剪切模式薄膜体声波谐振器液相敏感特性研究
发布时间：2020-12-10 03:54
移动互联网、物联网以及可穿戴电子设备的发展对新型生化传感器提出了高灵敏、微型化和芯片集成的要求。采用微机电系统（Micro-electromechanical Systems,MEMS）技术制造灵敏性更高、高度集成化的微型传感器是传感器领域的发展趋势。薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR）是近年来受到关注的一种MEMS高频电声器件,具有工作频率高、体积小、灵敏度高、与CMOS集成等优势,在生化传感领域具有广泛的应用前景。但是目前所报道的大部分纵波模式FBAR传感器在生化反应所需的液相测试环境中性能衰减明显,限制了其对痕量物质的更高灵敏性。发展剪切波谐振模式的FBAR器件被认为是解决这一问题的有效方法。本文基于对高灵敏、可集成的生化传感器的应用需求以及MEMS技术的发展前沿,针对限制FBAR器件广泛应用的关键问题,对剪切模式FBAR传感器的敏感原理、结构设计、制造方法和应用特性开展研究,提出了有效激发剪切波谐振的方案。首次在实验上给出了微纳尺度剪切体声波对其粘滞界面的敏感规律,为液相生化在线分析提供了高性能的检测平台。进一步首次报道了基于剪...
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３?ＦＢＡＲ典型电学阻抗特性曲线，其中４为并联谐振频率，阻抗最大；，为串联谐振??频率，阻抗最小
?＾?２？２￣￣??／（Ｇｆｉｚ）??图１．３?ＦＢＡＲ典型电学阻抗特性曲线，其中４为并联谐振频率，阻抗最大；，为串联谐振??频率，阻抗最小。??Ｆｉｇ．．?１．３?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ?ｉｍｐｅｄａｎｃｅ?ｃｎａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ?ｏｉ?ｒ＇ＢＡＲ，?ｗｈｅｒｅ?ｉｓ?ｔｈｅ?ｐａｒａｌｌｅｌ?ｒｅｓｏｎａｎｔ??ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｉｍｐｅｄａｎｃｅ?ｉｓ?ｔｈｅ?ｌａｒｇｅｓｔ；＾?ｉｓ?ｔｈｅ?ｓｅｒｉｅｓ?ｒｅｓｏｎａｎｔ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｉｍｐｅｄａｎｃｅ??ｉｓ?ｔｈｅ?ｓｍａｌｌｅｓｔ．??理想ＦＢＡＲ器件是由上下两层电极与压电薄膜构成，形成类似“三明治’’状??的结构（图１．２）?［１８】。将射频电压施加在上下电极板上，交变电场会在两个电极??之间的圧电振荡堆中产生。由于受到压电薄膜的逆压电效应的影响，压电薄膜??会随着交变电场的周期性变化而产生周期性的收缩、膨胀的机械形变，这种周??期性的机械形变会让压电薄膜产生周期性的振动，从而激励出了沿薄膜厚度方??向传播的体声波。体声波信号在两电极与空气接触的地方发生反射。当波长等??于压电振荡堆厚度的偶数倍时
１．４ａＦＢＡＲ，ＭＥＭＳ??加工工艺，将压电振荡堆下方的衬底材料刻蚀去除大部分，由此在压电振荡??的下边界与空气交界处形成接触面。这种结构的ＦＢＡＲ器件虽然Ｑ值较高，??是由于衬底材料被大面积去除，导致机械强度降低，极大影响器件的成品率。??了解决该问题，工业上通常采用在压电振荡堆和衬底之间添加支撑层的办法??来解决，然而这样的结构又在一定程度上降低了器件的Ｑ值。??图〗．４?（ｂ）所示的是空气隙型Ｈ３ＡＲ，这种类型器件的制备工艺采取了基于??ＥＭＳ表面微机械加工技术，即，先填充牺牲层再去除牺牲层，这样会在压电??荡堆与衬底材料之间形成一个很薄的空气隙，从而得到与上电极表面一样的??气反射界面。构建空气间隙有两种方法：一种可以通过去掉部分衬底的表面??形成的下沉型，另一种可以直接在衬底表面上沉积衬底材料而形成上凸型［２４，??５］。空气间隙结构的ＦＢＡＲ器件不但Ｑ值高，而且机械强度比背面刻蚀型ＦＢＡＲ??越，可以与传统半导体工艺相兼容。但其缺点是由于工艺复杂，器件的空气??￣一丨．．电＊丨丨丨■上錢??
本文编号：2908040
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３?ＦＢＡＲ典型电学阻抗特性曲线，其中４为并联谐振频率，阻抗最大；，为串联谐振??频率，阻抗最小
?＾?２？２￣￣??／（Ｇｆｉｚ）??图１．３?ＦＢＡＲ典型电学阻抗特性曲线，其中４为并联谐振频率，阻抗最大；，为串联谐振??频率，阻抗最小。??Ｆｉｇ．．?１．３?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ?ｉｍｐｅｄａｎｃｅ?ｃｎａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ?ｏｉ?ｒ＇ＢＡＲ，?ｗｈｅｒｅ?ｉｓ?ｔｈｅ?ｐａｒａｌｌｅｌ?ｒｅｓｏｎａｎｔ??ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｉｍｐｅｄａｎｃｅ?ｉｓ?ｔｈｅ?ｌａｒｇｅｓｔ；＾?ｉｓ?ｔｈｅ?ｓｅｒｉｅｓ?ｒｅｓｏｎａｎｔ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｉｍｐｅｄａｎｃｅ??ｉｓ?ｔｈｅ?ｓｍａｌｌｅｓｔ．??理想ＦＢＡＲ器件是由上下两层电极与压电薄膜构成，形成类似“三明治’’状??的结构（图１．２）?［１８】。将射频电压施加在上下电极板上，交变电场会在两个电极??之间的圧电振荡堆中产生。由于受到压电薄膜的逆压电效应的影响，压电薄膜??会随着交变电场的周期性变化而产生周期性的收缩、膨胀的机械形变，这种周??期性的机械形变会让压电薄膜产生周期性的振动，从而激励出了沿薄膜厚度方??向传播的体声波。体声波信号在两电极与空气接触的地方发生反射。当波长等??于压电振荡堆厚度的偶数倍时
１．４ａＦＢＡＲ，ＭＥＭＳ??加工工艺，将压电振荡堆下方的衬底材料刻蚀去除大部分，由此在压电振荡??的下边界与空气交界处形成接触面。这种结构的ＦＢＡＲ器件虽然Ｑ值较高，??是由于衬底材料被大面积去除，导致机械强度降低，极大影响器件的成品率。??了解决该问题，工业上通常采用在压电振荡堆和衬底之间添加支撑层的办法??来解决，然而这样的结构又在一定程度上降低了器件的Ｑ值。??图〗．４?（ｂ）所示的是空气隙型Ｈ３ＡＲ，这种类型器件的制备工艺采取了基于??ＥＭＳ表面微机械加工技术，即，先填充牺牲层再去除牺牲层，这样会在压电??荡堆与衬底材料之间形成一个很薄的空气隙，从而得到与上电极表面一样的??气反射界面。构建空气间隙有两种方法：一种可以通过去掉部分衬底的表面??形成的下沉型，另一种可以直接在衬底表面上沉积衬底材料而形成上凸型［２４，??５］。空气间隙结构的ＦＢＡＲ器件不但Ｑ值高，而且机械强度比背面刻蚀型ＦＢＡＲ??越，可以与传统半导体工艺相兼容。但其缺点是由于工艺复杂，器件的空气??￣一丨．．电＊丨丨丨■上錢??
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