【技术实现步骤摘要】
一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法
本专利技术属于纳米声学效应研究
，尤其是涉及一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法。
技术介绍
近年来，高频叉指电极激励的声学器件在数字移动通信高频系统中得到了广泛应用。随着无线电通信频带资源的日益紧张，对于高频(2.5GHz-1000GHz)叉指电极激励的声学器件的研制迫在眉睫。但是对于如石英、氧化锌、铌酸锂等常规叉指电极激励的声学器件材料，声表面波相速较低，低于4000m/s，用其制作中心频率为2.5GHz以上的叉指电极激励的声学器件，其叉指换能器(IDT)指宽就必须小于0.4μm，当中心频率提升到5GHz时，对应的IDT指宽就必须小于0.2μm，而且随着IDT指宽的减小，在生产中会遇到断指严重、可靠性差、成品率低、成本高昂等各种问题，从而严重制约了叉指电极激励的声学器件频率的进一步提高。因此，如何有效提高声表面波器件的中心频率、减小器件的插入损耗、实现器件的高频化与微型化成为研究热点。在高频化、微型化的发展过程中，器件尺度在达到亚微米、纳米量级后，其小尺度效应、表面效应、量子隧穿效应显著。在4nm～4000nm的宽尺度范围内研究纳米声学效应，当器件的尺寸从几百个纳米缩小到几个纳米范围内，宏观声学理论以及由宏观声学理论所衍生的理论建模方法存在失效效应，此时宏观声学理论无法准确对纳米尺度声学器件的设计进行理论指导。同时，运用分子动力学的微观理论方法，通过对微观材料表现出来的特征转化来获取设计器件的参数性质，使得所制备的器件在宏观声学理论失效区域所表现微观性质得到解释，从而为整个纳米尺度下器件的设计提供一套...
【技术保护点】
1.一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、不同尺度的微纳声学器件的制作，具体过程如下：步骤101、设定声表面波波长的取值范围为(40nm～4000nm]，制作各个声表面波波长所对应的叉指电极激励的声学器件，所述叉指电极激励的声学器件包括压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件和压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件，设定第r个叉指电极激励的声学器件所对应的声表面波波长为λr，r为正整数，且1≤r≤Ns，Ns表示叉指电极激励的声学器件的总数，则对第r个叉指电极激励的声学器件进行制作时，具体制作过程如下：步骤A、叉指电极激励的声学器件的制作：步骤A1、压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的制作：步骤A11、选择半导体基底(11)，放置在真空度为10
【技术特征摘要】
1.一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、不同尺度的微纳声学器件的制作，具体过程如下：步骤101、设定声表面波波长的取值范围为(40nm～4000nm]，制作各个声表面波波长所对应的叉指电极激励的声学器件，所述叉指电极激励的声学器件包括压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件和压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件，设定第r个叉指电极激励的声学器件所对应的声表面波波长为λr，r为正整数，且1≤r≤Ns，Ns表示叉指电极激励的声学器件的总数，则对第r个叉指电极激励的声学器件进行制作时，具体制作过程如下：步骤A、叉指电极激励的声学器件的制作：步骤A1、压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的制作：步骤A11、选择半导体基底(11)，放置在真空度为10-4Pa的真空腔内，采用磁控溅射法在所述半导体基底(11)上生长第一导波缓冲层(12)；之后，采用磁控溅射法在所述第一导波缓冲层(12)上生长压电薄膜层(14)；其中，所述半导体基底(11)的材质为Si、Ge、GaN或者GaAs，第一导波缓冲层(12)的材质为金刚石、SiO2、Si3N4或者SiC，所述压电薄膜层(14)的材质为ZnO、AlN、Pb(Zr0.5Ti0.5)O3、CdS、LiNbO3、PbTiO3或者PMnN-PZT，半导体基底(11)的厚度大于100μm，采用磁控溅射法时生长温度为400℃～600℃，压电薄膜层(14)的厚度设计值hs＝0.5λr，第一导波缓冲层(12)的厚度设计值为0.5λr，采用磁控溅射法时靶基距的取值范围为12cm～17cm；步骤A12、对生长的压电薄膜层(14)进行分析判断，直至生长的压电薄膜层(14)合格；步骤A13、采用热蒸发镀膜方法在生长合格的压电薄膜层(14)上生长金属电极薄膜层；之后，对金属电极薄膜层进行光刻处理或者电子束直写处理，得到两组叉指电极(13)，形成待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件；其中，所述叉指电极(13)的材质为Al、Pt、Au或者Mo，叉指电极(13)的对数为30对，两组叉指电极(13)沿压电薄膜层(14)表面长度方向的中心对称布设，所述金属电极薄膜层的厚度和叉指电极(13)的厚度均为0.25λr，叉指电极(13)的宽度为0.25λr，待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的声传播距离dy为10λr，且薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的声传播距离区域没有生长压电薄膜层(14)；当叉指电极(13)的宽度大于等于150nm时，对金属电极薄膜层进行光刻处理；当叉指电极(13)的宽度小于150nm时，对金属电极薄膜层进行电子束直写处理，得到两组叉指电极(13)；步骤A14、采用引线键合设备对步骤A13中得到的待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件进行封装，得到压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件；步骤A2、压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件的制作：步骤A21、选择压电单晶基底(15)；其中，压电单晶基底(15)的厚度大于100μm，压电单晶基底(15)的材料为石英、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7或者La3Ga5SiO14；步骤A22、按照步骤A13所述的方法，在压电单晶基底(15)上形成两组叉指电极(13)，并采用步骤A11中所述磁控溅射法在所述压电单晶基底(15)上生长第二导波缓冲层(16)，形成待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件；其中，叉指电极(13)的对数为30对，两组叉指电极(13)沿压电单晶基底(15)表面长度方向的中心对称布设；所述第二导波缓冲层(16)位于待封装压电薄膜结构的叉指电极激励的声学器件的声传播距离区域；步骤A23、采用引线键合设备对步骤A22中得到的待封装压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件进行封装，得到压电单晶基底的叉指电极激励的声学器件；步骤B、多次重复步骤A，制作不同尺度的叉指电极激励的声学器件；其中，所述第r个叉指电极激励的声学器件具有四个引脚分别为输入引脚、第一接地引脚、输出引脚和第二接地引脚，r是将各个叉指电极激励的声学器件按照所对应的声表面波波长从大到小的顺序进行排序获取的序号；步骤102、设定声表面波波长的取值范围为[4nm～40nm]，制作各个声表面波波长所对应的分子束激励的声学器件，所述分子束激励的声学器件包括压电薄膜结构的分子束激励的声学器件和压电单晶基底的分子束激励的声学器件；设定第r′个分子束激励的声学器件所对应的声表面波波长为λ″r，r′为正整数，且Ns+1≤r′≤N″s，N″s表示叉指电极激励的声学器件和分子束激励的声学器件的总数，N″s-Ns+1表示分子束激励的声学器件的总数，则对第r′个分子束激励的声学器件进行制作时，具体制作过程如下：步骤A01、分子束激励的声学器件的制作：步骤A011、压电薄膜结构的分子束激励的声学器件的制作：按照步骤A11至步骤A13所述的方法，制作压电薄膜结构的分子束激励的声学器件；其中，压电薄膜结构的分子束激励的声学器件中未包含叉指电极(13)；步骤A012、压电单晶基底的分子束激励的声学器件的制作：按照步骤A21至步骤A22所述的方法，制作压电单晶基底的分子束激励的声学器件；其中，压电单晶基底的分子束激励的声学器件中未包含叉指电极(13)；步骤B01、多次重复步骤A01，制作不同尺度的分子束激励的声学器件；其中，r′是将各个分子束激励的声学器件按照所对应的声表面波波长从大到小的顺序进行排序获取的序号；步骤二、不同尺度的微纳声学器件的参数测试：步骤201、采用矢量网络分析仪对第r个叉指电极激励的声学器件的参数进行测试，获取第r个叉指电极激励的声学器件的中心频率测量值Fr、第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗测量值Sr和第r个叉指电极激励的声学器件的带宽测量值Kr；步骤202、采用太赫兹时域光谱分析仪对第r′个分子束激励的声学器件的参数进行测试，获取第r′个分子束激励的声学器件的中心频率测量值Fr′、第r′个分子束激励的声学器件的插入损耗测量值Sr′和第r′个分子束激励的声学器件的带宽测量值Kr′；步骤三、不同尺度的微纳声学器件宏观声学理论计算值的获取及参数相对误差获取：步骤301、在叉指电极激励的声学器件中叉指电极与压电介质处边界条件为应力连续和电势连续，且在叉指电极激励的声学器件中叉指电极与压电介质处所在平面的法线方向电位移不连续条件下，采用基于压电介质的耦合波动方程的有限元-边界元法，获取第r个叉指电极激励的声学器件的COM参数；计算机调取COM模型，并输入第r个叉指电极激励的声学器件的COM参数，根据COM模型得到第r个叉指电极激励的声学器件的输出端短路时第r个叉指电极激励的声学器件的输入导纳Y11、第r个叉指电极激励的声学器件的输入端短路时第r个叉指电极激励的声学器件的输出导纳Y22、第r个叉指电极激励的声学器件的输入端短路时第r个叉指电极激励的声学器件的输出端到第r个叉指电极激励的声学器件的输入端的转移导纳Y12；步骤302、根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的正向传输系数S21；其中，Z1表示第r个叉指电极激励的声学器件的输入端阻抗匹配，Z2表示第r个叉指电极激励的声学器件的输出端阻抗匹配，且Z1＝Z2＝50,R1表示第r个叉指电极激励的声学器件的输入端阻抗实部，R2表示第r个叉指电极激励的声学器件的输出端阻抗实部，且R1＝R2＝50；步骤303、根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值步骤304、采用计算机给第r个叉指电极激励的声学器件的输入引脚施加变频正弦波激励信号，变频正弦波激励信号的频率范围为0.7Fg,r～1.3Fg,r，变频正弦波激励信号从频率为0.7Fg,r以步进fbj至1.3Fg,r扫频，并多次重复步骤301至步骤303，获取不同频率正弦波激励信号下的第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值其中，变频正弦波激励信号的幅值范围为1伏～5伏，步进fbj的取值为100kHz；步骤305、采用计算机将不同频率正弦波激励信号下的第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值进行拟合，得到以频率为横坐标，以插入损耗为纵坐标的第r个叉指电极激励的声学器件的频率损耗计算曲线；步骤306、采用计算机将第r个叉指电极激励的声学器件的频率损耗计算曲线中最大峰值对应的频率作为第r个叉指电极激励的声学器件的中心频率计算值并记作第r个叉指电极激励的声学器件的频率损耗计算曲线中最大峰值对应的插入损耗为第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗宏观计算值所对应的两个频率之差的绝对值为第r个叉指电极激励的声学器件的带宽计算值步骤307、根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的中心频率相对误差ΔFr，根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的带宽相对误差ΔKr，根据公式得到第r个叉指电极激励的声学器件的插入损耗相对误差ΔCr；步骤308、在第r′个分子束激励的声学器件上添加叉指电极(13)，得到第r′个等效的叉指电极激励的声学器件；其中，第r′个等效的叉指电极激励的声学器件与叉指电极激励的声学器件的结构相同；重复步骤301至步骤307，获取与第r′个等效的叉指电极激励的声学器件的中心频率相对误差、带宽相对误差和插入损耗相对误差；步骤309、将Ns个叉指电极激励的声学器件和N″s-Ns+1个等效的叉指电极激励的声学器件称作微纳声学器件，获取微纳声学器件的中心频率相对误差、带宽相对误差和插入损耗相对误差；其中，r″为正整数，1≤r″≤N″s，r″是将各个微纳声学器件按照所对应的声表面波波长从大到小的顺序进行排序获取的序号；步骤四、宏观声学理论失效判断及微观分子动力学理论对纳米尺度声学器件参数计算：采用计算机将微纳声学器件所对应的声表面波波长为横坐标，以中心频率相对误差绝对值为纵坐标，获取声表面波波长与频率相对误差曲线图；采用计算机判断当|ΔFr″|＜|ΔFr″+1|＜|ΔFr″+2|＜|ΔFr″+3|＜|ΔFr″+4|，且3％＜|ΔFr″|＜|ΔFr″+1|＜|ΔFr″+2|＜|ΔFr″+3|＜|ΔFr″+4|成立时，则中心频率相对误差绝对值|ΔFr″|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时微纳声学器件对应的失效波长阈值λsy；其中，|ΔFr″+1|表示第r″+1个微纳声学器件的中心频率相对误差绝对值，|ΔFr″+2|表示第r″+2个微纳声学器件的中心频率相对误差绝对值，|ΔFr″+3|表示第r″+3个微纳声学器件的中心频率相对误差绝对值，|ΔFr″+4|表示第r″+4个微纳声学器件的中心频率相对误差绝对值，r″+1、r″+2、r″+3和r″+4均为正整数，且r″+1、r″+2、r″+3和r″+4的取值均在1～N″s范围内；或者采用计算机将微纳声学器件所对应的声表面波波长作为横坐标，以带宽相对误差绝对值为纵坐标，获取声表面波波长与带宽相对误差曲线图；采用计算机判断当|ΔKr″|＜|ΔKr″+1|＜|ΔKr″+2|＜|ΔKr″+3|＜|ΔKr″+4|，且3％＜|ΔKr″|＜|ΔKr″+1|＜|ΔKr″+2|＜|ΔKr″+3|＜|ΔKr″+4|成立时，则带宽相对误差绝对值|ΔKr″|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时微纳声学器件对应的失效波长阈值λsy；其中，|ΔKr″+1|表示第r″+1个微纳声学器件的带宽相对误差绝对值，|ΔKr″+2|表示第r″+2个微纳声学器件的带宽相对误差绝对值，|ΔKr″+3|表示第r″+3个微纳声学器件的带宽相对误差绝对值，|ΔKr″+4|表示第r″+4个微纳声学器件的带宽相对误差绝对值；或者采用计算机将微纳声学器件所对应的声表面波波长作为横坐标，以插入损耗相对误差绝对值为纵坐标，获取声表面波波长与插入损耗相对误差绝对值曲线图；采用计算机判断当|ΔCr″|＜|ΔCr″+1|＜|ΔCr″+2|＜|ΔCr″+3|＜|ΔCr″+4|，且3％＜|ΔCr″|＜|ΔCr″+1|＜|ΔCr″+2|＜|ΔCr″+3|＜|ΔCr″+4|成立时，则插入损耗相对误差绝对值|ΔCr″|所对应的声表面波波长为宏观声学理论失效时微纳声学器件对应的失效波长阈值λsy；其中，|ΔCr″+1|表示第r″+1个微纳声学器件的插入损耗相对误差绝对值，|ΔCr″+2|表示第r″+2个微纳声学器件的插入损耗相对误差绝对值，|ΔCr″+3|表示第r″+3个微纳声学器件的插入损耗相对误差绝对值，|ΔCr″+4|表示第r″+4个微纳声学器件的插入损耗相对误差绝对值；之后，将声表面波波长的取值在4nm～λsy范围的微纳声学器件称为纳米尺度声学器件，则采用基于分子动力学理论获取纳米尺度声学器件的参数。2.按照权利要求1所述的一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法，其特征在于：步骤A12中对生长的压电薄膜层(14)进行分析判断，具体过程如下：步骤A121、采用FR-Monitor膜厚仪对生长的压电薄膜层(14)的厚度进行测量，获取生长的压电薄膜层(14)的测量厚度并记作hc，并将压电薄膜层(14)的测量厚度hc和压电薄膜层(14)的厚度设计值hs进行比较，当时，说明生成的压电薄膜层(14)厚度参数合格，执行步骤1022；否则，当时，说明生成的压电薄膜层(14)不合格，重复步骤A11；步骤A122、采用BrukerD8ADVANCE型X射线衍射仪对生长的压电薄膜层(14)进行X射线衍射，获取以衍射角为横坐标，以压电薄膜层(14)衍射峰相对强度为纵坐标的压电薄膜层(14)的X射线衍射谱测量图，并将压电薄膜层(14)的X射线衍射谱测量图与压电薄膜层(14)所含标准PDF卡片进行对比，将压电薄膜层(14)的X射线衍射谱测量图中峰值所对应的衍射角记作Jc，将压电薄膜层(14)所含标准PDF卡片中峰值所对应的衍射角记作Js，当时，说明生成的压电薄膜层(14)衍射角合格，执行步骤A123；否则，当时，说明生成的压电薄膜层(14)不合格，重复步骤A11；步骤A123、采用ThermoFisherESCALABXi+型X射线光电子能谱分析仪对生长的压电薄膜层(14)元素进行测量，获取以元素的结合能为横坐标，以元素的相对强度为纵坐标的压电薄膜层(14)的光电子能谱图，并根据压电薄膜层(14)的光电子能谱图获取压电薄膜层(14)所含元素和杂质元素，并获取压电薄膜层(14)所含元素的相对强度和压电薄膜层(14)杂质元素的相对强度，当压电薄膜层(14)中任一杂质元素的相对强度小于压电薄膜层(14)所含任一元素的相对强度的1％，说明生成的压电薄膜层(14)所含元素合格，执行步骤A124；否则，重复步骤A11；步骤A124、采用本原CSPM5500型原子力显微镜对生长的压电薄膜层(14)的表面粗糙度进行测量，获取生长的压电薄膜层(14)的表面粗糙度并记作Cc，并将压电薄膜层(14)的表面粗糙度Cc和压电薄膜层(14)的厚度设计值hs进行比较，当Cc≤5％hs时，说明生成的压电薄膜层(14)表面粗糙度合格，执行步骤A125；否则，当Cc＞5％hs时，说明生成的压电薄膜层(14)不合格，重复步骤A11；步骤A125、采用压电响应力显微镜对生长的压电薄膜层(14)的压电常数进行测量，获取生长的压电薄膜层(14)的压电常数并记作Yc，并将压电薄膜层(14)的压电常数和压电薄膜层(14)所需的压电常数最小值10-12进行比较，当Yc＞10-12时，说明生成的压电薄膜层(14)压电常数合格，则说明生成的压电薄膜层(14)；否则，当Yc≤10-12时，说明生成的压电薄膜层(14)不合格，重复步骤A11；其中，压电薄膜层(14)的压电常数的单位为C/N。3.按照权利要求1所述的一种基于宽尺度范围的纳米声学效应研究方法，其特征在于：步骤一中叉指电极激励的声学器件制作，之前，需要对半导体基底(11)或者压电单晶基底(15)进行清洗，具体过程如下：步骤A-1、采用浓硫酸与双氧水混合清洗溶液在温度为110℃～120℃条件下，对半导体基底(11)或者压电单晶基底(15)清洗10分钟～15分钟；之后，采用去离子水对经过浓硫酸与双氧水混合清洗溶液清洗的半导体基底(11)或者压电单晶基底(15)清洗10分钟～15分钟，完成一次清洗；其中，浓硫酸的体积浓度为95％～98％，浓硫酸和双氧水的体积比为4:1；步骤B-1、采用氨水、双氧水和去离子水混合清洗溶液在温度为70℃～80℃条件下，对一次清洗后的半导体基底(11)或者压电单晶基底(15)清洗10分钟～15分钟；之后，采用去离子水对经过氨水、双氧水和去离子水混合清洗溶液清洗的半导体基底(11)或者压电单晶基底(15)清洗10分钟～15分钟，完成二次清洗；其中，氨水的体积浓度为25％～28％，氨水、双氧水和去离子水的体积比为1:1:4；步骤C-1、采用浓盐酸、双氧水和去离子混合清洗溶液在温度为70℃～80℃条件下，对二次清洗后的半导体基底(11)或者压电单晶基底(15)清洗10分钟～15分钟；之后，采用去离子水对经过浓盐酸、双氧水和去离子水混合清洗溶液清洗的半导体基底(11)或者压电单晶基底(15)清洗10分钟～15分钟，完成三次清洗；其中，浓盐酸的体积浓度为36％～38％，浓盐酸、双氧水和去离子水的体积比为1:1:5；步骤D-1、将三次清洗后的半导体基底(11)或者压电单晶基底(15)放入体积浓度为99％的丙酮溶液，在室温下超声洗涤10分钟～15分钟，再用氮气枪吹干，完成四次清洗；步骤E-1、将四次清洗后的半导体基底(...
【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，杨烁，王梅，顾马龙，柯贤桐，曹晓闯，师晓云，蒋林，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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