薄膜体声波谐振器的结构参数优化分析

建立了微型薄膜体声波谐振器的等效电路模型,研究其整体频率响应特性.提出的等效电路模型考虑了氧化锌压电薄膜两端电极和作为支撑层的氮化硅薄膜对谐振器整体性能的影响,将它们作为传输线引入到等效电路当中.运用PSPICE软件研究了谐振器各结构层的尺寸参数对谐振器谐振频率、品质因数和有效机电耦合系数的影响,并讨论了使用不同材料的电极,谐振器品质因数的变化情况.基于以上分析,对谐振器的结构参数进行优化,获得薄膜体声波谐振器性能的提高.     

薄膜体声波谐振器的FDTD数值分析

提出了基于时域有限差分方法对薄膜体声波谐振器进行数值分析的新方法。利用时域有限差分法理论对压电材料的控制方程,牛顿方程和电学方程在空间和时间进行了离散化,通过得到的差分方程直接得出了声场传播的时域数值解。使用该数值方法对薄膜体声波谐振器的电学特性阻抗进行了分析,并将结果与一维Mason模型的解析解进行了比较验证。     

基于ADS下FBAR的设计与仿真

现代无线通信技术推进了高频元件的相关发展,微纳技术的迅速发展和新型功能材料的出现以及压电薄膜制备技术的日益成熟使高性能频率控制器件的微型化成为可能。本文主要通过对FBAR的结构以及原理做介绍,设计出一款上下0.3 um厚的钼材料电极,1 um ALN压电薄膜和2.5 um的二氧化硅衬底的空气隙型薄膜体声波谐振器,采用MBVD模型对其进行理论推导,并在ADS软件下搭建电路仿真,得到S参数曲线,进而算出有效机电耦合系数为3.65%、串、并联谐振因子分别为1579.33和555.02,有效机电耦合系数与品质因数Q值得乘积最高可以达到57.65。数据表明该FBAR性能较好,其带宽较大,插入损耗较低,达到了FBAR设计的标准。     

基于薄膜体声波谐振器的柔性有机挥发性气体传感器

本文制造了一种基于薄膜压电体声波谐振器的柔性有机挥发性（VOCs）气体传感器。通过转移印刷的方法,柔性体声波谐振器的电极与压电层采用的无机材料薄膜被从硅衬底上转移到超薄的聚酰亚胺基底上。该柔性谐振器的品质因数达到了1920,且在2.5 mm的弯曲半径下仅有相对于基频十万分之一左右的频率偏移。谐振器表现出了对于环己烷与乙醇气体良好的频率响应特性,且通过在器件表面修饰聚异丁烯（PIB）薄膜作为气体吸附材料,使得器件对于环己烷的响应提升了10倍以上。该柔性VOC气体传感器具有尺寸小,质量轻,机械柔性好的优点,在可穿戴环境检测设备,健康监测设备,食品变质检测的电子标签等领域有着广泛的应用前景。     

薄膜体声波谐振器的有限元仿真

随着5G通信技术的日益发展,对通信频段的要求越来越高。传统的射频滤波器受结构和性能的限制,不能满足高频通信的要求。薄膜体声波谐振器(FBAR)作为一种新型的MEMS器件,很好地适应了无线通信系统的更新换代,使FBAR技术成为通信领域的研究热点之一。本文以COMSOLMultiphysics软件为基础,对FBAR谐振元件进行有限元仿真,分析其压电耦合特性、模态特性、谐振特性等。设计的谐振单元,谐振频率在工信部规划的5G通信频段标准(3.4 GHz-3.6 GHz)以内。同时引入完美匹配层(PML)减少寄生共振,更符合实际工艺制备的FBAR的共振特性。实验仿真结果表明,谐振频段在3.510 GHz-3.564 GHz,满足5G通信系统对频段的要求。当谐振位移形式变量满足AlN压电材料的变形范围,计算FBAR的主要性能指标,建立了一种基于COMSOL Multiphysics软件对FBAR的物理结构建模及相关特性研究的实验方法。     

基于ELC谐振器的湿度传感器

LC谐振式湿度传感器因无源无线,可极大拓展传感器应用范围,已成为湿度传感器的研究热点之一.将超常媒质(metamaterials)应用在谐振器的结构选择上,解决了传统LC谐振式传感器尺寸过大,灵敏度较低的问题.湿度传感器由电耦合LC谐振器(ELC谐振器)和聚乙烯醇(PVA)敏感薄膜构成.首先利用电磁仿真软件,分析ELC谐振器主要结构参数对谐振特性的影响,设计和制作谐振频率为2.45 GHz的谐振器,品质因数达到302.然后通过滴涂法将制备好的感湿材料聚乙烯醇溶液涂敷在ELC谐振器表面制作湿度传感器,并进行了湿度敏感测试.实验结果显示:ELC谐振器在全频段内磁导率均为正,在频段2.19 GHz~2.98 GHz内介电常数为负,具有超常媒质特性;湿度传感器在相对湿度35% RH~88% RH范围内,谐振频率共偏移69.875 M,且在83%~88% RH湿度范围内感湿灵敏度η达到71.5 MHz/% RH.研究表明ELC谐振器因超常媒质特性实现了结构小型化,且由于品质因数较高改善了湿度灵敏度.     

射频反应溅射制备AlN薄膜的研究

高次模薄膜体声波谐振器(HBAR)具有简单的半导体工艺特性和良好的高频特性能,在分析HBAR结构和工作模式的基础上,用MBVD模型在ADS上仿真设计了2 GHz谐振频率间隔20 MHz的HBAR,实验采用掩模合射频溅射制备了这种HBAR,实测谐振频率间隔22 MHz,与理论接近,显示了较好的频率特性,实验同时制备了的高C轴取向的AlN薄膜.     

微型硅基弯曲板波器件

介绍了基于ZnO压电薄膜的微型弯曲板波(FPW)器件的设计与制作。为减小薄膜的应力,器件采用LTO/ZnO/LTO/Si3N4多层复合板结构,并采用直流磁控溅射工艺制备ZnO压电薄膜,在压电复合板结构上沉积两对叉指电极,分别用于Lamb波的激发和接收。X射线衍射分析表明,沉积的ZnO薄膜C轴高度择优;扫描电子显微镜分析表明,制备的ZnO薄膜平整、致密,晶粒生长呈现明显的柱状结构;通过分析制备的高次谐波体声波谐振器(HBAR)器件性能来间接检验ZnO压电薄膜的电学性能,HBAR器件的品质因子较高,表明薄膜有较好的压电性能。利用安捷伦E5071C网络分析仪检测FPW器件的频率响应,结果表明反对称A0模式Lamb波的实测中心频率与理论计算的频率结果基本一致。     

一种高频宽带水声换能器的研制

研制了一种宽带、高频压电复合材料圆环阵水声换能器.该换能器的宽带结果是通过采用降低压电材料机械品质因数Qm值和多模耦合振动两种方法实现的.通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注环氧树脂得到压电复合材料圆环,再将不同壁厚的压电复合材料圆环轴向叠堆而成敏感元件,对敏感元件进行模具封装,引出电极引线,得到换能器.利用ANSYS软件对结构进行仿真,得到敏感元件谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件的最优设计方案.将由最优参数得到的两个压电复合材料圆环轴向叠堆,制作了双圆环叠堆复合材料换能器.经测试,该换能器形成了明显的双模耦合振动,该换能器谐振频率为375 kHz,其-3 dBd工作带宽为90 kHz,最大发送电压响应达148 dB.实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标.     

基于SiO2/ZnO/SiO2/SiC复合结构瑞利波谐振器设计

采用有限元法建立了ZnO/SiC,ZnO/SiO2/SiC和SiO2/ZnO/SiC这3种不同复合结构模型,仿真分析了ZnO薄膜厚度一定的情况下,不同厚度SiO2薄膜对谐振器瑞利波相速度、机电耦合系数的影响,并根据分析结果设计出了基于SiO2/ZnO/SiO2/SiC复合结构瑞利波谐振器的具体尺寸.结果表明:设计的谐振...     

Acoustoelectronic microwave structures: Principles of operation, similarity with optics

Many technical solutions in microwave acoustics are similar to these in optics. In this paper Bulk Acoustic Wave (BAW) microwave resonators and filters are discussed together with the devices that use the peculiarities of BAW propagation through semitransparent acoustic Bragg structures. An acoustic analogue of the resonator Fabri-Perott and acoustic resonant multilayered structures are considered. The use of a piezoelectric semiconductor resonant layer with electron drift provides the possibility of the amplification and generation of acoustic waves.     

埋入式压电陶瓷厚度对激励声能影响的有限元分析

将压电陶瓷埋入混凝土构成压电埋入式混凝土机敏模块,利用压电陶瓷的逆压电效应实现对混凝土结构的实时健康检测。为保证接收信号质量,采用具有压电陶瓷谐振频率的周期脉冲作为激励。而不同厚度的压电陶瓷具有不同的谐振频率,对于不同厚度的压电陶瓷,激励频率的选择对接收端的超声波信号有较大影响。通过Ansys软件仿真研究压电陶瓷谐振频率随厚度的变化规律,模拟混凝土中压电陶瓷振动辐射的超声波,分析压电陶瓷厚度对辐射超声波的影响。研究表明:压电陶瓷的振幅随厚度的增加逐渐减小;压电陶瓷的厚度小于1 mm时,最大振幅对应的谐振频率变化趋势出现多个拐点;厚度大于1 mm时,谐振频率随着厚度的增加而减小,辐射超声波中心点声压随厚度的增加而增大。     

Design and fabrication of PZT microcantilevers with freestanding structure

For developing freestanding piezoelectric microcantilevers with low resonant frequency, some critical mechanical considerations, especially cantilever bending, were given in this study. Two strategies, using piezoelectric thick films and adding a stress compensation layer, were calculationally analyzed for mitigating the cantilever bending, and then was applied for the fabrication of PZT freestanding microcantilevers. (100) oriented PZT thick films with the thickness of 6.93 μm were grown on the Pt/SiO₂/Si substrate by chemical solution deposition (CSD), and the SiO₂ layer with the thickness of 1.0 μm was kept under the PZT layer as a stress compensation layer of the freestanding microcantilevers. The freestanding microcantilevers fabricated with the micromachining process possessed the resonant frequency of 466.1 Hz, and demonstrated no obvious cantilever bending.     

Design of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) for high pressure output

A novel design of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) with a fully free edge structure by introducing a deep trench between cells was proposed, and its performance was evaluated by finite element method in both time and frequency domains for the resonant frequency and acoustic pressure output. In comparison to current cell configurations of clamped and simply suspended boundaries, our design has a great increase in the output pressure. The effect of the covering area of piezoelectric material (i.e., AlN) was also investigated. It is found that when the piezoelectric layer has the same size as the cavity the generated acoustic pressure will reach its maximum value. Altogether, the newly designed structure of pMUTs has the potentials of high pressure applications (i.e., ultrasound therapy) if driven properly.

     

硅微压电超声换能器的设计与制作

介绍了一种用ZnO薄膜作为压电层的硅微压电式超声换能器(PMUT).该硅微压电换能器的振动基膜采用LPCVD制作的氮化硅薄膜和PECVD制作的二氧化硅形成的复合振动膜结构.文中运用有限元方法对该硅微压电换能器的结构进行了模拟和计算,并进行了预应力对硅微换能器共振频率的影响的分析.实验测得硅微压电式换能器的共振频率为71.36 kHz.本文还使用该硅微超声换能器在油中进行了初步的共振频率点收发信号的实验,接收实验测得信号峰峰值为9 mV左右,发射实验标准水听器接收信号峰峰值为0.8 mV左右.     

Piezoelectric Disk Resonators Based on Epitaxial AlGaAs Films

A new design for anisotropic piezoelectric disk resonators is demonstrated using single-crystal Al_0.3Ga_0.7As films. The shape of the disk resonator is based on the velocity propagation profile of the elastic wave in the plane of the piezoelectric film, with lateral dimensions scaled to the half wavelength of the desired resonance frequency. The resonators are designed with supports which emulate free-free boundary conditions. Prototype resonators are fabricated using a three-layer Al_0.3Ga_0.7As heterostructure containing silicon-doped electrodes and an undoped piezoelectric Al_0.3Ga _0.7As layer. Quality factors as high as 11 200 are measured in air for a 23.25 MHz fundamental resonant mode, with a corresponding motional resistance of 1.67 kOmega. A finite-element model for the resonator design is also described. Simulation results agree well with both theoretical calculations and experimental data     

背衬对埋入混凝土中压电陶瓷激励声能的影响

压电埋入式混凝土敏感模块是利用在混凝土中埋入的压电陶瓷形成的一种复合式智能单元.该敏感模块可以对混凝土结构的健康状况进行检测.为了提高埋入混凝土中的压电陶瓷所激励声能的效率从而提高检测的准确性,提出了一种在压电陶瓷圆片一侧用硅橡胶层和金属背衬的方法,该方法能将压电陶瓷双侧的声能集中到一侧从而充分利用声信号能量提高声激励...