專利名稱：具有交替極化區(qū)域的聲波器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲波器件，更具體地涉及能夠在幾千兆赫數(shù)量級(jí)的非常高的頻率工作的表面波傳感器。
背景技術(shù)：
通常，根據(jù)應(yīng)用需要，當(dāng)前制造傳感器采用基于交叉電極的梳狀結(jié)構(gòu)、采用包括每個(gè)波長(zhǎng)λ二個(gè)、四個(gè)或八個(gè)電極，λ對(duì)應(yīng)傳感器的中心工作頻率。在各種傳感器中，通常采用的基片上的金屬化表面的面積與自由表面的面積的比值大約在0.25到0.75之間。
然而，已經(jīng)出現(xiàn)了一種新型的傳感器，這就是所謂的小間隙傳感器，其中，自由表面非常小以便獲得兩個(gè)相鄰電極之間最小可能的距離。這類傳感器的優(yōu)點(diǎn)是，可以獲得最大可能的每個(gè)周期的電極寬度，而具有大大減小的電極間的反射現(xiàn)象。
這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是由于技術(shù)性的困難。例如，對(duì)于在1.6GHz工作的傳感器，寬度為λ/2，即，1.5μm的電極必須被幾百埃數(shù)量級(jí)的距離間隔開(kāi)，這需要非常精細(xì)的技術(shù)。
而且，當(dāng)給相互間隔很近的電極通電時(shí)，所述電極的組成金屬，在這種情況下是鋁(使用最多的)，將電能轉(zhuǎn)換成熱能并具有蠕變的趨勢(shì)，這樣有可能使不同電極短路(在瑞利波的情況下)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決這些問(wèn)題，本發(fā)明提供一種具有連續(xù)電極的聲波器件，該聲波器件由極性轉(zhuǎn)換的鐵電材料制成。
更具體地，本發(fā)明提供一種聲波器件，它包括鐵電材料層和基片，其特征在于，鐵電材料層位于淀積在基片的表面上或者是基片的組成部分的第一電極和第二電極之間，鐵電材料層包括正的第一極化區(qū)域和負(fù)的第二極化區(qū)域。
根據(jù)第一變型，第二電極淀積在鐵電材料層上。根據(jù)第二變型，第二電極由一個(gè)蓋支撐，以便在所述第二電極和鐵電材料層之間形成一個(gè)空間，從而提高表面波的傳播特性，由于在鐵電材料和上部電極之間沒(méi)有接觸，表面波很少地被限制。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)變型，鐵電材料層也可以包括非極化的區(qū)域，這種區(qū)域能夠引入相位元件，以便影響在鐵電材料層中的聲波傳播的方向性，如后面將要解釋的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)變型，聲波器件包括一系列正、負(fù)和零極化的線性區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)變型，區(qū)域沿著兩個(gè)正交方向分布，這有利于聲波之間的干涉的組合并可以具有另外的自由度，以制造特殊的傳感器結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)變型，聲波器件包括至少一個(gè)電極，其表面是由滿足等式y(tǒng)＝f(x)的兩個(gè)參數(shù)限定的，其中f是一個(gè)實(shí)函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)變型，在鐵電材料層的平面中的空間極化分布遵循一個(gè)幾何定律，使得所形成的極化表面是由滿足等式y(tǒng)＝f(x)的兩個(gè)參數(shù)限定的，其中f是一個(gè)實(shí)函數(shù)。


通過(guò)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明以及本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)可以更加容易被理解。其中圖1顯示了對(duì)根據(jù)本發(fā)明的表面波器件產(chǎn)生正極化區(qū)域和負(fù)極化區(qū)域的方法；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的表面波器件的第一示例；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的器件的一個(gè)示例，它具有非極化區(qū)域；圖4顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)用于產(chǎn)生變跡功能的交叉電極結(jié)構(gòu)；圖5顯示了用于本發(fā)明中產(chǎn)生變跡功能的電極形式的示例；以及圖6顯示了采用不與鐵電材料層接觸的第二電極的表面波器件的第二示例。
具體實(shí)施例方式
總之，本發(fā)明提供一種聲波器件，該聲波器件采用其中形成有交替極化區(qū)域的鐵電材料層。
具體地，本發(fā)明提出產(chǎn)生局部極化區(qū)域并且從這類局部極化獲得優(yōu)點(diǎn)，以便使所形成的材料電聲性質(zhì)功能化或周期化，從而制造聲波器件，由于局部電極化，該聲波器件借助于任何類型的金屬基片或金屬化的表面上的鐵電材料壓電地激勵(lì)。
為此，一個(gè)鐵電材料層按照現(xiàn)有方式形成在金屬基片的表面或金屬化基片的表面上。通常，這可以是任何單晶或多晶的鐵電材料，例如，鉛鈦鋯氧化物(PZT)、LiNbO3，LiTaO3或者KNbO3。通常，這個(gè)層的厚度小于10μm。該材料(極化或不極化)隨后局部地經(jīng)受大電場(chǎng)的作用，尤其是借助于電極頭或頂尖形式的金屬電極、或根據(jù)所需的局部極化外形制造的幾何形狀的電極。
這種操作的目的是為了超過(guò)材料的矯頑場(chǎng)足夠的時(shí)間，該時(shí)間大于材料的最小特定極化時(shí)間。這樣，鐵電材料的分子偶極永久地對(duì)齊以便獲得受控制的壓電極化。這是因?yàn)槿绱耸┘拥碾妶?chǎng)的極化使得對(duì)于鐵電材料的極化方向而言可以局部地強(qiáng)加。在施加電場(chǎng)的過(guò)程中，下方的電極或或基片本身根據(jù)情況可以升高到電參考值。圖1顯示了用于在覆蓋有第一電極E1的基片S的表面上的鐵電材料層C中形成正的第一極化區(qū)域D1和負(fù)的第二極化區(qū)域D2、并且保持未極化的第三區(qū)域D3的方法。一個(gè)電極頭P與所述層C相對(duì)地設(shè)置。
現(xiàn)在我們?cè)赑ZT氧化物層的情況下描述該方法。通常，由能夠經(jīng)受制造PZT陶瓷的溫度(大于大約500℃的溫度)的鉑/鈦合金制成的第一電極形成在基片上，該基片由包括硅、藍(lán)寶石和玻璃等的這類材料組成。PZT層通過(guò)噴涂淀積或溶膠凝膠工藝形成，以獲得厚度為幾微米數(shù)量級(jí)的層。隨后，使用一個(gè)電極頭，諸如用于原子力型顯微鏡的近場(chǎng)顯微鏡的電極頭，其中，電極頭充分地接近試樣以便對(duì)范德華力(AMF)敏感，從而使電子通過(guò)電子隧道效應(yīng)從試樣轉(zhuǎn)移到電極頭。通過(guò)給電極頭施加一個(gè)電勢(shì)，以精確和可重復(fù)的方式獲得預(yù)期的強(qiáng)制極化。對(duì)于厚度為500nm數(shù)量級(jí)的非常薄的PZT層，5到12V的電勢(shì)足以產(chǎn)生比矯頑場(chǎng)大的電場(chǎng)。實(shí)際中，如此形成的區(qū)域的尺寸可以小于130nm。
根據(jù)電極頭的優(yōu)良程度，該方法可用于寬度或大或小的區(qū)域。在PZT的情況下，區(qū)域轉(zhuǎn)換的空間分辨率直接取決于材料顆粒尺寸。在通過(guò)噴涂淀積的層中，顆粒尺寸通常是幾百毫微米數(shù)量級(jí)，以及在通過(guò)溶膠凝膠工藝獲得的顆粒的情況下大約是60nm數(shù)量級(jí)。
對(duì)于應(yīng)用于表面波傳感器領(lǐng)域，可以形成間距為幾百毫微米數(shù)量級(jí)的領(lǐng)域轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，因此，這種結(jié)構(gòu)非常適合于高頻率的應(yīng)用。這是因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明，格柵間距是聲波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)。通過(guò)按照格柵間距劃分波的相速度獲得第一近似的頻率。在現(xiàn)有的表面波器件的情況下，使用的格柵間距通常等于聲波長(zhǎng)的一半。
根據(jù)本發(fā)明采用鐵電材料中的極化轉(zhuǎn)換的聲波器件可以優(yōu)選地是表面波器件。
這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使鐵電材料層覆蓋一個(gè)第二電極，如此形成的結(jié)構(gòu)可以動(dòng)態(tài)地被激勵(lì)。
通過(guò)使正極化區(qū)域與負(fù)極化區(qū)域交替，在鐵電材料層中的物質(zhì)經(jīng)歷交替的延伸和壓縮以產(chǎn)生有益的聲干涉，優(yōu)選地是在層的平面而不是在體積中傳播(因此具有引導(dǎo)功能)。這是因?yàn)樵趯又斜灰龑?dǎo)的彈性波的傳播速度小于在基片中的彈性波的傳播速度。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的器件的示例，它包括基片S、具有第一極化區(qū)域D1和第二極化區(qū)域D2的鐵電材料層C以及沉積在層C的表面上的第二電極E2，通過(guò)電極E1和E2進(jìn)行電激勵(lì)。因此可以在基片的表面上限定一個(gè)單一的傳感器，它具有很好限定的特征導(dǎo)納，與這種類型的其它傳感器(其中心頻率不同)一起使用以便形成網(wǎng)格濾波器或多節(jié)濾波器，或者限定一個(gè)輸入傳感器和一個(gè)輸出傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得非常直接的傳感功能，以便傳感器具有給定的規(guī)格。
區(qū)域D1和D2的周期等于現(xiàn)有的交叉結(jié)構(gòu)中的同一極性的電極之間的周期。
具體地，如圖3所示，從極化觀點(diǎn)來(lái)看，可以通過(guò)形成中性部分來(lái)影響表面聲波的方向性，中性部分通過(guò)局部干擾交替區(qū)域的間距來(lái)改變波的相位。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)在正極化區(qū)域D1和負(fù)極化區(qū)域D2的交替分布中局部產(chǎn)生干擾區(qū)域D3，表面聲波的傳播被非對(duì)稱地干擾，在一個(gè)方向比另一方向強(qiáng)。
也可以比現(xiàn)有技術(shù)更簡(jiǎn)單地形成具有高度波長(zhǎng)選擇性過(guò)濾功能的表面波器件。
這是因?yàn)?，為了形成高濾去性能的表面波器件，通常通過(guò)使復(fù)雜的交叉電極交疊來(lái)獲得變跡功能，如圖4所示。變量y表示兩相鄰電極的交疊長(zhǎng)度。已經(jīng)證明，這種函數(shù)y＝sinx/x使得可以獲得非常急劇的過(guò)濾功能。
通常，變跡功能使得彈性波傳送的調(diào)幅是以這種方式，具有兩個(gè)相對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)的脈沖響應(yīng)與變跡功能具有相同的形式，其中一個(gè)傳感器被變跡，另一個(gè)不變跡(但具有一個(gè)至少等于變跡傳感器的最大孔的聲孔)。如果空間變跡例如是三角形的，通過(guò)激勵(lì)具有狄拉克函數(shù)的系統(tǒng)，接收一個(gè)隨著時(shí)間是三角形的信號(hào)。
通過(guò)形成更長(zhǎng)或更短的線性區(qū)域，也可以在局部極化操作過(guò)程中在自發(fā)地非極化的材料(例如薄膜PZT)中直接產(chǎn)生變跡功能，以重建所需的功能。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)表面波器件的一個(gè)電極的幾何形狀可以模擬這類交疊，如圖5所示。
在根據(jù)本發(fā)明的器件的第一示例中，如圖3所示，第二電極形成在鐵電材料的表面上。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的表面波器件的第二示例，在其中產(chǎn)生激勵(lì)而在上部電極與鐵電材料層之間不會(huì)有任何接觸。為此，電極E2被一個(gè)位于基片S上的蓋CL所支撐。通常，該間隙的厚度可以小于大約二十微米。電場(chǎng)線仍然存在于兩個(gè)電極之間并因此存在于鐵電材料中。這種結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)金屬化老化問(wèn)題至少在上部電極處被限制，金屬層的耐能問(wèn)題以及由于薄膜金屬引入的聲損耗問(wèn)題也被限制。
通過(guò)蓋可被取下的結(jié)構(gòu)，可以重新構(gòu)造正、負(fù)或零極化區(qū)域，因此可以改編聲波器件的程序。
權(quán)利要求
1.一種聲波器件，包括鐵電材料層(C)和基片(S)，其特征在于，鐵電材料層位于淀積在基片的表面上或者是基片的組成部分的第一電極(E1)和第二電極(E2)之間，鐵電材料層包括正的第一極化區(qū)域(D1)和負(fù)的第二極化區(qū)域(D2)。
2.如權(quán)利要求1所述的聲波器件，其特征在于，第二電極淀積在鐵電材料層的表面上。
3.如權(quán)利要求1所述的聲波器件，其特征在于，它包括一個(gè)位于基片上的蓋(CL)，所述蓋具有第二電極，以便在所述第二電極和鐵電材料層之間形成一個(gè)空間。
4.如權(quán)利要求3所述的聲波器件，其特征在于，所述蓋能夠從鐵電材料層上取下。
5.如權(quán)利要求1至4任一所述的聲波器件，其特征在于，它包括非極化的第三區(qū)域(D3)，以便影響聲波的方向性。
6.如權(quán)利要求1至5任一所述的聲波器件，其特征在于，它包括一系列具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的線性區(qū)域。
7.如權(quán)利要求6所述的聲波器件，其特征在于，所述一系列線性區(qū)域還包括非極化區(qū)域。
8.如權(quán)利要求1至5任一所述的聲波器件，其特征在于，它包括第一區(qū)域和第二區(qū)域的矩陣布置。
9.如權(quán)利要求8所述的聲波器件，其特征在于，它還包括非極化區(qū)域。
10.如權(quán)利要求1至9任一所述的聲波器件，其特征在于，鐵電材料是鉛鈦鋯氧化物。
11.如權(quán)利要求10所述的聲波器件，其特征在于，鐵電材料是鉑/鈦合金。
12.如前述任一權(quán)利要求所述的聲波器件，其特征在于，基片由硅制成。
13.如前述任一權(quán)利要求所述的聲波器件，其特征在于，第二電極由鋁制成。
14.如權(quán)利要求10至13任一所述的聲波器件，其特征在于，它包括至少一個(gè)電極，其表面是由滿足等式y(tǒng)＝f(x)的兩個(gè)參數(shù)限定的，其中f是一個(gè)實(shí)函數(shù)。
15.如權(quán)利要求10至13任一所述的聲波器件，其特征在于，在鐵電材料層的平面中的空間極化分布遵循一個(gè)幾何定律，使得所形成的極化表面是由滿足等式y(tǒng)＝(x)的兩個(gè)參數(shù)限定的，其中f是一個(gè)實(shí)函數(shù)。
16.一種用于制造如權(quán)利要求1至15任一所述的表面波器件的方法，其特征在于，它包括如下步驟在具有第一電極的基片表面上形成鐵電材料層；通過(guò)施加一個(gè)比鐵電材料的矯頑場(chǎng)大的電場(chǎng)在鐵電材料層中形成正、負(fù)極化區(qū)域，鐵電材料的極性決定區(qū)域的極化方向；以及與鐵電材料相對(duì)地形成第二電極。
17.如權(quán)利要求16所述的用于制造表面波器件的方法，其特征在于，第二電極形成在鐵電材料層的表面上。
18.如權(quán)利要求16所述的用于制造表面波器件的方法，其特征在于，第二電極由固定到基片上的蓋支撐。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聲波器件,它包括鐵電材料層(C)和基片(S)。鐵電材料層位于淀積在基片的表面上或者是基片的組成部分的第一電極(E
文檔編號(hào)H03H9/145GK1386321SQ0180202
公開(kāi)日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2001年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月13日
發(fā)明者西爾萬(wàn)·巴朗德拉, 布里塞·戈蒂埃, 達(dá)尼埃爾·豪德恩, 讓－克洛德·拉布呂納 申請(qǐng)人:塔萊斯公司