一种高性能声表面波谐振器及其制备方法技术

本发明专利技术一种高性能声表面波谐振器及其制备方法，涉及声表面波谐振器技术领域。谐振器由电极层(1)、压电基底层(2)依次叠加构成。所述电极层材料为金(Au)，铝(Al)或铜(Cu)。所述电极层标准化厚度为0.5％λ≤he≤20％λ，λ是声表面波波长。所述压电基底层材料为掺杂钛酸钡的钛酸铋钠系铁电晶体(NBT‑xBT)。所述压电基底层材料标准化厚度为hNBBT≥4λ，欧拉角为0°≤θ≤180°。本发明专利技术，通过合理优化本发明专利技术提出的谐振器结构能取得高的主模机电耦合系数，高达18％，在优化结构参数能够很好的抑制杂波，获得纯净的极大机电耦合系数的主模，对于设计宽带声表面波器件起到关键作用。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能声表面波谐振器及其制备方法
本专利技术涉及声表面波
，具体指一种高性能声表面波谐振器及其制备方法。
技术介绍
声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)是一种沿物体表面传播的弹性波。声表面波器件由于其结构简单、性能出色、成本低等众多优点而受到了广泛关注，并且在互联网、数字电视、汽车乃在军事等各个领域中具有巨大的需求。而决定声表面波器件带宽宽度的主要因素之一为声表面波谐振器中的机电耦合系数。因此，高机电耦合系数的谐振器是设计宽带声表面波器件的关键所在。压电基底材料作为声表面波谐振器的核心元件，其对谐振器性能至关重要。常用的谐振器压电基底材料为石英、钽酸锂等，典型切型和传播方向有X切Y传播，Y切Z传播，Z切X传播，128°旋转Y切X传播等，但是它们的机电耦合系数都比较低。如38°Y-X石英的机电耦合系数为0.12％，Y-X石英的机电耦合系数为0.23％；而对于钽酸锂而言，Y-Z切型的机电耦合系数为0.6％，而42°Y-X的机电耦合系数高达7.6％。故此表明，由于压电材料的各向异性，材料的不同切型会对其性能产生很大的影响。目前，已有文献报道基于铌镁酸铅系铁电晶体设计声表谐振器，能够取得很大的机电耦合系数，但是铌镁酸铅系铁电晶体的居里温度和相变温度较低，不利于器件在高温环境下工作。并且铅基压电材料在制备、使用及后处理过程中会引发铅污染问题，其应用正逐步受到限制。因此，压电材料的无铅化是必然趋势。其中，钛酸铋钠系铁电晶体被认为是最有希望的无铅压电材料体系。在具有高的机电耦合系数同时，拥有更高的居里温度和相变温度。但是，现有的技术文献涉及此类压电材料的声表面波传播特性和结构参数优化设计未见报道，这是开发面向不同应用需求的声表面波器件急需解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于掺杂钛酸钡的钛酸铋钠系铁电晶体Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3，(简称NBT-xBT)的压电基底层用于设计环境友好型、宽带声表器件的谐振器。本专利技术技术方案：一种高性能声表面波谐振器，由电极层、压电基底层依次叠加构成的。其中，所述电极层材料为金(Au)，铝(Al)或铜(Cu)；电极层标准化厚度为：0.5％λ≤he≤20％λ，λ为声表面波波长。所述压电基底层材料为掺杂钛酸钡的钛酸铋钠系铁电晶体，Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3，(简称NBT-xBT)，其中，BaTiO3的掺杂范围x为：0.1％～10％；压电基底层材料标准化厚度为hNBBT≥4λ，欧拉角为0°≤θ≤180°；所述晶体NBT-xBT的切型选自下列任一种：a.X切(90°，90°，0°～180°)；或者b.Y切(0°，90°，0°～180°)；或者c.Z切(0°，0°，0°～180°)。一种高性能声表面波谐振器的制备方法，包括以下步骤：A.选择NBT-xBT压电单晶材料，定出三个面指数X，Y，Z；晶片尺寸为0.5mm×5mm×10mm；B.溅射金电极并极化；极化条件温度20℃～200℃极化电压范围为500V～5000V，极化时间范围为1min～200min；C.去除金电极，并对单晶一主表面进行抛光；D.在抛光表面通过溅射或沉积金属层；E.用旋涂法在金属层上旋涂光刻胶，用曝光系统按照预设的图案对光刻胶曝光，并显影获得光刻胶图案；F.用干法或湿法或反应离子刻蚀，把金属层刻蚀成预设的电极图案，去除光刻胶；G.切片得到分离的芯片。本专利技术有关术语说明：压电基底的切型一般采用压电材料的切割面和传播方向来表示，例如Y-X石英表示切割面垂直于Y晶轴，沿X方向传播的石英。有时候切割面并不是完全垂直于晶轴，而是绕着某个晶轴旋转一定角度以后进行切割。例如42°Y-X钽酸锂，它是Y绕着X轴旋转42°切X方向传播的钽酸锂，这种钽酸锂的切割面是Y轴绕着X轴旋转42°后与X轴构成的平面。而X切112°Y钽酸锂写成X-112°Y钽酸锂，这种晶体切割面垂直于X轴，传播方向是Y轴绕着X轴旋转112°后的方向。常用欧拉(Euler)角以(α，β，γ)来表述晶体的切向角和声表面波传播方向。用x3轴表述基片的表面法向方向，x1轴表示声表面波传播的方向，x2轴平行于声表面波的波阵面。晶体中晶轴方向(X，Y，Z)是固定的，可通过X射线衍射法测定。对于没有旋转切割的晶体最初欧拉角为0，(x1，x2，x3)与(X，Y，Z)相同。而为确定一般情况压电基片的坐标系(x1，x2，x3)，通常需要三个连续旋转操作。首先绕Z晶轴逆时针旋转α角；再绕X1轴旋转β角，这样α和β就确定了基片的切面角；最后再绕Z2轴旋转V角，使传播方向与x1轴平行。(如附图1所示)与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)相比于传统压电材料制备的谐振器，具有更大的机电耦合系数，有利于设计出宽带的声表面波滤波器。(2)结构简单，具有更小的声表面波器件尺寸，有利于批量化生产。附图说明图1为欧拉角示意图；图2为本专利技术一种声表面波谐振器结构示意图；图3为本专利技术实施例压电基底层的切型示意图；图4为本专利技术一种声表面波谐振器的制备方法流程框图；图5为本专利技术实施例压电基底中主模机电耦合系数随电极厚度变化曲线；图6为本专利技术实施例压电基底中主模机电耦合系数随压电层欧拉角切型变化曲线。具体实施方法以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的描述。一种高性能声表面波谐振器(如附图2所示)，结构是由电极层1、压电基底层2依次叠加构成，其标准化厚度分别为he、hNBBT，声表面波波长为λ。本实例所选取的电极层1材料为金(Au)，标准化厚度为：0.5％λ≤he≤20％λ，λ为声表面波波长。选取的压电基底层2材料为钛酸铋钠-钛酸钡(NBT-xBT)晶体，具体指的是NBT-5％BT，缩写为NBBT。压电基底层2标准化厚度固定hNBBT＝4λ。该压电基底层切型(如附图3所示)。一种高性能声表面波谐振器制备方法流程框图(如附图4所示)，制备方法流程由以下步骤：A.选择NBT-xBT压电单晶材料，定出三个面指数X(100)，Y(010)，Z(001)；晶片尺寸为0.5mm×5mm×10mm；所述单晶材料化学式为Na0.5Bi0.5TiO3-xmol％BaTiO3，BaTiO3的掺杂范围为0.1％～10％；B.溅射金电极并极化；极化条件：温度20℃～200℃，最佳极化温度为150℃，极化电压范围为500V～5000V，最佳极化电压为2000V，极化时间范围为1～200min，最佳极化时间为15min；C.去除金电极，并对单晶一主表面进行抛光；D.在抛光表面通过溅射或沉积金属层；E.用旋涂法在金属层上旋涂光刻胶，用曝光系统按照预设的图案对光刻胶曝光，并显影获得光刻胶图案；F.用干法或湿法或反应离子刻蚀，把金属层刻蚀成预设的电极图案，去除光刻胶；G.切片得到分离的芯片。附图5为实施例中声表面波谐振器结构在不同电极厚度下主模机电耦合系数变化情况，电极厚度范围：0.5％λ～20％λ。从图中可以看出，主模机电耦合系数随着膜厚增加，整体上先逐渐增大，后趋于平稳。在金电极厚度为13％λ时，主模具有大的机电耦合系数，高达18％。附图6为实施例中声表面波谐振器结构在金电极厚度为13％λ时，主模机电耦合系数随压电基底层切型欧拉角变化情况，欧拉角范围设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能声表面波谐振器，其特征在于，由电极层(1)、压电基底层(2)依次叠加构成；其中，所述电极层(1)材料为金(Au)，铝(Al)或铜(Cu)；电极层(1)标准化厚度为：0.5％λ≤he≤20％λ，λ为声表面波波长；所述压电基底层(2)材料为掺杂钛酸钡的钛酸铋钠系铁电晶体，Na0.5Bi0.5TiO3‑xBaTiO3，简称NBT‑xBT，其中，BaTiO3的掺杂范围x为：0.1％～10％；压电基底层(2)材料标准化厚度为hNBBT≥4λ，欧拉角为0°≤θ≤180°。

【技术特征摘要】
1.一种高性能声表面波谐振器，其特征在于，由电极层(1)、压电基底层(2)依次叠加构成；其中，所述电极层(1)材料为金(Au)，铝(Al)或铜(Cu)；电极层(1)标准化厚度为：0.5％λ≤he≤20％λ，λ为声表面波波长；所述压电基底层(2)材料为掺杂钛酸钡的钛酸铋钠系铁电晶体，Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3，简称NBT-xBT，其中，BaTiO3的掺杂范围x为：0.1％～10％；压电基底层(2)材料标准化厚度为hNBBT≥4λ，欧拉角为0°≤θ≤180°。2.如权利要求1所述的一种高性能声表面波谐振器，其特征在于，所述晶体NBT-xBT的切型选自下列任一种：a.X切(90°，90°，0°～180°)；或者b.Y切(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵祥永，谢青秀，唐艳学，王飞飞，王涛，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31