FBAR微質(zhì)量傳感器若干關鍵問題的研究.pdf

1、作為一種新穎的射頻MEMS器件，薄膜體聲波諧振器(FBAR)近年來在無線通信領域取得了巨大的商業(yè)成功。與此同時，F(xiàn)BAR在微質(zhì)量生物傳感領域的應用，正成為下一個研究熱點。與傳統(tǒng)的質(zhì)量傳感器--石英晶體微天平(QCM)相比，F(xiàn)BAR具有諧振頻率高、質(zhì)量靈敏度高、體積小、可集成等優(yōu)點。
　　 本論文主要從FBAR傳感器的四個方面進行了研究：對雙模式FBAR的理論分析與建模、壓電薄膜AIN的制備、FBAR原型器件的制備與測試以及FBA

2、R在質(zhì)量傳感器上的應用模型，主要取得了以下成果：
　　 1.研究了基于c軸傾斜取向壓電薄膜的厚度場激勵雙模式FBAR的諧振機理和振動模式，并建立了雙模式復合FBAR的電學阻抗解析表達式，提出了雙模式復合FBAR的改進型Mason等效電路模型。研究結果表明：AIN壓電薄膜的壓電參數(shù)、機電耦合系數(shù)、體聲波速以及振動模式等隨晶體的c軸傾斜角度θ增大呈周期性變化，理想FBAR中存在為縱波和剪切波雙模式，當θ=0°或66.5°時，理想FB

3、AR中僅存在縱波模式；當c軸傾斜角度θ=47.6°或90°時，理想FBAR中僅存在剪切波模式；當θ為0°、34.4°時，可分別獲得最大的縱波機電耦合系數(shù)和剪切波機電耦合系數(shù)。
　　 2.在反應濺射模型基礎上，深入研究了擇優(yōu)取向AIN壓電薄膜的制備技術，優(yōu)化了工藝方法，實現(xiàn)了高速沉積擇優(yōu)取向AIN薄膜。通過理論分析和實驗研究表明，增大系統(tǒng)抽速、采用磁控濺射技術減小靶面有效濺射面積等可以減弱以至消除反應濺射系統(tǒng)中的遲滯效應；N2濃度

4、過高或過低時都不利于AIN擇優(yōu)取向生長，當N2濃度為25％時最有利于AIN薄膜的擇優(yōu)取向生長。論文提出并實現(xiàn)了消除反應濺射過程中的遲滯現(xiàn)象、將靶穩(wěn)定控制在金屬態(tài)與中毒態(tài)之間的過渡態(tài)、并實現(xiàn)快速沉積擇優(yōu)取向AIN薄膜的優(yōu)化工藝方法。該方法在優(yōu)化的工藝條件下，AIN(002)衍射峰半高寬為0.28°，薄膜沉積速率為2.1μm/h。同時實現(xiàn)了c軸傾斜取向生長AIN薄膜，傾斜角度為22°，成膜速率為1.85μm/h。這一成果已被SCI收錄，具有

5、重要應用價值。
　　 3.提出并制備了Al/W全金屬膜系布拉格反射層結構，這種新穎的膜系申請了二項發(fā)明專利。使用探針臺和矢量網(wǎng)絡分析儀測得基于5層Al/W反射層的固態(tài)裝備型FBAR諧振頻率為2.25GHz，Q值為170，此結構具有金屬薄膜之間結合力好、熱應力小、器件結構簡單可靠、熱容量大、沉積速率快等優(yōu)點。此外，還制備了基于SiO2/W布拉格反射層的固態(tài)裝備型FBAR。
　　 4.制備出了硅反面刻蝕結構的FBAR原型器件

6、，包括厚度場激勵的縱波模式FBAR和側向場激勵的剪切模式FBAR。使用探針臺和矢量網(wǎng)絡分析儀測得縱波模式FBAR的諧振頻率為1.03GHz，Q值達到1350；剪切模式FBAR的諧振頻率為1.4GHz，Q值為370。
　　 5探討了雙模式FBAR微質(zhì)量傳感器，建立了這種微質(zhì)量傳感器模型，理論研究表明：對于均勻質(zhì)量負載、在壓電薄膜的不同c軸傾斜角度下、縱波和剪切模式FBAR的質(zhì)量靈敏度SL(θ)、SS(θ)分別為-1403cm2/g

7、～-1366cm2/g、-1344cm2/g～-1309cm2/g；對于相同的質(zhì)量負載，不同c軸傾斜角度的FBAR傳感器的質(zhì)量靈敏度與FBAR的機電耦合系數(shù)有關。建立了雙模式FBAR質(zhì)量傳感器的有限元模型，利用ANSYS軟件分別仿真分析了質(zhì)量負載的沉積位置改變時縱波和剪切模式FBAR傳感器的諧振特性，結果表明：當質(zhì)量塊位于FBAR的中心位置時，傳感器的質(zhì)量響應度最大，縱波和剪切FBAR傳感器的質(zhì)量響應度分別為-8150kHz/ng、-7