LGS声表面波双模温度传感器研究

该文研究了基于硅酸镓镧（La3Ga5SiO14,LGS）压电衬底的声表面波(SAW)谐振器的瑞利波模式谐振频率和体声波模式谐振频率的温度特性,并利用这两种模式构建了一种宽温度范围的具有线性输出特性的温度传感器。研究结果表明,基于LGS衬底的谐振器的瑞利波模式和体波模式的谐振频率均与温度成二次函数关系,且二阶频率温度系数接近,利用此特性构建的双模温度传感器测试结果和热电偶测试结果基本一致。该文提出的这种双模温度传感器可获得全温度范围的线性输出特性,可应用于LGS高温SAW温度传感器。     

基于ScAlN/FeGa结构的磁电声表面波谐振器

该文研究基于磁致伸缩FeGa合金衬底的磁电声表面波(SAW)谐振器。首先,在FeGa磁致伸缩衬底上溅射沉积了ScAlN压电薄膜,完成了单端口声表面波谐振器的制备;其次,采用X线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等手段对ScAlN薄膜进行结构分析;最后,采用矢量网络分析仪和微波探针台测试S参数和群时延。结果表明,ScAlN薄膜晶粒呈柱状生长且具有高度(002)取向,薄膜表面粗糙度在2.36nm左右;当ScAlN压电薄膜厚为0.7μm,波长为15.74μm时,SAW谐振器的谐振频率为218.75 MHz,相速度为3 443m/s,机电耦合系数为0.06%,与COMSOL仿真计算结果较吻合。     

光敏型聚酰亚胺对声表面波传输损耗的研究

采用扰动理论推导了聚酰亚胺薄膜作为声表面波的吸声材料时,声表面波的传输损耗模型。利用网络分析仪对表面涂覆厚5μm光敏型聚酰亚胺薄膜的双声路SAW传感器(中心频率165 MH z)的插入损耗进行测试,对理论模型进行了实验验证。理论结果表明,聚酰亚胺薄膜造成SAW的传输损耗和传感器的中心频率的高低、聚酰亚胺薄膜的厚度以及聚酰亚胺薄膜的宽度成正比。实验测试也证明,聚酰亚胺薄膜对声表面波造成的传输损耗和宽度成正比关系,测得传输损耗为9.5 dB/mm。     

基于YCOB的高温声表面波谐振器的研究

该文研究了在新型压电材料YCa4O(BO3)3(YCOB)上设计和制备高温声表面波(SAW)谐振器。研究了2种不同切型X-90°、Z-90°YCOB为基底的SAW谐振器的高温性能。研究表明,在600℃下器件的稳定性高,其谐振频率随着温度的升高呈线性降低。Z-90°YCOB器件的谐振频率和温度灵敏度分别为278.94 MHz和21.22kHz/℃;X-90°YCOB器件的谐振频率和温度灵敏度分别为230.53MHz和13.44kHz/℃。结果表明,Z-90°切型的YCOB的温度灵敏度较高。     

基于铌酸锂/BCB/聚酰亚胺结构的柔性声表面波器件的设计与仿真

该文采用有限元法对“铌酸锂/苯并环丁烯(BCB)/聚酰亚胺”结构的柔性声表面波器件进行了研究。结果表明,铌酸锂厚度为0.06λ～0.8λ(λ为周期)时,不能激发稳定的瑞利波,在此区间外可激发瑞利波。随着温度升高,器件的谐振频率降低,计算结果表明,声速随温度变化是谐振频率下降的主要原因,大于热膨胀引起的谐振频率变化。仿真结果为设计和制备柔性声表面波器件时合理选择压电薄膜厚度及衬底材料力学性能等参数提供了一定的理论依据。     

基于磁致伸缩多层膜的磁声表面波传感器

研究了一种基于FeCoSiB/SiO_2多层膜的磁声表面波(MSAW)传感器,其中FeCoSiB/SiO_2多层膜制备在石英声表面波(SAW)谐振器上。在外加磁场发生变化时,FeCoSiB/SiO_2多层膜通过巨杨氏模量效应影响压电衬底表层的相速度,进而改变SAW的谐振频率。通过设计和优化磁致伸缩多薄膜的结构和软磁性能,不仅获得磁致伸缩层总厚度与谐振器品质因数的关系,而且成功使磁敏传感器的灵敏度(Δf/H,即施加单位磁场时的谐振频率的变化量)提升了2个数量级,达到419 Hz/μT。在此基础下,探讨了Δf-H曲线在难、易轴方向表现出蝴蝶型和回线型特性的机理。由于该传感器具有很高的磁场灵敏度和良好的方向选择性,在微弱磁场(如地磁场)检测领域将具有极高的实用价值。     

高Q值声表面波谐振器研究进展

声表面波(SAW)谐振器作为各类SAW器件的核心元件,其性能决定SAW器件的各项指标,其中以谐振器品质因数(Q)值最重要。该文介绍了影响SAW谐振器Q值的因素,指出目前高Q值SAW谐振器的衬底结构大多为异质声学层结构,且异质声学层结构本质为一维声子晶体。结果表明,通过在谐振器的多个位置构建声子晶体对SAW谐振器的声场能量可实现全三维约束,以提升谐振器Q值,最后展望了高Q值SAW谐振器的理想结构。     

基于ZnO/PI结构的柔性SAW器件有限元仿真研究

柔性电子的发展使微机电系统对柔韧性和延展性的需求日益增加,我们提出了一种基于ZnO和聚酰亚胺叠层结构的声表面波(SAW)器件。该文采用COMSOL软件对该结构的SAW器件进行二维有限元仿真分析,得到了器件阻抗随频率变化的特性,以及直观的谐振频率下粒子位移特性,并分析了不同ZnO厚度对瑞利波的频率和相速度的影响。为验证仿真的准确性,我们采用磁控溅射工艺和紫外光刻机制备了三组柔性SAW器件,其波长均为16μm,ZnO厚分别为1.2μm、2.3μm和4μm,器件的实测结果与仿真数据进行了比较。结果表明,制备的SAW器件特性与仿真结果具有很好的一致性,且仿真和实验都验证了随着ZnO厚度的增加,等效声速和谐振频率增大的结论。     

声表面波传感器中单端谐振器的匹配电路仿真

声表面波(SAW)传感器主要通过SAW延迟线及谐振器对各种物理量进行敏感。由于谐振器有很高的品质因数(Q),SAW谐振器特别适合无线无源测量。为了能有效地对无线信号进行应答,必须建立相应的匹配电路。基于SAW单端谐振器的等效电路,对单端谐振器的匹配电路进行仿真,并分析了匹配电路元件对谐振器频率特性的影响。仿真结果表明,在匹配电路中,电容对谐振频率的影响显著。     

Al2O3厚度对SAW传感器声波模式及性能的影响

该文采用多物理场耦合的有限元模型,探究了保护层Al₂O₃厚度对以LGS为压电基底、Pt为电极的声表面波(SAW)高温传感器中声波特性及器件性能的影响。结果表明,随着Al₂O₃保护层厚度的增加,声表面波在L波方向的振动位移增加,在SH波和SV波方向的振动位移减弱,当保护层归一化厚度为6.25%时,其能量向衬底内部扩散;当保护层归一化厚度为18.75%时,Rayleigh波消失,此时为体波BAW模式;增加Al₂O₃保护层,波速v、机电耦合系数K²显著升高;一阶频率温度系数τ_f,1和转换温度随保护层厚度的增加而升高。利用Al₂O₃薄膜对SAW温度传感器进行结构优化,为了获得良好的综合性能,归一化厚度应该在0.94%附近。     

La3Ga5SiO4中声表面波传播的温度特性研究

硅酸镓镧(LGS)是一种新型压电材料．通过对LGS的温度稳定性和在几个优化切向上声表面波传播特性与温度的关系计算分析表明，LGS较之传统的压电材料具有较好的温度稳定性；声表面波波速在优化切向上随着温度的升高而减小，机电耦合系数及频率延迟系数TCF值呈抛物线增长．束偏向角线性增长。     

压电单晶薄膜衬底光刻工艺研究

单晶薄膜声表面波(SAW)滤波器因其低损耗,低频率温度系数及大带宽而成为高性能SAW滤波器未来发展的方向。针对单晶薄膜衬底反射带来的换能器指条锯齿和均匀性恶化的问题,该文采用了有机抗反射膜工艺,通过控制抗反射膜的膜厚将衬底的相对反射率由15.84%降低至1.08%,制作出整齐无毛刺的叉指换能器指条,并将SAW谐振器的伯德Q(BodeQ)值由1 400提升到1 950。     

Permittivity of modified polyimide layers on LTCC

In this work, the permittivity of a tailored compound material was investigated consisting of a polyimide matrix in which hollow glass microspheres with a mean diameter of 30 μm are implemented as filler material. Choosing this approach the dielectric constant compared to that of the pure polyimide material is further decreased due to the enclosed air targeted to improve the high-frequency performance of patch antennas operated in the GHz range. Furthermore, the thickness of one single layer can be increased substantially from a maximum of about 10 μm for pure polyimide films to values above 80 μm by simply adding this type of filler material to the liquid polyimide precursor so that cavities in LTCC (low temperature co-fired ceramics) substrates can be filled more reliable. Two different variations of this compound material with filler to polymer ratios of 1:7.5 and 1:10 are realized. Basically, the film thickness depends on the spin coating speed and the microsphere content, respectively. The high initial surface roughness can be decreased to an average value of about 3 μm by applying additional layers of pure polyimide on top enabling thin film technology. The dielectric constant of the complete substrate comprising the LTCC and the compound material is measured using a ring resonator in microstrip configuration. From the resonances occurring in the transmission S-parameter |S₂₁| spectrum between 1 and 10 GHz, the relative dielectric constant can be determined. Using 820 μm thick LTCC substrates the permittivity can be reduced from originally ε_r = 7.8-6.6. By applying numerical calculations, a reduced permittivity of the pure polymer film from ε_r = 3.3 to about 2.9 can be determined when adding the glass microspheres.     

声表面波谐振器传播状态的ANSYS仿真

为描述声表面波的传播状态,利用ANSYS软件对声表面波(SAW)谐振器进行了仿真。在对声表面波产生机理和SAW谐振器工作原理分析的基础上,建立了SAW谐振器仿真模型,讨论了网格划分不同对仿真结果精度的影响,得出了在每个SAW波长尺寸内划分30～40个网格可以得到较精确的仿真结果。对不同长度声孔径的声表面波谐振器进行了仿真分析,得出了声表面波只在固体表面1～2个波长深度范围内传播的仿真效果图,与理论分析有很好的一致性。最后对IDT/ZnO/金刚石/Si结构的声表面波器件进行了仿真,得出该结构声表面波器件SAW传播速度与ZnO的厚度成反比,其大小是IDT/ZnO结构器件SAW传播速度的2～3倍。     

基于柔性衬底的磁声表面波谐振器

针对在柔性衬底上制备非晶软磁薄膜的技术难题,该文研究并制作了一种基于柔性聚酰亚胺(PI)衬底的磁声表面波(MSAW)谐振器。通过在柔性PI衬底上溅射沉积了非晶FeCoSiB磁致伸缩薄膜和ScAlN压电薄膜,光刻制备了叉指电极,并形成IDT/ScAlN/FeCoSiB/PI层状结构,成功获得了柔性MSAW谐振器。采用X线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析了薄膜的结构和表面形貌及利用振动样品磁强计(VSM)和短路微带线法测试了FeCoSiB薄膜的静态磁性和高频磁谱特性,最后在探针台上利用矢量网络分析仪对器件进行测试,并与COMSOL仿真结果进行对比。实验结果表明,该MSAW器件有两个谐振峰,其中瑞利波出现在28.32 MHz,兰姆波出现在93.69 MHz。     

基于COMSOL的声表面波器件二维等效模型设计

利用COMSOL软件建立了声表面波(SAW)单端口谐振器和双端口滤波器的二维等效模型,基于有限元法通过该模型计算了完整的SAW谐振器和梯形滤波器结构的导纳和频率响应特性,并将该结果与通过COM耦合模型模拟的结果进行对比。结果表明,基于有限元法利用二维等效模型模拟SAW器件性能是可行的。同时研究了电极电阻和传播损耗对谐振器导纳的影响,为进一步研究SAW器件特性提供了理论依据。     

RF oscillator implementation using integrated CMOS surface acoustic wave resonators

This work is a proof of concept that a monolithic CMOS surface acoustic wave (SAW) resonator can function as an RF oscillator. The design of the oscillator includes the measurement characteristics of the CMOS SAW resonator, its matching networks, and RF amplifier is described. The integrated SAW resonator, with its operating frequency controlled by the spacing of its transducers was fabricated using a combination of CMOS plus post-CMOS processes. Based on the operation and performance of the SAW resonators, an equivalent circuit model of the CMOS SAW resonator was developed. A series resonant oscillator design was simulated using Microwave Office^TM. The designed matching network improves both the insertion losses and the phase slope of the resonator, while the RF amplifier provides sufficient gain to ensure oscillation. Measurements conducted on the RF-CMOS SAW oscillator demonstrated oscillation at 600 MHz.     

Use of a surface-acoustic-wave (SAW) device to monitor etching of thin films

The use of a surface-acoustic-wave (SAW) device to monitor etching of thin films is described. The device is a delay-line-stabilized SAW oscillator in which the propagation path is coated with a thin film of the material to be etched. Removal of material decreases the mass loading on the delay line and this increases the frequency of the oscillator. The frequency of a 75-MHz oscillator is found to increase by more than 690 KHz for 1-µm decrease in film thickness. Using dual-oscillator arrangement, one can simultaneously monitor substrate temperature as well as thickness of material removed.