基于薄膜体声波谐振器（FBAR）技术的无线传感集成系统研究

发布时间：2017-06-11 18:05

  本文关键词：基于薄膜体声波谐振器（FBAR）技术的无线传感集成系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：声波技术和基于声波技术的元器件已经广泛应用于通信领域、自动控制领域、传感测控领域等近70年的时间。 薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,简称‘'FBAR"),是一种压电声波器件,以其极小的尺寸、功耗、成本,和极高的Q值、工作频率、灵敏度、分辨率、可承受功率容量,以及与CMOS集成电路工艺的兼容性,在不到二十年的时间里,占据了整个无线通讯场的应用领域。在传感器应用领域,单个FBAR或者FBAR阵列用于分子质量检测、生化检测(DNA检测、抗体抗原检测)、液体检测、气体检测、压力检测、形变检测、加速度和惯性检测、温度检测、紫外线检测、爆炸物检测等等领域。 本文《基于薄膜体声波谐振器(FBAR)技术的无线传感集成系统研究》是国家高技术研究发展计划(863计划)课题、国家自然科学基金课题的主要研究内容,在该项目支持下完成四种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统。 论文的工作成果和创新点主要包括： 1、完成了传感器部分的FBAR样片的获取,包括：超净间自行制备、外协英国剑桥大学制备,和对现有高Q值的FBAR产品进行分离获取；研究了FBAR的制备工艺技术和分离、测试技术。 2、研究了FBAR器件的温度特性补偿技术,提出并验证了一种新颖的基于FBAR的自适应阻抗近似匹配方法、进行温度补偿；并结合自动测试技术编写了“基于FBAR模型和阻抗近似匹配技术的FBAR自适应阻抗匹配虚拟仪器软件”,进行FBAR自适应阻抗近似匹配方法的实施,实现了FBAR的自动测试和自适应阻抗近似匹配,在同类文献中未见报导。 3、采用电流重利用交叉耦合结构,设计了一款芯片级低功耗、低相位噪声FBAR CMOS振荡器,电压为900mV时功耗仅为1.8mW@1.878GHz,具有超低的相位噪声：-107dBc/Hz@10kHz及-135dBc/Hz@100kHz,整体FBAR CMOS振荡器的FoM为-238dBc/Hz,在同类文献中是领先水平。 利用FBAR自适应阻抗近似匹配方法完成了FBAR振荡器的温度补偿,获得了谐振频率在1.8GHz以上、输出功率7dBm以上(功率温度系数0.43ppm).相位噪声在-117dBc/Hz@100kHz及-139dBc/Hz@1MHz以下、整体FBAR振荡器的FoM优于-190的FBAR振荡器,在同类文献中的等同工艺FBAR振荡器中是领先水平。 4、设计和制作了基于FBAR振荡器的计数法频率读取电路系统,采用FPGA平台进行了仿真验证,完成了第一种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统。并基于SMIC(中芯国际)的0.18um CMOS工艺对基于FBAR振荡器的计数法频率读取电路系统进行了ASIC流片验证,读数精度达到1KHz,完成了第二种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统。 5、提出并研制了新颖的基于混频法和FBAR振荡器的的高精度四混频器结构的频率读取电路系统用于FBAR传感信号处理电路,读数精度达到1Hz,完成了第三种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统,在同类文献中未见报导。 提出和研制了新颖的基于FBAR频率读取电路系统的无线传感器网络节点电路射频前端的多级节能控制方法及装置,完成了第四种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统,在同类文献中未见报导。
【关键词】：薄膜体声波谐振器 自适应阻抗近似匹配 FBAR振荡器 多级节能控制 无线传感
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN65
【目录】：

• 致谢6-8
• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 缩略词表13-20
• 第一章 绪论20-65
• 1.1 研究动机和研究意义20-22
• 1.1.1 研究动机20-21
• 1.1.2 研究意义21-22
• 1.2 薄膜体声波谐振器的研究背景22-35
• 1.2.1 薄膜体声波谐振器的发展起源22-31
• 1.2.2 薄膜体声波谐振器的通信领域发展空间31-35
• 1.3 基于薄膜体声波谐振器的振荡器研究背景35-40
• 1.4 基于薄膜体声波谐振器的传感系统研究背景40-50
• 1.4.1 FBAR质量传感器40-45
• 1.4.2 FBAR压力传感器45-46
• 1.4.3 FBAR惯性传感器(加速度传感器)46-47
• 1.4.4 FBAR温度传感器47-50
• 1.5 研究内容和论文结构50-63
• 1.5.1 研究思路50-54
• 1.5.2 技术路线54-59
• 1.5.3 论文主要工作成果59-60
• 1.5.4 论文主要创新点60-62
• 1.5.5 论文的章节安排62-63
• 1.6 本章小结63-65
• 第二章 薄膜体声波谐振器的制备工艺和设计流片65-136
• 2.1 薄膜体声波谐振器器件的自行制备65-95
• 2.1.1 薄膜体声波谐振器制备工艺65-72
• 2.1.2 薄膜体声波谐振器设计和参数仿真72-81
• 2.1.3 薄膜体声波谐振器外协剑桥大学流片结果和测试81-91
• 2.1.4 薄膜体声波谐振器自主流片结果和测试91-95
• 2.2 薄膜体声波谐振器等效电路模型95-106
• 2.2.1 基本等效电路模型95-100
• 2.2.2 薄膜体声波谐振器的实际等效电路模型100-104
• 2.2.3 基于MBVD模型的实际薄膜体声波谐振器的等效电路模型建立方法104-106
• 2.3 基于HPMD-7904 FBAR双工器的单片薄膜体声波谐振器的分离106-134
• 2.3.1 单片FBAR分离的原因106-112
• 2.3.2 基于聚焦离子束切割的单片FBAR分离112-118
• 2.3.3 分离单片FBAR的模型和仿真118-124
• 2.3.4 分离单片FBAR的测试结果124-134
• 2.4 本章小结134-136
• 第三章 基于自适应阻抗近似匹配技术的高功率低相噪FBAR振荡器的研制136-188
• 3.1 基于自适应阻抗近似匹配方法的FBAR温度补偿技术的硬件和虚拟仪器测试匹配软件的实现136-155
• 3.1.1 FBAR温度实验136-139
• 3.1.2 自适应阻抗近似匹配技术139-146
• 3.1.3 FBAR自适应阻抗近似匹配技术的硬件实现和虚拟仪器测试匹配软件的实现146-154
• 3.1.4 小结154-155
• 3.2 基于CMOS工艺的低相位噪声FBAR振荡器的设计(基于仿真FBAR模型)155-163
• 3.2.1 技术方案155-159
• 3.2.2 仿真分析159-160
• 3.2.3 优化方案160-162
• 3.2.4 相位噪声162-163
• 3.3 基于高Q值FBAR的高功率、低相位噪声振荡器(基于分离FBAR模型).163-174
• 3.3.1 技术方案和系统仿真163-166
• 3.3.2 实际电路设计和实测结果166-171
• 3.3.3 FBAR振荡器温度特性171-174
• 3.3.4 小结174
• 3.4 基于阻抗近似匹配方法的FBAR振荡器温度补偿技术174-184
• 3.4.1 FBAR振荡器温度补偿方法174
• 3.4.2 FBAR振荡器温度补偿电路的仿真174-177
• 3.4.3 FBAR振荡器温度补偿电路的实现177-181
• 3.4.4 FBAR振荡器温度补偿电路的测试结果181-184
• 3.4.5 小结184
• 3.5 本章小结184-188
• 第四章 基于薄膜体声波谐振器的无线传感器集成系统188-270
• 4.1 FBAR射频传感电路技术和信号处理方法188-193
• 4.1.1 双路差分测量方法188-190
• 4.1.2 分频法结构190-191
• 4.1.3 混频法结构191-193
• 4.2 计数法的设计与实现——FPGA平台和ASIC平台193-208
• 4.2.1 基于计数法的FBAR射频传感信号处理电路的设计193-196
• 4.2.2 FBAR射频传感信号的计数法处理——基于FPGA平台的设计与实现196-207
• 4.2.3 FBAR射频传感信号的计数法处理——基于自主流片的专用集成电路平台的设计与实现207-208
• 4.3 混频法的设计与实现——高精度四混频器结构208-227
• 4.3.1 方案优势208-209
• 4.3.2 技术路线209-219
• 4.3.3 电路仿真219-223
• 4.3.4 实际电路设计与实现223-225
• 4.3.5 实测结果225-227
• 4.4 FBAR无线传感终端节点的多级节能控制技术227-240
• 4.4.1 方案优势227-228
• 4.4.2 技术路线228-237
• 4.4.3 实际电路设计与实现237-240
• 4.5 基于薄膜体声波谐振器的无线传感集成系统的设计与实现240-267
• 4.5.1 基于FBAR技术的无线传感集成系统之一——FPGA平台的计数法模式的实现240-249
• 4.5.2 基于FBAR技术的无线传感集成系统之二——ASIC平台的计数法模式的实现249-257
• 4.5.3 基于FBAR技术的无线传感集成系统之三——四混频器结构的混频法模式的实现257-262
• 4.5.4 基于FBAR技术的无线传感集成系统之四——低功耗四混频器结构的混频法模式的实现262-267
• 4.6 本章小结267-270
• 第五章 总结和展望270-274
• 5.1 总结270-271
• 5.2 论文的不足之处和进一步研究工作271-274
• 参考文献274-291
• 作者简历291-292
• 基本信息291
• 教育状况和工作经历291
• 研究兴趣和联系方式291-292
• 作者在攻读博士学位期间所取得的科研成果292
• 作为第一作者的已发表文章292
• 作为第一作者的已授权发明型专利292

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李玉金;元秀华;;A new model for film bulk acoustic wave resonators[J];Chinese Physics B;2014年11期

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本文编号：442145