专利名称：基于柔性衬底的声表面波器件的结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种声表面波器件技术领域，尤其涉及一种基于柔性衬底的声表面波器件的结构及其制造方法。
背景技术：
声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)是沿着弹性固体表面或界面上传播的一种弹性波，声表面波器件则是利用声表面波来完成各种复杂信号处理的器件。随着半导体平面工艺、材料科学、微机械加工技术(MEMS)、微电子技术和计算机技术的迅猛发展，SAW 器件以其小型化、多功能、高频率、高可靠性和数字输出等特性，被广泛应用于移动通信、航空航天、雷达、电子对抗、遥控遥测、广播电视、传感器等各类军用和民用电子系统中。传统的声表面波器件都是基于硬性衬底材料的，如金刚石衬底(专利公开号 CN 1257940A)、蓝宝石衬底(专利公开号CN 101325M0A)、铌酸锂衬底(专利公开号CN 1731676A)等。在这些公开专利中，所有的衬底均为硬性材料，质量大，不能弯曲，所以在制备过程中不能卷绕式(roll-to-roll)连续化生产，制备的器件也不能安装在曲面上，这极大地限制了声表面波器件的生产和用途。传统的压电薄膜型声表面波器件都是利用压电薄膜激发瑞利波，由于瑞利波的声速比对称板波要低，所以制备出的器件谐振频率相对较低，很难适应集成电路中的高频无线通信应用；另外，基于瑞利波模式的传感器在应用于液体传感器时，由于粒子纵向运动， 能量会辐射到液体中，导致Q值降低。有机柔性衬底不同于硬性衬底(如蓝宝石、金刚石等)，有着材质柔软、轻薄、可以弯曲、可以卷绕式连续化生产等优点，从而使基于柔性衬底的声表面波器件具有轻便、柔软、可卷绕式连续化生产、可安装在曲面上工作等优点。此外，将沉积了 SAW工作区的柔性衬底背面体深刻蚀后，可以在工作区内激励起板波，板波模式的柔性SAW器件具有Q值高、谐振频率高等特点，可作为高频通信滤波器和传感器集成在柔性印制电路板中，并且在运用于液体传感器时不会有像瑞利波模式的SAW 传感器那样辐射能量而导致Q值下降的现象。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种基于柔性衬底的声表面波器件，本发明的另一个目的是提供制造这种声表面波器件的方法。一种基于柔性衬底的声表面波器件结构，包括衬底、底电极层、压电层、顶电极层，工作区由底电极层、压电层、顶电极层构成，其特征在于，所述的底电极层的下方设置有柔性衬底，柔性衬底上设置有开口。所述的柔性衬底为聚脂、聚酰亚胺、液晶聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龙中的任一种有机材料制备的薄膜，其厚度为5 250 μπι。页
所述的底电极层至少为铝、金、银、铜、铁、钼、钛、镍、铬、钨、钼、锌、钴、锆、铌中的一种金属材料制成的薄膜，该薄膜的厚度为10 500 nm。011]所述的压电层至少为氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅中的一种压电薄膜，其厚度为 0. 5 10 μ m0所述的压电层至少为氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅中的两种材料组合的复合膜层， 其厚度为0. 5 10 μ 。所述的顶电极层由叉指换能器和反射栅组成，叉指换能器厚度为20 500 nm，反射栅厚度为20 500 nm。一种基于柔性衬底的声表面波器件结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤
①制备柔性衬底，采用物理、化学方法合成柔性衬底薄膜；
②制备底电极层采用磁控溅射或者蒸发方法中的一种方法直接在柔性衬底上制备底电极层；
③制备压电层采用低温物理沉积方法或低温化学沉积方法中的一种方法直接在柔性衬底上制备压电层；
④制备顶电极层在上述压电层上，经过沉积金属电极、光刻、刻蚀，或光刻、沉积金属电极、剥离工艺形成所需电极层；
⑤背面刻蚀衬底采用干法刻蚀方法，对柔性衬底进行背面体深刻蚀，使得底电极层的下表面能够与空气直接接触。所述的顶电极层是经过沉积金属、表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测工艺流程制备。所述的顶电极层是经过表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、 显影、硬烘、沉积金属、剥离工艺流程制备。与传统的声表面波器件相比，本发明的优点在于①采用柔性衬底，可以卷绕式连续化生产，此柔性衬底声表面波器件可以制备成柔性滤波器、传感器等，安装在曲面上工作，拓展了传统声表面波器件的应用领域，并且可以集成到单片集成电路中，如采用聚酰亚胺衬底，可以集成到柔性印制电路板中；②对柔性衬底进行背面体深刻蚀，形成开口，使得工作区与空气直接接触，可以激励起压电薄膜的板波模式，使得器件的谐振频率更高，可以应用于高频通信系统，并且基于板波模式的声表面波器件在应用于液体传感器时不会因为辐射能量而导致Q值的下降；③底电极层可以增强压电薄膜板波的激励场。
图1是本发明的一种基于柔性衬底的声表面波器件的结构示意2是本发明的实施例1器件阻抗频率特性的仿真结果
附图标号说明1-柔性衬底，2-底电极层，3-压电层，4-顶电极层，4a-叉指换能器， 4b-反射栅，5-柔性衬底背面体深刻蚀开口。
具体实施方式
本发明提出了一种基于柔性衬底的声表面波器件及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式
来说明本发明的内容。图1是基于柔性衬底的声表面波器件的结构示意图，包括1-柔性衬底、2-底电极层、3-压电层、4-顶电极层；工作区由底电极层2、压电层3、顶电极层4构成。基片为柔性衬底1，所述的底电极层2置于柔性沉底1上，所述的压电层3置于底电极层2上，所述的顶电极层4由叉指换能器如和反射栅4b组成，置于压电层3上，反射栅4b置于叉指换能器如的两侧；所述声表面波器件通过对柔性衬底1进行背面体深刻蚀形成一定开口形状5，使得底电极层2的下表面与空气直接接触，将声波能量限制在工作区中。所述的柔性衬底1为聚脂、聚酰亚胺、液晶聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龙中的任一种有机材料制备的薄膜，其厚度为5 250 μπι。所述的底电极层2至少为铝、金、银、铜、铁、钼、钛、镍、铬、钨、钼、锌、钴、锆、铌中的一种金属材料制成的薄膜，该薄膜的厚度为10 500 nm，置于柔性衬底1上；底电极层 2可以增加工作区中的压电层3的板波的激励场，使得板波信号更强；另外底电极层2还可以作为柔性衬底1与压电层3的过渡层，增加柔性沉底1和压电层3的结合力。所述的压电层3至少为氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅中的一种压电薄膜，置于底电极层2上，其厚度为0.5 10 μπι。所述的压电层3至少为氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅中的两种材料组合的复合膜层，置于底电极层2上，其厚度为0.5 10 μπι。所述的顶电极层4由叉指换能器如和反射栅4b组成，叉指换能器如用来激励声表面波信号，而反射栅用来减少能量损失，增强探测信号；叉指换能器厚度为20 500 nm, 反射栅厚度为20 500 nm。所述的基于柔性声表面波器件的制造方法，包括以下步骤
①制备柔性衬底采用物理、化学方法合成柔性衬底1；
②制备底电极层采用磁控溅射或者蒸发方法中的一种方法直接在柔性衬底1上制备底电极层2;
③制备压电层采用低温物理沉积方法或低温化学沉积方法中的一种方法直接在底电极层2上制备压电层3，采用低温制备方法的目的是为了在制备压电层3时不至于损伤柔性衬底1 ；
^制备顶电极层在所述的压电层3上，经过沉积金属、表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻K软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测工艺或者表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、沉积金属、剥离等工艺流程制备顶电极层4 ；顶电极层4由叉指换能器如，和反射栅4b组成；
⑤背面刻蚀衬底采用干法刻蚀方法，对柔性衬底1进行背面体深刻蚀，使得底电极层 2的下表面能够与空气直接接触，将声波能量限制在工作区中，增加声表面波器件的Q值， 同时由于底电极层2与空气直接接触，这样在工作区中，增强板波信号，可以获得高频谐振，适用于高频通信系统。
实施例1
采用聚酰亚胺衬底作为柔性衬底，底电极层为铝金属层，压电层为单层的氮化铝压电薄膜，电极层只设置叉指换能器，为1个的输入输出叉值电极对，不设置反射栅，因为反射栅只是增强声表面波的探测信号，不会影响到声表面波的激励，有无反射栅的区别只是检测到信号强弱不同而已，所以在此仿真中不设置反射栅。采用comsol multiphysics软件对实施例进行有限元仿真分析，所采用柔性衬底材料为100 μ m厚的聚酰亚胺，置于底电极层左右两边的下方，各2 μπι宽；所采用的底电极层为100 nm的铝金属层，宽度为20 μ m, 悬浮电压状态；压电层为3 μ m厚的氮化铝压电薄膜，周期性宽度为20 μ m;所采用叉指换能器为两个铝电极，一个接地，一个接2 V电压，厚度为150 nm,电极宽度为5 μ m,电极间距为5 μ m，对应的声表面波周期20 μπι。图2是用comsol multiphysics软件仿真的阻抗频率特性结果，可以看出声表面波器件谐振在520 MHz，对应氮化铝的对称SO板波模式， 其声速为10400 m/s，远大于氮化铝瑞利波模式的5700 m/s的声速。
权利要求
1.一种基于柔性衬底的声表面波器件结构，包括衬底、底电极层、压电层、顶电极层， 工作区由底电极层、压电层、顶电极层构成，其特征在于，所述的底电极层的下方设置有柔性衬底，柔性衬底上设置有开口。
2.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的声表面波器件结构，其特征在于，所述的柔性衬底为聚脂、聚酰亚胺、液晶聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、 丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龙中的任一种有机材料制备的薄膜，其厚度为 5 250 μ m0
3.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的声表面波器件结构，其特征在于，所述的底电极层至少为铝、金、银、铜、铁、钼、钛、镍、铬、钨、钼、锌、钴、锆、铌中的一种金属材料制成的薄膜，该薄膜的厚度为10 500 nm。
4.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的声表面波器件结构，其特征在于，所述的压电层至少为氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅中的一种压电薄膜，其厚度为0. 5 10 μπι。
5.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的声表面波器件结构，其特征在于，所述的压电层至少为氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅中的两种材料组合的复合膜层，厚度为0. 5 10 μ m0
6.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的声表面波器件结构，其特征在于，所述的顶电极层由叉指换能器和反射栅组成，叉指换能器厚度为20 500 nm,反射栅厚度为20 500 nm。
7.一种基于柔性衬底的声表面波器件结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤 制备柔性衬底，采用物理、化学方法合成柔性衬底薄膜；②制备底电极层采用磁控溅射或者蒸发方法中的一种方法直接在柔性衬底上制备底电极层；③制备压电层采用低温物理沉积方法或低温化学沉积方法中的一种方法直接在柔性衬底上制备压电层；④制备顶电极层在上述压电层上，经过沉积金属电极、光刻、刻蚀，或光刻、沉积金属电极、剥离工艺形成所需电极层；⑤背面刻蚀衬底采用干法刻蚀方法，对柔性衬底进行背面体深刻蚀，使得底电极层的下表面能够与空气直接接触。
8.根据权利要求7所述的基于柔性衬底的声表面波器件结构的制造方法，其特征在于，所述的顶电极层是经过沉积金属、表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测工艺流程制备。
9.根据权利要求7所述的基于柔性衬底的声表面波器件结构的制造方法，其特征在于，所述的顶电极层是经过表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、 硬烘、沉积金属、剥离工艺流程制备。
全文摘要
本发明涉及一种基于柔性衬底的声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)器件及其制备方法。该SAW器件包括衬底、底电极层、压电层、顶电极层，工作区由底电极层、压电层、顶电极层构成，其特征在于，所述的底电极层的下方设置有柔性衬底，柔性衬底上设置有开口。该发明的特点是①采用柔性衬底，获得的器件轻便，可以安装在曲面上，可以绕卷式(roll-to-roll)连续化生产，制造工艺简单、成本低廉；②对柔性衬底进行背面体深刻蚀，形成开口，使得声波以板波的形式在压电层中传播，可以获得高谐振频率，同时将声波能量限制在工作区中可以获得高的器件Q值，此外，板波模式谐振器在应用于液体传感器时，不会因为能量辐射到液体中而导致Q值的下降。
文档编号H03H3/08GK102420582SQ201110386108
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者余德永, 冯斌, 周剑, 王德苗, 金浩 申请人:浙江大学, 浙江百士迪科技有限公司