[发明专利]一种混合集成的声表面波器件结构

说明书

技术领域：

本发明涉及一种混合集成的声表面波器件结构，特别适用于高频、高机电耦合系数、高集成度的声表面波器件。

背景技术：

声表面波(即 SAW：Surface Acoustic Wave)是沿着弹性固体表面或界面上传播的一种弹性波。1855 年，由英国物理学家瑞利(Rayleigh)在对地震波的研究中发现并从理论上阐明了在弹性固体内除了存在纵波和剪切波外，还存在一种波，这种弹性波沿半无限固体表面传播，这种波的能量集中于弹性体的浅表层内，且其振幅随着传入基片材料的深度的增加而迅速减少，这种波就是声表面波，也叫瑞利波。声表面波器件是利用声表面波来完成各种复杂信号处理的一类新型器件。

声表面波器件作为一种新型的电子器件，近年来引起了人们极大的关注，在科学研究领域有了较大的进展，在许多方面都有了成功的应用，尤其是在现代无线通讯领域的应用范围日趋广泛。声表面波器件的种类有很多，如：延迟线、滤波器、角速率传感器（陀螺仪）、温度传感器、气体传感器等等。

声表面波器件的主要特点是：设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择优良（可选频率范围在10MHz-3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰性能号（EMI）、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻，而且能够实现多种复杂的功能。声表面波器件的特征和优点，正适应了现代通信系统设备以及移动通信轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠性等方面的要求。

近年来，小型制导兵器、小型无人飞机等武器系统对传感器需要越来越多，要求也随之越来越高。并受到国防科研和装备部门高度重视，极大地推动了声表面波器件的发展。声表面波传感器可实现小型、高性能、低成本化。 

当前，国际国内正在开发的声表面波器件是以压电晶体为基底，在压电晶体上表面做了叉指换能器，这种声表面波器件为单层平面结构。这种声表面波器件需要一个额外的信号处理电路部分，通常采用的是常规PCB（Printed Circuit Board）电路，这不仅增大了声表面波器件的体积，并且也增大了声表面波器件的重量，这对于要求苛刻的武器装备，是一个急需解决的问题。

现有技术中，中国专利申请200510014977.X公开了一种适用于声表面波器件的‘‘LiNbO₃/ZnO/金刚石’’多层膜结构及其相应的制备方法。它包括金刚石膜（高刚性镀层）、LiNbO₃（压电薄膜）、ZnO（过渡层）和硅基底。该多层结构使用压电薄膜，一定程度上缩小了器件的体积，但它丧失了压电晶体优异的性能；并且该结构采用超高真空镀膜设备，制备工艺成本昂贵，成品率低；该结构在制备ZnO的过程中，采用了高温退火工艺，不能在其硅基底上做集成电路，从而不能实现高度集成。

发明内容：

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提供一种混合集成的声表面波器件结构。

本发明提供的一种混合集成的声表面波器件结构，是用压电晶体作为薄压电层，薄压电层的厚度为10-80 um，在压电晶体上表面设置叉指换能器，叉指换能器简称IDT；然后在IDT上设置类金刚石薄膜表层，类金刚石薄膜厚度为1-10um；在厚硅的一个表面上设置集成电路层；最后通过低温键合技术将压电晶体的下表面与厚硅上表面进行键合。

与现有技术相比，本发明具有以下的优势：

1、由于压电晶体的一些优良特性是压电薄膜所不能取代的，本发明仍然保留使用压电晶体作为声表面波器件的压电层，但该压电晶体在厚度上有了很大的改善。由于声表面波是沿压电晶体表面传播，主要能量集中在压电晶体的表面，而通常声表面波器件中使用的压电晶体的厚度为500um，压电晶体的有效利用厚度为1-2λ，这样就造成压电晶体的很大一部分的浪费。本发明通过键合减薄技术使压电晶体的厚度有了很大的改善，这不仅能够降低器件的体积同时也降低了器件的重量。

2、充分的利用了硅的优异性以及本发明所述结构的特殊性，将器件的输出信号检测处理电路制作在硅片上。现有技术中，由于器件结构的限制，SAW器件的信号检测处理电路采用的是常规PCB电路，它占据了整个器件的大部分体积及重量，而本发明中利用了硅集成电路，从而使器件的整个体积缩小至原来的80%左右，重量也随之减少。

3、用类金刚石薄膜作为高刚性镀层，不仅对器件起到保护的作用，并利用声波在类金刚石薄膜中有较高的传播速度特性，从而在叉指换能器指宽相同的条件下，器件的工作频率可以达到一个更高的指标。这样可以满足高频器件的需求。