基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器及其应用。所述基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器包括依次叠设在谐振腔上的的第一电极和第二电极，所述第一电极与第二电极之间设置有压电层；所述第一电极和第二电极之间还设置有纳米级厚度的插入层。本发明专利技术实施例提供的一种FBAR温度传感器，通过在FBAR中插入一层纳米级厚度的插入层，在不明显降低器件谐振频率的基础上，大幅提高了FBAR温度传感器的探测灵敏度。测灵敏度。测灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器及其应用


[0001]本专利技术涉及一种温度传感器，特别涉及一种基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器及其应用，属于传感器


技术介绍

[0002]温度是科学研究和工业生产中的一个重要技术参量，现代工业的不断发展对温度控制提出了更高的要求。对于植入式和高温等恶劣应用场合，无线和无源的温度传感器因不需要其它电子元件配合，具有明显的优势。目前已经有不少的相关研究，如基于SAW器件、微型天线和超表面天线的无线温度传感器。
[0003]薄膜体声波滤波器(FBAR)具有尺寸小、工作频率高和更高的品质因数等优势，可以大幅降低天线的尺寸，也可被用于制备无线传感器。此外，基于FBAR的温度传感器输出是频率的形式，很容易转换为数字，且不容易受到电路噪声的影响，具有独特的优势。
[0004]FBAR是一种声电换能器，工作机理是压电薄膜的压电效应。其中，常见的压电材料有AlN、PZT、ZnO及LiNbO3等。大部分的材料的杨氏模量温度系数(TCE)是负的，温度升高时，纵波声速会下降，进而会导致FBAR器件的谐振频率减小，使用大TCE的材料或者增加它们在器件中的厚度比例，可以提高器件的温度灵敏性。
[0005]以AlN FBAR器件为例，本征频率温度系数(TCF)约为
‑
25ppm/℃，大多数的电极金属的TCE都比它大，2009年，Kao等人通过提高Al电极在AlN FBAR中的厚度比例，将TCF提高到
‑
34.5ppm/℃，对应的温度灵敏度为82.8kHz/℃，通过在AlN中掺杂Sc可以提高AlN的TCE温度灵敏度，也可用于提高传感器的温度灵敏度。2021年，WANG等制备了基于Al
0.7
Sc
0.3
N的FBAR，工作频率2.8GHz，TCF为
‑
39.6ppm/℃，温度灵敏度为111kHz/℃。但是，与微型天线(580kHz/℃)相比，FBAR温度传感器的灵敏度低了很多，限制了它的应用场景。尽管通过进一步增加高TCE薄膜的厚度可以提高FBAR温度传感器的灵敏度，但是要实现大范围的提升难度较大，并且增加谐振区薄膜厚度会导致器件工作频率下降，进而会降低器件灵敏度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器及其应用，以克服现有技术中的不足。
[0007]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0008]本专利技术实施例提供了一种基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器，包括依次叠设在谐振腔上的的第一电极和第二电极，所述第一电极与第二电极之间设置有压电层；所述第一电极和第二电极之间还设置有纳米级厚度的插入层。
[0009]进一步的，所述插入层的厚度为10
‑
40nm。
[0010]进一步的，所述插入层的材质包括Ti、Ni、Cu、W、Al或Si，但不限于此。
[0011]进一步的，所述插入层被设置于所述薄膜体声波谐振器内部的大应力区。
[0012]进一步的，所述插入层叠设在所述压电层与第一电极和第二电极中的任一者之
间。
[0013]进一步的，所述插入层设置在压电层与第二电极之间，并且所述第二电极的厚度d
t
＞(V
t
/V
b
)
×
d
b
，其中d
t
、d
b
分别为第二电极、第一电极的厚度，V
t
、V
b
分别为声波在第二电极、第一电极中的传播速度，可以理解为第二电极和第一电极材料中的音速。
[0014]进一步的，所述插入层的晶体形态为非晶或择优取向。
[0015]进一步的，所述插入层设置在压电层与第二电极之间，并且所述第二电极的晶粒尺寸大于所述插入层的晶粒尺寸。
[0016]进一步的，所述第一电极、压电层和第二电极依次叠设在衬底上，所述衬底内形成有所述谐振腔。
[0017]更进一步的，所述谐振腔形成于衬底的第一表面上，并且所述第一电极、压电层和第二电极依次叠设在衬底的第一表面上；或者，所述谐振腔形成于衬底的第二表面上，并且所述第一电极、压电层和第二电极依次叠设在衬底的第一表面上，所述第一表面与第二表面相背对。
[0018]进一步的，所述第一电极、压电层、第二电极依次叠设在衬底上，其中至少是所述第一电极的局部区域沿远离衬底的方向内凹形成谐振腔。
[0019]进一步的，所述压电层的材质包括AlN、ZnO、PZT及LiNbO3中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
[0020]进一步的，所述压电层的厚度为50nm
‑
5000nm。
[0021]进一步的，所述第一电极的材质包括Mo、Al、Pt和W中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
[0022]进一步的，所述第二电极的材质包括Mo、Al、Pt、W、Ni、Au、FeGa、FeNi和FeGaB中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
[0023]进一步的，所述第一电极的厚度为50nm
‑
2000nm。
[0024]进一步的，所述第二电极的厚度为50nm
‑
2000nm。
[0025]本专利技术实施例还提供了一种温度传感器，包括所述薄膜体声波谐振器。
[0026]本专利技术实施例还提供了所述薄膜体声波谐振器或所述温度传感器在温度检测中的用途。
[0027]与现有技术相比，本专利技术实施例提供的一种FBAR温度传感器，通过在FBAR中插入一层纳米级厚度的插入层，在不明显降低器件谐振频率的基础上，大幅提高了FBAR温度传感器的探测灵敏度。
附图说明
[0028]图1是本专利技术实施例1中一种FBAR温度传感器的结构示意图；
[0029]图2a是本专利技术实施例1中一种FBAR温度传感器的显微结构图；
[0030]图2b是本专利技术实施例1中一种FBAR温度传感器的制作流程结构图；
[0031]图3a是本专利技术实施例1中一种FBAR温度传感器的S11与温度之间的对应关系图；
[0032]图3b是本专利技术实施例1中一种FBAR温度传感器的谐振频率与温度的关系图；
[0033]图4本专利技术实施例1中制备的FBAR温度传感器的灵敏度与Ti插入层厚度的对应关系图；
[0034]图5a是本专利技术实施例2中一种FBAR温度传感器的结构示意图；
[0035]图5b是本专利技术实施例2中一种FBAR温度传感器的制作流程结构图；
[0036]图5c是本专利技术实施例2中制备的FBAR温度传感器的灵敏度与Si插入层厚度的对应关系图；
[0037]图5d是本专利技术实施例2中Si插入层的厚度为23nm时，FBAR温度传感器的温度特性曲线；
[0038]图6a是本专利技术实施例3中一种FBAR温度传感器的结构示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器，包括依次叠设在谐振腔上的的第一电极和第二电极，所述第一电极与第二电极之间设置有压电层；其特征在于：所述第一电极和第二电极之间还设置有纳米级厚度的插入层。2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述插入层的厚度为10
‑
40nm。3.根据权利要求1或2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述插入层的材质包括Ti、Ni、Cu、W、Al或Si。4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述插入层被设置于所述薄膜体声波谐振器内部的大应力区。5.根据权利要求1或4所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述插入层叠设在所述压电层与第一电极和第二电极中的任一者之间。6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述插入层设置在压电层与第二电极之间，并且所述第二电极的厚度d
t
＞（V
t
/V
b
）
×
d
b
，其中d
t
、d
b
分别为第二电极、第一电极的厚度，V
t
、V
b
分别为声波在第二电极、第一电极中的传播速度。7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述插入层的晶体形态为非晶或择优取向。8.根据权利要求7所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述插入层设置在压电层与第二电极之间，并且所述第二电极的晶粒尺寸大于所述插入层的晶粒尺寸。9.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林文魁，云小凡，程伟，王逸群，王笑怡，张宝顺，曾中明，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：