高品质因数压电微机械谐振器的研究
发布时间：2021-07-09 04:43
微机械谐振器是基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术设计和制造的一种声学谐振器,相较于传统的电学谐振器,其尺寸可以大幅减小,并且具有低功耗和高集成度的优点。因此,随着电子设备小型化的发展趋势,微机械谐振器在传感和无线通信领域中有着广阔的应用前景。然而,采用压电换能方式的微机械谐振器的品质因数通常比较低,从而严重限制了其在多个领域中的实际应用,比如:低相位噪声振荡器、高灵敏度传感器和窄带滤波器。因此,为了推进压电微机械谐振器在众多领域中的实际应用,需要研究提升其品质因数的方法。在各种类型的压电微机械谐振器中,本文主要对硅上压电薄膜（TPoS）结构进行研究,因为该种结构的谐振器机电耦合系数相对较高,且可以实现单片多频输出。为了提升TPoS谐振器的品质因数,本文对声子晶体进行了深入研究,因为声子晶体所产生的声学带隙可以用于抑制谐振体中的声波通过支撑梁向外耗散,从而能够显著减小锚点损耗以提升品质因数。本文的主要研究内容包括:首先,本文设计并加工了一种集成在谐振器支撑梁上的一维块状声子晶。通过对该声子晶体的带隙结构进行仿真,验证了其在谐振频率处存在部...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电学滤波器与声学滤波器的体积对比
第一章绪论3ratio,SNR）的传感器以及具有大噪声抑制比的滤波器都是非常重要的[11-14]。综上所述，MEMS谐振器在诸多领域都有着诱人的应用前景，而研究具有高品质因数的MEMS谐振器对于实现这些应用有着重要意义。1.2声学谐振器的研究现状声学谐振器所具有的优异性能在众多领域都有着广阔的应用前景，然而声学谐振器的结构多种多样且各有特点，对于不同领域的应用应该选择合适的谐振器类型。因此，本节首先对几种常见的声学谐振器进行详细的介绍，并指出本文所要研究的硅上压电薄膜（Thin-filmPiezoelectric-on-Silicon,TPoS）结构的谐振器，接着对目前国内外已有的提升TPoS谐振器品质因数的方法进行概述。1.2.1声学谐振器的分类声学谐振器是一种机电转换器件，首先按照能量转换方式的不同可以分为电容式和压电式两种，如图1-2所示。电容式谐振器是通过改变谐振体与电极之间的间隙来实现机电转换，具有可以与石英晶体谐振器相媲美的品质因数，但是其结构较为复杂，而且在空气中工作时动态阻抗过大，因此必须采用真空封装，将会增加器件的体积和成本[15,16]。而压电式谐振器通过压电材料实现机电转换，机电耦合系数较高，而且空气不会影响器件的动态阻抗，因此不必采用真空封装，这些优点使其得以被广泛的研究和应用。但是，压电式谐振器中除了石英晶体谐振器以外，其他类型谐振器的品质因数都远远小于电容式的谐振器，通常只有1,000-5,000，因此亟待提出一些提升压电式谐振器品质因数的方法。图1-2两中不同换能方式的声学谐振器。(a)电容式[17]；(b)压电式[18]常见的压电式谐振器类型有石英晶体谐振器，声表面波谐振器（SurfaceAcousticWave,SAW），薄膜体声波谐振器（FBAR）和MEMS谐振器，如图1-3所
电子科技大学硕士学位论文4示。在这几种谐振器中，石英晶体谐振器的品质因数远远高于其他类型的谐振器，而且具有优异的频率稳定性和温度稳定性，因此已经被广泛应用于振荡器中[19,20]。但是，由于石英晶体谐振器的谐振频率与其晶体厚度成反比，受限于目前的工艺水平，很难将晶体切割的很薄，故石英晶体谐振器无法达到较高的谐振频率，通常小于500MHz。此外，石英晶体谐振器还有着尺寸较大，抗冲击性差且不能与硅基的CMOS电路集成的缺点，从而无法满足对小尺寸和高集成度有着严格要求的电子设备。图1-3四种常见类型声学谐振器的结构示意图。(a)石英晶体谐振器；(b)声表面波谐振器；(c)薄膜体声波谐振器；(d)硅上压电薄膜微机械谐振器SAW和FBAR是目前已经被应用的声学谐振器，它们的主要区别在于声波传播位置的不同，SAW的声波是沿着压电基底的表面传播，谐振频率是由IDT（InterdigitalTransducer）电极的周期距离决定；FBAR的声波是在压电薄膜体内传播，谐振频率是由压电薄膜的厚度决定。因此，FBAR的工作频率要高于SAW，但是SAW可以通过改变IDT之间的间距在同一基底上实现多频输出，而FBAR在同一基底上只能设计为相同的频率。SAW的加工工艺相对成熟且成本低，因此基于SAW的滤波器在移动通信终端领域占有重要地位，但是受限于目前工艺中的线宽精度，其电极间距很难做到特别窄，所以SAW滤波器也无法满足高频应用，通常为10MHz-3GHz。FBAR的加工工艺较为复杂且成品率低，因此基于FBAR的滤波器通常应用于一些高端设备。但是，FBAR的工作频率可以高达5GHz，而且由于FBAR为悬浮结构，谐振体四周与空气接触，由于空气与谐振体材料之间的声阻抗相差很大，会产生声阻抗不匹配，因此FBAR的能量损耗较小，Q值更高。此外，FBAR还具有可以与硅基的CMO
【参考文献】：
博士论文
[1]声子晶体谐振器及其声能采集器研究[D]. 杨爱超.重庆大学 2015
[2]声子晶体局域共振带隙机理及减振特性研究[D]. 王刚.国防科学技术大学 2005
本文编号：3273052
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电学滤波器与声学滤波器的体积对比
第一章绪论3ratio,SNR）的传感器以及具有大噪声抑制比的滤波器都是非常重要的[11-14]。综上所述，MEMS谐振器在诸多领域都有着诱人的应用前景，而研究具有高品质因数的MEMS谐振器对于实现这些应用有着重要意义。1.2声学谐振器的研究现状声学谐振器所具有的优异性能在众多领域都有着广阔的应用前景，然而声学谐振器的结构多种多样且各有特点，对于不同领域的应用应该选择合适的谐振器类型。因此，本节首先对几种常见的声学谐振器进行详细的介绍，并指出本文所要研究的硅上压电薄膜（Thin-filmPiezoelectric-on-Silicon,TPoS）结构的谐振器，接着对目前国内外已有的提升TPoS谐振器品质因数的方法进行概述。1.2.1声学谐振器的分类声学谐振器是一种机电转换器件，首先按照能量转换方式的不同可以分为电容式和压电式两种，如图1-2所示。电容式谐振器是通过改变谐振体与电极之间的间隙来实现机电转换，具有可以与石英晶体谐振器相媲美的品质因数，但是其结构较为复杂，而且在空气中工作时动态阻抗过大，因此必须采用真空封装，将会增加器件的体积和成本[15,16]。而压电式谐振器通过压电材料实现机电转换，机电耦合系数较高，而且空气不会影响器件的动态阻抗，因此不必采用真空封装，这些优点使其得以被广泛的研究和应用。但是，压电式谐振器中除了石英晶体谐振器以外，其他类型谐振器的品质因数都远远小于电容式的谐振器，通常只有1,000-5,000，因此亟待提出一些提升压电式谐振器品质因数的方法。图1-2两中不同换能方式的声学谐振器。(a)电容式[17]；(b)压电式[18]常见的压电式谐振器类型有石英晶体谐振器，声表面波谐振器（SurfaceAcousticWave,SAW），薄膜体声波谐振器（FBAR）和MEMS谐振器，如图1-3所
电子科技大学硕士学位论文4示。在这几种谐振器中，石英晶体谐振器的品质因数远远高于其他类型的谐振器，而且具有优异的频率稳定性和温度稳定性，因此已经被广泛应用于振荡器中[19,20]。但是，由于石英晶体谐振器的谐振频率与其晶体厚度成反比，受限于目前的工艺水平，很难将晶体切割的很薄，故石英晶体谐振器无法达到较高的谐振频率，通常小于500MHz。此外，石英晶体谐振器还有着尺寸较大，抗冲击性差且不能与硅基的CMOS电路集成的缺点，从而无法满足对小尺寸和高集成度有着严格要求的电子设备。图1-3四种常见类型声学谐振器的结构示意图。(a)石英晶体谐振器；(b)声表面波谐振器；(c)薄膜体声波谐振器；(d)硅上压电薄膜微机械谐振器SAW和FBAR是目前已经被应用的声学谐振器，它们的主要区别在于声波传播位置的不同，SAW的声波是沿着压电基底的表面传播，谐振频率是由IDT（InterdigitalTransducer）电极的周期距离决定；FBAR的声波是在压电薄膜体内传播，谐振频率是由压电薄膜的厚度决定。因此，FBAR的工作频率要高于SAW，但是SAW可以通过改变IDT之间的间距在同一基底上实现多频输出，而FBAR在同一基底上只能设计为相同的频率。SAW的加工工艺相对成熟且成本低，因此基于SAW的滤波器在移动通信终端领域占有重要地位，但是受限于目前工艺中的线宽精度，其电极间距很难做到特别窄，所以SAW滤波器也无法满足高频应用，通常为10MHz-3GHz。FBAR的加工工艺较为复杂且成品率低，因此基于FBAR的滤波器通常应用于一些高端设备。但是，FBAR的工作频率可以高达5GHz，而且由于FBAR为悬浮结构，谐振体四周与空气接触，由于空气与谐振体材料之间的声阻抗相差很大，会产生声阻抗不匹配，因此FBAR的能量损耗较小，Q值更高。此外，FBAR还具有可以与硅基的CMO
【参考文献】：
博士论文
[1]声子晶体谐振器及其声能采集器研究[D]. 杨爱超.重庆大学 2015
[2]声子晶体局域共振带隙机理及减振特性研究[D]. 王刚.国防科学技术大学 2005
本文编号：3273052
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