一种零质量负载效应的SAW器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种零质量负载效应的SAW器件及其制备方法，涉及新一代信息技术，针对现有技术中金属IDT带来的质量负载效应问题提出本方案。SAW器件包括衬底以及压电薄膜；压电薄膜表面通过负离子注入的方式诱导出图形化的二维电子气导电层并作为其叉指电极。优点在于，一方面避免了厚重金属IDT的引入，在压电薄膜表面制作相同材质和同层布局的叉指电极，可以令金属化率η为0、厚度h

【技术实现步骤摘要】
一种零质量负载效应的SAW器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种零质量负载效应的SAW器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]在压电材料上利用声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)形成特定电学性质的器件，主要包括SAW谐振器和SAW传感器。
[0003]一、关于SAW谐振器
[0004]SAW谐振器是通信领域中十分重要的电子元件，可用于制备滤波器、双工器以及各式传感器(温度、湿度、压力、气体、生物等)。SAW谐振器凭借着高频率、低损耗、微型化、稳定性高等特点，被广泛应用，逐渐占领市场。
[0005]SAW谐振器的基本结构是由叉指电极(IDT，Inter Digital Transducer)－压电层－衬底构成的复合膜结构。其中IDT绝大部分由金属制成。基本工作原理是将交变电压施加在叉指电极，在压电材料内建立起交变电场，激发起相应的弹性振动，形成了弹性波。声波沿着压电材料的表面传播，当激励信号与机械振动频率相同时形成驻波，产生的声波波强度最大，此时的频率即为谐振频率。
[0006]SAW通过IDT产生和传播时，由金属电极造成的周期性扰动会引起波速的变化，该变化主要是由IDT的声电再生现象形成的电负载与金属指条相关的机械负载所引起。根据微扰理论可以推导出这两种负载对波速变化的贡献。
[0007]设IDT厚度为h
m
，SAW波长为λ，则当h
m
/λ≤2％时，SAW在金属栅阵中传播的等效波速v
e
为：
[0008][0009]其中v
f
为自由SAW波速，Δv为实际波速变化量，K2为压电衬底的机电耦合系数，η为金属化率(又称覆金比)，D
p
为IDT的声电再生现象导致的电负载微扰系数：
[0010][0011]式中，P
s
(x)为勒让德函数：
[0012][0013]其中S＝λk
f
/4π，且S∈[0,1]，K
f
表示自由SAW波数，2π/λ为实际波数。可以看出，金属化率η为D
p
的主要决定因素。
[0014]D
m
为IDT的机械负载的微扰系数：
[0015][0016]其中，ε
∞
表示衬底的介电常数；u1、u2和u3分别表示在衬底表面三个方向的自由SAW机械位移分量；Φ为压电衬底的表面电势；α1和α2分别是与电极材料的兰姆常数(Lame constants)相关的常数；ρ
m
为叉指电极的质量密度。当h
m
/λ≤2％且压电材料与叉指电极材料选定的前提下，IDT的机械负载对SAW波速的扰动主要体现在质量密度ρ
m
的变化及厚度h
m
的变化。
[0017]以上两种效应在广义上均可称为SAW器件的质量负载效应，其中，机械负载与电极质量直接相关，是考虑质量负载效应时的主要对象。质量负载效应会降低SAW器件的波速，改变器件的工作频率和生成的声学信号的幅度，影响器件在高频情境下的应用。此外，质量负载效应还会引起二次效应，例如产生三阶信号和体声波。
[0018]传统SAW谐振器的IDT由数十至数百纳米的金属组成，如此厚的金属IDT会带来比较严重的质量负载效应。现有报道中已经建立了几种方法来削弱由金属IDT引起的质量负载效应。文献[de Lima M M,Seidel W,Kostial H and Santos P V 2004J.Appl.Phys.]将Al等密度相对较低的金属嵌入到基板中，以减少高频SAW器件的不良反射。文献[Fu Y Q et al 2017Prog.Mater.Sci]优化了IDT的几何结构以减少连续IDT的声波反射带来的干扰。文献[Jian Zhou et al 2019J.Micromech.Microeng.29 015006]选用石墨烯作为IDT材料，制备了低负载效应的SAW器件。
[0019]然而上述提到的几种方法有其比较明显的局限性，一方面，上述方法只能一定程度上的减小质量负载效应，厚重的金属IDT及其引起的质量负载效应仍然存在。另一方面，引入的新结构、新材料，大大增加了工艺的复杂性，提高了制备器件的难度和成本。
[0020]二、关于SAW传感器
[0021]相对于上述SAW谐振器，主要区别在于SAW谐振器采用一组IDT，而SAW传感器在头尾两端分别各设置一组IDT。通过选用透明的压电层材料和透明电极材料，可以实现透明的SAW传感器。因其透明不可视的特点，透明SAW传感器可以被安装在如电子产品的屏幕，建筑物或车辆的窗户等地方，以实现多种功能，例如监测压力、温度，紫外线等参数，进行信号处理、数据储存及显示等。
[0022]现有报道中已有多例对透明SAW传感器的探索。文献[Wen
‑
Bo Wang et al 2015Chinese Phys.B 24 057701]报道了一种使用氧化锌薄膜作为压电层，Al薄层作为IDT电极的透明SAW传感器，该器件展示了较好的光敏特性，但其使用的铝电极并不透光，因此并不能算作完全透明的SAW器件。文献[J.Zhou et al 2017Surf.Coating.Technol.,320]报道了一种用氧化锌薄膜作为压电层，采用溅射法沉积多晶的铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜作为透明IDT电极的器件结构。该器件使用膜厚为750nm的AZO薄膜作为电极，一方面较厚的AZO薄膜会给SAW器件带来质量负载效应，降低器件工作频率等性能；另一方面多晶的AZO薄膜仍存在一定的吸光特性，且光透过率随膜厚增加而降低。文献[Jian Zhou et al 2019J.Electrochem.Soc.166B432]报道了一种氧化锌薄膜作为压电层，采用四层石墨烯薄膜作为IDT电极的全透明SAW传感器结构，但是该方案的石墨烯电极制备难度较大，成本高且不适于大规模生产。

技术实现思路

[0023]本专利技术目的在于提供一种零质量负载效应的SAW器件及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0024]本专利技术中所述一种零质量负载效应的SAW器件，包括：衬底以及设置在衬底上方的压电薄膜；所述压电薄膜表面通过负离子注入的方式诱导出图形化的二维电子气导电层，所述二维电子气导电层作为SAW器件的叉指电极。
[0025]所述离子是氟离子。
[0026]所述压电薄膜的材质是ε相氧化镓。
[0027]所述叉指电极数量为一组，所述SAW器件是SAW谐振器。
[0028]所述叉指电极数量为两组，分别在压电薄膜的前后两端各设置一组；所述衬底和压电薄膜为透明材质，所述SAW器件是SAW传感器。
[0029]所述衬底为蓝宝石。
[0030]本专利技术中所述SAW器件的制备方法，通过负离子注入的方式诱导出图形化的二维电子气导电层，以所述二维电子气导电层作为SAW器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种零质量负载效应的SAW器件，包括：衬底(101)以及设置在衬底(101)上方的压电薄膜(102)；其特征在于，所述压电薄膜(102)表面通过负离子注入的方式诱导出图形化的二维电子气导电层，所述二维电子气导电层作为SAW器件的叉指电极(104)。2.根据权利要求1所述一种零质量负载效应的SAW器件，其特征在于，所述离子是氟离子。3.根据权利要求1所述一种零质量负载效应的SAW器件，其特征在于，所述压电薄膜(102)的材质是ε相氧化镓。4.根据权利要求1所述一种零质量负载效应的SAW器件，其特征在于，所述叉指电极(104)数量为一组，所述SAW器件是SAW谐振器。5.根据权利要求1所述一种零质量负载效应的SAW器件，其特征在于，所述叉指电极(104)数量为两组，分别在压电薄膜(102)的前后两端各设置一组；所述衬底(101)和压电薄膜(102)为透明材质，所述SAW器件是SA...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢星，张志鹏，张俊祺，陈梓敏，王钢，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：