本發(fā)明屬于聲表面波器件，特別涉及一種基于異質(zhì)集成壓電襯底的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、聲表面波器件一般需要在壓電襯底表面制作叉指換能器，向叉指換能器施加交流的電信號，通過壓電效應(yīng)諧振產(chǎn)生聲表面波信號。由于其機電物理場轉(zhuǎn)換的特性以及彈性波諧振的頻率選擇性，被廣泛的應(yīng)用在通信、傳感等領(lǐng)域。一般情況下，叉指換能器在激發(fā)聲表面波時會向兩側(cè)對稱的發(fā)射聲波，這就意味著在彈性波的使用場景里，天然的引入了50％的能量損耗。在此背景下，基于耦合模理論，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計將叉指換能器的發(fā)射中心和反射中心錯開π/8，從而實現(xiàn)聲波的單向發(fā)射。

2、目前的技術(shù)主要有以下的缺點：

3、①線寬要求大、難以覆蓋高頻：一般的單向發(fā)射叉指換能器中，存在不同的指條金屬化率(一般最小線寬為波長的八分之一)，以實現(xiàn)分離發(fā)射中心和反射中心的目的，這就意味著，在相同的制程條件下，目前的單向聲表面波發(fā)射器的工作頻率只能達到常規(guī)聲表面波器件的一半。②發(fā)射方向不可調(diào)：目前的單向發(fā)射器中，為實現(xiàn)發(fā)射中心和反射中心的分離，叉指換能器結(jié)構(gòu)并不對稱，這就意味著聲波的發(fā)射方向在結(jié)構(gòu)制作完成后無法進行調(diào)控。過去的天然單向發(fā)射切向上，由于只激發(fā)瑞利波，所以也沒有單向發(fā)射方向的可調(diào)性。

4、③最大發(fā)射比受限：目前單向發(fā)射器中，最大的正向和反向發(fā)射比取決于其中反射中心的反射能力。而在單次金屬沉積加工的前提下，反射中心的反射能力取決于換能器的金屬厚度，此時厚度增大時，發(fā)射中心處的反射能力也會提升，這會反過來降低發(fā)射比。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于異質(zhì)集成壓電襯底的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于聲波激發(fā)的疊加原理來實現(xiàn)聲波的單向發(fā)射。

2、本發(fā)明提供了一種基于異質(zhì)集成壓電襯底的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括：

3、提供一壓電薄膜；

4、位于所述壓電薄膜上方的金屬電極和匯流條；

5、位于所述壓電薄膜下方的支撐襯底；

6、其中，所述支撐襯底的慢剪切波的相速度大于激發(fā)的聲表面波的相速度。

7、優(yōu)選地，所述金屬電極的厚度為20-2000nm。

8、優(yōu)選地，所述金屬電極和匯流條的材料包括鋁、銅、金、鈦、鎳、鉬、鉑中的一種或幾種。

9、優(yōu)選地，所述壓電薄膜的材料切型選擇依照材料的壓電系數(shù)矩陣，具體為：單向發(fā)射水平剪切波時，同時有非零的e16或e34和e14或e36；單向發(fā)射縱波時，同時有非零的e11或e35和e15或e31。

10、更優(yōu)選地，所述壓電薄膜的材料為歐拉角范圍在(0°,θ°,φ°)，θ取任意值，φ取-45～-10或10～45的鈮酸鋰或鉭酸鋰。叉指換能器所有電極采用一樣的線寬，當(dāng)該結(jié)構(gòu)進行聲波發(fā)射時，在叉指換能器上施加射頻信號；當(dāng)選擇的壓電材料的切型滿足前述的要求時，相同的電場下，e16，e34，e15，e31分別會在每根電極的兩側(cè)激發(fā)相反的變形，e14，e36，e11，e35分別會在每根電極兩側(cè)激發(fā)相同的變形；分別的壓電諧振間的疊加頻段，一側(cè)的變形相互疊加，一側(cè)的變形相互抵消，叉指換能器可以實現(xiàn)單向的聲表面波發(fā)射。本發(fā)明的聲表面波單向發(fā)射器的發(fā)射方向取決于壓電矩陣各參數(shù)的正負(fù)號，通過選擇合適的材料和切向，可以實現(xiàn)水平剪切波模式和縱波模式不同方向的發(fā)射。

11、優(yōu)選地，所述壓電薄膜的厚度為0.1-1.5μm。

12、優(yōu)選地，所述支撐襯底的材料包括硅、藍寶石、碳化硅、金剛石中的一種或幾種。選擇的基本要求是慢剪切波的相速度需要大于激發(fā)的聲表面波的相速度。支撐襯底的硬度(彈性系數(shù))的增加，都可以增強混合波矢，從而增強同壓電切向下的單向發(fā)射效果。

13、進一步地，所述壓電薄膜下方還包括二氧化硅層，以提高結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性。

14、優(yōu)選地，過厚的二氧化硅層會削弱單向發(fā)射效果，故所述二氧化硅層的優(yōu)選厚度范圍應(yīng)小于0.8*表面電極的周期。

15、有益效果

16、①對比傳統(tǒng)的單向發(fā)射裝置，本發(fā)明在相同的線寬制程下，可以覆蓋的頻率是傳統(tǒng)單向發(fā)射器的兩倍；更大的叉指換能器線寬意味著在相同的工作頻率下，本發(fā)明可以承受更高的功率。②對比傳統(tǒng)的單向發(fā)射裝置，本發(fā)明在換能器制作完成后，聲波的發(fā)射方向就被確定，通過合適的壓電材料切型選擇，可以實現(xiàn)水平剪切模式和縱波模式不同向發(fā)射。

17、③本發(fā)明單向發(fā)射的產(chǎn)生原理與傳統(tǒng)的單向發(fā)射裝置不同，能夠?qū)崿F(xiàn)的最大的正向和反向傳輸比不取決于電極反射中心和發(fā)射中心的反射能力之比，由此，單金屬電極厚度下可以實現(xiàn)的傳輸比可以高于傳統(tǒng)單向發(fā)射裝置。

技術(shù)特征：

1.一種基于異質(zhì)集成壓電襯底的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述結(jié)構(gòu)包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述金屬電極的厚度為20-2000nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述金屬電極和匯流條的材料包括鋁、銅、金、鈦、鎳、鉬、鉑中的一種或幾種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述壓電薄膜的材料切型選擇依照材料的壓電系數(shù)矩陣，具體為：單向發(fā)射水平剪切波時，同時有非零的e16或e34和e14或e36；單向發(fā)射縱波時，同時有非零的e11或e35和e15或e31。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述壓電薄膜的材料為歐拉角范圍在(0°,θ°,φ°)，θ取任意值，φ取-45～-10或10～45的鈮酸鋰或鉭酸鋰。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述壓電薄膜的厚度為0.1-1.5μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述支撐襯底的材料包括硅、藍寶石、碳化硅、金剛石中的一種或幾種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述壓電薄膜下方還可以包括二氧化硅層，用于提高器件的溫度穩(wěn)定性。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述二氧化硅層的厚度范圍小于0.8*表面電極的周期。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于異質(zhì)集成壓電襯底的聲表面波單向發(fā)射結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括：提供一壓電薄膜；位于所述壓電薄膜上方的金屬電極和匯流條；位于所述壓電薄膜下方的支撐襯底；其中，所述支撐襯底的慢剪切波的相速度大于激發(fā)的聲表面波的相速度。對比傳統(tǒng)的單向發(fā)射裝置，本發(fā)明在相同的線寬制程下，可以覆蓋的頻率是傳統(tǒng)單向發(fā)射器的兩倍；更大的叉指換能器線寬意味著在相同的工作頻率下，本發(fā)明可以承受更高的功率。

技術(shù)研發(fā)人員：歐欣,何炬星,張師斌,鄭鵬程,房曉麗
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6