CN105428518B - 基于局域共振体的声子晶体结构及其制作方法 - Google Patents

基于局域共振体的声子晶体结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于局域共振体的声子晶体结构及其制作方法，所述声子晶体结构包括设有凹槽的基底，所述凹槽的内壁沉积有绝缘层；与所述基底键合形成空腔的固体基板、形成于所述固体基板两端的压电薄膜、形成于所述压电薄膜上的叉指电极结构以及形成位于空腔上方的固体基板上的声子晶体结构。所述制作的方法特征为固体基板悬空在空腔上方，局域共振声子晶体通过在固体基板上方沉积固体结构层，并对所述固体结构层进行图形化形成共振结构来构成。由于局域共振声子晶体结构悬空在衬底上方，因此消除了器件工作过程中，声学波通过衬底的损耗，从而提高了器件的性能。

Description

基于局域共振体的声子晶体结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及微机电***、微声学和微机械加工领域，特别是涉及一种基于局域共振原理的声子晶体的声学波控制结构及其制作方法。
背景技术
目前，声子晶体已经被应用到很多领域，用于结构的隔震，降噪，以及声学波的控制传输，以提高各类器件的性能以及寿命。通常，因为作用机理的不同，声子晶体可以分为两种类型：布拉格散射型，局域共振型。其中布拉格散射型通过结构的散射，衍射叠加来构成声子晶体所具有的声学波禁带；而局域共振型则通过其单个结构与声学波的相互作用，产生共振来构成声学波禁带。
近年来，随着微米纳米加工技术的提高以及成熟，声子晶体开始应用到MEMS(微机电***)结构中，其工作频段也开始拓展到MHz乃至GHz。利用该频段的声子晶体，其可以用于构成各类信号处理器件，声表波控制器件，谐振器器件。但，现时的应用于MEMS中的声子晶体都为布拉格散射类型，基本没有局域共振类型，而局域共振类型的声子晶体通常会具有更好的性能。
基于此，本发明提供一种基于局域共振体的声子晶体结构及其制作方法以解决上述技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于局域共振体的声子晶体结构及其制作方法，以将其用于MEMS器件中，用于解决现有声学器件中声学场无法进行控制方法匮乏、声学波畸变、及利用效率低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于局域共振体的声子晶体结构制作方法，该制作方法至少包括如下步骤：
提供一正面设有凹槽的基底；
沉积绝缘材料，形成覆盖所述基底以及凹槽内壁的绝缘层；
在上述结构上键合固体基板，使得所述固体基板与所述凹槽之间形成空腔；
形成压电薄膜层，覆盖所述固体基板，图形化所述压电薄膜层形成位于固体基板两端的压电元件；
形成金属层，覆盖所述固体基板和所述压电元件，图形化所述金属层形成位于所述压电元件上用于实现声学波激励及检测装置的叉指电极结构；
沉积结构层，覆盖所述固体基板和所述叉指电极结构；
刻蚀所述结构层，形成位于空腔上方的固体基板上的声子晶体结构。
优选的，所述图形化所述压电薄膜层形成位于固体基板两端的压电元件具体是指旋涂光刻胶、曝光、显影，最后通过刻蚀形成压电元件。
优选的，所述位于固体基板上的声子晶体结构为周期性排列，其按照晶格分布在所述固体基板上。
优选的，局域共振声子晶体结构的振动频率与声子晶体结构的高度成反比。
优选的，设有凹槽的基底材料为硅。
优选的，在图形化所述压电薄膜层形成压电元件包括形成声学波激励装置的压电元件的同时形成声学波检测装置的压电元件的步骤；在图形化所述金属层形成声学波激励装置的叉指电极结构的同时也形成声学波检测装置的叉指电极结构的步骤。
本发明还提供一种基于局域共振体的声子晶体结构，该声子晶体结构包括设有凹槽的基底，所述凹槽的内壁沉积有绝缘层；与所述基底键合形成空腔的固体基板、形成于所述固体基板两端的压电薄膜、形成于所述压电薄膜上的叉指电极结构以及形成位于空腔上方的固体基板上的声子晶体结构。
优选的，所述凹槽横截面为倒梯形。
优选的，所述压电薄膜和形成于所述压电薄膜上的叉指电极结构构成的声学波激励装置和声学波检测装置分别位于所述声子晶体结构的两侧。
本发明的基于局域共振体的声子晶体结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明通过局域共振结构来构成声子晶体，能够有效控制声学波的传输和分布；采用该声子晶体结构的MEMS器件，可以大大提高其声学波的控制效率，同时增加了声学波控制方式的多样性；本发明的制作方法中，局域共振结构位于衬底的空腔上方，可以有效减少声学波能量通过衬底的损耗，可以进一步提高器件的性能。
附图说明
图1显示为带有空腔结构的衬底基底的示意图。
图2显示为在衬底基底上沉积一层掩膜层的示意图。
图3显示为在掩膜层通过键合将固体基板与基底装配到一起的示意图；
图4显示为固体基板上沉积并进行图形化压电薄膜层的示意图；
图5显示为压电薄膜上沉积并进行图形化金属电极层的示意图；
图6显示为在整个结构上沉积并平坦化局域共振声子晶体结构层的示意图；
图7显示为通过对声子晶体结构层的刻蚀，图形化为最终的声子晶体结构，并完成整个局域共振声子晶体器件的制作。
元件标号说明
11 基底
12 绝缘层
13 固体基板
14 空腔
15 压电元件
16 叉指电极结构
17 结构层
18 声子晶体结构
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图7所示，本发明涉及一种基于局域共振体的声子晶体器件，用于对弹性波进行激发，控制以及检测。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图7所示，该基于局域共振体的声子晶体结构至少包括：该声子晶体结构包括设有凹槽的基底11，所述凹槽的内壁沉积有绝缘层12；与所述基底键合形成空腔14的固体基板13、形成于所述固体基板两端的压电元件15、形成于所述压电元件上的叉指电极结构16以及形成位于空腔14上方的固体基板上的声子晶体结构18。
通过设置局域共振结构18的形态和分布，可以控制声学波在固体基板13上的的传输和分布；通过设置局域共振结构18的高度，可以控制不同频段的声学波在固体基板13上的的传输和分布。所述声子晶体结构悬空在衬底的空腔上方。构成声子晶体的所述局域共振体按照晶格分布在所述固体基板上。所述声子晶体的工作频率主要由共振体振动频率特性来决定。所述共振体的频率其振动频率可以通过调整其高度来进行调节。
其中，改变局域共振结构18的形态和分布形可以构成缺陷结构，缺陷结构包括点缺陷、线缺陷、面缺陷中的一种或几种。点缺陷的产生是通过改变一个局域共振结构18的形态或者使一个局域共振结构18缺失分布来形成的。而线缺陷是指在周期排列的局域共振结构18中的某一条晶格连线上，通过连续地改变局域共振结构18的形态或者使局域共振结构18缺失分布而形成的缺陷；此外，面缺陷的产生是通过改变一个平面的局域共振结构18的形态或者使一个平面的局域共振结构18缺失分布来形成的。存在局域共振结构18缺陷的声子晶体可以用于对声学波进行不同的操控，如可控传输，囚禁，等等。
具体的，本发明实施例涉及一种基于局域共振体的声子晶体器件的制作方法，至少包括如下步骤：
步骤S1，提供一基底11，基底11具有凹槽，其材质采用硅，如图1所示。
步骤S2，形成绝缘层12，覆盖基底11以及凹槽的侧壁和底部；层12的材质为绝缘材质，如图2所示。
步骤S3，在基底11和绝缘层12上键合固体基板13，固体基板12与凹槽之间形成空腔14，该固体基板的材料可以为硅。如图3所示。
步骤S4，形成压电薄膜层，覆盖固体基板13，图形化压电薄膜层形成声学波激励装置的压电元件15，如图4所示。图形化压电薄膜层的步骤包括：旋涂光刻胶、曝光、显影，最后通过刻蚀形成压电元件15。
步骤S5，形成金属层，覆盖固体基板13和压电元件15，图形化金属层形成压电元件15上的叉指电极结构16，如图5所示。图形化金属层的步骤包括：旋涂光刻胶、曝光、显影，最后通过刻蚀形成叉指电极结构16。
步骤S6，沉积结构层17，结构层覆盖固体基板13，压电元件15和叉指电极结构16，平坦化结构层，该结构层的材料可为硅，铜，钨等集成电路加工工艺兼容材料。如图6所示。
步骤S7，刻蚀结构层17，定义出局域共振结构18，其中，至少在位于空腔14上方处定义有局域共振结构18的位置，如图7所示。由于空腔14的存在，在结构制作的同时也完成了对器件悬空部分的释放。
局域共振声子晶体器件的制作方法还包括：在图形化压电薄膜层形成压电元件15，图形化金属薄膜层形成叉指电极结构16后的同时，形成声学波激发及控制装置，如图5；且声学波激励装置和声学波检测装置分别位于局域共振声子晶体结构的两侧，如图7所示。
综上，本发明的基于局域共振体的声子晶体结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明通过局域共振结构来构成声子晶体，能够有效控制声学波的传输和分布；采用该声子晶体结构的器件，可以大大提高其声学波的控制效率，同时增加了声学波控制方式的多样性；本发明的制作方法中，局域共振结构位于衬底的空腔上方，可以有效减少声学波能量通过衬底的损耗，可以进一步提高器件的性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于局域共振体的声子晶体结构制作方法，其特征在于，该制作方法至少包括如下步骤：
提供一正面设有横截面为倒梯形的凹槽的基底；
沉积绝缘材料，形成覆盖所述基底以及凹槽内壁的绝缘层；
在上述结构上键合固体基板，使得所述固体基板与所述凹槽之间形成空腔；
形成压电薄膜层，覆盖所述固体基板，图形化所述压电薄膜层形成位于固体基板两端的压电元件；
形成金属层，覆盖所述固体基板和所述压电元件，图形化所述金属层形成位于所述压电元件上用于实现声学波激励及检测装置的叉指电极结构；
沉积结构层，覆盖所述固体基板和所述叉指电极结构；
刻蚀所述结构层，定义出局域共振结构，形成位于空腔上方的固体基板上的局域共振型声子晶体结构。
2.根据权利要求1所述的基于局域共振体的声子晶体结构制作方法，其特征在于，所述图形化所述压电薄膜层形成位于固体基板两端的压电元件具体是指旋涂光刻胶、曝光、显影，最后通过刻蚀形成压电元件。
3.根据权利要求1所述的基于局域共振体的声子晶体结构制作方法，其特征在于，所述位于固体基板上的声子晶体结构为周期性排列，其按照晶格分布在所述固体基板上。
4.根据权利要求1所述的基于局域共振体的声子晶体结构制作方法，其特征在于，局域共振声子晶体结构的振动频率与声子晶体结构的高度成反比。
5.根据权利要求1所述的基于局域共振体的声子晶体结构制作方法，其特征在于，设有凹槽的基底材料为硅。
6.根据权利要求1所述的基于局域共振体的声子晶体结构制作方法，其特征在于，在图形化所述压电薄膜层形成压电元件包括形成声学波激励装置的压电元件的同时形成声学波检测装置的压电元件的步骤；在图形化所述金属层形成声学波激励装置的叉指电极结构的同时也形成声学波检测装置的叉指电极结构的步骤。
7.一种基于局域共振体的声子晶体结构，其特征在于：该声子晶体结构包括设有横截面为倒梯形的凹槽的基底，所述凹槽的内壁沉积有绝缘层；与所述基底键合形成空腔的固体基板、形成于所述固体基板两端的压电薄膜、形成于所述压电薄膜上的叉指电极结构以及形成位于空腔上方的固体基板上的局域共振型声子晶体结构；所述声子晶体结构由局域共振结构定义。
8.根据权利要求7所述的基于局域共振体的声子晶体结构，其特征在于：所述压电薄膜和形成于所述压电薄膜上的叉指电极结构构成的声学波激励装置和声学波检测装置分别位于所述声子晶体结构的两侧。
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