新型MEMS压电谐振器若干问题的仿真与研究

发布时间：2017-06-29 18:10

  本文关键词：新型MEMS压电谐振器若干问题的仿真与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：MEMS谐振器的优点是超高的品质因数。一种新型的压电传导单晶硅MEMS谐振器的特点在于压电层驱动和单晶硅传导。由于单晶硅具有较大的能量密度,相比其他种类的谐振器具有更高的品质因数(Q值)同时也存在若干问题需要深入探讨和研究。本文完成了谐振频率在10MHz的该类谐振器器件的理论推导和设计,同时分析了该类谐振器的工作特性和器件特点,并将谐振器器件从结构到工艺到测试的所有芯片制作技巧进行了详尽的论述。其中还创新性的改进了谐振器锚点的机械结构以进一步减少锚点损耗。首先的问题是如何有效的进行单晶硅传导压电谐振器设计。谐振器设计的仿真和分析需要一个完善的理论模型。本文首先完成了谐振器设计过程中等效模型的建立。在理论模型的基础上,拓展了谐振器值得参考的指标如灵敏度等,并且用仿真软件ADS(Automation Device Specification)进一步验证了谐振器主体设计结构正常工作的可行性,为接下来的工作奠定了基础。为了解决如何进一步提高谐振器性能的问题。通过分析,锚点损耗为谐振能量传播中最主要的损耗。本文使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真分别对支撑结构和锚点结构进行了仿真验证。进行了锚点处结构上的创新,添加了深槽反射镜结构(Reflector)。并对反射镜结构的各部分设计参数产生的影响进行了大胆预测和严谨论证,进一步验证了锚点损耗的来源和其耗散方式。在器件整体仿真设计完成的基础上,进行了工艺制作的细节设计和论证。最后在整体到局部器件都成功制作的前提下,进行了芯片性能测试。由于封装跳线水平会对器件性能产生一定程度的影响,于是对谐振器器件的测试分别在封装前和封装后进行了两次。最终结果表明,本文中设计制作的压电驱动单晶硅传导谐振器谐振频率为10.0175MHz,Q值达到3130。峰值点插入损耗-31.2dB,峰值点处相移-185度(裸片)。其性能参数良好,器件工作正常。本文出色解决了新型压电谐振中主要相关问题:如何有效的设计和论证参数;如何针对其谐振特点进一步提高效率;如何在原有工艺条件的基础上设计和创新;如何测试和封装。这一系列问题是该类谐振器器件制作过程中至关重要的。本文的工作为国内未来研究该类谐振器打下了基础。
【关键词】：MEMS谐振器 压电谐振 单晶硅
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN751.2;TH-39
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外研究现状10-13
• 1.2.2 国内研究现状13
• 1.3 本论文的主要内容13-15
• 第二章 压电驱动单晶硅谐振器主体结构设计与分析15-25
• 2.1 谐振器设计15-22
• 2.1.1 振型和固有频率计算与设计15
• 2.1.2 等效电路模型建立和参数设计15-22
• 2.2 线性度22-23
• 2.3 材料选择23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 谐振器Q值仿真分析25-47
• 3.1 谐振器品质因数与损耗25-28
• 3.1.1 损耗的类型25-27
• 3.1.2 Q值的计算27-28
• 3.2 锚点损耗优化28-45
• 3.2.1 支撑节点设计29-34
• 3.2.2 锚点附近的结构改进34-35
• 3.2.3 锚点损耗的数学模型35-37
• 3.2.4 有限元仿真分析37-45
• 3.3 本章小结45-47
• 第四章 谐振器加工工艺设计47-62
• 4.1 压电驱动单晶硅谐振器实现工艺47-61
• 4.1.1 工艺实现的总体流程47-51
• 4.1.2 器件掩膜板设计与实现51-56
• 4.1.3 沉积层间设计56-61
• 4.2 器件制造与封装61
• 4.3 本章小结61-62
• 第五章 压电驱动单晶硅谐振器测试与封装62-70
• 5.1 压电驱动单晶硅谐振器的裸片测试62-65
• 5.1.1 测试方法62-64
• 5.1.2 测试结果64-65
• 5.2 压电驱动单晶硅谐振器的气密封装65-67
• 5.3 电驱动单晶硅谐振器封装后的电气性能测试67
• 5.4 单晶硅谐振器器件的等效拟合67-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第六章 全文总结与展望70-72
• 6.1 全文总结70-71
• 6.2 工作展望71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-79
• 攻读硕士学位期间取得的成果79-80

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