CN115694405B - 一种产生挠曲电的结构和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生挠曲电的结构和方法，将叉指换能器和薄膜器件进行片上集成，同时给两侧的叉指换能器施加频率、相位、幅值相同的正弦波，由于薄膜器件的上电极未施加任何载荷，在声表面波的周期性拉伸的作用下薄膜器件的介质层会产生应变梯度，周期性变化的应变梯度会产生极化电荷，即产生了挠曲电效应。通过将薄膜器件设置于一对叉指换能器在被施加正弦波时产生的声表面波驻波的波腹处，位于波腹处的薄膜器件在声表波的作用下受到的拉伸强烈，产生的挠曲电效果更强。采用本发明的结构产生挠曲电效应对薄膜器件的表面无损伤，对挠曲电能量采集、挠曲电传感等方面的应用发展具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于力电耦合领域，更具体地，涉及一种产生挠曲电的结构和方法。
背景技术
随着微电子技术的快速发展，在微纳尺度下利用力电耦合效应来调控器件的性能引起了研究人员的广泛关注。力电耦合作用包括传统的压电耦合效应和挠曲电耦合效应。传统的力电耦合效应指的是压电效应，它是电极化与均匀应变之间的线性耦合。而挠曲电效应是电介质材料中的一种高阶力电耦合效应，它通常指电介质材料由于受到非均匀变形而引起的电极化，即应变梯度引起的电极化。挠曲电效应相比压电效应来讲存在的优势在于：第一，产生挠曲电效应的电介质材料不再仅限于非中心对称的晶体，挠曲电效应存在于所有的电介质中；第二，挠曲电效应与温度无关；第三，由于应变梯度和材料的特征尺寸成反比，当器件微缩至纳米尺度时，挠曲电效应会更加的显著。基于这些优势，挠曲电效应受到了越来越多的关注。
目前已有利用弯曲悬臂梁、弯曲薄膜、使用金字塔样品、梯形样品等方法产生挠曲电效应，并指出挠曲电效应具有明显的尺寸依赖关系，但是上述方法都是在准静态产生挠曲电的方法。由此可见，亟需发展以动态的方式产生挠曲电效应，为未来挠曲电效应在动态和中高频方向调控电子器件的性能奠定基础。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种产生挠曲电的结构和方法，其目的在于为挠曲电效应在动态和中高频方向调控电子器件的性能奠定基础。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种产生挠曲电的结构，包括：集成设置于压电衬底上表面的叉指换能器Ⅰ、叉指换能器Ⅱ及位于所述叉指换能器Ⅰ、叉指换能器Ⅱ之间的至少一个薄膜器件；所述叉指换能器Ⅰ、叉指换能器Ⅱ的材料、尺寸和频率均相同；
所述叉指换能器Ⅰ、叉指换能器Ⅱ被同时施加频率、幅值、相位均相同的正弦电压信号时产生XY平面内振动的声表面波驻波，使所述至少一个薄膜器件受到周期性的拉伸，从而产生挠曲电效应。
优选地，所述至少一个薄膜器件位于所述声表面波驻波波腹处，与所述叉指换能器Ⅰ、叉指换能器Ⅱ之间的位置满足以下关系式：
Δx＝n(a+b)
其中，a表示叉指换能器指条的宽度；b表示叉指换能器指间的间距；Δx表示叉指换能器I最后一根叉指电级中心点和第n个薄膜器件中心点的间距，n为整数。
优选地，所述薄膜器件的介电层的厚度为10nm～20nm。
优选地，所述薄膜器件的尺寸小于所述声表面波的波长。
优选地，所述叉指换能器Ⅰ、叉指换能器Ⅱ的电极材料为Cr和Au。
优选地，所述压电衬底的上表面为抛光面，所述下表面为粗糙面。
优选地，所述压电衬底的材料为64°Y方向切割、X方向传播的LiNbO3单晶片。
按照本发明的第二方面，提供了一种产生挠曲电的方法，应用于如第一方面所述的结构，包括：
对所述叉指换能器Ⅰ、叉指换能器Ⅱ同时施加频率、幅值、相位均相同的正弦电压信号，以产生XY平面内振动的声表面波驻波，使至少一个薄膜器件受到周期性的拉伸，从而产生挠曲电效应。
通过探针台扎针的方法将处于驻波波腹处薄膜器件(3)和测量仪器相连接，通过测量仪器测量在挠曲电作用下产生的电压信号。
优选地，所述测量仪器为示波器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的产生挠曲电的结构和方法，将叉指换能器和薄膜器件进行片上集成，同时给两侧的叉指换能器施加频率、相位、幅值相同的正弦波，由于薄膜器件的上电极未施加任何载荷，在声表面波的周期性拉伸的作用下薄膜器件的介质层会产生应变梯度，周期性变化的应变梯度会产生极化电荷，即产生了挠曲电效应，为挠曲电效应在动态和中高频方向调控电子器件的性能提供了新思路。此外，本发明提供的方法能够通过这种结构产生挠曲电效应对薄膜器件的表面无损伤，对挠曲电能量采集、挠曲电传感等方面的应用发展具有重要的意义。
2、本发明提供的产生挠曲电的结构和方法，将至少一个薄膜器件设置于叉指换能器Ⅰ、叉指换能器叉指换能器Ⅱ在被施加频率、相位、幅值相同的正弦波时产生的声表面波驻波的波腹处，位于波腹处的薄膜器件在声表波的作用下受到的拉伸强烈，产生的挠曲电效果更强。
3、本发明提供的产生挠曲电的结构和方法，薄膜器件单元的尺寸小于声表面波的波长，薄膜器件的上电极未施加任何载荷，在声表面波的周期性拉伸的作用下薄膜器件的介质层会产生应变梯度，应变梯度会引起电极化，当薄膜器件的单元尺寸小于声表面波的波长时，产生的电极化不会相互抵消。
4、本发明提供的产生挠曲电的结构和方法，可设计不同频率的叉指换能器，由于波长决定了应变梯度的大小，因此波长较小的高频声表面波驻波产生的挠曲电效应更强烈，因此，可通过改变叉指换能器的频率来改变声表面波驻波的波长，从而改变挠曲电效应的强度，因此可以通过挠曲电效应在动态和中高频方向调控电子器件的性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的产生挠曲电的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种产生挠曲电的结构，如图1所示，包括：集成设置于压电衬底1上表面的叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器叉指换能器Ⅱ4及位于所述指换能器Ⅰ2、叉指换能器叉指换能器Ⅱ4之间的至少一个薄膜器件3；所述叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器叉指换能器Ⅱ4的材料和尺寸相同，频率相同；
所述叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器叉指换能器Ⅱ4被同时施加频率、幅值、相位均相同的正弦电压信号时产生XY平面内振动的声表面波驻波5，使所述至少一个薄膜器件3受到周期性的拉伸，从而产生挠曲电效应。
可以理解的是，本实施例中，所采用薄膜器件3，从下到上依次由下电极(Pt)、功能层(介电层，如SiO2；HfO2)和上电极(W)三部分组成。下电极的厚度为100nm；功能层的厚度为10nm；上电极的宽度为100μm。
所述薄膜器件3位于叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器Ⅱ4之间，叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器Ⅱ4产生的声表面波的传播方向上。
优选地，所述薄膜器件3与压电衬底1之间存在导电黏附层，所述导电黏附层与压电衬底1形成共价键，同时该导电黏附层与薄膜器件3下电极形成金属键。
优选地，所述薄膜器件3的尺寸小于所述声表面波的波长。
叉指换能器的指条宽度和指条间距都是100μm。两叉指换能器产生的声表面波波长λ＝2×(指条宽度+指条间距)＝400μm，声表面波频率f＝v/T，v是声表面波速度约为4000m/s，从而声表面波频率为10MHz。两侧的叉指换能器产生声表面波，相向传播的声表面波在两侧叉指换能器之间的区域进行叠加，形成声表面驻波。由于薄膜器件3的上电极未施加任何载荷，且薄膜器件3尺寸小于声表面波的波长，在声表面波的周期性拉伸的作用下薄膜器件3的介质层会产生应变梯度，周期性变化的应变梯度会产生极化电荷，即产生了挠曲电效应。
将不同频率的叉指换能器和至少一个薄膜器件3在同一个压电衬底1上进行集成(即两个叉指换能器和至少一个薄膜器件3均位于压电衬底1的上表面)，对同一压电衬底1上的一对叉指换能器同时施加频率、幅值、相位均相同的正弦波信号，由于逆压电效应，位于所述至少一个薄膜器件3两侧的叉指换能器均产生声表面波，相向传播的声表面波在两侧叉指换能器之间的区域进行叠加，从而在两侧叉指换能器之间的区域形成声表面驻波，在所述声表面驻波的作用下，所述至少一个薄膜器件3会受到周期性的拉伸。由于薄膜器件3的上电极未施加任何载荷，在声表面波的周期性拉伸的作用下，薄膜器件3的介质层发生非均匀的应变，即薄膜器件3的介质层会产生应变梯度，周期性变化的应变梯度会产生极化电荷，即产生了挠曲电效应。
且薄膜器件3的尺寸小于声表面波波长。压电衬底1上的叉指换能器产生声表面波，而薄膜器件3的上电极未施加任何载荷，在声表面波的周期性拉伸的作用下薄膜器件3的介质层会产生非均匀的应变，周期性变化的应变梯度会产生极化电荷，即产生了挠曲电效应。本发明将声表面波和薄膜器件3通过片上集成产生了挠曲电效应，这为挠曲电效应在动态和中高频方向调控电子器件的性能提供了新思路。
优选地，所述正弦电压信号的幅值不超过所述压电衬底1最大承受电压。本实施例中，将压电衬底1非抛光面粘贴在电路板上，并将电路板上的印刷电路通道与叉指换能器进行引线，对两对叉指换能器同时施加幅度为1V，频率为10MHz的正弦电压信号。
优选地，至少一个薄膜器件3位于所述声表面波驻波5波腹处(即将所述至少一个薄膜器件3设置于压电衬底1上的叉指换能器产生声表面波传播的方向上)，与所述叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器叉指换能器Ⅱ4之间的位置满足以下关系式：
Δx＝n(a+b)
其中，a表示叉指换能器指条的宽度；b表示叉指换能器指间的间距；Δx表示叉指换能器I最后一根叉指电级中心点和第n个薄膜器件3中心点的间距，n为整数。
具体地，将薄膜器件3与叉指换能器进行片上集成，使得薄膜器件3位于声表面波驻波5的波腹处，位于波腹处的薄膜器件3在声表波的作用下受到的拉伸强烈，产生的挠曲电效果更强。
优选地，所述薄膜器件3的介电层的厚度为10nm～20nm。
具体地，薄膜器件3的厚度在纳米量级。由于应变梯度和材料的特征尺寸成反比，当器件微缩至纳米尺度时，挠曲电效应会更加的显著。
优选地，所述叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器Ⅱ4的电极材料为Cr/Au。
具体地，叉指换能器的电极材料为Cr/Au，厚度一般为50nm-100nm。
其中金属Cr的作用为Au和压电衬底1的黏附层，即金属Cr可以增加金属薄膜Au与衬底的黏附性。
优选地，所述叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器Ⅱ4与所述压电衬底1的接触面(即压电衬底1的上表面)为抛光面，所述压电衬底1的下表面为粗糙面。
具体地，压电衬底1的上表面为抛光面，有利于声表面波的传播，减小损耗。压电衬底1的下表面为粗糙面，有利于减小声表面波的反射。
优选地，所述压电衬底1的材料为64°Y方向切割、X方向传播的LiNbO3单晶片，即64°YX-LiNbO3。
具体地，LiNbO3单晶片的机电耦合系数较大，插入损耗小。在LiNbO3单晶片的抛光面上制备叉指换能器可以降低声表面波的传播损耗。
本实施例中，压电衬底1采用64°YX-LiNbO3，尺寸为30×15×0.5mm，单面抛光。
本发明实施例提供一种产生挠曲电的方法，应用于如上述任一实施例所述的结构，包括：
对所述叉指换能器Ⅰ2、叉指换能器叉指换能器Ⅱ4同时施加频率、幅值、相位均相同的正弦电压信号，以产生XY平面内振动的声表面波驻波5，使所述至少一个薄膜器件3受到周期性的拉伸，从而产生挠曲电效应。
具体地，对两侧的叉指换能器用时施加频率、幅值均相同的正弦电压信号，由于逆压电效应，两侧的叉指换能器均会产生声表面波，相向传播的声表面波在两侧叉指换能器之间的区域进行叠加，从而形成声表面驻波。
优选地，所述方法还包括：通过测量仪器测量所述薄膜器件3在挠曲电效应下产生的电压信号；优选地，所述测量仪器为示波器。
具体地，例如，当所述至少一个薄膜器件3位于驻波波腹处时，通过探针台扎针的方法将处于驻波波腹处薄膜器件3和示波器相连接，由于薄膜器件3的上电极未施加任何载荷，在声表面波的周期性拉伸的作用下薄膜器件3的介质层会产生应变梯度，应变梯度会引起电极化，通过示波器可以测量到薄膜器件3产生的正弦电压信号。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种产生挠曲电的结构，其特征在于，包括：集成设置于压电衬底（1）上表面的叉指换能器Ⅰ（2）、叉指换能器Ⅱ（4）及位于所述叉指换能器Ⅰ（2）、叉指换能器Ⅱ（4）之间的至少一个薄膜器件（3）；所述叉指换能器Ⅰ（2）、叉指换能器Ⅱ（4）的材料、尺寸和频率均相同；
所述叉指换能器Ⅰ（2）、叉指换能器Ⅱ（4）被同时施加频率、幅值、相位均相同的正弦电压信号时产生XY平面内振动的声表面波驻波（5），使所述薄膜器件（3）受到周期性的拉伸，从而产生挠曲电效应；
所述压电衬底（1）的材料为64°Y方向切割、X方向传播的LiNbO3单晶片；所述压电衬底（1）的上表面为抛光面，下表面为粗糙面；
所采用薄膜器件（3），从下到上依次由下电极、功能层和上电极三部分组成；下电极材料为Pt、功能层即介电层材料为SiO2; HfO2，上电极材料为W；下电极的厚度为100 nm；功能层的厚度为10 nm；上电极的宽度为100 μm；
所述薄膜器件（3）的尺寸小于所述声表面波的波长；
所述薄膜器件（3）位于所述声表面波驻波（5）波腹处，与所述叉指换能器Ⅰ（2）、叉指换能器Ⅱ（4）之间的位置满足以下关系式：
Δx =n(a+b)
其中，a表示叉指换能器指条的宽度；b表示叉指换能器指间的间距；Δx表示叉指换能器I最后一根叉指电级中心点和第n个薄膜器件（3）中心点的间距，n为整数；
所述叉指换能器Ⅰ（2）、叉指换能器Ⅱ（4）的电极材料为Cr和Au。
2.一种产生挠曲电的方法，应用于根据权利要求1所述的一种产生挠曲电的结构，其特征在于，包括：
对所述叉指换能器Ⅰ（2）、叉指换能器Ⅱ（4）同时施加频率、幅值、相位均相同的正弦电压信号，以产生XY平面内振动的声表面波驻波（5），使薄膜器件（3）受到周期性的拉伸，从而产生挠曲电效应。
3.根据权利要求2所述的一种产生挠曲电的方法，其特征在于，还包括：通过探针台扎针的方法将处于驻波波腹处薄膜器件（3）和测量仪器相连接，通过测量仪器测量在挠曲电作用下产生的电压信号。
4.根据权利要求3所述的一种产生挠曲电的方法，其特征在于，所述测量仪器为示波器。
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