氮化铝声表面波器件及其在温度传感中的应用

发布时间：2020-07-03 02:29

【摘要】：声表面波器件广泛应用于电子学和通信中,包括谐振器、滤波器等等。它同样广泛应用于传感器中,包括温度传感器,压力传感器,气体传感器等等。现在,声表面波器件往高频率、高品质因数方向发展。高频率的声表面波器件可以提高器件的通信容量或者传感器的灵敏度;高品质因数的声表面波器件可以用于低噪声设计或者提高传感器的分辨率。AlN/Sapphire正是制作高频率、高品质因数的声表面波器件的理想衬底材料之一,它具有很多优良的特性:传播声速快(5700 m/s)、传播损耗小(0.7 mdB/A)、抗氧化温度高、等等。衬底材料的晶体质量对声表面波器件的插入损耗、机电耦合系数等参数有重要的影响。目前,用氢化物气相外延(HVPE)方法可以在Sapphire衬底材料上生长出高晶质量的AlN薄膜,其厚度可以在5μm上;表面粗糙度在5 nm以下;晶体的位错密度在108 cm-2以下。晶体质量的提高,将会进一步推动AlN/Sapphire衬底材料在声表面波器件方面的应用。在本论文中,我们在高晶质量的AlN/Sapphire衬底材料上设计、制作了单端口声表面波谐振器、单端口表面声子晶体谐振器和声表面波延迟线,并取得了以下结果:1、根据单端口声表面波谐振器的结构,我们在AlN/Sapphire衬底材料上设计和制作了单端口表面声子晶体谐振器。与单端口声表面波谐振器不同的是,单端口表面声子晶体谐振器有两个共振模式。根据有限元分析模拟的结果,这两个共振模式可能是因为单端口表面声子晶体谐振器的双谐振腔结构。由于单端口表面声子晶体谐振器表现出了双共振模式的特点。我们提出了同时使用两个共振频率的差频制作温度传感器的方案。该温度传感器的最终的的温度系数为-99.30 ppm/℃,是单端口谐振器的温度系数的两倍。2、沿着[11-20]AlN/[1-100]A1203晶向和[1-100]AlN/[11-20]A1203 晶向,我们别分设计、制作了一系列的声表面波延迟线,并且系统地表征了这些延迟线的插入损耗,机电耦合系数,相速度,温度系数。我们发现机电耦合系数的实验测量值几乎是模拟计算值的两倍。这暗示了,除了层状结构,AlN薄膜和Sapphire衬底材料之间的热失配效应对机电耦合系数有着重要的影响。我们讨论了声表面波的波速,热膨胀系数和温度系数三者之间的关系。结果显暗示了,在某个确定的晶向上,热膨胀系数是影响温度系数的主要因素,而不同方向的温度系数的差异主要来自于声表面波相速度的差异。3、我们提出了AlN/Sapphire各向异性的声表面波双延迟线温度传感器的模型,并理论研究、计算了该温度传感器的温度系数。结果显示,利用声表面波延迟线在这两个晶向的响应中心频率的差频,AlN/Sapphire各向异性的双延迟线声表面波传感器或许可以实现高灵敏的温度探测。我们设计、制作了一个响应中心频率为352.72 MHz,品质因数约为2841的声表面波延迟线型振荡器。初步具备了制作AlN/Sapphire各向异性的双延迟线温度传感器的实验条件。4、使用有限元分析方法,我们模拟、计算了声表面波在[11-20]A1N/[1-100]A1203晶向上的相速度和群速度的分布。模拟结果显示,在[11-20]AlN/[1-100]A1203晶向上,声表面波的相速度和群速度差异不大。这说明声表面波在AlN/Sapphire衬底上色散较小。在高晶体质量的AlN/Sapphire衬底材料上,我们初步设计、制作了反射镜中电极数目Ng=700的单端口声表面波谐振器,该声表面波谐振器的品质因数为7500。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN65;TP212
【图文】：

示意图,声表面波,示意图,衬底材料

声表面波在半无限弹性衬底材料的表面传播时，称为瑞利波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ逡逑Ｗａｖｅ）。它是一种能量集中于衬底材料表面，并在衬底材料表面传播的机械波，逡逑其示意图如图１．１。声表面波的波长是Ａ0，以速度抑向右传播。该声表面波的逡逑能量主要集中在表面以下一个的狭窄的区域内，该区域的厚度又称为声表面逡逑波的穿透深度。声表面波在衬底材料表面传播时，质点的位移分量Ａ平行于衬逡逑１逡逑

声表面波延迟线,结构示意图,叉指换能器

器、振荡器等电子学器件的基本结构之一，同时也是制作传感器的基本结构之逡逑一。如图１．２所示，它是由两个面对面的叉指换能器组成。顾名思义，声表面逡逑波延迟线具有时间延迟的功能，它的延迟时间为逡逑Ｔｄｅｌａｙ邋＝逦（１－２）逡逑Ｖ０是声表面波的传播速度，ｄ是两个叉指换能器的中心间距。逡逑ＶＮＡ逦ＶＮＡ逡逑图１．２声表面波延迟线的结构示意图。ＶＮＡ是矢量网络分析仪。逡逑在矢量网络分析仪（Ｖｅｃｔｏｒ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ａｎａｌｙｚｅｒ，ＶＮＡ）的扫频电压信号控制逡逑下，叉指换能器变化在压电衬底材料上激发出声表面波［１０］。声表面波从一个逡逑叉指换能器传播到另一个叉指换能器会有一定的能量损失，这个能量损失叫做逡逑插入损耗（Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ邋ｌｏｓｓ，邋ＩＬ）。同时，叉指换能器对矢量网络分析仪的输入电逡逑压信号有反射作用，称为反射损耗（ＲｅｔｕｒｎＬｏｓｓ，ＲＬ）。插入损耗和反射损耗一逡逑２逡逑

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