新型侧向场激励薄膜体声波谐振器的研究

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薄膜体声波谐振器(FBAR)作为一种新颖的射频MEMS器件,近年来受到了广泛的关注与研究。由于FBAR具有体积小、谐振频率高、与CMOS工艺兼容等特点,已在无线通信领域(滤波器、双工器等射频器件)取得了巨大的商业成功。同时,FBAR因谐振频率高而具有优异的传感灵敏特性,在微质量传感器、压力传感器、温度传感器、以及生物传感器领域具有广阔的应用前景,FBAR传感器正逐渐成为FBAR技术新的研究热点。FBAR器件按照体声波模式可分为纵波模式FBAR和剪切波模式FBAR。由于液体对纵波衰减较大但对剪切波几乎无衰减,因此剪切波模式FBAR更适合于应用在液相环境下的生物传感。FBAR的剪切波激励方式主要有厚度方向激励和侧向场激励两种。相比于需要控制压电薄膜c轴倾斜生长角度的厚度方向激励FBAR,侧向场激励FBAR的结构较为简单,且制备工艺重复性较好,被认为是最有前景的生物传感技术之一。为了提高器件的Q值,得到纯剪切波模式的FBAR,本论文探索研究了电极嵌入式结构的侧向场激励FBAR器件。论文的主要工作和取得的成果如下:1、详细综述了国内外FBAR技术的研究现状,在分析传统纵波模式FBAR声电特性的基础上,理论推导了侧向场激励FBAR的声场分布及电学谐振特性。2、利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,对三种新颖声学压电器件进行了系统的理论分析。1)柔性衬底上的声表面波器件;2)以聚酰亚胺为支撑层的任意衬底上的FBAR器件;3)电极嵌入式结构的侧向场激励FBAR器件。其中前两者进行了相应的实验验证,实验结果与仿真预测表现出良好的一致性。对于电极嵌入式结构的侧向场激励FBAR,本论文进行了详细的建模分析,系统研究了电极间距、电极宽度、电极对数及嵌入深度对器件性能的影响,得到了优化的设计方案。3、研究了侧向场激励FBAR器件的制备工艺。基于仿真结果设计了一系列侧向场激励FBAR器件的掩模板,并利用微纳加工平台制备了基于ZnO压电薄膜的背刻蚀型结构侧向场激励FBAR器件,网络分析仪测得器件的谐振频率在1.16 GHz左右,与仿真分析吻合良好,器件Q值可达470。利用0.4%稀盐酸溶液对压电层进行选择性腐蚀,成功制得了电极嵌入式结构的侧向场激励FBAR,器件的谐振频率为741MHz, Q值为119。上述相关成果发表在《Scientific Reports》和《压电与声光》期刊上。
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