[實用新型]一種高效激發剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器

有效

• 申請號: 201320201749.3
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN203241384U
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 王璟璟;陳達;孫學軍;金熒熒;干耀國
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及壓電傳感器技術領域，具體的說，是涉及一種高效激發剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器。

背景技術

薄膜體聲波諧振器是近年來在射頻通信和生化傳感領域中受到廣泛關注的新型微納器件。在生化傳感領域中，該器件基于吸附質量的敏感原理，以壓電薄膜產生高頻電聲諧振，其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質的變化作為傳感器的響應。這種傳感器靈敏度非常高，并且可以在硅片上采用現有半導體工藝進行制造，器件體積小，適合大規模集成形成傳感器陣列。該類傳感器有希望應用于化學物質分析以及生物基因檢測、蛋白質分析等方面。薄膜體聲波諧振器中壓電層的諧振模式可以存在縱波和剪切波兩種模式。在液體環境中，剪切波諧振比縱波諧振受到的液體阻尼更小，因此剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器更適合在生化傳感領域中應用。?

激發壓電層中的剪切波諧振的關鍵在于沿垂直于壓電層極化軸的方向施加電場。例如：

瑞典林雪平大學G.?Wingqvist等人在Surface?&?Coatings?Technology（表面和涂層技術）雜志2010年第205卷1279頁的文章“AlN-based?sputter-deposited?shear?mode?thin?film?bulk?acoustic?resonator?(FBAR)?for?biosensor?applications?-?A?review”（基于濺射沉積氮化鋁的剪切波薄膜體聲波諧振器在生物傳感器中的應用綜述）中報道了一種剪切波模式薄膜電聲器件的技術方案。該方案采用c軸傾斜30度的氮化鋁壓電薄膜，在氮化鋁壓電薄膜上下表面設置電極施加垂直電場，通過在c軸垂直方向的電場分量激發剪切波諧振。

美國專利US?5936150公開了一種采用平面電極的薄膜體聲波諧振器技術方案。通過設置與壓電薄膜上表面的兩個平行電極產生橫向電場激發剪切波諧振。

公開號為CN?1864063A的中國專利公開了一種剪切波模式薄膜體聲波諧振器的技術方案，其壓電堆棧的兩個電極被放置在壓電層的相同側，這兩個電極是叉指形電極。這種相同側叉指形電極會激發剪切波諧振。

公開號為CN101800524A?的中國專利公開了一種具有非對稱叉指結構的剪切波模式薄膜體聲波諧振器技術方案，通過輸入電極和輸出電極之間的間距非等比例增加，降低了寄生干擾。

上述技術方案的缺點在于，在兩電極施加激勵時會同時產生垂直和平行壓電層極化軸方向的兩種分量，前者激發所需的剪切波諧振，而后者依然會激發壓電層中的縱波諧振，從而使得薄膜體聲波諧振器工作在兩種諧振模式共存的模式下，其單一剪切波模式的能量不高。因此這種混合模式諧振的薄膜體聲波諧振器在液體中工作時品質因數很難超過200，不能滿足進行高靈敏傳感應用時所能夠達到的靈敏度和分辨率要求。

為了使薄膜體聲波諧振器獲得高品質因數，需要通過電極設計減小平行壓電層極化軸的電場分量，從而提高剪切波諧振的激發效率。

發明內容

本發明針對現有技術的不足和缺陷，提出一種高效激發剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種高效激發剪切波諧振的薄膜體聲波諧振器，包括聲反射層、壓電層以及輸入電極對和輸出電極對，其特征在于，所述的輸入電極對由設置在壓電層上下兩表面的兩個相同形狀且相互連通的輸入上電極和輸入下電極組成，輸出電極對由設置在壓電層上下兩表面的兩個相同形狀且相互連通的輸出上電極和輸出下電極組成。

輸入下電極的橫向長度與壓電層厚度的比例以及輸出下電極的橫向長度與壓電層厚度的比例都介于50至150之間。

輸入下電極的橫向長度與橫向電極間隔距離的比例以及輸出下電極的橫向長度與橫向電極間隔距離的比例都介于20至100之間。

輸入下電極距壓電層外側邊界的距離以及輸出下電極距壓電層外側邊界的距離都大于壓電層厚度的10倍。

所述的輸入電極對和輸出電極對中上下兩電極之間設置有通孔，其截面積小于輸入下電極和輸出下電極面積的十分之一，其中心距電極側邊的距離為壓電層厚度的10倍至50倍。

在本發明中，輸入電極對和輸出電極對中相應的上下電極相互連通，在器件工作時電位相等。壓電層上方的兩電極產生的電場平行極化軸分量方向向下，而壓電層下方的兩電極產生的電場平行極化軸的分量方向向上，兩者相互抵消，從而提高了剪切波諧振的激發效率。

與以往的技術相比，本發明的有益效果在于在壓電層中能夠獲得完全的純剪切波模式諧振，使器件獲得較高的品質因數，從而在液體傳感中具有更高的靈敏度和分辨率。