[实用新型]一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及压电传感器技术领域，具体的说，是涉及一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器。

背景技术

薄膜体声波谐振器是近年来在射频通信和生化传感领域中受到广泛关注的新型微纳器件。在生化传感领域中，该器件基于吸附质量的敏感原理，以压电薄膜产生高频电声谐振，其谐振频率、相位或振幅随检测物质的变化作为传感器的响应。这种传感器灵敏度非常高，并且可以在硅片上采用现有半导体工艺进行制造，器件体积小，适合大规模集成形成传感器阵列。该类传感器有希望应用于化学物质分析以及生物基因检测、蛋白质分析等方面。薄膜体声波谐振器中压电层的谐振模式可以存在纵波和剪切波两种模式。在液体环境中，剪切波谐振比纵波谐振受到的液体阻尼更小，因此剪切波谐振的薄膜体声波谐振器更适合在生化传感领域中应用。 

激发压电层中的剪切波谐振的关键在于沿垂直于压电层极化轴的方向施加电场。例如：

瑞典林雪平大学G. Wingqvist等人在Surface & Coatings Technology（表面和涂层技术）杂志2010年第205卷1279页的文章“AlN-based sputter-deposited shear mode thin film bulk acoustic resonator (FBAR) for biosensor applications - A review”（基于溅射沉积氮化铝的剪切波薄膜体声波谐振器在生物传感器中的应用综述）中报道了一种剪切波模式薄膜电声器件的技术方案。该方案采用c轴倾斜30度的氮化铝压电薄膜，在氮化铝压电薄膜上下表面设置电极施加垂直电场，通过在c轴垂直方向的电场分量激发剪切波谐振。

美国专利US 5936150公开了一种采用平面电极的薄膜体声波谐振器技术方案。通过设置与压电薄膜上表面的两个平行电极产生横向电场激发剪切波谐振。

公开号为CN 1864063A的中国专利公开了一种剪切波模式薄膜体声波谐振器的技术方案，其压电堆栈的两个电极被放置在压电层的相同侧，这两个电极是叉指形电极。这种相同侧叉指形电极会激发剪切波谐振。

公开号为CN101800524A 的中国专利公开了一种具有非对称叉指结构的剪切波模式薄膜体声波谐振器技术方案，通过输入电极和输出电极之间的间距非等比例增加，降低了寄生干扰。

上述技术方案的缺点在于，在两电极施加激励时会同时产生垂直和平行压电层极化轴方向的两种分量，前者激发所需的剪切波谐振，而后者依然会激发压电层中的纵波谐振，从而使得薄膜体声波谐振器工作在两种谐振模式共存的模式下，其单一剪切波模式的能量不高。因此这种混合模式谐振的薄膜体声波谐振器在液体中工作时品质因数很难超过200，不能满足进行高灵敏传感应用时所能够达到的灵敏度和分辨率要求。

为了使薄膜体声波谐振器获得高品质因数，需要通过电极设计减小平行压电层极化轴的电场分量，从而提高剪切波谐振的激发效率。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高效激发剪切波谐振的薄膜体声波谐振器，包括声反射层、压电层以及输入电极对和输出电极对，其特征在于，所述的输入电极对由设置在压电层上下两表面的两个相同形状且相互连通的输入上电极和输入下电极组成，输出电极对由设置在压电层上下两表面的两个相同形状且相互连通的输出上电极和输出下电极组成。

输入下电极的横向长度与压电层厚度的比例以及输出下电极的横向长度与压电层厚度的比例都介于50至150之间。

输入下电极的横向长度与横向电极间隔距离的比例以及输出下电极的横向长度与横向电极间隔距离的比例都介于20至100之间。

输入下电极距压电层外侧边界的距离以及输出下电极距压电层外侧边界的距离都大于压电层厚度的10倍。

所述的输入电极对和输出电极对中上下两电极之间设置有通孔，其截面积小于输入下电极和输出下电极面积的十分之一，其中心距电极侧边的距离为压电层厚度的10倍至50倍。

在本发明中，输入电极对和输出电极对中相应的上下电极相互连通，在器件工作时电位相等。压电层上方的两电极产生的电场平行极化轴分量方向向下，而压电层下方的两电极产生的电场平行极化轴的分量方向向上，两者相互抵消，从而提高了剪切波谐振的激发效率。

与以往的技术相比，本发明的有益效果在于在压电层中能够获得完全的纯剪切波模式谐振，使器件获得较高的品质因数，从而在液体传感中具有更高的灵敏度和分辨率。