SMR全绝缘布拉格反射栅的设计、制备与表征

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固贴式薄膜体声波谐振器,简称SMR-FBAR(Solidly Mounted Film Bulk Acoustic Resonator)是体声波谐振器的一种,其采用高、低声阻抗层交替而成的布拉格(Bragg)反射栅作为声波的反射结构,机械稳定性好,布拉格反射栅结构阻隔声波的传播,使能量最大限度地保留在压电振荡堆中,是体声波谐振器研究的热点。其中,布拉格反射栅的低声阻抗层材料在行业内普遍应用二氧化硅(Si O2),而高声阻抗层材料的选择上,选择钨(W)等重金属作为高声阻抗材料会引发导体和电介质形成的结构所产生强电容耦合,影响器件性能。因此,具有全绝缘布拉格反射栅结构的体声波谐振器已成为行业内研究工作的热点。声阻抗与材料密度和弹性模量直接相关,要保证器件的性能,需要选择一种高模量非导体材料与低模量材料组成的结构,组成全绝缘布拉格反射栅。本文针对这些问题,开展了如下工作:构建了一种具有全绝缘布拉格反射栅的体声波谐振器的数学模型,分析了压电堆的工作原理和特性,构造了压电薄膜层的数学模型。解出了压电堆阻抗的表达式,计算了理想状态下的薄膜体声波谐振器(FBAR)的阻抗,结果清楚地展示了FBAR在谐振点的阻抗特点。进一步分析了带电极FBAR的谐振特性,其损耗决定了品质因子Q的高低,声路增加会导致谐振频率减小。通过传输线理论模拟并设计了布拉格反射栅,得出了固贴式薄膜体声波谐振器的等效电路图,通过仿真分析计算出通过不同高声阻抗材料组成的布拉格反射栅对于器件热性能的影响并模拟了其等效电路,分析了布拉格反射栅的参数的变化对FBAR的影响,得出了实验所要求的制备模型的优化方案。介绍了制备布拉格反射栅薄膜材料所采用的工艺方法,以及研究薄膜性能的方法,研究了布拉格反射栅结构,温度对于布拉格反射栅所用材料的影响情况,并分析了不同材料的制备工艺对器件的影响。对全绝缘布拉格反射栅需要的薄膜材料制备并表征。综合考虑仿真与实验结果,对品质因子Q、FBAR内部温度和最大热应力受布拉格反射栅格层数的影响进行分析,FBAR的内部温度和最大热应力随反射栅格层的数量增加而上升。品质因子Q随着反射栅层数的增加而上升。反射栅温度反比于组成反射栅材料的导热率,导热率越大,温度越低。布拉格反射栅层数n>6时,材料对反射效率的影响不大,故高低声阻抗材料最合适的层数为6层。纳米金刚石薄膜由于其具有较高的杨氏模量,高温下良好的表面粗糙度,不会引起寄生电容,是一种全绝缘布拉格反射栅高声阻抗层的很好的备选材料。
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