一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微机电系统领域，涉及一种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方 法。
【背景技术】
[0002] 声子晶体是一种新型的复合人工声学材料，其周期性结构会对特定频段的声波造 成强烈散射并阻断其传播，形成声学禁带。在其周期性结构中引入缺陷会使频率在禁带内 的声波振动局域在缺陷处，实现高品质因数（Q)谐振。由于能极大减少支撑损耗及材料损 耗低、易加工、集成等优点，硅基平板声子晶体缺陷结构在高Q谐振器设计中得到了广泛关 注。无论在电路及传感器中，谐振器都要根据需要工作于特定的振动模式中。在振荡电路 中，谐振器需工作于单模式；在传感器中，需要提高模式响应来提高信噪比或组合多模式抵 消环境干扰。由于具有较低的边界损耗和较小的模式体积，声子晶体点缺陷适用于高分辨 率质量传感，但其频率易受温度波动影响，导致测量误差。在Lamb波传感器中已实现利用 A0和S0模式的温度系数差异的被动温度补偿。点缺陷模式间的温度系数差异很小，但由不 同模式间能量分布差异导致的质量灵敏度差异为温度补偿提供新途径，但补偿的实现以选 定模式的有效激励为前提。声子晶体缺陷结构通常采用压电换能的激励方式，但由于缺陷 模式多、频率间隔小且振型复杂，Lamb波传感器采用的控制频率和叉指电极（IDT)周期进 行模式选择的方法难以奏效。因此需要一种能够对缺陷模式进行自由选择的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种对声子晶体谐振器进行振动模式 选择的方法。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
[0005] -种对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，步骤包括：
[0006] 步骤一、在有限元软件中进行带有压电材料的模态分析，上下电极以短路边界条 件代替，得到目标模式的表面电荷分布；
[0007] 步骤二、分别统计表面正负电荷的积分，取绝对值较大者为电极布置区域；
[0008] 步骤三、将电极布置区域和引线转移至表面已溅射有压电材料的声子晶体结构中 并与外围电路连接固定。
[0009] 在上述技术方案中，步骤三中是通过光刻和剥离的方法将电极布置区域和引线转 移至表面已溅射有压电材料的声子晶体结构中。
[0010] 在上述技术方案中，所述步骤三具体包括以下步骤：
[0011] (1)、清洗硅片，将3in晶向为（100)的p型380μm厚硅片放入由浓硫酸和双氧水 按照体积比3 :1的比例混合的溶液中，在85°C的温度下浸泡15分钟，然后利用2次煮沸的 去离子水和3次未煮沸的去离子水交替进行清洗，最后在高压氮气流中吹干；
[0012] (2)、正面涂胶、曝光、显影先将硅片放在120°C的热板上烘5min，而后按转速/加 速度/时间：2000/1000/30的参数旋涂黏附剂，按3000/1000/30的参数旋涂光刻胶，之后 在热板上进行前烘，温度120°C，时间180s;然后，在光刻机上进行曝光，采用真空接触方 式，距离45μm，曝光时间35s;之后进行显影，显影时间lmin;
[0013] (3)、蒸铝；做铝掩膜，采用高真空镀膜机，铝质量为100mg，真空度le_5Pa，加热电 流150A，蒸发时间2min;
[0014] (4)、剥离；将蒸铝的硅片放入丙酮中，使光刻胶溶解，进而得到铝薄膜的多孔结 构，之后用去离子水清洗并用氮气吹干；
[0015](5)、正面ICP;进行ICP刻蚀，刻蚀深度为190μπι;
[0016](6)、溅射铝，将已有孔结构的一面溅射铝薄膜；
[0017](7)、涂胶保护，在正面旋涂光刻胶进行保护；
[0018] (8)、反面涂胶，曝光，显影；操作过程与第2步相同；
[0019] (9)、蒸铝，剥离，操作过程与第3,4步相同；
[0020](10)、反面ICP，操作过程与第5步相同；
[0021] (11)、清洗，操作过程与第1步相同；
[0022](12)、溅射Ti薄膜；利用直流磁控溅射设备，溅射50nm厚钼膜；
[0023](13)、溅射A1N薄膜；利用脉冲直流溅射设备，厚度为1. 5μm;
[0024](14)、制作A1上电极，操作过程与第2-4步相同；
[0025] (15)、腐蚀A1N;利用Κ0Η溶液腐蚀A1N边缘，露出下电极。
[0026] 在上述技术方案中，步骤三之后还包括步骤：利用模式间在不同位置处的质量灵 敏度差异进行质量传感器的被动式温度补偿。
[0027] 在上述技术方案中，所述有限元软件为comsol5. 0。
[0028] 本发明具有以下的有益效果：
[0029] 本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法，相比于传统的IDT激励， 能够减少谐振器的插入损耗且增强模式的响应，增加了模式选择的自由性。
[0030] 本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法适用范围较广，也可以用于 其他基于压电换能且具有复杂模式振型的谐振器结构和除温度补偿外不同的应用背景中。
【附图说明】
[0031] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0032] 图1(a)是由有限元计算得到的扭转模式表面的电荷分布示意图。白色部分为正 电荷，黑色部分为负电荷。
[0033] 图1(b)是根据图1(a)的电荷分布设计的电极示意图。
[0034] 图2是声子晶体谐振器的器件示意图，白色部分为铝电极。
[0035] 图3是模式选择的仿真和实验结果示意图。插图为分别激励伸展模式和扭转模式 的电极。
[0036] 图4是模式选择后的双端器件的传输谱示意图。插图分别为伸展模式振型、双模 式激励电极和弯曲模式振型。虚线所示为传感区域。
[0037] 图5是质量传感器的温度补偿实验结果示意图。插图为磁珠在传感区域内的分布 示意图。
【具体实施方式】
[0038] 本发明的发明思想为：
[0039] 对于采用时间平均化的电能向机械能转换的功率Pf衡量模式响应。幅值为EM的 电场施加于上下电极之间。只有与Γχ同相的应力分量TE才会对Pf有贡献，有：
[0040] TE=-eTEex
[0041] eT是压电材料的压电应力矩阵，上标T代表转置。压电薄膜内单位体积内转换功 率疒可写成：
[0042]
[0043] vf为电极覆盖区的速度分布，可由模态分析的速度分布νm估计νkvm，k为待定 常数。模态分析中上下电极接通，上标f和m分别表示频率响应分析和模态分析。由应变 矩阵Sm=l/(2iω) [ (Δvm) + (vm)T]和估计vf~kvm可得：
[0044]
[0045] ω是模式的角频率。将TE带入并写成缩写下标形式：
[0046]
[0047] 由压电本构关系
[0048]
[0049] D为电位移矢量，ε为介电常数矩阵，电极覆盖区域总的转换功率为：
[0050]
y- r /
[0051] 外加电场沿z轴方向，只有z轴分量非零，进一步有：
[0052]
[0053] 由短路边界条件，Djftz轴方向是均匀分布的，所以积分的前段为：
[0054]
[0055] h是薄膜的厚度，"top"表示积分在上表面，是设计变量，积分的后段在短路边界下 是〇,所以耗散功率的最终形式为：
[0056]
[0057] 由此可见，要使模式响应最高，就要使上述积分最大，所以应该将上电极布置于表 面电荷符号相同处。
[0058] 综上所述，本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法的步骤包括：
[0059] 步骤一、在有限元软件中进行带有压电材料的模态分析，上下电极以短路边界条 件代替，得到目标模式的表面电荷分布；
[0060] 步骤二、分别统计表面正负电荷的积分，取绝对值较大者为电极布置区域；
[0061] 步骤三、将电极布置区域、引线等通过光刻、剥离等工艺转移至表面已溅射有压电 材料的声子晶体结构中并与外围电路连接固定。
[0062] 下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0063] 本发明的对声子晶体谐振器进行振动模式选择的方法包括以下步骤：
[0064] 利用有限元软件c〇ms〇15. 0中建立带有点缺陷声子晶体超晶格结构：孔直径 340μπι，晶格周期380μπι，厚度为38L5μπι。材料为380μπι厚单晶硅和L5μπι厚氮化铝。 超晶格的对立边界设为Bloch周期性边界条件，氮化铝层的上下表面均设为接地边界条件 (grounded)。然后对该结构进行模态分析，可得到缺陷模