基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器及其制备方法

本发明涉及射频声学器件领域，尤其涉及一种基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器及其制备方法。

背景技术：

1、声学谐振器能够对无线信号进行滤波处理，被广泛应用于移动通信设备的射频前端模块并发挥着不可替代的作用。近年来，随着全球数据通信流量的爆炸增长，具有更高传输速率和数据承载能力的5g/6g通信技术得到快速发展。为了满足更高工作频率和更大带宽的通信技术需求，如何实现更高频和更高机电耦合系数的声学谐振器成为急需解决的问题。

2、目前广泛应用的声学谐振器主要分为声表面波器件和声体波器件。声表面波器件主要由压电基片和叉指电极构成，通过减小叉指电极周期可以提高器件工作频率，然而受限于叉指电极的光刻精度，声表面波器件向高频发展存在困难。声体波器件由压电薄膜和上下电极构成，相比于声表面波器件，可以通过减小压电薄膜厚度实现更高的工作频率，但是也存在着机电耦合系数低，工艺复杂，散热困难等问题。

3、声学超晶格是一种通过人工调控压电系数分布实现的微结构材料，利用其制作的声学谐振器工作频率与压电系数的分布周期成反比，因此能够降低对电极精度的工艺要求，避免小宽度电极造成的欧姆损耗。近年来，随着制备工艺的提升，声学超晶格具有实现高频声学谐振器的潜力，然而传统体块声学超晶格器件对声波能量局域较弱，仍受限于较低的工作频率和机电耦合系数。

技术实现思路

1、发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种工作频率和机电耦合系数更高的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器及其制备方法。

2、技术方案：第一方面，本发明提供了一种基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器，包括由上而下依次叠加的上表面电极、压电薄膜声学超晶格、下表面电极、二氧化硅层和衬底，所述压电薄膜超晶格包括水平方向上周期性交替排列的正压电系数区域和负压电系数区域。

3、进一步的，所述压电薄膜超晶格可以为铌酸锂薄膜。所述上表面电极为单层或多层金属。所述下表面电极为单层或多层金属。所述衬底为铌酸锂支撑衬底或声速高于铌酸锂声速材料衬底。

4、第二方面，本发明还提供了一种基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器的制备方法，包括如下步骤：

5、步骤s1、通过仿真获取高频声学超晶格谐振器的模型参数，所述模型参数包括上表面电极材料c1及厚度h1，下表面电极材料c2及厚度h2，压电薄膜材料c3、切向φ及厚度h，压电系数分布周期λ；

6、步骤s2、获取压电薄膜基片，所述压电薄膜基片包括由上而下依次叠加的压电薄膜、下表面电极、二氧化硅层和衬底，所述压电薄膜材料为c3切向为φ厚度为h，所述下表面电极材料为c2厚度为h2；

7、步骤s3、采用探针极化方法将压电薄膜部分区域的铁电畴极化反转，从而改变区域的压电系数正负号，形成包括水平方向上以周期λ交替排列的正压电系数区域和负压电系数区域的压电薄膜声学超晶格；

8、步骤s4、在压电薄膜声学超晶格上表面镀材料为c1厚度为h1的上表面电极，得到基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器。

9、进一步的，步骤s1具体包括：

10、步骤s11、在仿真软件中建立高频声学超晶格谐振器的几何模型，并设置模型参数；

11、步骤s12、在所述几何模型的左右前后设置周期边界条件，并进行网格划分；

12、步骤s13、基于网格划分后的几何模型进行频域计算，根据频域计算结果绘制导纳曲线，并计算机电耦合系数和谐振频率；

13、步骤s14、判断机电耦合系数是否大于预设阈值，谐振频率是否达到预设范围；若是，则输出此时的高频声学超晶格谐振器的模型参数；若否，则调整模型参数，并返回执行步骤s11。

14、进一步的，所述调整模型参数具体为：在机电耦合系数未达到预设阈值时调节上、下表面电极的材料及厚度和/或压电薄膜的切向φ及厚度h，在谐振频率未达到预设范围时调节压电系数分布周期λ。

15、进一步的，步骤s3具体包括：

16、步骤s31、将压电薄膜基片放置于三维纳米位移台的样品台上，将压电薄膜的铁电极轴平行于样品台表面并且垂直于探针悬臂梁放置，将压电薄膜基片的下表面电极接地；

17、步骤s32、通过探针向压电薄膜施加预设直流电压，其中，所述预设直流电压使得探针针尖产生的电场强度高于压电薄膜材料矫顽电场，从而实现铁电畴极化反转，改变相应区域的压电系数正负号；

18、步骤s33、按照预设移动路径移动探针，其中，所述移动路径使得压电薄膜上形成水平方向上以周期λ交替排列的正压电系数区域和负压电系数区域，从而得到压电薄膜声学超晶格。

19、进一步的，所述压电薄膜基片的下表面电极通过银胶与导电托盘连接接地。

20、本发明与现有技术相比，其有益效果是：

21、1、相比于缩小叉指电极周期提高声学谐振器工作频率的方法，本发明高频声学超晶格谐振器只需要缩小压电系数分布周期，无需高精度的电极图案，能够避免电极宽度过小导致的欧姆损耗，提高功率耐受。

22、2、相比于传统体块声学超晶格谐振器，本发明采用探针极化制备的压电薄膜超晶格具有更小的压电系数分布周期，因此能够实现更高的声学谐振器工作频率，同时提高对声波能量的局域能力，减少声学泄露损耗。

23、3、本发明的基于压电薄膜的声学超晶格谐振器的工作频率可以达到5g/6g通信技术的主要通信频段6ghz，同时具有较高的机电耦合系数，具有实现大带宽滤波器的潜力。此外，本发明的基于压电薄膜的声学超晶格谐振器具有结构稳定，制作简单的优点。

技术特征：

1.一种基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器，其特征在于：包括由上而下依次叠加的上表面电极、压电薄膜声学超晶格、下表面电极、二氧化硅层和衬底，所述压电薄膜超晶格包括水平方向上周期性交替排列的正压电系数区域和负压电系数区域。

2.根据权利要求1所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器，其特征在于：所述压电薄膜超晶格具体为铌酸锂薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器，其特征在于：所述上表面电极为单层或多层金属。

4.根据权利要求1所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器，其特征在于：所述下表面电极为单层或多层金属。

5.根据权利要求1所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器，其特征在于：所述衬底为铌酸锂支撑衬底或声速高于铌酸锂声速材料的支撑衬底。

6.一种权利要求1所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器的制备方法，其特征在于：步骤s1具体包括：

8.根据权利要求7所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器的制备方法，其特征在于：所述调整模型参数具体为：在机电耦合系数未达到预设阈值时调节上、下表面电极的材料及厚度和/或压电薄膜的切向φ及厚度h，在谐振频率未达到预设范围时调节压电系数分布周期λ。

9.根据权利要求6所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器的制备方法，其特征在于：步骤s3具体包括：

10.根据权利要求9所述的基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器的制备方法，其特征在于：所述压电薄膜基片的下表面电极通过银胶与导电托盘连接接地。

技术总结
本发明公开了一种基于压电薄膜的高频声学超晶格谐振器及其制备方法，该器件包括由上而下依次叠加的上表面电极、压电薄膜声学超晶格、下表面电极、二氧化硅层和衬底，所述压电薄膜超晶格包括水平方向上周期性交替排列的正压电系数区域和负压电系数区域，周期性交替排列的压电系数分布可通过探针极化方法制备，实现亚微米周期。本发明通过人工调制的亚微米周期压电微结构激发声波，无需高精度电极图案，结构简单，能够降低欧姆损耗，增强声波能量局域，实现高谐振频率和高机电耦合系数。

技术研发人员：张勇,毛丹健,陈鹏程,马嘉男
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29