TE模体声波谐振器的力敏机理研究

发布时间：2020-08-18 09:28

【摘要】：随着薄膜体声波谐振器(FBAR)技术的发展,FBAR传感器的应用也越来越广泛,如微质量传感器、微加速度计、压力传感器、温度传感器、生物传感器等。微加速度计和压力传感器均属于力学传感器。力学传感器的基本原理为FBAR力敏机理,即力载荷作用在力学传感器上,使得FBAR变形,从而导致FBAR谐振频率偏移。本文旨在解决FBAR力敏机理的两个关键问题:理论基础和预测方法。FBAR力敏机理可以分为应力负载效应和电极化效应。变形的FBAR内会产生内应力与内电场。应力负载效应是由内应力导致FBAR谐振频率偏移的现象。电极化效应是由内电场导致FBAR谐振频率偏移的现象。分别对应力负载效应和电极化效应进行研究,建立两种效应的数学模型。其中应力负载效应是主要的。并针对非线性的应力负载效应,提出了能准确预测FBAR力学传感器灵敏度的方法。建立了应力负载效应的数学模型。基于非线性电弹性理论,利用叠加于有限偏场之上的小增量场理论描述了应力负载效应。将压电体分为三种构型:参考构型、初始构型和现时构型。外界力载荷为偏场,使压电体从参考构型变为初始构型。交变电场为小增量场,使压电体从初始构型变为现时构型。构建小增量场的压电本构方程。方程系数与偏场有关,并由有效材料参数表示。结合边界条件和变分公式,得到关于应力负载效应的完整数学模型。提出了摄动与有限元联合求解方法。利用COMSOL计算了FBAR力学传感器受外界载荷作用下,压电层AlN的平均偏置应力。在COMSOL中计算了FBAR的谐振频率与相应的振型。利用第一性原理得到了内应力与弹性常数的关系,结合摄动积分公式,得到FBAR力学传感器的灵敏度。结合两个案例验证了该方法的可行性。将该方法与基于Mason模型的多尺度计算方法、基于有限元的多尺度计算方法对比,验证了该方法的准确性。建立电极化效应的解析模型。基于线性压电理论,推导出了FBAR谐振频率与直流偏置电压的关系。利用正压电效应中外力与直流电压的表达式,得到了外界力载荷与FBAR谐振频率的关系。利用一个案例证明了电极化效应可以被忽略,FBAR力敏机理主要为应力负载效应。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN65
【图文】：

高性能,传感器,弹性常数,谐振频率

( )1d2cPf Pd = ，其中 P 为外界压力，d 为 FBAR 厚度，c 为弹性常数。通过以上三个公式，分别计算纵波模式下和剪切波模式下，弹性常数、厚度、密度对 FBAR 谐振频率的偏移量，叠加得到总频率偏移量。并与实验对比，频率灵敏度基本一致，均在 10-2Hz/Pa 的量级。但实际在应变传感器感受到应变时，并不是简单的拉压形变，谐振器产生的应变与应力分布也是不均匀的，Waber 并没有给出解决该问题的方法，以及预测其频率灵敏度相应的模型。2007 年，Chiu 等[18]报道了一种高灵敏度 FBAR 传感器。该传感器可以同时测量环境温度和压力，其结构如图 1-2 所示。其中 FBAR 属于反面刻蚀型，压电材料为氮化铝(AlN)。该传感器直接将 FBAR 作为敏感膜片，并放置于空气中，因此该传感器测量的是表压。FBAR 膜片感受到压力而弯曲，从而导致谐振频率偏移。这与 Weber 报道的压力传感器工作原理相似。Chiu 认为导致 FBAR 谐振频率漂移的原因是：压电层的弹性常数和密度的变化。影响 TE 模 FBAR 谐振频率的主要因素是纵波声速和 FBAR压电层的厚度。而影响纵波声速的主要因素是压电材料的弹性常数和密度。当 FBAR受到机械应力变化或温度变化时，压电材料的弹性常数和密度都会变化，从而导致FBAR 的谐振频率发生偏移。

串联谐振频率,室温,弹性常数,谐振频率

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西南科技大学2007 年，Campanella 等人[14]报道了一(SEM, scanning electron microscope)图如图2009 年 Campanella[15]在嵌入式 FBAR 微加面刻蚀型 FBAR，优化设计出了 FBAR-梁的中的压电材料均为 AlN。这两种结构的微于嵌入式 FBAR 微加速度计时，质量较大撑梁上方的 FBAR 也随之变形，从而导致 F谐振频率偏移的原因为：FBAR 感受到支作用下，变形导致 FBAR 中的压电晶体的极产生电荷，使得 FBAR 谐振频率偏移。在速度计受到的加速度成正比。Campanella 只的频率灵敏度，一个支撑梁的静态加速度灵的电荷位移如何影响 FBAR 频率偏移，以不过与 Weber 提出的 FBAR 敏感机理不同

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