CN110277082A - 一种声子晶体及薄膜压电声波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜压电声波传感器，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，压电层远离地电极层的一侧设置有至少一个换能器；换能器的两侧分别设置有至少形成于压电层的声子晶体，薄膜压电声波传感器的谐振频率位于声子晶体的带隙内。上述的薄膜压电声波传感器，将声子晶体至少设置于压电层上，使压电层机械振动的稳定性提高，对声波反射率提高，声波传输的能量损耗降低，传感器品质因数提升。本发明公开了一种声子晶体，包括基体和形成于基体上的散射体，基体由至少两层介质层层叠形成，任意一层介质层的材料与其他介质层不同。上述声子晶体能有效减少声波能量损耗，应用于薄膜压电声波传感器中能够有效提高传感器的品质因数。

Description

一种声子晶体及薄膜压电声波传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种声子晶体及薄膜压电声波传感器。

背景技术

压电薄膜利用其压电效应能够实现电能与机械能之间的转换，薄膜压电声波传感器利用高性能的薄膜压电材料和快速发展的微纳制造技术，使传感器的有效谐振质量大幅度减小，工作频率不断提高，检测灵敏度已可与光学传感器相媲美。不仅如此，由于薄膜压电声波传感器的制作工艺与CMOS工艺兼容，更便于集成化和批量化制造，在各种现代电子、通信技术、分析检测等领域具有广泛的应用前景。然而，受声波能够辐射损耗的影响，薄膜压电声波传感器不易获得高的品质因数(Q)，无法有效提高传感器信噪比、降低传感器的检测限，不利于获得高性能的薄膜压电声波传感器。

声子晶体是一种密度和弹性常数呈周期性分布的新型结构。受声子晶体的周期结构作用，当弹性波在声子晶体中传播时会产生能带结构，在一定频率范围内弹性波被禁止传播(禁带)，而在其他频率范围内可以无损耗的传播(通带)，这些弹性波不能传播的频率范围被称为声子晶体的带隙。声子晶体的带隙特性使其在噪声抑制与隔离、精密仪器的振动控制等方面具有广阔的应用前景。现有技术中，将声子晶体与薄膜压电声波传感器相结合，利用声子晶体的带隙特性代替薄膜压电声波传感器中的反射栅，以提高薄膜压电声波传感器的品质因数。但是，现有设置声子晶体的薄膜压电传感器中，声子晶体一般设置于未覆盖压电薄膜的硅衬底结构上，使声波经由声子晶体反射的能量受限，不利于薄膜压电声波传感器的品质因数的提高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中设置声子晶体的薄膜压电声波传感器对声波反射的能量受限，不能有效提高薄膜压电声波传感器的品质因数的缺陷。

为此，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种薄膜压电声波传感器，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，所述压电层远离所述地电极层的一侧设置有至少一个换能器；所述换能器的两侧分别设置有至少形成于所述压电层的声子晶体，所述薄膜压电声波传感器的谐振频率位于所述声子晶体的带隙内。

可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体包括散射体和基体，所述基体至少由所述压电层组成，所述散射体为沿所述层叠方向垂直贯穿所述基体的周期性排列的通孔；

优选地，所述通孔为圆柱形孔，所述通孔以正方形晶格排列形成所述声子晶体。

可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述衬底层远离所述地电极层的一侧开设有凹槽，所述声子晶体位于所述凹槽所对应的第一区域内。

可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体的基体为所述压电层，所述声子晶体的散射体为由垂直贯穿所述压电层的周期性排列的通孔；

优选地，所述压电层为氮化铝层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm。

可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体的基体由所述压电层和所述地电极层组成，所述声子晶体的散射体为垂直贯穿所述压电层和所述地电极层的周期性排列的通孔；

优选地，所述压电层为氮化铝层，所述地电极层为钼层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm。

可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体的基体由所述压电层、所述地电极层和所述衬底层组成，所述声子晶体的散射体为垂直贯穿所述压电层、所述地电极层和所述衬底层的周期性排列的通孔；

优选地，所述压电层为氮化铝层，所述地电极层为钼层，所述衬底层为硅衬底层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm，形成所述声子晶体的所述硅衬底层的厚度为2.2μm。

可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述至少一个换能器包括水平相对设置的输入换能器和输出换能器，所述声子晶体分布于所述输入换能器背对所述输入换能器的一侧，和所述输出换能器背对所述输入换能器的一侧。

可选地，上述的薄膜压电声波传感器，所述声子晶体与其相邻的所述换能器的距离使所述声子晶体的反射面距离相邻所述换能器的距离为(n*λ)/2，n为不小于1的整数。

第二方面，本发明提供了一种声子晶体，所述声子晶体包括基体和形成于所述基体上的散射体，所述基体由至少两层介质层层叠形成，任意一层介质层的材料与其他所述介质层不同；所述散射体为沿所述介质层的层叠方向垂直贯穿所述基体的周期性排列的通孔。

可选地，上述的声子晶体，所述声子晶体的基体由氮化铝层、钼层和硅衬底层层叠形成，所述通孔垂直贯穿所述氮化铝层、所述钼层和所述硅衬底层，所述通孔以方形晶格排列；

优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm，所述硅衬底层的厚度为2.2μm。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的薄膜压电声波传感器，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，压电层远离地电极层的一侧设置有至少一个换能器；换能器的两侧分别设置有至少形成于压电层的声子晶体，薄膜压电声波传感器的谐振频率位于声子晶体的带隙内。

上述的薄膜压电声波传感器，换能器的两侧分别设置有声子晶体，由换能器激励产生的声波向声子晶体传播。基于布拉格散射机理，特定频率的声波无法在声子晶体内传播，产生声子晶体的带隙。利用声子晶体的带隙特性，使薄膜压电声波传感器的谐振频率位于声子晶体的带隙内，能够实现对由换能器产生的声波的全反射，声波在换能器两侧的声子晶体之间传播，被限制在两侧的声子晶体之间，形成机械谐振。通过设置声子晶体，能够减少声波传播过程中的能量损耗，提高薄膜压电声波传感器的品质因数(Q)。

现有技术中的声子晶体一般开设于未设置压电层的衬底层上，声子晶体位于非振动区域。本发明通过研究发现，在声子晶体仅设置于衬底层时，会限制由声子晶体所反射的声波能量，特别地，单纯设置于衬底层的声子晶体对纵向波能量散逸的改善有限，使薄膜压电声波传感器的品质因数不能得到有效提高。进一步地，本发明发现当声子晶体设置于压电层时，压电层的机械振动不影响声子晶体的带隙特性设置，依然能够得到具有完全带隙的声子晶体。因此，本发明将声子晶体设置于至少形成于压电层上，一方面，使薄膜压电声波传感器机械振动的稳定性提高；另一方面，利用声子晶体的带隙特性，能够进一步降低薄膜压电声波传感器内声波能量的损耗，使薄膜压电声波传感器的品质因数有效提高，检出限进一步降低。

2.本发明提供的薄膜压电声波传感器，声子晶体包括散射体和基体，基体至少包括压电层，散射体为沿层叠方向垂直贯穿基体的周期性排列的通孔。声子晶体为二维声子晶体，能够以二维结构实现对声波的三维限制。周期性排列的通孔形成声子晶体的散射体(空气)，散射体与声子晶体的基体之间密度差异大，能够得到宽带隙的声子晶体，实现对沿压电层表面传播的声波以及沿压电层厚度方向传播的纵向波的有效反射，限制能量散逸，获得高品质因数的薄膜压电声波传感器。

3.本发明提供的薄膜压电声波传感器，衬底层远离地电极层的一侧开设有凹槽，声子晶体位于凹槽所对应的第一区域内。通过开设凹槽，使衬底层形成与空气接触的界面，从而将声波限制于压电层上。声子晶体位于所述凹槽所对应的第一区域内，使声子晶体位于薄膜压电传感器的有效谐振区域内，形成对声波能量的高效反射。

4.本发明提供的薄膜压电声波传感器，声子晶体的基体可以由压电层、压电层和地电极层，或者压电层、地电极层和衬底层组成，声子晶体的散射体为垂直贯穿基体的周期性排列的通孔。本发明通过研究发现，当声子晶体的基体为压电层时，压电层为氮化铝层，设置氮化铝层的厚度为2.2μm时，能够得到带隙最宽的声子晶体，实现对宽频率范围声波的有效反射。当声子晶体的基体由压电层和地电极层组成时，压电层为氮化铝层、地电极层为钼层，当氮化铝层的厚度为2.2μm、钼层的厚度为0.2μm时，能够得到带隙最宽的声子晶体。当声子晶体的基体由压电层、地电极层和衬底层组成时，压电层为氮化铝层、地电极层为钼层、衬底层为硅衬底层，当氮化铝层的厚度为2.2μm、钼层的厚度为0.2μm、形成声子晶体的硅衬底层的厚度为2.2μm时，能够得到带隙最宽的声子晶体。

此外，本发明通过研究发现，当声子晶体的基体设置为由压电层、地电极层和衬底层组成时，由声子晶体反射后声波的能量传输损耗值最小，进而得到品质因数最佳的薄膜压电声波传感器。

5.本发明提供的薄膜压电声波传感器，至少一个换能器包括水平相对设置的输入换能器和输出换能器，由输入换能器获取电信号，压电层通过逆压电效应将电信号转换为机械振动，产生声波；输入换能器背对输入换能器的一侧和输出换能器背对输入换能器的一侧设置有声子晶体，形成对声波的全反射，入射波与反射波在两侧的声子晶体之间叠加，产生机械谐振，有效减少声波的能量损耗，然后由输出叉指换能器通过压电效应，将声波转化为电信号输出。

6.本发明提供的声子晶体，基体由至少两层介质层层叠形成，任意一层介质层的材料与其他介质层不同，散射体为沿介质层的层叠方向垂直贯穿基体的周期性排列的通孔。上述声子晶体为复合声子晶体，对声波的反射率高，能够有效减少声波能量的传输损耗，将其应用于薄膜压电声波传感器，能够得到高品质因数的传感器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的声子晶体的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的单胞声子晶体的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的一种声子晶体的禁带图；

图4为本发明实施例2提供的另一种声子晶体的禁带图；

图5为本发明实施例1提供的声子晶体的禁带宽度随氮化铝层厚度的变化图；

图6为本发明实施例1提供的声子晶体的禁带宽度随钼层厚度的变化图；

图7为本发明实施例1提供的声子晶体的禁带宽度随硅衬底层厚度的变化图；

图8为本发明实施例1提供的声子晶体的禁带宽度随氮化铝层、钼层厚度的变化图；

图9为本发明实施例1提供的声子晶体的禁带宽度随硅衬底层、钼层厚度的变化图；

图10为本发明实施例1提供的声子晶体的禁带宽度随硅衬底层、氮化铝层厚度的变化图；

图11为本发明实施例2提供的薄膜压电传感器的结构示意图；

图12为本发明实施例2提供的薄膜压电传感器中声子晶体与叉指换能器之间的距离示意图；

图13为本发明实验例1中声子晶体的带隙随填充率的变化图；

图14为本发明实施例2和对比例1中声子晶体对声波传输损耗的检测结果图；

附图标记说明：

1－声子晶体，11－基体，12－散射体；2－衬底层；3－地电极层；4－压电层；5－换能器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种声子晶体1，声子晶体1由基体11和形成于基体11上的散射体12构成。如图1和图2所示，声子晶体1的基体11是由压电层4、地电极层3和衬底层2的三层介质层依次层叠形成的复合介质层；沿介质层的层叠方向开设有垂直贯穿基体11的周期性排列的通孔，形成声子晶体1的散射体12。

具体地，如图2所示的单胞声子晶体1，通孔是贯穿复合声子晶体1的圆柱形孔，图2中显示声子晶体1最小的周期性结构单元。单胞声子晶体1以正方形晶格排列，形成如图1所示的具有周期性排列通孔的声子晶体1，其中通孔沿声子晶体1的长度和宽度方向延伸，形成阵列排布方式。

作为一种变形实施方式，上述的声子晶体1，基体11还可以是由两层、四层等等的介质层层叠形成，例如，基体11是由压电层4与地电极层3层叠形成的复合介质层，散射体12是沿介质层的层叠方向垂直贯穿基体11的周期性排列的通孔。

声子晶体1带隙测试

1、选择以氮化铝层作为压电层4，钼层作为地电极层3，硅衬底层作为衬底层2，对上述声子晶体1的带隙测试。其中，声子晶体1中邻近两通孔之间的距离a为20μm，通孔半径r为8.7μm，复合介质层的厚度h是4.2μm，得到如图3所示的声子晶体1的禁带图。由图3可知，上述形成于复合介质层上的声子晶体1保留有声子晶体1的禁带特性，适于应用于薄膜压电声波传感器中。

2、测试形成声子晶体1的各介质层的厚度对声子晶体1带隙宽度的影响，具体如下：

(1)声子晶体1仅以氮化铝层作为基体11，散射体12为垂直贯穿氮化铝层的周期性排列的通孔，检测氮化铝层厚度变化对声子晶体1带隙宽度的影响，结果如图5所示，随着氮化铝层厚度的增加，声子晶体1的带隙呈逐渐变宽然后变窄的变化趋势，当氮化铝层的厚度为2.2μm时，能够得到带隙最宽的声子晶体1。上述结果表明，在薄膜压电传感器中，以氮化铝层为基体11的声子晶体1能够保持其带隙特性，且氮化铝层的最佳厚度值为2.2μm。

(2)声子晶体1仅以层叠设置的氮化铝层和钼层作为基体11，散射体12为垂直贯穿氮化铝层和钼层的周期性排列的通孔。设定氮化铝层的厚度为2.2μm，将钼层的厚度由0.2μm逐步增加至0.8μm，检测氮化铝层厚度变化对声子晶体1带隙宽度的影响，结果如图6所示，随着钼层厚度的增加，声子晶体1的带隙宽度呈变窄的趋势，当钼层厚度为0.2μm时，能够得到带隙最宽的声子晶体1。上述结果表明，在薄膜压电传感器中，以氮化铝层和钼层的复合介质层为基体11的声子晶体1能够保持其带隙特性，声子晶体1中氮化铝层的最佳厚度值为2.2μm，钼层的最佳厚度值为0.2μm。

(3)声子晶体1仅以层叠设置的氮化铝层、钼层和硅衬底层作为基体11，散射体12为垂直贯穿氮化铝层、钼层和硅衬底层的周期性排列的通孔。设定氮化铝层的厚度为2.2μm，钼层的厚度为0.2μm，改变硅衬底层厚度，检测硅衬底层厚度变化对声子晶体1带隙宽度的影响，结果如图7所示，随着硅衬底层厚度的增加，声子晶体1的带隙宽度呈先变宽后变窄的趋势，当硅衬底层厚度为2.2μm时，能够得到带隙最宽的声子晶体1。上述结果表明，在薄膜压电传感器中，以氮化铝层、钼层和硅衬底层的复合介质层为基体11的声子晶体1能够保持其带隙特性，声子晶体1中氮化铝层的最佳厚度值为2.2μm，钼层的最佳厚度值为0.2μm，硅衬底层的最佳厚度值为2.2μm。

3、测试介质层的材料声速对声子晶体1带隙宽度变化率的影响，具体地，保持压电层4、地电极层3和衬底层2的总厚度不变，压电层4设置为氮化铝层，衬底层2设置为硅衬底层，选择具有声速梯度的材料作为地电极层3，改变地电极层3的厚度，检测不同以不同声速材料形成的地电极层3的厚度变化对声子晶体1带隙宽度的影响，结果如下表1所示：

表1

由表1可知，当地电极层3材料的声速梯度与氮化铝层和硅衬底层的声速差值在3000m/s以内时(例如，地电极层3选择为钼层)，地电极层3厚度变化引起的声子晶体1带隙宽度的变化能够控制在25％左右及以下；而地电极层3与氮化铝层和硅衬底层的声速差值越大，地电极层3厚度变化引起的声子晶体1带隙宽度的变化越大，最高可达100％。在此基础上，保持压电层4、地电极层3和衬底层2的总厚度不变，继续进行如下测试：

(1)保持硅衬底层厚度不变，氮化铝层厚度由2.2μm减小到0.2μm，钼层厚度由0.2μm增加至2.2μm，检测声子晶体1带隙宽度的变化，结果如图8所示，随着氮化铝层和钼层厚度的变化，声子晶体1带隙所处的频率略有下降，但带隙宽度基本维持不变。

(2)保持氮化铝层厚度不变，钼层厚度由0.2μm增加到2.0μm，硅衬底层厚度由2.0μm减小到0.2μm，检测声子晶体1带隙宽度的变化，结果如图9所示，随着钼层和硅衬底层厚度的变化，声子晶体1带隙所处的频率略有下降，但带隙宽度基本维持不变。

(3)保持钼层厚度不变，氮化铝层厚度由2.2μm增加到4.0μm，硅衬底层厚度由2.0μm减小到0.2μm，检测声子晶体1带隙宽度的变化，结果如图10所示，随着氮化铝层和硅衬底层厚度的变化，声子晶体1带隙所处的频率略有上升，但带隙宽度基本维持不变。

由上述结果可知，由氮化铝层、钼层和硅衬底层形成的复合介质层，在复合介质层总厚度维持不变时，各介质层厚度的变化对声子晶体1带隙的影响较小。

实施例2

本实施例提供一种薄膜压电声波传感器，如图11所示，包括依次层叠设置的衬底层2、地电极层3和压电层4，压电层4远离地电极层3的一侧设置有至少一个叉指换能器5。例如，薄膜压电声波传感器为双端口型，压电层4远离地电极层3的一侧水平相对设置有两个换能器5，分别为输入换能器和输出换能器。换能器5具体地为叉指换能器5，输入换能器和输出换能器分别对应输入叉指换能器和输出叉指换能器。换能器5的两侧分别设置声子晶体1，也即，在输入叉指换能器背对输出叉指换能器的一侧，和输出叉指换能器背对输入叉指换能器的一侧分别设置有声子晶体1。薄膜压电声波传感器的谐振频率位于所述声子晶体1的带隙内。

声子晶体1为实施例1提供的声子晶体1，由散射体12和基体11形成，基体11为压电层4、地电极层3和硅衬底层叠置形成的复合介质层，散射体12是沿层叠方向垂直贯穿基体11的周期性排列的通孔。声子晶体1的带隙宽度受散射体12和基体11的材料参数、晶格形式、散射体12的填充率、基体11厚度影响。选择形成声子晶体1的压电层4为氮化铝层、地电极层3为钼层，衬底层2为硅衬底层，氮化铝层、地电极层3和硅衬底层层叠形成的复合介质层作为声子晶体1的基体11，在基体11上开设垂直贯穿的周期性排列的通孔，形成声子晶体1的散射体12。其中，通孔为圆柱形孔，声子晶体1的晶格为正方形晶格。由于晶格的对称性影响声子晶体1的带隙宽度，圆柱形通孔以正方形晶格排列有利于提高声子晶体1的带隙宽度。

可选地，在衬底层2远离地电极层3的一侧开设凹槽，利用凹槽形成与空气接触的界面，将薄膜压电传感器中传播的声波限制在其上的压电层4上。凹槽在薄膜压电声波传感器上对应第一区域，设置输入叉指换能器、输出叉指换能器和两侧的声子晶体1位于第一区域的范围内，使声子晶体1位于薄膜压电声波传感器的有效谐振区域，形成对声波的高效反射。

设置薄膜压电声波传感器的谐振频率位于声子晶体1的带隙内，例如，薄膜压电声波传感器是最低阶对称模式(S₀)的Lamb波传感器，选择声子晶体1带隙内的某一频率作为Lamb波传感器的谐振频率f_S0，根据如下公式I能够计算得到Lamb波传感器的波长λ，依据布拉格反射远离，叉指电极的宽度为λ/4，从而得到叉指电极的宽度；

例如，设置氮化铝层的厚度为2.2μm，钼层厚度为0.2μm，形成声子晶体1的硅衬底层(也即，处于第一区域的硅衬底层)的厚度为2.2μm；声子晶体1中邻近两通孔之间的距离a为20μm，通孔半径r为8.7μm，能够得到带隙范围为138.1－182.6MHz的声子晶体1。如图4所示，设置a为40μm，通孔半径r为16μm，氮化铝层的厚度为2.2μm，钼层厚度为0.2μm，形成声子晶体1的硅衬底层的厚度为10μm，能够得到带隙范围为88.5－100.89MHz的声子晶体1。选择在声子晶体1带隙宽度范围内的96MHz作为Lamb波传感器的谐振频率，通过计算得到Lamb波传感器的波长λ为96μm，叉指电极的宽度为24μm。

进一步的，使用FDTD方法确定声子晶体1的有效反射平面，声子晶体1的反射平面距离邻近叉指换能器5的距离为(n*λ)/2，其中n为不小于1的整数，以此进一步确定声子晶体1与邻近叉指换能器5之间的距离D，如图12所示，声子晶体1与邻近叉指换能器5之间的距离D为声子晶体1靠近叉指换能器5的一侧与叉指换能器5靠近声子晶体1的一侧之间的距离。依据有效反射平面确定声子晶体1与叉指换能器5之间的距离D，使声波经声子晶体1反射后入射波与反射波相互作用形成驻波振荡，声波在两侧的声子晶体1之间来回反射形成机械谐振波。例如，在上述参数设置的Lamb波传感器中，最终得到的声子晶体1与叉指换能器5之间的距离D为77.8μm。

上述薄膜压电声波传感器的工作过程如下：在输入叉指换能器和地电极层3之间施加电压，输入叉指换能器激励产生电信号，压电层4利用其逆压电效应，产生弹性机械波，弹性机械波沿压电层4传播，在遇到声子晶体1后，由于其声波频率位于声子晶体1的带隙内，被声子晶体1反射，入射波与反射波相互作用形成机械谐振，最终经逆压电效应由输出叉指电极以电信号输出。上述设置的声子晶体1能够将声波限制在两侧的声子晶体1之间，防止声波的能量散逸，有效地减少了声波传输过程中的能量损耗，使薄膜压电声波传感器的品质因数提高、检出限降低。

需要说明的是，现有设置声子晶体1的薄膜压电声波传感器中，声子晶体1一般避开薄膜压电声波传感器的压电层4，仅设置于衬底层2上，上述设计虽然在一定程度上可以利用声子晶体1使声波形成机械谐振，起到减少声波在传输过程中能量损耗的目的。但是，设置在衬底层2上的声子晶体1对声波能量反射有限，尤其是不能有效对纵向波的能量散逸起到有效的限制，限制了设置声子晶体1对薄膜压电声波传感器品质因数的改善。

为解决上述问题，本实施例中的声子晶体1是形成于压电层4、地电极层3和衬底层2上的复合声子晶体1。本发明通过研究发现，在压电层4上设置声子晶体1能够保持声子晶体1的带隙特性，产生完全带隙(图3所示)。在此基础上，本实施例中的声子晶体1设置于复合介质层上，一方面，使薄膜压电声波传感器机械振动的稳定性提高；另一方面，利用声子晶体1的带隙特性，使声波在两侧的声子晶体1之间形成机械谐振，能够进一步降低薄膜压电声波传感器内声波能量的损耗，使薄膜压电声波传感器的品质因数有效提高，检出限进一步降低。

对比例1

本对比例提供一种薄膜压电声波传感器，与实施例2中薄膜压电声波传感器的区别仅在于：声子晶体1仅的基体11仅由作为衬底层2的硅衬底层组成，声子晶体1的通孔开设于硅衬底层上，且避免压电层4和地电极层3设置。

实验例1

本实验例测试实施例2的薄膜压电声波传感器中形成于氮化铝层、钼层和硅衬底层的声子晶体1，以及对比例1的薄膜压电声波传感器中仅形成于硅衬底层的声子晶体1，对薄膜压电传感器中声波传输损耗的改善效果，具体如下：

1、调整声子晶体1的填充率(即圆柱形通孔的面积/正方形晶格的面积)，检测薄膜压电声波传感器中声子晶体1带隙宽度的变化，结果如图13所示，图13中f₁代表声子晶体1带隙的下边缘频率，f₂代表声子晶体1带隙的上边缘频率。

2、选择在最佳带隙宽度下所对应的声子晶体1的结构尺寸，对应设置实施例2中形成于复合介质层上的声子晶体1，与对比例1中仅形成于硅衬底层上的声子晶体1为相同的结构尺寸，比较两种薄膜压电传感器中声波的传输损耗，结果如图14所示：图中三角符号标识的曲线代表对比例1中薄膜压电传感器的传输损耗，圆形符号标识的曲线代表实施例2中薄膜压电传感器的传输损耗。由图14可知，与仅形成于硅衬底层上的声子晶体1相比，将声子晶体1设置于硅衬底层、钼层和氮化铝层的复合介质层，对声波能量的反射效果增强，声波的传输损耗降低，因此，与对比例1中的薄膜压电传感器相比，实施例2提供的薄膜压电传感器具有更高的品质因数和更低的检测限。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种薄膜压电声波传感器，其特征在于，包括：层叠设置的衬底层、地电极层和压电层，所述压电层远离所述地电极层的一侧设置有至少一个换能器；所述换能器的两侧分别设置有至少形成于所述压电层的声子晶体，所述薄膜压电声波传感器的谐振频率位于所述声子晶体的带隙内。

2.根据权利要求1所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述声子晶体包括散射体和基体，所述基体至少由所述压电层组成，所述散射体为沿所述层叠方向垂直贯穿所述基体的周期性排列的通孔；

优选地，所述通孔为圆柱形孔，所述通孔以正方形晶格排列形成所述声子晶体。

3.根据权利要求1或2所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述衬底层远离所述地电极层的一侧开设有凹槽，所述声子晶体位于所述凹槽所对应的第一区域内。

4.根据权利要求1－3任一项所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述声子晶体的基体为所述压电层，所述声子晶体的散射体为由垂直贯穿所述压电层的周期性排列的通孔；

优选地，所述压电层为氮化铝层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm。

5.根据权利要求1－3任一项所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述声子晶体的基体由所述压电层和所述地电极层组成，所述声子晶体的散射体为垂直贯穿所述压电层和所述地电极层的周期性排列的通孔；

优选地，所述压电层为氮化铝层，所述地电极层为钼层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm。

6.根据权利要求1－3任一项所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述声子晶体的基体由所述压电层、所述地电极层和所述衬底层组成，所述声子晶体的散射体为垂直贯穿所述压电层、所述地电极层和所述衬底层的周期性排列的通孔；

优选地，所述压电层为氮化铝层，所述地电极层为钼层，所述衬底层为硅衬底层；优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm，形成所述声子晶体的所述硅衬底层的厚度为2.2μm。

7.根据权利要求1－6任一项所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述至少一个换能器包括水平相对设置的输入换能器和输出换能器，所述声子晶体分布于所述输入换能器背对所述输入换能器的一侧，和所述输出换能器背对所述输入换能器的一侧。

8.根据权利要求1－7任一项所述的薄膜压电声波传感器，其特征在于，所述声子晶体与其相邻的所述换能器的距离使所述声子晶体的反射面距离相邻所述换能器的距离为(n*λ)/2，n为不小于1的整数。

9.一种声子晶体，其特征在于，所述声子晶体包括基体和形成于所述基体上的散射体，所述基体由至少两层介质层层叠形成，任意一层介质层的材料与其他所述介质层不同；所述散射体为沿所述介质层的层叠方向垂直贯穿所述基体的周期性排列的通孔。

10.根据权利要求9所述的声子晶体，其特征在于，所述声子晶体的基体由氮化铝层、钼层和硅衬底层层叠形成，所述通孔垂直贯穿所述氮化铝层、所述钼层和所述硅衬底层，所述通孔以方形晶格排列；

优选地，所述氮化铝层的厚度为2.2μm，所述钼层的厚度为0.2μm，所述硅衬底层的厚度为2.2μm。