[发明专利]一种柔性薄膜体声波谐振器及其制备方法

说明书

本发明涉及射频微机电系统技术领域，提出一种柔性薄膜体声波谐振器，包括由下至上依次设置的衬底、下电极、压电层和上电极，其中上电极和下电极的材质为石墨烯、碳纳米管或聚3,4‑乙烯二氧噻吩，压电层的材质为ZnO纳米棒和P(VDF‑TrFE)组成的复合材料，或氮化铝和P(VDF‑TrFE)组成的复合材料。本发明还提出一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法：固定衬底，在衬底上通过还原氧化石墨制备下电极；在下电极上利用水热法制备ZnO纳米棒；在ZnO纳米棒上旋涂P(VDF‑TrFE)，并真空退火处理；在ZnO/P(VDF‑TrFE)上通过还原氧化石墨制备上电极并进行极化；在上电极上沉积固化聚二甲基硅氧烷溶液制备保护层。本发明具有高柔性、高品质因素、高谐振频率的特点，可应用于射频电路中的滤波器及触觉检测领域。

技术领域

本发明涉及射频微机电系统技术领域，更具体地，涉及一种柔性薄膜体声波谐振器，以及一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法。

背景技术

薄膜体声波谐振器(FBAR)利用逆压电效应进行工作，当电信号激励频率与其固有频率相等时，压电层发生共振，激发高频共振弹性波。传统的体声波谐振器，如石英晶体微天平(QCM)，被广泛用于重量分析。QCM的压电材料为AT切割的石英晶体，而FBAR的压电材料为氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)薄膜。与QCM相比，FBAR具有尺寸小、频率高、灵敏度高以及与微机电系统(MEMS)工艺兼容等优点。因为FBAR作为传感器的巨大潜力，近年来在生化检测等领域成为了研究热点。

FBAR的典型结构包括隔膜型、固态装配型(SMR)和空气隙型。其中隔膜型FBAR和空气隙型FBAR的下电极底部均为空腔，结构强度较低，器件在接触力作用下容易损坏；而固态装配型FBAR内部没有悬空结构，故更适合触觉检测的要求。此外，固态装配型FBAR的典型结构包括硅衬底，AlN或ZnO压电层，以及由低声阻层(SiO₂、Al₂O₃、ZnO)和高声阻层(W、Mo、AlN)交替堆积而成的布拉格声镜，因此由这些氧化物和压电陶瓷构等常规材料体系构建的固态装配性FBAR不具备柔韧性，不能应用于射频电路中的滤波器及触觉检测领域。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的传统薄膜体声波谐振器不具备柔韧性等至少一种缺陷，提供一种高柔性、高品质因素、高谐振频率的柔性薄膜体声波谐振器，以及一种柔性薄膜体声波谐振器的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种柔性薄膜体声波谐振器，包括由下至上依次设置的衬底、下电极、压电层和上电极，其中上电极和下电极的材质为石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT，压电层的材质为聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)与ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料。

本技术方案中，采用聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)与ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料作为压电层，其中ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN材料能够在保持聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)薄膜柔韧性的同时，提高其压电系数、介电常数以及温度稳定性，ZZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN材料的高弹性模量也有助于聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)薄膜谐振频率的提高。此外，上下电极采用的石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT材料具有优异的导电性和柔韧性，且具有高声阻的特性。上下电极的高声阻材料与压电层的低声阻材料搭配，所形成的高声阻差的上下声反射界面能够将大部分声波限制在压电层内，从而降低声漏，提高薄膜体声波谐振器的品质因素(Q值)。