一種對聲子晶體諧振器進行振動模式選擇的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)領域，涉及一種對聲子晶體諧振器進行振動模式選擇的方 法。
【背景技術】
[0002] 聲子晶體是一種新型的復合人工聲學材料，其周期性結構會對特定頻段的聲波造 成強烈散射并阻斷其傳播，形成聲學禁帶。在其周期性結構中引入缺陷會使頻率在禁帶內 的聲波振動局域在缺陷處，實現(xiàn)高品質因數(shù)（Q)諧振。由于能極大減少支撐損耗及材料損 耗低、易加工、集成等優(yōu)點，硅基平板聲子晶體缺陷結構在高Q諧振器設計中得到了廣泛關 注。無論在電路及傳感器中，諧振器都要根據(jù)需要工作于特定的振動模式中。在振蕩電路 中，諧振器需工作于單模式；在傳感器中，需要提高模式響應來提高信噪比或組合多模式抵 消環(huán)境干擾。由于具有較低的邊界損耗和較小的模式體積，聲子晶體點缺陷適用于高分辨 率質量傳感，但其頻率易受溫度波動影響，導致測量誤差。在Lamb波傳感器中已實現(xiàn)利用 A0和S0模式的溫度系數(shù)差異的被動溫度補償。點缺陷模式間的溫度系數(shù)差異很小，但由不 同模式間能量分布差異導致的質量靈敏度差異為溫度補償提供新途徑，但補償?shù)膶崿F(xiàn)以選 定模式的有效激勵為前提。聲子晶體缺陷結構通常采用壓電換能的激勵方式，但由于缺陷 模式多、頻率間隔小且振型復雜，Lamb波傳感器采用的控制頻率和叉指電極（IDT)周期進 行模式選擇的方法難以奏效。因此需要一種能夠對缺陷模式進行自由選擇的方法。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術中的技術問題，提供一種對聲子晶體諧振器進行振動模式 選擇的方法。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體如下：
[0005] -種對聲子晶體諧振器進行振動模式選擇的方法，步驟包括：
[0006] 步驟一、在有限元軟件中進行帶有壓電材料的模態(tài)分析，上下電極以短路邊界條 件代替，得到目標模式的表面電荷分布；
[0007] 步驟二、分別統(tǒng)計表面正負電荷的積分，取絕對值較大者為電極布置區(qū)域；
[0008] 步驟三、將電極布置區(qū)域和引線轉移至表面已濺射有壓電材料的聲子晶體結構中 并與外圍電路連接固定。
[0009] 在上述技術方案中，步驟三中是通過光刻和剝離的方法將電極布置區(qū)域和引線轉 移至表面已濺射有壓電材料的聲子晶體結構中。
[0010] 在上述技術方案中，所述步驟三具體包括以下步驟：
[0011] (1)、清洗硅片，將3in晶向為（100)的p型380μm厚硅片放入由濃硫酸和雙氧水 按照體積比3 :1的比例混合的溶液中，在85°C的溫度下浸泡15分鐘，然后利用2次煮沸的 去離子水和3次未煮沸的去離子水交替進行清洗，最后在高壓氮氣流中吹干；
[0012] (2)、正面涂膠、曝光、顯影先將硅片放在120°C的熱板上烘5min，而后按轉速/加 速度/時間：2000/1000/30的參數(shù)旋涂黏附劑，按3000/1000/30的參數(shù)旋涂光刻膠，之后 在熱板上進行前烘，溫度120°C，時間180s;然后，在光刻機上進行曝光，采用真空接觸方 式，距離45μm，曝光時間35s;之后進行顯影，顯影時間lmin;
[0013] (3)、蒸鋁；做鋁掩膜，采用高真空鍍膜機，鋁質量為100mg，真空度le_5Pa，加熱電 流150A，蒸發(fā)時間2min;
[0014] (4)、剝離；將蒸鋁的硅片放入丙酮中，使光刻膠溶解，進而得到鋁薄膜的多孔結 構，之后用去離子水清洗并用氮氣吹干；
[0015](5)、正面ICP;進行ICP刻蝕，刻蝕深度為190μπι;
[0016](6)、濺射鋁，將已有孔結構的一面濺射鋁薄膜；
[0017](7)、涂膠保護，在正面旋涂光刻膠進行保護；
[0018] (8)、反面涂膠，曝光，顯影；操作過程與第2步相同；
[0019] (9)、蒸鋁，剝離，操作過程與第3,4步相同；
[0020](10)、反面ICP，操作過程與第5步相同；
[0021] (11)、清洗，操作過程與第1步相同；
[0022](12)、濺射Ti薄膜；利用直流磁控濺射設備，濺射50nm厚鉬膜；
[0023](13)、濺射A1N薄膜；利用脈沖直流濺射設備，厚度為1. 5μm;
[0024](14)、制作A1上電極，操作過程與第2-4步相同；
[0025] (15)、腐蝕A1N;利用Κ0Η溶液腐蝕A1N邊緣，露出下電極。
[0026] 在上述技術方案中，步驟三之后還包括步驟：利用模式間在不同位置處的質量靈 敏度差異進行質量傳感器的被動式溫度補償。
[0027] 在上述技術方案中，所述有限元軟件為comsol5. 0。
[0028] 本發(fā)明具有以下的有益效果：
[0029] 本發(fā)明的對聲子晶體諧振器進行振動模式選擇的方法，相比于傳統(tǒng)的IDT激勵， 能夠減少諧振器的插入損耗且增強模式的響應，增加了模式選擇的自由性。
[0030] 本發(fā)明的對聲子晶體諧振器進行振動模式選擇的方法適用范圍較廣，也可以用于 其他基于壓電換能且具有復雜模式振型的諧振器結構和除溫度補償外不同的應用背景中。
【附圖說明】
[0031] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0032] 圖1(a)是由有限元計算得到的扭轉模式表面的電荷分布示意圖。白色部分為正 電荷，黑色部分為負電荷。
[0033] 圖1(b)是根據(jù)圖1(a)的電荷分布設計的電極示意圖。
[0034] 圖2是聲子晶體諧振器的器件示意圖，白色部分為鋁電極。
[0035] 圖3是模式選擇的仿真和實驗結果示意圖。插圖為分別激勵伸展模式和扭轉模式 的電極。
[0036] 圖4是模式選擇后的雙端器件的傳輸譜示意圖。插圖分別為伸展模式振型、雙模 式激勵電極和彎曲模式振型。虛線所示為傳感區(qū)域。
[0037] 圖5是質量傳感器的溫度補償實驗結果示意圖。插圖為磁珠在傳感區(qū)域內的分布 示意圖。
【具體實施方式】
[0038] 本發(fā)明的發(fā)明思想為：
[0039] 對于采用時間平均化的電能向機械能轉換的功率Pf衡量模式響應。幅值為EM的 電場施加于上下電極之間。只有與Γχ同相的應力分量TE才會對Pf有貢獻，有：
[0040] TE=-eTEex
[0041] eT是壓電材料的壓電應力矩陣，上標T代表轉置。壓電薄膜內單位體積內轉換功 率疒可寫成：
[0042]
[0043] vf為電極覆蓋區(qū)的速度分布，可由模態(tài)分析的速度分布νm估計νkvm，k為待定 常數(shù)。模態(tài)分析中上下電極接通，上標f和m分別表示頻率響應分析和模態(tài)分析。由應變 矩陣Sm=l/(2iω) [ (Δvm) + (vm)T]和估計vf~kvm可得：
[0044]
[0045] ω是模式的角頻率。將TE帶入并寫成縮寫下標形式：
[0046]
[0047] 由壓電本構關系
[0048]
[0049] D為電位移矢量，ε為介電常數(shù)矩陣，電極覆蓋區(qū)域總的轉換功率為：
[0050]
y- r /
[0051] 外加電場沿z軸方向，只有z軸分量非零，進一步有：
[0052]
[0053] 由短路邊界條件，Djftz軸方向是均勻分布的，所以積分的前段為：
[0054]
[0055] h是薄膜的厚度，"top"表示積分在上表面，是設計變量，積分的后段在短路邊界下 是〇,所以耗散功率的最終形式為：
[0056]
[0057] 由此可見，要使模式響應最高，就要使上述積分最大，所以應該將上電極布置于表 面電荷符號相同處。
[0058] 綜上所述，本發(fā)明的對聲子晶體諧振器進行振動模式選擇的方法的步驟包括：
[0059] 步驟一、在有限元軟件中進行帶有壓電材料的模態(tài)分析，上下電極以短路邊界條 件代替，得到目標模式的表面電荷分布；
[0060] 步驟二、分別統(tǒng)計表面正負電荷的積分，取絕對值較大者為電極布置區(qū)域；
[0061] 步驟三、將電極布置區(qū)域、引線等通過光刻、剝離等工藝轉移至表面已濺射有壓電 材料的聲子晶體結構中并與外圍電路連接固定。
[0062] 下面結合附圖對本發(fā)明做以詳細說明。
[0063] 本發(fā)明的對聲子晶體諧振器進行振動模式選擇的方法包括以下步驟：
[0064] 利用有限元軟件c〇ms〇15. 0中建立帶有點缺陷聲子晶體超晶格結構：孔直徑 340μπι，晶格周期380μπι，厚度為38L5μπι。材料為380μπι厚單晶硅和L5μπι厚氮化鋁。 超晶格的對立邊界設為Bloch周期性邊界條件，氮化鋁層的上下表面均設為接地邊界條件 (grounded)。然后對該結構進行模態(tài)分析，可得到缺陷模