声波谐振器及其传感器应用研究
本文选题：声表面波 切入点：薄膜体声波谐振器 出处：《浙江大学》2017年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：随着半导体和MEMS工艺的进步以及物联网技术的发展,传感器在我们的日常生活以及工业生产中几乎无所不在,已经成为了我们的第三只眼睛和耳朵,为我们提供更高的生活质量以及保障工业生产顺利进行。常见的传感器类型有电阻型,电感型,压电型,电容型,金属氧化物半导体型等不同工作原理的传感器。本文主要围绕压电型声波传感器展开研究,包括声表面波传感器和薄膜体声波传感器,研制了柔性、透明声表面波湿度传感器,薄膜体声波压力,紫外光和湿度传感器,并研制了基于薄膜体声波谐振器的湿度传感器芯片及多气体多参数检测系统。希望通过本研究,为声波传感器在生活,生产,物联网,智慧城市等各方面的普及应用打下基础。本文在玻璃和PI衬底上通过反应式磁控溅射的方法生长了高质量的ZnO薄膜,并制备了性能优良的延迟线型声表面波器件。深入研究了基于玻璃衬底的声表面波传感器的响应原理,并研究了有望用于柔性可穿戴设备的基于PI衬底的柔性声表面器件,对柔性声表面波器件产生的两个谐振峰进行了详细的分析,确认了这两个谐振峰是Lamb波的两个零阶模态,即对称零阶模态(SO)和非对称零阶模态(AO)。采用新型纳米材料氧化石墨烯做敏感膜,研究了柔性声表面波器件的两个谐振峰的湿度响应。针对柔性器件可弯曲的特性,探索了它们在不同弯曲状态下的湿度响应能力,器件在弯曲状态下(应变约为2000ε)时,仍然具有非弯曲状态下的湿度响应能力,同时,对器件进行弯曲性能测试(应变约2000ε),当器件弯曲次数达到8000次时,器件仍保持着良好的性能,展现出了优越的柔性应用潜力。分析了薄膜体声波器件的工作原理,并利用ADS软件建立了薄膜体声波器件的Mason模型。利用实验室现有的MEMS工艺,采用背刻蚀的方法,设计和制备了以氧化锌为压电薄膜的薄膜体声波谐振器,所制备的背刻蚀型FBAR器件,其工作频率在1.95GHz时,Q值为2500多,达到了国际领先水平,并验证了所建立的薄膜体声波谐振器的Mason模型与实验结果的一致性。对有二氧化硅支撑层的薄膜体声波器件,分析了其产生多个谐振峰的原因及在各个谐振峰的声波振动模式。以背刻蚀型的FBAR为基础,提出了使用UV感光胶水和玻璃把背刻蚀的通孔密封起来的新型压强传感器结构。并研究了薄膜体声波谐振器的多个谐振峰对压强的响应及温度特性,发现模式1谐振峰对压强变化具有最好的灵敏度,三个谐振峰对压强具有良好的线性度,非常适合于做轮胎压强传感器。提出了一种具有多孔上电极的薄膜体声波谐振器结构,通过实验对比发现,具有多孔上电极的薄膜体声波器件具有更好的紫外响应能力,也就是说多孔上电极增加了紫外光的透过率,提升了薄膜体声波谐振器的紫外探测能力。FBAR气体传感器一般都是基于质量负载原理,本文对薄膜体声波谐振器的质量传感器原理进行了数值分析,采用Mason模型和有限元模型对质量负载效应进行了数值仿真。采用分立器件设计和制备了基于薄膜体声波谐振器的Pierce振荡器,并采用氧化石墨烯做敏感膜,进行了基于薄膜体声波振荡器的湿度传感研究。并搭建了传感器的气体阵列全自动测试系统,包括气体产生系统,测试腔体以及数据采集系统。采用Invensense提供的MEMS工艺PDK和Global Foundry提供的0.18μm CMOS工艺,进行了 FBAR和CMOS单片集成的振荡器阵列设计,电路部分主要包括振荡器核心,提供偏置的电流源,采用数字异或门的数字混频器,电路的前仿和后仿均显示出了优异的性能和一致性。在4mm*2.5mm的范围内集成了 23个FBAR振荡器。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212;TN65
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，本文编号：1641432
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