基于柔性基薄膜体声波谐振器的研究

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近年来随着无线通讯技术的不断发展,薄膜体声波器件在射频前端应用中的优势越来越明显,其中薄膜体声波谐振器是体声波器件的基本组成部分。该类型谐振器是一种基于压电技术的元器件,其尺寸极小,比单纯以电磁波为传播信号的元器件尺寸小4~5个数量级;插损小,Q值高(可达1000以上);工作频率高,可承受的功率容量比声表面波器件更大;并且可以与CMOS工艺兼容。鉴于以上优点薄膜体声波谐振器技术迅速占领了射频通信市场。同时,在传感器领域如生化检测等方面也有着广阔的应用前景。按照限制声波方式的不同,体声波谐振器分为空气隙型(FBAR)、固态装配型(SMR)和硅背刻蚀型谐振器。传统体声波谐振器的制备工艺复杂、成本高。为了降低体声波谐振器的工艺门槛,使其得到更广泛的研究与应用,本论文研究了基于柔性基底的体声波谐振器。采用声阻抗很小的柔性材料作为基底,这种基底可以高效的反射声波,所以该类型谐振器无需制备工艺复杂的空腔结构或布拉格反射层结构,这大大降低了体声波谐振器的工艺难度与复杂度,同时拓宽了其应用领域。本文首先从理论上分析了基于柔性基底体声波谐振器的工作原理,完善了其理论基础。提出了基于柔性基体声波谐振器的三种实现形式:成品PI基底器件、匀胶固化式器件和凹槽填充式器件。并利用Comsol Multiphysics有限元仿真软件对器件进行了建模仿真,从器件的电学性能和热力学性能两大方面对器件进行了仿真分析。发现采用声阻抗极小的PI衬底在理论上也可以得到性能良好的器件,仿真发现直接以PI为衬底的器件Q值可以达到1300。在对匀胶固化式器件的仿真分析中得出结论:PI厚度过小时存在大量的反射波造成的寄生谐振模式,当PI厚度达到10μm以上时寄生模量才能被有效抑制。随着PI厚度的增加器件的有效机电耦合系数不断增大,器件Q值有下降趋势;在热力学性能的分析中,发现对于匀胶固化式器件,PI层每增加2μm器件的最高稳态温度上升33K;凹槽填充式器件极大的优化了器件的热力学性能,同样在PI厚度为10μm的条件下,比匀胶固化式器件的最高稳态温度降低142.44K。在理论分析的基础上,对基于柔性基底的体声波谐振器进行了实验制备。首先对基于柔性基底上Mo电极层和AlN压电层材料的最优制备条件进行了探索,对于Mo膜分别研究了溅射功率、压强、气体流量和基底温度对薄膜性能的影响;对于AlN膜分别研究了溅射功率、基底温度和氮气含量对薄膜性能的影响;发现了在水冷条件下制备的薄膜性能要优于加热条件下制备的薄膜性能这一特殊规律,得出了制备薄膜的最优条件。最后基于该条件利用MEMS工艺对三种结构的谐振器进行了制备,最终成功制备出以成品PI为衬底的谐振器与匀胶固化式谐振器,并进行了测试。
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