一种声子晶体及薄膜压电声波传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种薄膜压电声波传感器，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，压电层远离地电极层的一侧设置有至少一个换能器；换能器的两侧分别设置有至少形成于压电层的声子晶体，薄膜压电声波传感器的谐振频率位于声子晶体的带隙内。上述的薄膜压电声波传感器，将声子晶体至少设置于压电层上，使压电层机械振动的稳定性提高，对声波反射率提高，声波传输的能量损耗降低，传感器品质因数提升。本发明专利技术公开了一种声子晶体，包括基体和形成于基体上的散射体，基体由至少两层介质层层叠形成，任意一层介质层的材料与其他介质层不同。上述声子晶体能有效减少声波能量损耗，应用于薄膜压电声波传感器中能够有效提高传感器的品质因数。

A Piezoelectric Acoustic Wave Sensor Based on Phononic Crystal and Thin Film

【技术实现步骤摘要】
一种声子晶体及薄膜压电声波传感器
本专利技术涉及传感器
，具体涉及一种声子晶体及薄膜压电声波传感器。
技术介绍
压电薄膜利用其压电效应能够实现电能与机械能之间的转换，薄膜压电声波传感器利用高性能的薄膜压电材料和快速发展的微纳制造技术，使传感器的有效谐振质量大幅度减小，工作频率不断提高，检测灵敏度已可与光学传感器相媲美。不仅如此，由于薄膜压电声波传感器的制作工艺与CMOS工艺兼容，更便于集成化和批量化制造，在各种现代电子、通信技术、分析检测等领域具有广泛的应用前景。然而，受声波能够辐射损耗的影响，薄膜压电声波传感器不易获得高的品质因数(Q)，无法有效提高传感器信噪比、降低传感器的检测限，不利于获得高性能的薄膜压电声波传感器。声子晶体是一种密度和弹性常数呈周期性分布的新型结构。受声子晶体的周期结构作用，当弹性波在声子晶体中传播时会产生能带结构，在一定频率范围内弹性波被禁止传播(禁带)，而在其他频率范围内可以无损耗的传播(通带)，这些弹性波不能传播的频率范围被称为声子晶体的带隙。声子晶体的带隙特性使其在噪声抑制与隔离、精密仪器的振动控制等方面具有广阔的应用前景。现有技术中，将声子晶体与薄膜压电声波传感器相结合，利用声子晶体的带隙特性代替薄膜压电声波传感器中的反射栅，以提高薄膜压电声波传感器的品质因数。但是，现有设置声子晶体的薄膜压电传感器中，声子晶体一般设置于未覆盖压电薄膜的硅衬底结构上，使声波经由声子晶体反射的能量受限，不利于薄膜压电声波传感器的品质因数的提高。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中设置声子晶体的薄膜压电声波传感器对声波反射的能量受限，不能有效提高薄膜压电声波传感器的品质因数的缺陷。为此，本专利技术提供如下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种薄膜压电声波传感器，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，所述压电层远离所述地电极层的一侧设置有至少一个换能器；所述换能器的两侧分别设置有至少形成于所述压电层的声子晶体，所述薄膜压电声波传感器的谐振频率位于所述声子晶体的带隙内。可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体包括散射体和基体，所述基体至少由所述压电层组成，所述散射体为沿所述层叠方向垂直贯穿所述基体的周期性排列的通孔；优选地，所述通孔为圆柱形孔，所述通孔以正方形晶格排列形成所述声子晶体。可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述衬底层远离所述地电极层的一侧开设有凹槽，所述声子晶体位于所述凹槽所对应的第一区域内。可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体的基体为所述压电层，所述声子晶体的散射体为由垂直贯穿所述压电层的周期性排列的通孔；优选地，所述压电层为氮化铝层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm。可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体的基体由所述压电层和所述地电极层组成，所述声子晶体的散射体为垂直贯穿所述压电层和所述地电极层的周期性排列的通孔；优选地，所述压电层为氮化铝层，所述地电极层为钼层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm。可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体的基体由所述压电层、所述地电极层和所述衬底层组成，所述声子晶体的散射体为垂直贯穿所述压电层、所述地电极层和所述衬底层的周期性排列的通孔；优选地，所述压电层为氮化铝层，所述地电极层为钼层，所述衬底层为硅衬底层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm，形成所述声子晶体的所述硅衬底层的厚度为2.2μm。可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述至少一个换能器包括水平相对设置的输入换能器和输出换能器，所述声子晶体分布于所述输入换能器背对所述输入换能器的一侧，和所述输出换能器背对所述输入换能器的一侧。可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体与其相邻的所述换能器的距离使所述声子晶体的反射面距离相邻所述换能器的距离为(n*λ)/2，n为不小于1的整数。第二方面，本专利技术提供了一种声子晶体，所述声子晶体包括基体和形成于所述基体上的散射体，所述基体由至少两层介质层层叠形成，任意一层介质层的材料与其他所述介质层不同；所述散射体为沿所述介质层的层叠方向垂直贯穿所述基体的周期性排列的通孔。可选地，上述的声子晶体，所述声子晶体的基体由氮化铝层、钼层和硅衬底层层叠形成，所述通孔垂直贯穿所述氮化铝层、所述钼层和所述硅衬底层，所述通孔以方形晶格排列；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm，所述硅衬底层的厚度为2.2μm。本专利技术技术方案，具有如下优点：1.本专利技术提供的薄膜压电声波传感器，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，压电层远离地电极层的一侧设置有至少一个换能器；换能器的两侧分别设置有至少形成于压电层的声子晶体，薄膜压电声波传感器的谐振频率位于声子晶体的带隙内。上述的薄膜压电声波传感器，换能器的两侧分别设置有声子晶体，由换能器激励产生的声波向声子晶体传播。基于布拉格散射机理，特定频率的声波无法在声子晶体内传播，产生声子晶体的带隙。利用声子晶体的带隙特性，使薄膜压电声波传感器的谐振频率位于声子晶体的带隙内，能够实现对由换能器产生的声波的全反射，声波在换能器两侧的声子晶体之间传播，被限制在两侧的声子晶体之间，形成机械谐振。通过设置声子晶体，能够减少声波传播过程中的能量损耗，提高薄膜压电声波传感器的品质因数(Q)。现有技术中的声子晶体一般开设于未设置压电层的衬底层上，声子晶体位于非振动区域。本专利技术通过研究发现，在声子晶体仅设置于衬底层时，会限制由声子晶体所反射的声波能量，特别地，单纯设置于衬底层的声子晶体对纵向波能量散逸的改善有限，使薄膜压电声波传感器的品质因数不能得到有效提高。进一步地，本专利技术发现当声子晶体设置于压电层时，压电层的机械振动不影响声子晶体的带隙特性设置，依然能够得到具有完全带隙的声子晶体。因此，本专利技术将声子晶体设置于至少形成于压电层上，一方面，使薄膜压电声波传感器机械振动的稳定性提高；另一方面，利用声子晶体的带隙特性，能够进一步降低薄膜压电声波传感器内声波能量的损耗，使薄膜压电声波传感器的品质因数有效提高，检出限进一步降低。2.本专利技术提供的薄膜压电声波传感器，声子晶体包括散射体和基体，基体至少包括压电层，散射体为沿层叠方向垂直贯穿基体的周期性排列的通孔。声子晶体为二维声子晶体，能够以二维结构实现对声波的三维限制。周期性排列的通孔形成声子晶体的散射体(空气)，散射体与声子晶体的基体之间密度差异大，能够得到宽带隙的声子晶体，实现对沿压电层表面传播的声波以及沿压电层厚度方向传播的纵向波的有效反射，限制能量散逸，获得高品质因数的薄膜压电声波传感器。3.本专利技术提供的薄膜压电声波传感器，衬底层远离地电极层的一侧开设有凹槽，声子晶体位于凹槽所对应的第一区域内。通过开设凹槽，使衬底层形成与空气接触的界面，从而将声波限制于压电层上。声子晶体位于所述凹槽所对应的第一区域内，使声子晶体位于薄膜压电传感器的有效谐振区域内，形成对声波能量的高效反射。4.本专利技术提供的薄膜压电声波传感器，声子晶体的基体可以由压电层、压电层和地电极层，或者压电层、地电极层和衬底层组成，声子晶体的散射体为垂直贯穿基体的周期性排列的通孔。本专利技术通过研究本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄膜压电声波传感器，其特征在于，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，所述压电层远离所述地电极层的一侧设置有至少一个换能器；所述换能器的两侧分别设置有至少形成于所述压电层的声子晶体，所述薄膜压电声波传感器的谐振频率位于所述声子晶体的带隙内。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜压电声波传感器，其特征在于，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，所述压电层远离所述地电极层的一侧设置有至少一个换能器；所述换能器的两侧分别设置有至少形成于所述压电层的声子晶体，所述薄膜压电声波传感器的谐振频率位于所述声子晶体的带隙内。2.根据权利要求1所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述声子晶体包括散射体和基体，所述基体至少由所述压电层组成，所述散射体为沿所述层叠方向垂直贯穿所述基体的周期性排列的通孔；优选地，所述通孔为圆柱形孔，所述通孔以正方形晶格排列形成所述声子晶体。3.根据权利要求1或2所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述衬底层远离所述地电极层的一侧开设有凹槽，所述声子晶体位于所述凹槽所对应的第一区域内。4.根据权利要求1－3任一项所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述声子晶体的基体为所述压电层，所述声子晶体的散射体为由垂直贯穿所述压电层的周期性排列的通孔；优选地，所述压电层为氮化铝层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm。5.根据权利要求1－3任一项所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述声子晶体的基体由所述压电层和所述地电极层组成，所述声子晶体的散射体为垂直贯穿所述压电层和所述地电极层的周期性排列的通孔；优选地，所述压电层为氮化铝层，所述地电极层为钼层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm。6.根据权利要求1－3任一项所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周连群，李传宇，唐玉国，李敬，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32