新型侧向场激励薄膜体声波谐振器的研究

发布时间：2017-03-26 08:13

  本文关键词：新型侧向场激励薄膜体声波谐振器的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：薄膜体声波谐振器(FBAR)作为一种新颖的射频MEMS器件,近年来受到了广泛的关注与研究。由于FBAR具有体积小、谐振频率高、与CMOS工艺兼容等特点,已在无线通信领域(滤波器、双工器等射频器件)取得了巨大的商业成功。同时,FBAR因谐振频率高而具有优异的传感灵敏特性,在微质量传感器、压力传感器、温度传感器、以及生物传感器领域具有广阔的应用前景,FBAR传感器正逐渐成为FBAR技术新的研究热点。FBAR器件按照体声波模式可分为纵波模式FBAR和剪切波模式FBAR。由于液体对纵波衰减较大但对剪切波几乎无衰减,因此剪切波模式FBAR更适合于应用在液相环境下的生物传感。FBAR的剪切波激励方式主要有厚度方向激励和侧向场激励两种。相比于需要控制压电薄膜c轴倾斜生长角度的厚度方向激励FBAR,侧向场激励FBAR的结构较为简单,且制备工艺重复性较好,被认为是最有前景的生物传感技术之一。为了提高器件的Q值,得到纯剪切波模式的FBAR,本论文探索研究了电极嵌入式结构的侧向场激励FBAR器件。论文的主要工作和取得的成果如下：1、详细综述了国内外FBAR技术的研究现状,在分析传统纵波模式FBAR声电特性的基础上,理论推导了侧向场激励FBAR的声场分布及电学谐振特性。2、利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,对三种新颖声学压电器件进行了系统的理论分析。1)柔性衬底上的声表面波器件；2)以聚酰亚胺为支撑层的任意衬底上的FBAR器件；3)电极嵌入式结构的侧向场激励FBAR器件。其中前两者进行了相应的实验验证,实验结果与仿真预测表现出良好的一致性。对于电极嵌入式结构的侧向场激励FBAR,本论文进行了详细的建模分析,系统研究了电极间距、电极宽度、电极对数及嵌入深度对器件性能的影响,得到了优化的设计方案。3、研究了侧向场激励FBAR器件的制备工艺。基于仿真结果设计了一系列侧向场激励FBAR器件的掩模板,并利用微纳加工平台制备了基于ZnO压电薄膜的背刻蚀型结构侧向场激励FBAR器件,网络分析仪测得器件的谐振频率在1.16 GHz左右,与仿真分析吻合良好,器件Q值可达470。利用0.4%稀盐酸溶液对压电层进行选择性腐蚀,成功制得了电极嵌入式结构的侧向场激励FBAR,器件的谐振频率为741MHz, Q值为119。上述相关成果发表在《Scientific Reports》和《压电与声光》期刊上。
【关键词】：薄膜体声波谐振器(FBAR) 侧向场激励(LFE) 电极嵌入式结构 氧化锌(ZnO)
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN65
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 课题研究背景14-15
• 1.2 FBAR概述15-19
• 1.2.1 FBAR工作原理和特点15-17
• 1.2.2 FBAR主流结构17-19
• 1.3 国内外研究现状19-25
• 1.3.1 纵波模式FBAR的研究现状19-20
• 1.3.2 剪切波模式FBAR的研究现状20-25
• 1.4 论文的研究内容和章节安排25-28
• 第二章 新型电极嵌入式结构侧向场激励FBAR的建模28-44
• 2.1 固体中的平面声波方程28-32
• 2.1.1 声学基本方程28-31
• 2.1.2 声波传输特性31-32
• 2.2 压电体中的声场与波32-36
• 2.2.1 压电现象32-33
• 2.2.2 压电方程33-36
• 2.3 纵波模式FBAR的理论模型36-40
• 2.4 电极嵌入式结构侧向场激励FBAR的理论模型40-42
• 2.5 本章小结42-44
• 第三章 新型FBAR的有限元仿真44-68
• 3.1 材料选取44-46
• 3.2 COMSOL有限元仿真步骤46-48
• 3.3 柔性SAW器件有限元仿真48-55
• 3.4 新型结构FBAR器件有限元仿真55-58
• 3.5 新型电极嵌入式结构侧向场激励FBAR有限元仿真58-66
• 3.5.1 电极间距影响59-60
• 3.5.2 电极宽度影响60-62
• 3.5.3 多对电极影响62
• 3.5.4 电极嵌入深度影响62-66
• 3.6 本章小结66-68
• 第四章 新型电极嵌入式结构侧向场激励FBAR的制备和测试68-86
• 4.1 实验室制备FBAR设备及工艺68-76
• 4.1.1 磁控溅射系统68-73
• 4.1.2 紫外光刻机73-75
• 4.1.3 DRIE刻蚀设备75-76
• 4.2 侧向场激励FBAR的制备和测试76-82
• 4.2.1 侧向场激励FBAR掩模板设计77-78
• 4.2.2 侧向场激励FBAR的制备78-79
• 4.2.3 侧向场激励FBAR器件性能测试79-82
• 4.3 电极嵌入式结构侧向场激励FBAR的制备和测试82-85
• 4.3.1 电极嵌入式结构侧向场激励FBAR的制备82-83
• 4.3.2 电极嵌入式结构侧向场激励FBAR的性能测试83-85
• 4.4 本章小结85-86
• 第五章 总结与展望86-88
• 5.1 论文的主要研究内容86-87
• 5.2 论文的不足之处及展望87-88
• 参考文献88-98
• 个人简历及在校期间所取得的科研成果98

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