基于柔性基薄膜體聲波諧振器的研究.pdf

1、近年來隨著無線通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，薄膜體聲波器件在射頻前端應(yīng)用中的優(yōu)勢越來越明顯，其中薄膜體聲波諧振器是體聲波器件的基本組成部分。該類型諧振器是一種基于壓電技術(shù)的元器件，其尺寸極小，比單純以電磁波為傳播信號的元器件尺寸小4～5個數(shù)量級；插損小，Q值高(可達1000以上)；工作頻率高，可承受的功率容量比聲表面波器件更大；并且可以與CMOS工藝兼容。鑒于以上優(yōu)點薄膜體聲波諧振器技術(shù)迅速占領(lǐng)了射頻通信市場。同時，在傳感器領(lǐng)域如生化檢測等方面也

2、有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　按照限制聲波方式的不同，體聲波諧振器分為空氣隙型(FBAR)、固態(tài)裝配型(SMR)和硅背刻蝕型諧振器。傳統(tǒng)體聲波諧振器的制備工藝復(fù)雜、成本高。為了降低體聲波諧振器的工藝門檻，使其得到更廣泛的研究與應(yīng)用，本論文研究了基于柔性基底的體聲波諧振器。采用聲阻抗很小的柔性材料作為基底，這種基底可以高效的反射聲波，所以該類型諧振器無需制備工藝復(fù)雜的空腔結(jié)構(gòu)或布拉格反射層結(jié)構(gòu)，這大大降低了體聲波諧振器的工藝難度與復(fù)雜度

3、，同時拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。
　　本文首先從理論上分析了基于柔性基底體聲波諧振器的工作原理，完善了其理論基礎(chǔ)。提出了基于柔性基體聲波諧振器的三種實現(xiàn)形式：成品PI基底器件、勻膠固化式器件和凹槽填充式器件。并利用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件對器件進行了建模仿真，從器件的電學(xué)性能和熱力學(xué)性能兩大方面對器件進行了仿真分析。發(fā)現(xiàn)采用聲阻抗極小的PI襯底在理論上也可以得到性能良好的器件，仿真發(fā)現(xiàn)直接以PI為襯底的器件Q值

4、可以達到1300。在對勻膠固化式器件的仿真分析中得出結(jié)論：PI厚度過小時存在大量的反射波造成的寄生諧振模式，當PI厚度達到10μm以上時寄生模量才能被有效抑制。隨著PI厚度的增加器件的有效機電耦合系數(shù)不斷增大，器件Q值有下降趨勢；在熱力學(xué)性能的分析中，發(fā)現(xiàn)對于勻膠固化式器件，PI層每增加2μm器件的最高穩(wěn)態(tài)溫度上升33K；凹槽填充式器件極大的優(yōu)化了器件的熱力學(xué)性能，同樣在PI厚度為10μm的條件下，比勻膠固化式器件的最高穩(wěn)態(tài)溫度降低14

5、2.44K。
　　在理論分析的基礎(chǔ)上，對基于柔性基底的體聲波諧振器進行了實驗制備。首先對基于柔性基底上Mo電極層和AlN壓電層材料的最優(yōu)制備條件進行了探索，對于Mo膜分別研究了濺射功率、壓強、氣體流量和基底溫度對薄膜性能的影響；對于AlN膜分別研究了濺射功率、基底溫度和氮氣含量對薄膜性能的影響；發(fā)現(xiàn)了在水冷條件下制備的薄膜性能要優(yōu)于加熱條件下制備的薄膜性能這一特殊規(guī)律，得出了制備薄膜的最優(yōu)條件。最后基于該條件利用MEMS工藝對三種