本發(fā)明屬于微機電(micro-electro-mechanical?systems,mems)，具體涉及一種在厚度方向具有對稱結構的硅上壓電薄膜蘭姆波諧振器及其制備方法。

背景技術：

1、基于壓電效應的聲學諧振器可構成聲學濾波器，聲學濾波器是當前射頻前端模塊中最核心元器件之一。目前市場上主流的包括聲表面波諧振器和體聲波諧振器。其中聲表面波諧振器的工作頻率由叉指電極的間距決定，受工藝加工精度的影響，工作頻率一般在3ghz以下。而體聲波諧振器的工作頻率由壓電薄膜的厚度決定，它可工作在更高頻率，但較難在同一片芯片上實現(xiàn)多個具有不同諧振頻率的諧振器的制備。

2、蘭姆波諧振器是一種新興的壓電微機電系統(tǒng)聲學諧振器，具有較高的品質(zhì)因數(shù)、適當?shù)臋C電耦合系數(shù)、低損耗及小體積等優(yōu)勢。蘭姆波諧振器采用和聲表面波諧振器類似的叉指電極結構來實現(xiàn)聲波的激勵，諧振頻率由電極間距決定，同時蘭姆波諧振器的制作可利用現(xiàn)有的成熟的體聲波技術平臺，因此，蘭姆波諧振器兼具聲表面波諧振器(saw)和體聲波諧振器(baw)的特征，且因同一諧振器可同時激發(fā)多個蘭姆波模態(tài)，因此采用蘭姆波作為工作模式有利于聲波器件的頻率擴展和器件的小型化。

3、傳統(tǒng)的硅上壓電薄膜(thin?piezoelectric?film?on?silicon,tpos)蘭姆波諧振器在厚度方向從上至下采用金屬電極層-壓電薄膜功能層-硅聲學腔體層結構，為非對稱結構。該結構的問題是難以有效激發(fā)一階蘭姆波(a1和s1)振動模態(tài)或在激發(fā)出的一階蘭姆波模態(tài)諧振頻率附近往往存在較多雜散干擾信號，嚴重限制了tpos諧振器在高性能諧振式傳感領域的應用空間和發(fā)展前景。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明提供了一種新型硅上下壓電薄膜(thin?piezoelectricfilm?on?and?below?silicon,tpobs)蘭姆波諧振器及其制備方法，利用該結構諧振器可以有效地激發(fā)高頻蘭姆波實現(xiàn)頻譜無雜散效果。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種新型可以有效激發(fā)高頻蘭姆波且實現(xiàn)頻譜無雜散的諧振器，諧振體自下而上分別為底電極、壓電層、諧振硅層、壓電層、頂電極，諧振體下方為懸空，在非諧振區(qū)域底部具有起支撐作用的硅襯底和氧化層，所述的底部電極和頂部電極均為叉指電極，且上下兩層壓電層和諧振硅層在非諧振區(qū)域均設置兩個通孔，頂部叉指電極的兩個電極對分別通過對應通孔與底部對應的叉指電極相連；具體結構如下：

4、一種在厚度方向具有對稱結構的tpobs蘭姆波諧振器，諧振器上下結構對稱，包括諧振區(qū)和非諧振區(qū)；諧振區(qū)的結構沿厚度方向由下至上依次為底部叉指電極2、底部壓電層5、諧振硅層6、頂部壓電層4、頂部叉指電極1；

5、所述非諧振區(qū)位于諧振區(qū)四周，包括諧振硅層6、二氧化硅9、接地金屬電極盤10、金屬電極盤12、刻蝕窗口11；諧振區(qū)與非諧振區(qū)的諧振硅層為同一平面層；

6、接地金屬電極盤10位于非諧振區(qū)的諧振硅層6的上表面，諧振區(qū)的硅諧振體通過該接地金屬電極盤接地；

7、金屬電極盤12有4個，非諧振區(qū)的諧振硅層的上下表面分別分布兩個，位于上表面的兩個金屬電極盤分別與頂部第一叉指電極101、頂部第二叉指電極102連接；位于下表面的兩個金屬電極盤分別與底部第一叉指電極201、底部第二叉指電極202連接；位于上表面的兩個金屬電極盤12與諧振硅層6的接觸面使用二氧化硅9隔離，使金屬電極盤12與諧振硅層6不接觸；

8、刻蝕窗口11位于諧振區(qū)兩側(cè)，與叉指電極的電極條平行；

9、位于上表面的金屬電極盤與位于下表面的金屬電極盤的位置相對重合，非諧振區(qū)的諧振硅層有兩個通孔，位于金屬電極盤所在位置，通孔側(cè)壁有起絕緣作用的二氧化硅9，通孔通過金屬電極填充，使位于同一位置的上下金屬電極盤相連。

10、所述頂部叉指電極1包括頂部第一叉指電極101、頂部第二叉指電極102，其中叉指電極為n個平行電極條，頂部第一叉指電極101的電極條通過同一匯流條連接，頂部第二叉指電極102的電極條通過同一匯流條連接，對通過同一匯流條連接的叉指電極施加相同的電信號；頂部第一叉指電極101與頂部第二叉指電極102的電極條平行間隔排布，分別通過不同的金屬電極盤施加信號；

11、底部叉指電極包括底部第一叉指電極201和底部第二叉指電極202，底部第一叉指電極201和第二叉指電極202的電極條平行間隔排布，底部第一叉指電極201通過同一匯流條連接，底部第二叉指電極202通過同一匯流條連接，分別通過不同的金屬電極盤施加信號。

12、當該諧振器的頂部第一叉指電極101和底部第二叉指電極202通過通孔相連，形成一個叉指電極對，頂部第二叉指電極102和底部第一叉指電極201通過通孔相連，形成一個叉指電極對時，對兩個叉指電極對施加幅值相同，相位相反的電壓，且諧振硅層接地時，激發(fā)s1模態(tài)；

13、當該諧振器的頂部第一叉指電極101和底部第二叉指電極201通過通孔相連，形成一個叉指電極對，頂部第二叉指電極102和底部第二叉指電極202通過通孔相連，形成一個叉指電極對時，對兩個叉指電極對施加幅值相同，相位相反的電壓，且諧振硅層接地時，激發(fā)a1模態(tài)。

14、進一步的，所述金屬電極盤、頂部叉指電極和底部叉指電極為同一種金屬材料，具體為鋁、銅、金、鎳或鉛，頂部叉指電極和底部叉指電極的厚度相同。

15、進一步的，頂部壓電層4和底部壓電層5的材料為同一種材料，具體為氮化鋁、鋯鈦酸鉛、氧化鋅、鈮酸鋰、鉭酸鋰，厚度為0.5μm至1.5μm。

16、進一步的，諧振硅層6的材料為摻雜硅，厚度為5μm至50μm。

17、進一步的，所述接地金屬電極盤10有4個，位于諧振硅層上表面兩個金屬電極盤的兩側(cè)。

18、進一步的，諧振硅層與二氧化硅9之間還有一層壓電層4；位于諧振硅層6下表面的金屬電極盤12與諧振硅層6之間還有一層壓電層5。

19、本發(fā)明還提供了一種在厚度方向具有對稱結構的tpobs蘭姆波諧振器的制備方法，包括以下步驟：

20、s1：獲取支撐襯底，包括底部支撐硅層8及其上表面的隔離氧化層7；

21、s2：在隔離氧化層7上表面通過金屬薄膜濺射工藝和剝離工藝制備底部叉指電極2和位于底部叉指電極兩側(cè)的兩個金屬電極盤；

22、s3：利用光刻工藝和化學氣相沉積在諧振區(qū)底部叉指電極中間的間隙區(qū)域生長氮化硅3，使氮化硅的厚度與底部叉指電極厚度相同；

23、s4：利用光刻工藝和濺射技術在氮化硅和底部叉指電極的上表面以及金屬電極12的對應區(qū)域沉積一層底部壓電層5。

24、s5：利用光刻工藝和化學氣相沉積諧振硅層6。

25、s6：利用光刻工藝和濺射技術在諧振硅層上面沉積一層頂部壓電層4，其中頂部壓電層與底部壓電層所在位置區(qū)域相同；

26、s7：利用側(cè)壁涂層工藝在通孔的側(cè)壁沉積一層二氧化硅9，接著利用光刻工藝和濺射工藝在金屬電極12對應區(qū)域的諧振硅層上面沉積一層二氧化硅9；

27、s8：利用導體填充工藝將通孔被金屬電極填充；

28、s9：通過金屬薄膜濺射工藝和剝離工藝制備頂部叉指電極1和兩個頂部金屬電極盤和接地金屬電極盤；

29、s10:利用等離子體刻蝕或濕法刻蝕工藝，對諧振區(qū)的底部硅和二氧化硅層進行刻蝕；

30、s11：利用氫氟酸或等離子體刻蝕工藝去除底部叉指電極間的氮化硅，最終得到該蘭姆波諧振器。

31、采用上述技術方案后，本發(fā)明具有以下有益效果：

32、1、本發(fā)明提出一種可有效激發(fā)高頻蘭姆波且實現(xiàn)頻譜無雜散的硅上下壓電薄膜(tpobs)蘭姆波諧振器，相較于傳統(tǒng)的硅上壓電薄膜結構(tpos)的諧振器底部多了一層壓電薄膜和底電極，可通過對上下對稱的電極施加相位相同或不同的交流信號，且中間諧振硅層接地，使上下壓電層和中間的諧振硅層均可產(chǎn)生較為對稱的應變，可有效地激發(fā)a1和s1模態(tài)，適合高頻領域的應用。

33、2.本發(fā)明提出的硅上下壓電薄膜(tpobs)蘭姆波諧振器可以通過控制上下對稱電極的相位來控制所激發(fā)的蘭姆波模態(tài)同時實現(xiàn)頻譜無雜散，相位同相，可激發(fā)無雜散的a1模態(tài)，相位反相，可激發(fā)無雜散的s1模態(tài)。