、频率高、灵敏度高以及与微机电系统(MEMS)工艺兼容等优点。因为FBAR作为传感器的巨大潜力,近年来在生化检测等领域成为了研究热点。FBAR的典型结构包括隔膜型、固态装配型(SMR)和空气隙型。其中隔膜型FBAR和空气隙型FBAR的下电极底部均为空腔,结构强度较低,器件在接触力作用下容易损坏;而固态装配型FBAR内部没有悬空结构,故更适合触觉检测的要求。此外,固态装配型FBAR的典型结构包括硅衬底,AlN或ZnO压电层,以及由低声阻层(SiO2、Al2O3、ZnO)和高声阻层(W、Mo、AlN)交替堆积而成的布拉格声镜,因此由这些氧化物和压电陶瓷构等常规材料体系构建的固态装配性FBAR不具备柔韧性,不能应用于射频电路中的滤波器及触觉检测领域。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的传统薄膜体声波谐振器不具备柔韧性等至少一种缺陷,提供一种高柔性、高品质因素、高谐振频率的柔性薄膜体声波谐振器,以及一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法。为解决上述技术问题,本专利技术的技术方案如下:一种柔性薄膜体声波谐振器,包括由下至上依次设置的衬底、下电极、压电层和上电极,其中上电极和下电极的材质为石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT,压电层的材质为聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)与ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料。本技术方案中,采用聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)与ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料作为压电层,其中ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN材料能够在保持聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)薄膜柔韧性的同时,提高其压电系数、介电常数以及温度稳定性,ZZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN材料的高弹性模量也有助于聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)薄膜谐振频率的提高。此外,上下电极采用的石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT材料具有优异的导电性和柔韧性,且具有高声阻的特性。上下电极的高声阻材料与压电层的低声阻材料搭配,所形成的高声阻差的上下声反射界面能够将大部分声波限制在压电层内,从而降低声漏,提高薄膜体声波谐振器的品质因素(Q值)。优选地,衬底的材料为聚酰亚胺PI或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。由PI或PET材料组成的衬底具有低声阻特性,其与下电极层和压电层搭配构成由高声阻和低声阻材料交替搭配构成的上下双重声反射界面,其中压电层和下电极层所形成的第一声反射界面将大部分声波限制在压电层内,部分声波穿过界面进入下电极层传播,该部分声波经由下电极层高声阻材料和衬底的低声阻材料构成的第二声反射界面进一步限制,使该部分穿过压电层的声波限制在下电极层内,进一步降低声漏。优选地,上电极上设置有保护层;所述保护层的材质为聚二甲基硅氧烷或硅树脂,由聚二甲基硅氧烷或硅树脂材料组成的保护层具有高柔韧性和低声阻的特性,其余上电极层和压电层搭配构成由高声阻和低声阻材料交替搭配构成的上下双重声反射界面,部分声波穿过压电层进入上电极层传播时,该部分声波经由上电极层高声阻材料和保护层的低声阻材料构成的第三声反射界面进一步限制,使该部分穿过压电层的声波限制在上电极层内,进一步降低声漏,且有效提高柔性薄膜体声波谐振器的精度和灵敏度。优选地,衬底的厚度为10-100μm,上电极和下电极的厚度为10-100nm,压电层的厚度为1-10μm,所述保护层的厚度为10-100μm。一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法,包括如下步骤:S1:固定衬底,在衬底上表面通过还原氧化石墨制备石墨烯下电极;S2:在下电极上表面利用水热法制备ZnO纳米棒;S3:在ZnO纳米棒上旋涂P(VDF-TrFE),并真空退火处理;S4:在ZnO/P(VDF-TrFE)上表面通过还原氧化石墨制备石墨烯上电极,并进行极化;S5:在上电极上层沉积固化聚二甲基硅氧烷溶液制备保护层。本技术方案中,柔性薄膜体声波谐振器的制备包括石墨烯下电极、ZnO纳米棒、P(VDF-TrFE)薄膜、石墨烯上电极、P(VDF-TrFE)极化以及PDMS保护层等主要制备工艺。优选地,S1步骤中的还原氧化石墨的具体步骤如下:S1.1:利用天然石墨、浓硝酸和浓硫酸的混酸或高锰酸钾试剂,采用Hummers方法制备得到氧化石墨溶液;S1.2:使用旋涂仪将氧化石墨溶液沉积到衬底上表面;S1.3:将完成沉积的氧化石墨放入200-400℃的真空恒温箱中进行还原。优选地,S2步骤的具体制备步骤如下:S2.1:利用醋酸锌和乙醇配置ZnO晶种溶液;S2.2:使用旋涂仪将ZnO晶种溶液沉积到下电极上表面;S2.3:将六水硝酸锌和六次甲基四胺加入去离子水中配制生长溶液;S2.4:将ZnO晶种放入生长溶液中,并在90摄氏度的真空烘箱中水热生长1-4小时。优选地,S3步骤的具体步骤如下:S3.1:将P(VDF-TrFE)粉末溶于10%溶液浓度的MEK/DMSO混合有机溶剂中,通过超声波混合器使P(VDF-TrFE)粉末充分溶解,配制P(VDF-TrFE)溶液;S3.2:使用旋涂仪将P(VDF-TrFE)溶液沉积到ZnO纳米棒上表面;S3.3:将完成沉积的P(VDF-TrFE)置于140℃的真空恒温箱中进行退火处理。优选地,S4步骤的具体步骤如下:S4.1:使用旋涂仪将氧化石墨溶液沉积到ZnO/P(VDF-TrFE)薄膜上表面;S4.2:将完成沉积的氧化石墨置于60℃的真空恒温箱中进行还原;S4.3:对ZnO/P(VDF-TrFE)薄膜进行极化处理。优选地,S5步骤的具体步骤如下:S5.1:以10:1混合比例的聚二甲基硅氧烷和乙烷制备PDMS溶液;S5.2:使用旋涂仪将PDMS溶液沉积到上电极上表面;S5.3:将完成沉积的PDMS置于40-80℃的恒温箱进行固化。与现有技术相比,本专利技术技术方案的有益效果是:本专利技术解决了传统薄膜提声波谐振器不具备柔韧性的问题,具有高柔韧性、高品质因素、高谐振频率和高灵敏度等特点,能够有效降低声漏,提高薄膜体声波谐振器的品质因素,且所制备的柔性薄膜体声波谐振器可应用于射频电路中的滤波器及触觉检测领域。附图说明图1为本实施例的柔性薄膜体声波谐振器的结构示意图。图2为本实施例的柔性薄膜体声波谐振器的声波传输示意图。图3为本实施例的柔性薄膜体声波谐振器的制备流程图。图4为本实施例的柔性薄膜体声波谐振器的制备过程示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性薄膜体声波谐振器,包括由下至上依次设置的衬底、下电极、压电层和上电极,其特征在于:所述上电极和下电极的材质为石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4‑乙烯二氧噻吩PEDOT,所述压电层的材质为聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF‑TrFE)与ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种柔性薄膜体声波谐振器,包括由下至上依次设置的衬底、下电极、压电层和上电极,其特征在于:所述上电极和下电极的材质为石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT,所述压电层的材质为聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)与ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料。2.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜体声波谐振器,其特征在于:所述衬底的材料为聚酰亚胺PI或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。3.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜体声波谐振器,其特征在于:所述上电极上设置有保护层;所述保护层的材质为聚二甲基硅氧烷PDMS或硅树脂。4.根据权利要求3所述的一种柔性薄膜体声波谐振器,其特征在于:所述衬底的厚度为10-100μm,所述上电极和下电极的厚度为10-100nm,所述压电层的厚度为1-10μm,所述保护层的厚度为10-100μm。5.一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:S1:固定衬底,在衬底上表面通过还原氧化石墨制备石墨烯下电极;S2:在下电极上表面利用水热法制备ZnO纳米棒;S3:在ZnO纳米棒上旋涂P(VDF-TrFE),并真空退火处理;S4:在ZnO/P(VDF-TrFE)上表面通过还原氧化石墨制备石墨烯上电极,并进行极化;S5:在上电极上层沉积固化聚二甲基硅氧烷溶液制备保护层。6.根据权利要求5所述的一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征在于:所述S1步骤中的还原氧化石墨的具体步骤如下:S1.1:利用天然石墨、浓硝酸和浓硫酸的混酸或高锰酸钾试剂,采用Hummers方法制备得到氧化石墨溶液;S1.2:使用旋涂仪将氧化石墨溶液沉积到衬底上表面;S1.3:将完成...

【专利技术属性】
技术研发人员:廖丹袁严辉王悦辉顾晓勤谢辉张国庆黎萍于楚泓
申请(专利权)人:电子科技大学中山学院
类型:发明
国别省市:广东,44

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