PZT压电薄膜体声波谐振器制备研究

发布时间：2020-11-20 03:19

　　 随着无线通讯技术的高速发展,通讯终端多功能化(如GPS导航、数据传输等)的市场需求日异强烈,以及星载、机载、弹载等电子系统对元器件体积、功耗等因素的严格要求,研制具有高Q值、微型化、集成化特点的高性能频率器件成为无线通讯发展的关键部分。提出一种基于PZT压电效应薄膜体声波谐振器,对高性能频率器件的发展具有重要的意义。论文深入讨论了薄膜体声波谐振器的工作机制,详细地阐述了FBAR器件基本电学等效模型及建模方法,借助ADS电学仿真、Comsol有限元仿真,研究了压电材料厚度及种类,电极材料种类及形状,谐振区域面积等物理结构对FBAR阻抗特性的影响。基于仿真结果优化设计了器件尺寸,最优尺寸下分析谐振中心区域压电层的位移分布,结合PZT压电薄膜应变范围,论证器件结构可行性,结合MEMS加工工艺,确定器件加工技术路线,完成版图设计。采用sol-gel技术完成了PZT压电薄膜晶圆级异质集成,得到了成膜致密、取向性良好、厚度均匀的压电薄膜,最优匹配了FBAR器件的材料属性要求。采用MEMS体硅、平面加工工艺完成了薄膜体声波谐振器基础芯片制备,针对支撑层释放工艺成品率低的技术瓶颈,创新性地提出了TMAH气相刻蚀方法,实现体硅加工的高均匀性、低粗糙度的阵列平面一体化刻蚀,解决了高质量薄膜释放湿法刻蚀技术难题。最后,自主搭建测试平台初步完成原型样机S参数测试实验。实验结果表明,基础芯片串联谐振频率f_s=1.147GHz,并联谐振频率f_p=1.209GHz,带宽为62MHz,器件机电耦合系数k~2_(tff)=12.65%,与仿真结果差距较小,得到了较满意的实验结果。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN751.2
【部分图文】：

图 1.1 FBAR器件相对于传统器件的性能优势膜体声波谐振器的国内外研究动态世纪60年代初期，为了拔高石英晶振的工作频段， 体声波 器件应运而生ewell制成了第一个固体装配型谐振器[8]，该器件采用了布拉格反射层结构加工工艺水平的限制，只是个实验室的概念，未能实现商业化应用。压电器的概念是1980年由三个研究小组各自独立提出的[9]。最早提出的背腔刻撑层一般由一层p型掺杂的Si、SiO2或Si3N4充当，压电材料为ZnO，电极t。衬底采用（100）取向的Si，利用Si的各向异性刻蚀将压电振荡堆漏出，为自停止层完成刻蚀。20世纪90年代，声表面波器件（SAW）加工工艺逐渐AW的滤波器和双工器逐渐被广泛应用于无线通信系统，成为主要的频率器BAR性能尚不足以与SAW相比，这种情况在20世纪末未发生改变。美国麻

微系统实验室采用硅刻蚀技术和键合技术，构造出压电薄膜悬空的密封腔，得到了基模中心频率为1.35GHz、品质因数为540、机电耦合系数为6.4%、插损为3dB的AlN薄膜体声波谐振器（如图1.2），并在集成电路中得到首次应用[12]。（a）器件结构图 （b）器件集成电路图1.2 麻省理工学院AlN谐振器结构及应用图近年来，全球参与FBAR研究的机构众多，企业单位如美国的Motorola公司，德国的 EPCOS公司，芬兰的 Nokia公司，日本的 Fujutsu公司，韩国的 Samsung公司等；学术单位如美国麻省理工学院

该结构明显地提高了谐振器的性能[19]。艺探索方面主要针对谐振频率的精确控制、材料改性、新颖器S工艺集成性的增强、牢固可靠的封装技术等问题。新加坡微电通过引入SiO2和Si3N4保护层（如图1.3），成功地解决了当使用牺牲层时压电层AlN和Mo电极之间的粘附问题，以及刻蚀气问题，进一步提高了FBAR器件与CMOS工艺的兼容性[20]；Kim谐振器制备工艺步骤多的问题，创新性提出了使用Mg作为牺牲大简化了工艺过程[21]；天津大学的庞慰和张浩教授课题组研究AR传感器，并对体声波的液相响应进行了分析，并通过分子单现了器件的可调谐性，其频率移动高达20 MHz[22]；清华大学次在柔性基底上实现了AlN基FBAR器件的制备[23]，经过数次弯好的谐振性能（如图1.3），这对柔性无线电子器件的发展具有
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 娄利飞,杨银堂,李跃进,张军琴;PZT压电薄膜微传感器的优化设计[J];机械设计与研究;2005年01期

2 高晓光;杜立群;吕岩;;PZT压电薄膜无阀微泵[J];功能材料与器件学报;2008年04期

3 刘园园;谭晓兰;;基于PZT压电薄膜的压力传感器工艺研究[J];压电与声光;2017年06期

4 杜立群;高晓光;董维杰;吕岩;;PZT压电薄膜无阀微泵的制备工艺及实验研究[J];压电与声光;2008年04期

5 蒋锐;胡小方;许晓慧;伍小平;;纳米压痕法研究PZT压电薄膜的力学性能[J];实验力学;2007年06期

6 周嘉,黄宜平;PZT压电薄膜的压电系数d_(31)的测量及其微悬臂梁简谐振动模拟[J];复旦学报(自然科学版);2002年02期

7 杨冰,杨银堂,李跃进;PZT压电薄膜在微传感器中的应用[J];传感器技术;2003年12期

8 娄利飞;杨银堂;李跃进;张萍;;硅基PZT压电薄膜微传感器的结构设计和实验研究[J];半导体学报;2007年05期

9 山之内和彦,大场正规,郭秀芬;新支撑结构空隙型压电薄膜复合谐振器[J];压电与声光;1990年04期

10 娄利飞;杨银堂;李跃进;;用于微传感器中PZT压电薄膜的制备和图形化[J];压电与声光;2008年04期

相关博士学位论文 前10条

1 刘梦伟;基于双压电PZT薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究[D];大连理工大学;2006年

2 言智;ZnO压电薄膜谐振器及BYFO多铁体研究[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2007年

3 毕晓猛;氮化铝压电薄膜的反应磁控溅射制备与性能表征[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年

4 翟亚红;基于PZT的高可靠铁电存储器关键技术研究[D];电子科技大学;2013年

5 刘海涛;PZT压电陶瓷纳米晶粉体合成及掺杂改性研究[D];哈尔滨工程大学;2005年

6 许晓慧;基于PZT厚膜的MEMS微变形镜[D];中国科学技术大学;2008年

7 马智超;纳米结构PZT的制备及光学性能[D];华中科技大学;2016年

8 谢睿;精细结构PZT陶瓷阵列的新型凝胶注模成型研究[D];中南大学;2014年

9 陈晓洁;基于MEMS的d_(31)模式PZT能量收集器研究[D];黑龙江大学;2015年

10 刘红梅;用于MEMS的PZT压电厚膜及硅基压电悬臂梁的制备研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 胡磊;PZT压电薄膜体声波谐振器制备研究[D];中北大学;2018年

2 吕岩;基于PZT压电薄膜的微驱动器研究[D];大连理工大学;2006年

3 童聪阳;PVDF-HFP/rGO-tfb压电薄膜表面介孔二氧化硅多层膜药物释放的研究[D];中国地质大学(北京);2018年

4 李想;基于压电薄膜的宽频俘能器仿真与实验研究[D];吉林大学;2017年

5 孟仁俊;PVDF压电薄膜传感器的研制[D];东华大学;2009年

6 高晓光;用于微流控芯片的压电薄膜微泵研究[D];大连理工大学;2008年

7 孙宇;基于压电薄膜的结构应变与损伤检测研究[D];大连理工大学;2006年

8 任程诚;基于PVDF压电薄膜的脉博传感器设计[D];大连理工大学;2011年

9 庞建伟;一种新型压电薄膜驱动微定位平台分析与建模研究[D];山东大学;2017年

10 邵春玉;PZT压电薄膜的改性研究[D];大连理工大学;2006年

本文编号：2890862