基于薄膜體聲波諧振器(FBAR)技術(shù)的無線傳感集成系統(tǒng)研究.pdf

1、聲波技術(shù)和基于聲波技術(shù)的元器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域、自動(dòng)控制領(lǐng)域、傳感測控領(lǐng)域等近70年的時(shí)間。
　　薄膜體聲波諧振器（Film Bulk Acoustic Resonator,簡稱“FBAR”），是一種壓電聲波器件，以其極小的尺寸、功耗、成本，和極高的Q值、工作頻率、靈敏度、分辨率、可承受功率容量，以及與CMOS集成電路工藝的兼容性，在不到二十年的時(shí)間里，占據(jù)了整個(gè)無線通訊場的應(yīng)用領(lǐng)域。在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，單個(gè)FBAR或者FBA

2、R陣列用于分子質(zhì)量檢測、生化檢測（DNA檢測、抗體抗原檢測）、液體檢測、氣體檢測、壓力檢測、形變檢測、加速度和慣性檢測、溫度檢測、紫外線檢測、爆炸物檢測等等領(lǐng)域。
　　本文《基于薄膜體聲波諧振器(FBAR)技術(shù)的無線傳感集成系統(tǒng)研究》是國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題、國家自然科學(xué)基金課題的主要研究內(nèi)容，在該項(xiàng)目支持下完成四種基于薄膜體聲波諧振器技術(shù)的無線傳感集成系統(tǒng)。
　　論文的工作成果和創(chuàng)新點(diǎn)主要包括:
　

3、　1、完成了傳感器部分的FBAR樣片的獲取，包括:超凈間自行制備、外協(xié)英國劍橋大學(xué)制備，和對(duì)現(xiàn)有高Q值的FBAR產(chǎn)品進(jìn)行分離獲取;研究了FBAR的制備工藝技術(shù)和分離、測試技術(shù)。
　　2、研究了FBAR器件的溫度特性補(bǔ)償技術(shù)，提出并驗(yàn)證了一種新穎的基于FBAR的自適應(yīng)阻抗近似匹配方法、進(jìn)行溫度補(bǔ)償;并結(jié)合自動(dòng)測試技術(shù)編寫了“基于FBAR模型和阻抗近似匹配技術(shù)的FBAR自適應(yīng)阻抗匹配虛擬儀器軟件”，進(jìn)行FBAR自適應(yīng)阻抗近似匹配方法的

4、實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了FBAR的自動(dòng)測試和自適應(yīng)阻抗近似匹配，在同類文獻(xiàn)中未見報(bào)導(dǎo)。
　　3、采用電流重利用交叉耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款芯片級(jí)低功耗、低相位噪聲FBARCMOS振蕩器，電壓為900mV時(shí)功耗僅為1.8mW@1.878GHz，具有超低的相位噪聲:-107dBc/Hz@10kHz及-135dBc/Hz@100kHz，整體FBARCMOS振蕩器的FoM為-238dBc/Hz，在同類文獻(xiàn)中是領(lǐng)先水平。
　　利用FBAR自適應(yīng)阻抗近

5、似匹配方法完成了FBAR振蕩器的溫度補(bǔ)償，獲得了諧振頻率在1.8GHz以上、輸出功率7dBm以上（功率溫度系數(shù)0.43ppm）、相位噪聲在-117dBc/Hz@100kHz及-139dBc/Hz@1MHz以下、整體FBAR振蕩器的FoM優(yōu)于-190的FBAR振蕩器，在同類文獻(xiàn)中的等同工藝FBAR振蕩器中是領(lǐng)先水平。
　　4、設(shè)計(jì)和制作了基于FBAR振蕩器的計(jì)數(shù)法頻率讀取電路系統(tǒng)，采用FPGA平臺(tái)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，完成了第一種基于薄膜

6、體聲波諧振器技術(shù)的無線傳感集成系統(tǒng)。并基于SMIC（中芯國際）的0.18umCMOS工藝對(duì)基于FBAR振蕩器的計(jì)數(shù)法頻率讀取電路系統(tǒng)進(jìn)行了ASIC流片驗(yàn)證，讀數(shù)精度達(dá)到1KHz，完成了第二種基于薄膜體聲波諧振器技術(shù)的無線傳感集成系統(tǒng)。
　　5、提出并研制了新穎的基于混頻法和FBAR振蕩器的的高精度四混頻器結(jié)構(gòu)的頻率讀取電路系統(tǒng)用于FBAR傳感信號(hào)處理電路，讀數(shù)精度達(dá)到1Hz，完成了第三種基于薄膜體聲波諧振器技術(shù)的無線傳感集成系統(tǒng)，