类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器及加工方法技术

本发明专利技术公开了一种类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器及加工方法，所述具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器，包括基底，压电层，以及位于压电层上表面的输入电极，输出电极，类细胞拓扑结构的人造声子晶格板和地电极；输入电极和输出电极放置在压电层上表面的中心处，通过交叉排列构成叉指电极(IDT,interdigital electrodes)，用于实现压电层机电转换过程中的电信号输入和输出；人造声子晶格板设计在输入输出叉指电极的两侧，其结构是周期性排列的具有类细胞拓扑结构的金属钨圆柱体；本发明专利技术解决了现有微机电谐振器中存在的能量损耗较大，品质因数较低的问题，有利于实现其在低相位噪声振荡器，窄带滤波器和高精度传感器中的应用。高精度传感器中的应用。高精度传感器中的应用。

【技术实现步骤摘要】
类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器及加工方法


[0001]本专利技术属于射频微机电系统领域，具体涉及一种具有类细胞拓扑结构的声子晶格微机电谐振器及加工方法。

技术介绍

[0002]随着电子设备的小型化的发展趋势，与传统的电谐振器相比，微机电 (MEMS)谐振器具有更小尺寸，更低功耗和更高集成度的特性，在传感和无线通信系统领域已显示出广阔的前景。目前，大多数便携式无线通信系统(如智能手机)中使用的都是基于声学谐振器的滤波器，由于声波在介质中传播速度小于电磁波传播速度4至5个数量级，而器件的特征尺寸是与信号的波长成正比，因此在处理相同工作频段的信号时，声学器件的体积就可以远小于传统的电学器件，更有利于电路高密度的集成化发展。
[0003]声表面波(SAW,Surface Acoustic Wave)谐振器是微机电谐振器的一种常见谐振器，是目前在3GHz频段下应用最广泛的，声表面波是一种独特的机械波，它沿着晶体表面行进时，在垂直晶体表面的方向，能量会以指数形式衰减(即衰减非常非常快，当其深入超过一个波长深度时，能量密度则降为在表面时的十分之一)，因此这种波在晶体表面行进时，最主要的优点就是能量能够集中于表层，加工工艺相对简单且成熟，成本较低，机电耦合系数较强，可以在单片上实现多种频率(multi
‑
frequency)等。品质因数(Q)定义为谐振器中存储的能量与每个机电转换周期消耗的能量之比，带有压电换能器的声表面波谐振器的品质因数通常较低，通常只有1，000左右，导致了其在传感器、振荡器、大带宽滤波器等领域的应用受到了限制。对于滤波器而言，高品质因数可以使其通带边沿更为陡峭，有利于提升其频率选择性。因此，随着无线通信频段的划分日益密集，提升声表面波谐振器的品质因数对于其应用有着重要意义，因此减小谐振器的能量损耗是提升品质因数的重要途径。声表面波谐振器的能量损耗主要是因为谐振器在进行机械振动时，会有很多声波向外逸散，泄漏的声波所携带的能量无法在下一个周期中通过机电转换使用，从而造成能量损耗。目前，声表面谐振器通常是将由金属电极构成的反射栅放置在叉指换能电极的两侧来反射逸散出的声波，从而减小能量损耗。但是，这种方法只能反射特定频点处的声波，由于实际加工的误差影响，实际能够抑制能量损耗的效率十分有限，无法显著提高谐振器的品质因数。
[0004]人造声子晶格是一种新颖的，人工制造的周期性结构材料，可以通过几何设计产生特定的频率禁带带隙，带隙频率范围内的声波振动会被阻挡，从而可以用来阻止机械波的传播。因此，设计一种具有较宽带隙，并包含声表面被谐振器工作频率的人造声子晶格，可以有效抑制声波的损耗，从而显著提升谐振器的品质因数。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足之处，本专利技术提出一种具有类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器及其加工方法，可以有效降低微机电谐振器的能量损耗，提高器件的品质因数，用于解决现有技术存在的品质因数较低的问题。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器，包括基底，压电层以及位于压电层上表面的输入电极，输出电极，人造声子晶格板和地电极；
[0008]输入电极和输出电极放置在压电层上表面的中心处，通过交叉排列构成叉指电极，用于实现压电层机电转换过程中的电信号输入和输出；
[0009]类细胞拓扑结构的人造声子晶格板设置在输入电极和输出电极的两侧，由两组人造声子晶格阵列构成，每组阵列包含3
×
5个有压电层和圆柱体组成的人造声子晶格单元，用于反射从叉指电极处耗散出来的声波，从而减小能量损耗；
[0010]地电极围绕输入电极，输出电极和人造声子晶格反射器的外围设置。
[0011]进一步地，背衬底硅的材质为<100>高阻硅，其厚度为500μm；
[0012]压电层的材质为铌酸锂，其厚度为0.5μm；
[0013]输入电极，输出金属电极和地电极的材质均为金属钼，其厚度为0.3μm；
[0014]人造声子晶格反射器5由两组人造声子晶格阵列构成，每组阵列包含3
×
5 个由压电层和圆柱体组成的人造声子晶格单元，每个人造声子晶格单元的尺寸为1
×
1μm，深度为0.5μm。
[0015]一种基于上述微机电谐振器的加工方法，包括如下步骤：
[0016]S1:选取<100>晶向硅晶圆，设置厚度为500
±
5μm的背衬底硅，得到硅衬底，之后进行表面处理；
[0017]S2:在整个衬底上沉积生长铌酸锂压电薄膜；
[0018]S3:在铌酸锂压电薄膜表层通过溅射沉积的方法形成金属电极薄膜，并通过光刻得到电极、金属走线和电极盘；
[0019]S4:沉积二氧化硅硬掩模，作为沟槽刻蚀时的保护层；
[0020]S5:在二氧化硅硬掩模上进行光刻刻蚀，得到淀积钨金属的通孔；
[0021]S6:在掩膜表面淀积钨金属，之后反刻得到钨金属圆柱体；
[0022]S7:释放保护层并去除表面氧化硅层，得到具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器。
[0023]本方案的有益效果为：
[0024](1)本专利技术提供的具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器，通过在压电层上淀积金属钨圆柱体阵列来取代传统的电极反射栅，可以将叉指电极处泄露出来的声波反射回去，从而减小声能损耗，提升其品质因数；
[0025](2)与传统的电极反射栅设计相比，人造声子晶格反射器具有较宽的声学频率带隙，可以抑制整个带隙频率范围内的声波传播，从而对声能损耗的抑制更有效。
附图说明
[0026]图1为具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器的三维结构图；
[0027]图2为具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器的俯视图；
[0028]图3为具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器的剖面图；
[0029]图4为类细胞拓扑结构的人造声子晶格单元的三维结构图；
[0030]图5为类细胞拓扑结构的人造声子晶格单元的俯视图和布里渊区；
[0031]图6为人造声子晶格单元产生的带隙；
[0032]图7为具有类细胞拓扑结构的人造声子晶格板微机电谐振器的加工步骤；
[0033]图8为另一实施例的人造声子晶格板微机电谐振器的三维结构图；
[0034]图9为另一实施例的人造声子晶格板微机电谐振器的俯视图。
[0035]其中，1、基底；2、压电层；3、输入电极；4、输出电极；5、类细胞拓扑结构的人造声子晶格板；6、地电极。
具体实施方式
[0036]面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器，其特征在于，包括基底(1)，压电层(2)以及位于压电层(2)上表面的输入电极(3)、输出电极(4)、类细胞拓扑结构的人造声子晶格板(5)和外接地电极(6)；所述输入电极(3)和输出电极(4)交叉排列放置在压电层(2)上表面的中心处；所述的类细胞拓扑结构的人造声子晶格板(5)由圆柱体阵列构成，并集成在输入电极(3)和输出电极(4)的两侧；所述地电极(6)围绕输入电极(3)，输出电极(4)和类细胞拓扑结构的人造声子晶格板(5)的外围设置。2.根据权利要求1所述的类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器，其特征在于，所述输入电极(3)和输出电极(4)通过交叉排列构成叉指电极，用于实现压电层(2)机电转换过程中的电信号输入和输出。3.根据权利要求1所述的类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器，其特征在于，所述人造声子晶格板(5)设置于输入电极(3)和输出电极(4)的两侧，用于反射从输入电极(3)和输出电极(4)处逸散出来的声波。4.根据权利要求1所述的类细胞拓扑结构的声子晶格板微机电谐振器，其特征在于，所述基底(1)的材质为<100>高阻硅，其厚度为500μm；所述压电层(2)的材质为铌酸锂，其厚度为0.5μm；所述输入电极(3)，输出电极(4)和地电极(6)的材质均为金属钼，其厚度为0.3μm；所述类细胞拓扑结构的人造声子晶格板(5)由压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘嘉诚，侯世强，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：