一种浮置复合叉指结构及其制备方法与流程

本发明涉及一种声电换能器结构，尤其涉及一种应用于声表面波叉指换能器的浮置复合叉指结构及其制备方法，属于微声电子器件技术领域。

背景技术

声表面波叉指换能器的主体是制作在压电基片表面形如两只手的手指交叉状的金属叉指结构，其功能是进行电-声和声-电能量转换。采用叉指换能器的声表面波器件的工作原理为：位于压电基片表面一侧的输入叉指换能器通过逆压电效应将输入电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，再由位于压电基片表面另一侧的输出叉指换能器将声信号转变成电信号输出，在这一过程中完成对信号的处理功能。

常规上，叉指换能器的金属叉指结构中各个金属指条的一端与其同侧的汇流电极相连，另一端通过指端间隙与其同侧的汇流电极绝缘隔离，构成相互交叉排列的金属叉指结构。工艺上，叉指换能器中的金属叉指结构通过对淀积在压电基片表面的金属膜进行光刻、刻蚀而获得的，其中相互交叉的各个金属指条以确定的重复周期粘附于压电基片表面。具有这一特征的金属叉指结构在应用于声表面波器件中时，可以获得稳定的频率特性，但同时也由于其固化的几何结构而不便于通过调节金属叉指的几何特性如排列周期以调整声表面波器件的频率特性，这在一定程度上限制了声表面波器件的应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服现有技术中的不足，提供一种浮置复合叉指结构及其制备方法，可实现叉指换能器的叉指周期可调，并可应用于声表面波器件的频率可调。

本发明的目的是这样实现的，一种浮置复合叉指结构，一种浮置复合叉指结构，包括基片、第一复合指条组、第二复合指条组、第一汇流电极、第二汇流电极；

所述第一复合指条组包含若干第一复合指条，所述第二复合指条组包含若干第二复合指条，所述各个复合指条包括金属指、介质延长指和金属连接指三个部分，所述金属指的内端附有连接凸块，所述介质延长指的两端附有连接凹槽，所述金属连接指的内端附有连接凸块，所述金属指通过其内端的连接凸块与介质延长指一端的连接凹槽相嵌，介质延长指另一端的连接凹槽与金属连接指内端的连接凸块相嵌；

所述各个第一复合指条的金属指外端汇接于第一汇流电极，而金属连接指外端汇接于第二汇流电极，所述各个第二复合指条的金属指外端汇接于第二汇流电极，而金属连接指外端汇接于第一汇流电极，所述第一复合指条组中的各个第一复合指条与第二复合指条组中的各个第二复合指条依次交错排列，其中的金属指部分依次交叉排列，形成叉指状结构。所述各个复合指条均浮置于基片表面，各个复合指条的下表面与基片表面紧密贴合；所述各个汇流电极与基片之间自下而上依次制作有底层黏附层、柔性介质层、中间黏附层，所述底层黏附层、柔性介质层、中间黏附层均与相应的汇流电极同形；

在制备时，包含以下步骤：

（1）剥离法在基片表面制作底层黏附层结构；

（2）旋涂、固化以及光刻、干法刻蚀方法在底层黏附层上制作柔性介质层结构；

（3）剥离法在柔性介质层上制作中间黏附层结构；

（4）溅射、退火以及光刻、湿法腐蚀方法在中间黏附层上制作第一汇流电极和第二汇流电极；

（5）剥离方法在第一汇流电极和第二汇流电极之间的基片表面依次覆盖第一介质膜和第二介质膜；

（6）光刻、干法刻蚀方法在第二介质膜上制作待制金属指和金属连接指沟槽；

（7）电镀法在上述待制金属指和金属连接指沟槽中填充金属厚膜；

（8）光刻、干法刻蚀方法去除待制介质延长指以外的第二介质膜，得到粘附于第一介质膜上的包括金属指、介质延长指和金属连接指三部分的各个复合指条；

（9）湿法腐蚀方法去除作为牺牲层的第一介质膜，释放各个复合指条，完成浮置复合叉指结构的制作。

所述基片材料为压电单晶片，所述第一汇流电极、第二汇流电极的材料为形状记忆合金材料如tini合金，所述柔性介质层的材料为聚酰亚胺或者pdms，所述底层黏附层和中间黏附层的材料为cr或者pt，所述金属指和金属连接指的材料为金或者重质铝铜合金；所述介质延长指即第二介质膜的材料为氮化硅或者二氧化硅，所述牺牲层即第一介质膜的材料相应地为二氧化硅或者氮化硅。

优选的，采用原位加热磁控溅射方法直接制备晶态tini形状记忆合金薄膜；或者采用磁控溅射再退火结晶的方法制备tini形状记忆合金薄膜。

优选的，采用湿法腐蚀的方法进行tini合金汇流电极的图形化；或者采用电化学腐蚀方法进行tini合金汇流电极的图形化。

优选的，采用干法刻蚀的方法进行第二介质膜的图形化以及去除介质延长指以外的第二介质膜；或者采用湿法腐蚀的方法进行第二介质膜的图形化以及去除介质延长指以外的第二介质膜。

优选的，采用湿法腐蚀的方法去除作为牺牲层的第一介质膜；或者采用干法刻蚀方法去除作为牺牲层的第一介质膜。

本发明结构合理、生产制造容易、使用方便，通过本发明，所述浮置复合叉指结构包括基片、第一复合指条组、第二复合指条组、第一汇流电极、第二汇流电极；所述基片为压电单晶片如铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、石英单晶；所述第一汇流电极和第二汇流电极的材料为形状记忆合金如tini合金；所述各个汇流电极与基片表面衬垫柔性介质层使各个汇流电极在温控形变时可相对于基片柔性偏移，所述柔性介质层的材料为具有一定弹性的聚合物材料如聚酰亚胺、pdms；所述基片表面与柔性介质层以及柔性介质层与各个汇流电极之间制作黏附层以提高柔性介质层与基片以及各个汇流电极与柔性介质层之间的粘附性，所述底层黏附层和中间黏附层的材料为cr或者pt。

所述第一复合指条组包含若干第一复合指条，第二复合指条组包含若干第二复合指条，所述各个复合指条均包括金属指、介质延长指和金属连接指三个部分，所述金属指的内端附有连接凸块，所述介质延长指的两端附有连接凹槽，所述金属连接指的内端附有连接凸块，所述金属指通过其内端的连接凸块与介质延长指部分一端的连接凹槽相嵌，介质延长指另一端的连接凹槽与金属连接指内端的连接凸块相嵌。

所述各个第一复合指条通过其金属指外端汇接于第一汇流电极，并通过其金属连接指外端汇接于第二汇流电极，而所述各个第二复合指条通过其金属指外端汇接于第二汇流电极，并通过其金属连接指外端汇接于第一汇流电极，所述第一复合指条组中的各个第一复合指条与第二复合指条组中的各个第二复合指条依次交错排列。

所述各个复合指条中金属指的一端与第一（或第二）汇流电极直连，另一端通过介质延长指与第二（或第一）汇流电极绝缘隔离并相连接，所述采用金或者重质铝铜合金制作的各个金属指浮置于压电基片表面之上，其下表面与压电基片表面紧密贴合，各个金属指相互交叉排列，组成作为叉指换能器主体的金属叉指结构，在压电基片表面层激发或接收声表面波；

所述各个复合指条中的介质延长指的材料为氮化硅或者二氧化硅，其外端通过金属连接指与汇流电极相连，当包含金质或重质铝铜合金质金属指的复合指条自然下垂并与基片表面贴合时，金属连接指同时用作下弯部位，避免使介质延长指与汇流电极直接相连并下弯时可能出现的介质延长指与汇流电极断裂脱节现象。

当工作温度或环境温度在所用形状记忆合金材料的相变温度点以下时，所述形状记忆合金材料处于低内应力的马氏体态，各个汇流电极保持电极结构工艺制备完成时的形状，连接于第一汇流电极与第二汇流电极之间的各个浮置复合指条以标称的第一周期相互交错排列；

当工作温度或环境温度在所述相变温度点以上时，所述形状记忆合金材料由低内应力的马氏体态转变为高内应力的奥氏体态，构成各个汇流电极的形状记忆合金膜发生形变，但由于汇流电极所附着的柔性介质层和刚性压电基片以及各个纵向复合叉指的约束作用，各个汇流电极主要产生面内横向形变，带动连接在第一汇流电极与第二汇流电极之间的各个浮置复合指条相对于复合叉指结构的对称中心线横向偏移，各个浮置复合指条变换至以第二周期相互交错排列；

而当工作温度或环境温度恢复至所述相变温度点以下时，所述形状记忆合金材料回复到低内应力的马氏体态，由于汇流电极所附着的柔性介质层的一定弹性和压电基片的刚性的反向偏置力的作用，各个汇流电极回复至电极结构工艺制备完成时的形状，同时带动连接在第一汇流电极与第二汇流电极之间的各个浮置复合指条回复至以标称的第一周期相互交错排列；

进一步的，若采用所述浮置复合叉指结构分别作为输入叉指换能器和输出叉指换能器构成一个声表面波滤波器，则当工作温度或环境温度在所述相变温度点以下时，声表面波滤波器输出标称的第一中心频率的滤波信号，而当工作温度或环境温度在所述相变温度点以上时，声表面波滤波器输出第二中心频率的滤波信号；

进一步的，通过选择形状记忆合金材料的组分、配比及工艺条件调整所用形状记忆合金的相变温度点，并结合浮置复合叉指结构标称周期的设计，可以调整声表面波滤波器输出滤波信号的中心频率的温控范围。

有益效果：

本发明利用介质延长指替代常规叉指换能器中叉指指条的指端间隙，构成一种复合指条结构，使各个叉指指条与两端的汇流电极均相连接，并采用浮置复合指条结构，即各个复合指条浮置于压电基片表面之上，其下表面与基片表面紧密贴合，既形成用于激发或接收声表面波的叉指结构，又便于偏移各个叉指指条，改变叉指结构中叉指指条的排列周期。本发明的浮置复合叉指结构可用于声表面波器件的频率温控，也可用于基于声表面波器件的温度传感器。所述浮置复合叉指结构采用常规的mems加工技术制作，工艺简单，易于实现。

本发明的浮置复合叉指结构可用于声表面波器件的频率温控，也可用于基于声表面波器件的温度传感器，可应用于军民用通讯、物联网传感技术领域，市场前景广阔。

附图说明

图1是本发明的浮置复合叉指结构示意图。

图2是本发明的浮置复合叉指结构剖视图。

图3a为制作底层黏附层的工艺结果示意图。

图3b为制作柔性介质层的工艺结果示意图。

图3c为制作中间黏附层的工艺结果示意图。

图3d为制作第一汇流电极和第二汇流电极的工艺结果示意图。

图3e为淀积用于浮置复合指条下方牺牲层的第一介质膜的工艺结果示意图。

图3f为淀积用于制作介质延长指的第二介质膜的工艺结果示意图。

图3g为刻蚀第二介质膜形成金属电极淀积凹槽的工艺结果示意图。

图3h为制作金属指和金属连接指的工艺结果示意图。

图3i为释放浮置复合指条的工艺结果示意图。

图中：1基片、2-1第一复合指条、2-2第二复合指条、3-1第一汇流电极、3-2第二汇流电极、21金属指、22介质延长指、23金属连接指、24连接凸块、25连接凹槽、4底层黏附层、5柔性介质层、6中间黏附层、7第一介质膜、8第二介质膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示的一种浮置复合叉指结构，包括制作在基片1上的第一汇流电极3-1、第二汇流电极3-2以及分布于其间的第一复合指条组和第二复合指条组，两组复合指条依次交错排列，其金属指21部分相互交叉排列形成叉指结构。

所述复合指条（包括第一复合指条2-1、第二复合指条2-2）由金属指21、介质延伸指22和金属连接指23三部分组成，各组复合指条的两端分别与第一汇流电极3-1或者第二汇流电极3-2相连，各个复合指条均浮置在基片1表面。

所述各个汇流电极（包括第一汇流电极3-1、第二汇流电极3-2）与基片1之间自上而下依次嵌有底层黏附层4、柔性介质层5、中间黏附层6，所述底层黏附层4、柔性介质层5、中间黏附层6均与相应的汇流电极同形。

所述基片1为铌酸锂压电单晶片，所述第一汇流电极3-1、第二汇流电极3-2的材料为tini合金，所述金属指21和金属连接指23的材料为金；所述用作制作介质延长指22的第二介质膜8的材料为氮化硅，所述用作牺牲层的第一介质膜7的材料为二氧化硅，所述柔性介质层5的材料为聚酰亚胺，所述底层黏附层4和中间黏附层6的材料为金属cr。

具体为，一种浮置复合叉指结构，包括基片1、第一复合指条组、第二复合指条组、第一汇流电极3-1、第二汇流电极3-2；第一复合指条组包含若干第一复合指条2-1，所述第二复合指条组包含若干第二复合指条2-2；所述第一复合指条2-1、第二复合指条2-2均包括金属指21、介质延长指22和金属连接指23三个部分，金属指21、金属连接指23的内端均附有连接凸块24，介质延长指22的两端附有连接凹槽25，所述金属指21通过其内端的连接凸块24与介质延长指22部分一端的连接凹槽25相嵌，介质延长指22另一端的连接凹槽25与金属连接指23内端的连接凸块24相嵌。

各个第一复合指条2-1的金属指21外端汇接于第一汇流电极3-1，各个第一复合指条2-1的金属连接指23外端汇接于第二汇流电极3-2；所述各个第二复合指条2-2的金属指21外端汇接于第二汇流电极3-2，各个第二复合指条2-2的金属连接指23外端汇接于第一汇流电极3-1；所述第一复合指条组中的各个第一复合指条2-1与第二复合指条组中的各个第二复合指条2-2依次交错排列，第一复合指条2-1的金属指21与第二复合指条2-2的的金属指（21）依次交叉排列，形成叉指状结构；

各个第一复合指条2-1、第二复合指条2-2均浮置于基片1表面，各个第一复合指条2-1、第二复合指条2-2的下表面与基片1表面紧密贴合；第一汇流电极3-1、第二汇流电极3-2与基片1之间均自下而上依次制作有底层黏附层4、柔性介质层5、中间黏附层6，所述底层黏附层4、柔性介质层5、中间黏附层6均与对应的第一汇流电极3-1、第二汇流电极3-2同形。

所述基片1的材料为铌酸锂压电单晶片；第一汇流电极3-1、第二汇流电极3-2的材料为形状记忆合金材料如tini合金。柔性介质层5的材料为聚酰亚胺或者pdms。底层黏附层5、中间黏附层6的材料均为cr或者pt。金属指21、金属连接指23的材料均为金或者重质铝铜合金。介质延长指22的材料为氮化硅或者二氧化硅。

在制备时，包含以下步骤：

步骤1）、采用剥离法在基片1表面制作底层黏附层4结构；

步骤2）、使用旋涂、固化以及光刻、干法刻蚀方法在底层黏附层4上制作柔性介质层5结构；

步骤3）、使用剥离法在柔性介质层5上制作中间黏附层6结构；

步骤4）、使用溅射、退火以及光刻、湿法腐蚀方法在中间黏附层6上制作第一汇流电极3-1和第二汇流电极3-2；

步骤5）、使用剥离方法在第一汇流电极3-1和第二汇流电极3-2之间的基片1表面依次覆盖第一介质膜7、第二介质膜8；

步骤6）、使用光刻、干法刻蚀方法在第二介质膜8上制作待制金属指沟槽和金属连接指沟槽；

步骤7）、使用电镀法在上述待制金属指沟槽和金属连接指沟槽中填充金属厚膜；

步骤8）、使用光刻、干法刻蚀方法去除待制介质延长指22以外的第二介质膜8，得到粘附于第一介质膜7上的包括金属指21、介质延长指22和金属连接指23三部分的第一复合指条2-1、第二复合指条2-2；

步骤9）、使用湿法腐蚀方法去除作为牺牲层的第一介质膜7，释放各个第一复合指条2-1、第二复合指条2-2，完成浮置复合叉指结构的制作。

如图3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h、3i所示，本实施例中浮置复合叉指结构的具体制作步骤为：

1、制作汇流电极及其下方各个结构层。

（1）铌酸锂压电单晶片表面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制汇流电极所在位置处的光刻胶胶膜；

（2）磁控溅射，覆盖金属cr膜；

（3）去胶，连同去除覆盖在汇流电极所在位置以外光刻胶胶膜之上的cr膜，得到底层黏附层结构；

（4）上述结构表面旋涂聚酰亚胺，热固化；

（5）上述结构表面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制汇流电极所在位置以外的光刻胶胶膜；

（6）磁控溅射，覆盖cr膜；

（7）去胶，连同去除覆盖在汇流电极所在位置以外光刻胶胶膜之上的cr膜，得到中间黏附层结构；

（8）o2干法刻蚀，去除汇流电极所在位置以外的聚酰亚胺膜，得到柔性介质层结构；

（9）原位加热磁控溅射，在上述结构表面覆盖晶态tini合金膜；

（10）上述结构表面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制汇流电极所在位置以外的光刻胶胶膜；

（11）hf和hno3混合液腐蚀去除汇流电极所在位置以外的tini膜，去胶，得到tini合金汇流电极，完成各个汇流电极及其下方各个结构层的制作；

2、制作浮置复合指。

（1）上述结构表面重新涂覆光刻胶，光刻去除第一汇流电极和第二汇流电极之间待制浮置复合叉指所在区域的光刻胶胶膜；

（2）lpcvd在上述结构表面淀积二氧化硅膜，使其顶面与汇流电极底面平齐；

（3）lpcvd在上述二氧化硅膜表面淀积氮化硅膜，使其顶面与汇流电极顶面平齐；

（4）去胶，连同去除浮置复合指所在区域以外光刻胶胶膜之上的二氧化硅膜和氮化硅膜；

（5）上述结构表面重新涂覆光刻胶，光刻去除待制金属指和金属连接指部分所在区域的光刻胶胶膜；

（6）nf3/cl2等离子刻蚀去除待制金属指和金属连接指部分所在区域的氮化硅膜，止于二氧化硅膜；

（7）去胶并在上述结构表面重新涂覆光刻胶，光刻形成与步骤⑸相同结构的光刻胶胶膜；

（8）磁控溅射，在上述结构表面覆盖薄金膜；

（9）去胶，连同去除金属指和金属连接指所在位置以外光刻胶胶膜之上的金膜，得到电镀金种子层；

（10）在上述结构表面重新涂覆光刻胶，光刻去除金属指和金属连接指所在区域处的光刻胶胶膜，并使电镀金种子层裸露；

（11）电镀厚金膜，使其顶面与氮化硅膜顶面平齐；

（12）去胶，得到金属指和金属连接指；

（13）在上述结构表面重新涂覆光刻胶，光刻去除介质延长指所在区域以外的光刻胶胶膜；

（14）nf3/cl2等离子刻蚀去除介质延长指所在区域以外的氮化硅膜，得到介质延长指；

（15）去胶，bhf湿法腐蚀去除全部二氧化硅膜，释放包括金属指、介质延长指和金属连接指的复合指条，最终得到浮置复合叉指结构。