一种双面叉指换能器的兰姆波器件及其制备方法与流程

本发明属于兰姆波器件技术领域，尤其涉及一种双面叉指换能器的兰姆波器件及其制备方法。

背景技术：

兰姆波是一种在上下底面为自由边界条件的薄板结构中，由于sv波和纵波在自由界面上的耦合而成。

现在兰姆波已广泛应用于板状材料的无损检测和微传感技术领域中。特别是近年发展起来的兰姆波微传感、驱动技术。边界上物理、化学、生物等条件的变化会引起兰姆波传播扰动，兰姆波传感器因其灵敏度高，体积小以及可以工作在液相中等优点，在物理、化学、环境检测等实时监测方面具有潜在的应用价值。另一方面，通过在微流体芯片表面激励兰姆波，并将其能量耦合到液体里面去，可以起到驱动作用，在微流控芯片领域具有很大的应用前景。

兰姆波叉指换能器通过输入叉指换能器施加正交周期变化的电信号，通过逆压效应将会引起压电基片产生周期性的形变，周期性的形变产生振动，从而可以激励出来兰姆波沿基片表面传播。

传统的兰姆波器件只是通过基片的一个表面制备叉指换能器，该技术实际上是源自于，发明沉积在石英晶体上的叉指换能器有效地激励声表面波，结合半导体器件的光刻技术可以大批量生产声表面波器件。不同于兰姆波，声表面波只是厚基片的一个表面波传播，随着深度方向迅速衰减，因此单面的叉指换能器完美适合声表面波的激发。但是相比之下，兰姆波在上下两个表面呈现对称或者反对称的振动位移的分布，因此可以预见通过在上下表面同时合适的布置叉指换能器将有效地提高兰姆波的激励效率。

目前绝大部分的兰姆波器件都是设计在高频段的射频滤波器，如申请号cn201310130405.2，公开号cn103532513a提供的兰姆波器件及其制造方法，如说明书附图1所示，兰姆波器件具有压电基板1和设置在压电基板1上的叉指换能器2，这需要叉指换能器的电极指202宽度非常细，通常小于10微米，通过在边界的反射形成驻波从而产生谐振，导致制造工艺极为复杂。又如申请号cn200880112609.0，公开号cn101953072a提供一种兰姆波谐振器，公开了在压电片上下面布置电极的方式，但是不同于叉指换能器采用对交替指条施加正弦电压的方式，该方案的每一个面上的电极都是通过一个汇流条连在一起，通过在上下面加上交替的正弦电压来激励声波，该方案不属于通过相邻指条施加正弦电压的叉指结构，该方案的方便激发高频模式，但是对于基频模式的激发效率相对有限。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种双面叉指换能器的兰姆波器件及其制备方法，是通过以下技术方案实现的。

一种双面叉指换能器的兰姆波器件，包括压电基底以及设置于所述压电基底正反两面的叉指换能器；

所述叉指换能器包括设置于所述压电基底一侧的激发叉指换能器和设置于所述压电基底另一侧的接收叉指换能器，所述激发叉指换能器和所述接收叉指换能器均包括一对梳形电极，所述梳形电极包括若干电极指，所述一对梳形电极的电极指相向间隔交叉排列，并且所述激发叉指换能器同一面上相邻所述电极指的电极正负交替设置；

所述激发叉指换能器输入交流电信号，经所述压电基底的逆压电效应激发兰姆波并传播出去，且最终传播至所述接收叉指换能器区域时，经所述压电基底的压电效应，所述接收叉指换能器将所述兰姆波转换成交流电信号输出。

进一步的，所述压电基底的正面两侧分别设置激发叉指换能器和接收叉指换能器，所述压电基底的反面在其正面所述激发叉指换能器和所述接收叉指换能器的位置，分别对应设置第二组所述激发叉指换能器和所述所述接收叉指换能器。

进一步的，所述压电基底的正面两侧分别设置激发叉指换能器和接收叉指换能器，所述压电基底的反面在正面所述激发叉指换能器的位置，对应设置第二组所述激发叉指换能器；或者所述压电基底的反面在正面所述接收叉指换能器的位置，对应设置第二组所述接收叉指换能器。

进一步的，所述压电基底的正面一侧设置所述激发叉指换能器，述压电基底的反面在所述激发叉指换能器相对的一侧设置所述接收叉指换能器。

进一步的，所述压电基底正反两面同一侧的两组所述激发叉指换能器或两组所述接收叉指换能器相对应电极指的电极相同或相反。

进一步的，述压电基底为压电单晶或者压电薄膜。

一种双面叉指换能器的兰姆波器件的制备方法，包括以下步骤：

压电基底上表面通过平面光刻工艺，剥离方式制作金属电极形成叉指换能器；

所述压电基底下表面由可进行双面对准光刻机通过平面光刻工艺，剥离方式制作金属电极形成叉指换能器。

一种双面叉指换能器的兰姆波器件的制备方法，包括以下步骤：

压电基底上表面通过平面光刻工艺，剥离方式制作金属电极形成叉指换能器；

将所述压电基底反过来旋涂光刻胶；

利用所述压电基底上表面制作的叉指换能器为掩模，对其下表面的光刻机进行曝光；

通过显影剥离方式在所述压电基底下表面形成叉指换能器。

本发明的有益效果：在压电基底的正反两面设置叉指换能器，一方面在声学物理原理上，更加提高了上下底面的对称性，更好匹配兰姆波传播条件；另一方面，根据计算可以获得更大的机电耦合系数，提高声波转换效率；进一步的，电基底正反两面同一侧的两组激发叉指换能器或两组接收叉指换能器相对应电极指的电极相同或相反，使得产生的兰姆波对称或者反对称，从而满足不同的应用；同时，还可以为兰姆波微传感器，微驱动芯片提供了更多灵活步骤敏感膜和微流通道的空间。

附图说明

图1为背景技术中兰姆波器件的结构示意图；

图2为背景技术中兰姆波器件的侧视图；

图3为本发明兰姆波器件的侧视图；

图4为四种不同双面叉指换能器布置方式的示意图；

图5为双面叉指换能器对称模式的电学连接方式示意图；

图6为双面叉指换能器反对称模式的电学连接方式示意图；

图7为一实施例中双面叉指换能器制备方法的流程示意图；

图8为另一实施例中双面叉指换能器制备方法的流程示意图；

图中：1、压电基底，2、激发叉指换能器，3、接收叉指换能器，4、电极指。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，所述的实施例仅为本发明一部分的实施例，这些实施例仅用于解释本发明，对本发明的范围并不构成任何限制。

一种双面叉指换能器的兰姆波器件，包括压电基底1以及对称设置于压电基底正反两面的叉指换能器；叉指换能器包括设置于压电基底1一侧的激发叉指换能器2和设置于压电基底1另一侧的接收叉指换能器3；其中激发叉指换能器2输入交流电信号，经压电基底1的逆压电效应激发兰姆波并传播出去，且最终传播至接收叉指换能器3区域时，经压电基底1的压电效应，接收叉指换能器3将兰姆波转换成交流电信号输出。

相比现有技术中的兰姆波器件，如说明书附图2所示，只在压电基底1的正面两侧设置激发叉指换能器2和接收叉指换能器3，而本改进的兰姆波器件，如说明书附图3所示，在压电基底1的正面和反面的两侧均设置激发叉指换能器2和接收叉指换能器3。

而在压电基底1的正面和反面的两侧均设置激发叉指换能器3和接收叉指换能器4的方式有多种，如说明书附图4中给出的a、b、c、d四种，图中的a是在压电基底1的正面和反面对应设置激发叉指换能器2和接收叉指换能器3，并且激发叉指换能器2和接收叉指换能器3分布在压电基底1的两侧；图中的b是在压电基底1的正面一侧设置激发叉指换能器2，压电基底1的反面在其另一侧设置接收叉指换能器3；图中的c是在压电基底1的正面两侧设置激发叉指换能器2和接收叉指换能器3，压电基底1的反面只在对应接收叉指换能器3的位置设置接收叉指换能器3；图中的d是在压电基底1的正面两侧设置激发叉指换能器2和接收叉指换能器3，压电基底1的反面只在对应激发叉指换能器2的位置设置激发叉指换能器2。

由于兰姆波是一种频散波，其传播速度不但与薄板的厚度有关，而且还存在多种不同的对称模式与反对称模式，本申请中的兰姆波器件既可以应用于对称模式又可以应用于反对称模式。具体的，以说明书附图4中给出的a、c、d三种结构为例，当电基底正反两面同一侧的两组激发叉指换能器或两组接收叉指换能器相对应电极指的电极相同时，为对称模式，如说明书附图5所示；当电基底正反两面同一侧的两组激发叉指换能器或两组接收叉指换能器相对应电极指的电极相反时，为反对称模式，如说明书附图6所示。

在一实施例中，激发叉指换能器2和接收叉指换能器3均包括一对梳形电极，梳形电极包括若干电极指4，并且所述一对梳形电极的电极指4相向间隔交叉排列。叉指换能器的材质为al、pt、ti、au、mo或者w，其中电极指4的宽度为1μm～200μm，长度为40μm～50μm，厚度为80nm～1μm；压电基底1的厚度为0.5μm～500μm，压电基底1为压电单晶或者压电薄膜，所述压电单晶的材质为铌酸锂，钽酸锂、石英中的一种或者多种，所述压电薄膜的材质为zno、aln、pzt中的一种或者多种。

在其他实施例中，叉指换能器和压电基底1的材质和尺寸，均可以根据需要设置，本实施例并不对此进行限制和固定。

由于在压电基底1的正反两面设置叉指换能器，提高了压电基底1上下两面的对称性，更好匹配兰姆波传播条件，如说明书附图6所示的单层与双层叉指换能器兰姆波器件的激发位移对比，效果很明显。在使用时，还可以根据计算可以获得更大的机电耦合系数，提高声波转换效率，进而为兰姆波微传感器，微驱动芯片提供了更多灵活步骤敏感膜和微流通道的空间。

下面提供一种制备上述双面叉指换能器兰姆波器件的方法，如说明书附图7所示，具体包括以下步骤：

s101、压电基底上表面通过平面光刻工艺，剥离方式制作金属电极形成叉指换能器；

s102、所述压电基底下表面由可进行双面对准光刻机通过平面光刻工艺，剥离方式制作金属电极形成叉指换能器。

进一步的，提供另一种制备上述双面叉指换能器兰姆波器件的方法，如说明书附图8所示，具体包括以下步骤：

s201、压电基底上表面通过平面光刻工艺，剥离方式制作金属电极形成叉指换能器；

s202、将所述压电基底反过来旋涂光刻胶；

s203、利用所述压电基底上表面制作的叉指换能器为掩模，对其下表面的光刻机进行曝光；

s204、通过显影剥离方式在所述压电基底下表面形成叉指换能器。

在上述第一种制备上述双面叉指换能器兰姆波器件的方法适用于叉指换能器的电极指宽度较小的情况，如小于40微米，第二种制备上述双面叉指换能器兰姆波器件的方法适用于叉指换能器的电极指宽度较大的情况，如大于40微米，并且压电基底为透光材料。

可见双面叉指换能器兰姆波器件制备工艺相对简单，并且兰姆波传播性能更好，应用领域也更多。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。