薄膜体声波谐振器电极效应研究

运用传输线路法推导了薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)的输入阻抗公式.利用输入阻抗公式,研究了不同材料FBAR构成中电极材料和厚度对FBAR有效机电耦合系数的影响,FBAR最大有效机电耦合系数优化理论.由结论可知,FBAR的有效机电耦合系数随电极的厚度和密度变化明显,在低密度电极材料时,电极厚度增大明显降低了FBAR的有效机电耦合系数;同时,在电极厚度较厚时,电极密度越大越有利于获取高的有效机电耦合系数.所得结论,可应用于FBAR设计与优化中.     

基于AlN压电层的薄膜体声波谐振器

以AlN薄膜为压电层,采用体硅微细加工工艺制备了背空腔型结构薄膜体声波谐振器.材料测试结果表明,在优化溅射工艺下沉积的AlN薄膜具有(002)择优取向及良好的柱状晶结构.扫描电镜表征证实所制得的空腔背部平滑且各向异性较好.用网络分析仪测试可知,最终所制得的谐振器具有较好的频率特性:谐振频率为2.537GHz,机电耦合系数为3.75%,串、并联品质因数分别为101.8和79.7.     

基于AlN压电层的薄膜体声波谐振器

以AlN薄膜为压电层,采用体硅微细加工工艺制备了背空腔型结构薄膜体声波谐振器.材料测试结果表明,在优化溅射工艺下沉积的AlN薄膜具有(002)择优取向及良好的柱状晶结构.扫描电镜表征证实所制得的空腔背部平滑且各向异性较好.用网络分析仪测试可知,最终所制得的谐振器具有较好的频率特性:谐振频率为2.537GHz,机电耦合系数为3.75%,串、并联品质因数分别为101.8和79.7.     

1.8GHz AlN薄膜体声波谐振器的研制

提出了基于AlN压电薄膜多层结构的1.8 GHz射频薄膜体声波谐振器(FBAR),并进行了研究。采用修正后的MBVD等效电路模型对器件的谐振特性进行了分析和模拟。给出了采用半导体加工工艺制备器件的工艺流程,并实际制做谐振器样品,样品的测试结果:器件的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp分别为1.781和1.794 GHz,相应的有效机电耦合系数为1.8%;串联谐振频率处和并联谐振频率处的Q值分别为308和246。该谐振器样品实际尺寸为0.45 mm×0.21 mm×0.5 mm,可以用来制备高性能的滤波器、双工器和低相噪射频振荡器等。     

AlN薄膜体声波谐振器性能分析

采用体硅微细加工工艺制备了背空腔型AlN薄膜体声波谐振器。研究了压电层、上电极及支撑层厚度对谐振器性能的影响。测试结果表明,谐振器所用AlN压电薄膜具有(002)择优取向,器件频率特性良好。当上电极、压电层、底电极和支持层的厚度分别为110,2600,110,200nm时,谐振频率为1.759GHz,机电耦合系数3.75%,品质因数79.5。结合Mason等效电路模型模拟分析与实验结果,分析了各层厚度对频率特性的影响机理。     

单晶薄膜体声波谐振器频率温度特性研究

采用离子注入剥离法转移制备了43°Y 切铌酸锂(LiNbO3,LN)单晶压电薄膜材料,以SiO2/Mo作为声反射结构制备了固态声反射型薄膜体声波器件。谐振器工作频率约为3 GHz,LN薄膜等效机电耦合系数达到14.15%。对谐振器的频率温度特性进行了表征,结果表明,尽管LN单晶的频率温度系数为(-70~-90)×10-6/℃,但由于声反射结构中包含有正温度系数的SiO2层,谐振器的频率温度系数降至-18×10-6/℃,这表明固态声反射结构能够有效抑制单晶LN薄膜的温漂,获得低频率温度系数的谐振器器件。     

背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器制备技术研究

随着移动通信技术的快速发展,薄膜体声波滤波器逐渐向高频和大带宽方向发展。该文研究了POI(LiNbO3/SiO2/Si)基片上背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器制作工艺,通过研究POI基IDT光刻、背腔硅刻蚀等工艺,确定了IDT层曝光量和背腔刻蚀等关键工艺参数。研制出的背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器,其谐振频率为4 565 MHz,反谐振频率为5 035 MHz,机电耦合系数为20.86%。此制备工艺对研究高频、大带宽薄膜体声波滤波器具有重要的参考意义。     

薄膜体声波谐振器温度-频率漂移特性分析

薄膜体声波谐振器(FBAR)的谐振频率会受外界环境温度的影响而产生漂移,对于FBAR滤波器而言,这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化,降低其在电学应用中的可靠性。应用ANSYS有限元分析软件,对一个典型Mo-AlN-Mo结构的FBAR进行温度-频率漂移特性的仿真,在-50⁺150℃温度范围内得到其温度频率系数为-33.6×10-6/℃。通过在FBAR结构中添加一层正温度系数的补偿层,分析了补偿层厚度对FBAR温度-频率漂移特性、谐振频率和机电耦合特性的影响。设计的温度补偿FBAR其温度频率系数为0.872×10-6/℃,比未添加补偿层时有很大改善。     

掺钪AlN材料特性及HBAR器件性能研究

该文基于掺钪AlN薄膜制备了高次谐波体声波谐振器(HBAR),研究了钪(Sc)掺杂浓度对AlN压电薄膜材料特性及器件性能的影响。研究表明,当掺入Sc的摩尔分数从0增加到25%时,压电应力系数e₃₃增加、刚度 下降,导致Al₁-_xSc_xN压电薄膜的机电耦合系数 从5.6%提升至15.8%,从而使HBAR器件的有效机电耦合系数 提升了3倍。同时,当Sc掺杂摩尔分数达25%时,Al₁-_xSc_xN(x为Sc掺杂摩尔分数)压电薄膜的声速下降13%,声学损耗提高,导致HBAR器件的谐振频率和品质因数降低。     

AlN薄膜体声波谐振器的制备与性能分析

采用直流磁控反应溅射,在Pt电极上沉积了AlN压电薄膜,并制备了以SiO2为声反射层的体声波谐振器。用X-射线衍射(XRD)、电镜扫描(SEM)、原子力显微镜(AFM)测试表明,制备出的AlN薄膜具有高c轴择优取向、良好的柱状晶结构以及平滑的表面;用网络分析仪测试体声波谐振器得到较好的频率特性,即串、并联谐振频率分别为1.22 GHz1、.254 GHz,机电耦合系数为6.68%,带宽20 MHz。     

AlN薄膜体声波梯形滤波器的制备与性能分析

用Mason一维等效电路模型模拟了不同级数的梯形体声波滤波器的传输特性.讨论了谐振器级联数对滤波器插入损耗和带外抑制的影响.以AlN薄膜为压电材料,采用微机电系统(MEMS)工艺流程制备了3级梯形结构的滤波器,用扫描电镜照片(SEM)和网络分析仪表征了器件的结构和传输响应特性,测试结果表明,所制备的滤波器结构完整,图形整齐,并得到滤波器的带宽为180 MHz,带外衰减为-10.12 dB,插入损耗为-5.15 dB.     

AlN薄膜制备技术研究

采用磁控溅射法制备了AlN薄膜并研究了射频(RF)等离子清洗对AlN薄膜结晶取向度的影响,实验表明,RF等离子清洗基片3min后AlN薄膜c轴取向摇摆曲线半峰宽达到1.3°;通过Mo薄膜衬底对AlN薄膜结晶取向度的影响发现,取向度好的Mo薄膜衬底有利于c轴取向AlN薄膜的生长;Ar气体流量对AlN薄膜应力的影响使AlN薄膜应力从-390(压应力)~73 MPa(张应力)可调。     

AlN薄膜对TaN薄膜电阻器功率影响研究

利用直流磁控溅射,在镍锌铁氧体基片上制作的TaN薄膜电阻器,受到铁氧体表面及内部结构特性差且导热系数低的影响,功率密度只能达到0.91 W/mm~2。利用射频磁控溅射,在铁氧体基片与薄膜电阻器间镀上1.5μm厚的AlN薄膜缓冲层,可有效改善基片的表面特性及散热能力。带AlN薄膜缓冲层的TaN薄膜电阻器的功率密度可达3.76 W/mm~2。     

AlN压电薄膜换能器性能的仿真研究

在压电换能器的制作中,电极对其谐振和反谐振频率、机电耦合系数及品质因数等重要性能有着直接的影响。该文针对AlN压电薄膜复合结构,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对电极-AlN-不锈钢结构的三维模型进行了压电-结构耦合分析。基于此模型,通过改变电极厚度、材料及压电层的介电和机械损耗等参数,来研究换能器的性能参数变化,研究结果对后续以不锈钢为基底的压电超声换能器的制作起到了一定的理论指导作用。     

AlN/PZT复合压电薄膜层SAW激励与传播研究

该文在单晶硅基底上设计了AlN/PZT复合压电薄膜层声表面波(SAW)器件,采用有限元法(FEM)研究了复合压电材料厚度(PZT厚度h_PZT和AlN厚度h_AlN)对AlN/IDT/PZT/Si结构中零阶、一阶SAW的相速度、机电耦合系数和电极反射系数的影响,根据色散特性得到最优化薄膜厚度。结果表明,AlN/IDT/PZT/Si结构中,当h_PZT =0.025λ,h_AlN=λ时,零阶、一阶SAW都能取得最高相速度(分别为5 582 m/s和5 711 m/s),适用于高频器件设计;在h_PZT=0.2λ,h_AlN=0.1λ时,零阶SAW波的机电耦合系数最大(为21.55%),但此时相速度最小(仅为2 890 m/s),适用于移动通信领域宽带低损耗SAW滤波器和延迟线结构信号处理器件的设计。     

薄膜体声波谐振器的热学分析

采用有限元分析软件Comsol Multiphics构建谐振器三维模型,研究器件结构、材料对其热性能的影响。固态装配型谐振器(SMR)有更好的热传导能力与热应力稳定性。在SMR器件中增加一层SiO2,其最高稳态温度上升7℃。器件最高稳态温度随其谐振区面积的减小而迅速增大。当器件换用高热导率材料时,器件最高稳态温度及其随热耗散功率增加而增大的幅度明显降低。     

异质三明治结构柔性薄膜压电纳米发电机研究

采用旋涂法制备不同质量分数还原氧化石墨烯(rGO)的PVDF/rGO复合薄膜。采用层层堆叠法构建层层组装异质三明治结构(PVDF/rGO-PVDF-PVDF/rGO)的压电纳米发电机(PNG)。系统研究了rGO掺杂、异质结构设计对压电输出性能的影响。研究结果表明,在掺杂rGO质量分数为0.4%时,单层PVDF/rGO复合薄膜压电纳米发电机的开路电压达到1.76 V,短路电流达到0.18 μA。层层组装异质类三明治结构PVDF/rGO_0.4-PVDF-PVDF/rGO_0.4的PNG,开路电压高达7.72 V,是单层PVDF/rGO复合PNG的4.39倍;短路电流可达0.69 μA,是单层PVDF/rGO复合PNG的3.83倍,这促进了电荷的转移,提高了电荷利用率。PVDF/rGO_0.4-PVDF-PVDF/rGO_0.4复合层层异质结构PNG经过4 000次循环敲击测试,三层异质复合PNG压电输出稳定,有望在柔性可穿戴电子器件、人机交互及电子皮肤等领域得到广泛应用。     

2.8 GHz薄膜体声波谐振器的研究

通过采用微机电系统(MEMS)和微声电子方法,研究了硅基片上横膈膜结构薄膜体声波谐振器(FBAR).器件的串联谐振频率f_s＝2.75 GHz,并联谐振频率f_p＝2.8 GHz,插入损耗IL=-3.7 dB,并联谐振频率品质因子Q_p=260,有效机电耦合系数K_(eff)~2=4.5%.