基于薄膜体声波谐振器的高灵敏度质量传感器

提出了一种针对于生物传感应用的薄膜体声波谐振(Thin film bulk acoustic resonator,FBAR)质量传感器。薄膜体声波谐振器谐振频率非常高(GHz数量级),同时具有很高的品质因数,因此基于这种器件的质量传感器具有非常高的质量灵敏度。提出了三对全金属Al-W层作为布拉格声学反射层的FBAR,采用AlN作为压电层,制备出了固态装配型FBAR传感器。通过淀积不同厚度Al层顶电极,对器件的质量灵敏度进行了分析,得到质量传感器串联谐振频率在2.8GHz附近,质量响应度达到5×10-4ng/Hz/cm2,可以实现分子量级的质量传感。     

一种基于薄膜体声波谐振器的高灵敏度质量传感器

介绍了一种针对于生物传感应用的薄膜体声波谐振(thin film bulk acoustic resonator,FBAR)质量传感器.薄膜体声波谐振器谐振频率非常高(能够达到几兆赫兹),同时具有较大的品质因数,基于这种器件的质量传感器具有非常高的质量灵敏度.首次提出了三对全金属的A1-W层作为布拉格声学反射层的FBAR,制备出了固态装配型的FBAR传感器.通过淀积不同厚度Al层顶电极分析了器件的质量灵敏度,仿真得到的质量传感器串联谐振频率在2.8 GHz附近,质量响应度达到5×10-4 ng/Hz//cm2,可以实现分子量级的质量传感.     

密封空气型FBAR温度传感器

薄膜体声波谐振器(FBAR)是性能优良的压电换能器.通过在体硅刻蚀型FBAR背面密封空气的方法制作了密封空气型FBAR,研究了密封空气型FBAR用作温度传感器的可行性.实验结果表明,在20～100℃的温度范围内,密封空气型FBAR温度传感器的并联谐振频率随温度线性变化,且具有很好的稳定性与可靠性.     

薄膜体声波谐振器(FBAR)技术及其应用

薄膜体声波器件具有体积小,成本低,品质因数(Q)高,功率承受能力强,频率高且与IC技术兼容等特点,适合于工作在1~10 GHz的RF系统应用,有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波(SAW)器件和微波陶瓷器件。该文综合阐述了薄膜体声波技术的基本原理、最新发展及应用。分析了FBAR器件的三种结构及其制作方法。还简要讨论了薄膜体声波技术的未来发展趋势及面临的挑战。     

体声波滤波器的设计与微加工方法

提出了一种易于使用的薄膜体声波(FBAR)滤波器的4步设计方法,以一种FDD-LTE Band7的Rx滤波器为例展示了该方法的应用流程。第一步,根据FBAR滤波器的中心频率和带宽指标,确定FBAR薄膜叠层中各层薄膜的厚度。第二步,得到滤波器的电路结构。第三步,得到每个FBAR单元的谐振区面积;为此,将串联FBAR单元的谐振区面积、并联FBAR单元与串联FBAR单元的谐振区面积比值作为两组优化参数;将给定滤波器的插入损耗和带外抑制指标作为优化目标,利用ADS软件中的梯度优化算法,得到其优化值。第四步,旨在使滤波器的带内纹波最小化。设计中采用一种新的FBAR电极厚度调整方法,故意使串联FBAR的串联谐振频率与并联FBAR的并联谐振频率频率值不等,但相差很小,实现了该目标。由于案例设计结果中,SiO2支撑层的厚度仅300nm,需要在背面通孔刻蚀的微加工工艺中工序保留良好,因此,提出了一种基于绝缘衬底上的Si(SOI)圆片中埋氧层(BOX)缓冲的两步通孔刻蚀工艺方案,该方法利用了BOX的刻蚀自停止特性。研究结果表明,Rx滤波器插入损耗为0.6dB,在Tx频段的带外抑制为40.4dB,带内纹波为0.4dB。由此验证了该设计方法的可行性。     

一种新型电调FBAR结构的仿真分析

针对目前薄膜体声波谐振器(FBAR)调谐范围小的问题,提出了一种新型电调FBAR结构,在传统FBAR的压电薄膜和底电极之间引入一层n型掺杂AlN半导体(n-AlN)薄膜。利用COMSOL Multiphysics对新型FBAR进行建模仿真计算,得到其谐振频率为1.92 GHz,阻抗特性曲线中存在寄生谐振峰,通过调整顶电极厚度进行优化,结果表明,当顶电极厚为0.1μm时,寄生谐振峰消失,此时器件谐振频率为1.976 GHz,且顶电极厚度调整后器件整体性能有较大提升。对优化后的新型FBAR进行电调仿真分析,得到其调谐量为600 kHz/V,比传统FBAR的150 kHz/V有很大的提高,另外,仿真结果显示,谐振频率与外加调谐电压呈指数正相关。     

薄膜体声波谐振器温度-频率漂移特性分析

薄膜体声波谐振器(FBAR)的谐振频率会受外界环境温度的影响而产生漂移,对于FBAR滤波器而言,这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化,降低其在电学应用中的可靠性。应用ANSYS有限元分析软件,对一个典型Mo-AlN-Mo结构的FBAR进行温度-频率漂移特性的仿真,在-50⁺150℃温度范围内得到其温度频率系数为-33.6×10-6/℃。通过在FBAR结构中添加一层正温度系数的补偿层,分析了补偿层厚度对FBAR温度-频率漂移特性、谐振频率和机电耦合特性的影响。设计的温度补偿FBAR其温度频率系数为0.872×10-6/℃,比未添加补偿层时有很大改善。     

杂模抑制薄膜体声波谐振器的仿真分析

该文研究了电极边界阶梯结构对薄膜体声波谐振器(FBAR)杂波的影响。采用有限元仿真法讨论了阶梯结构宽度尺寸对杂波的抑制效果,结合振型分析该结构能抑制声波能量的泄露,提高器件品质因数。为了进一步验证仿真结果,实验制备了FBAR器件。测试结果表明,当该阶梯结构凸起宽度为3μm,凹陷宽度为1.5μm时,谐振器杂波被有效抑制,反谐振频率处的品质因数约增大100。     

Si基薄膜体声波谐振器(FBAR)技术研究

介绍了目前国际上主流的薄膜体声波谐振器(FBAR)技术,分析了FBAR谐振器的结构设计和压电薄膜选取方案。依托Si基半导体工艺平台,采用牺牲层技术完成了空气腔的制作,利用磁控反应溅射技术制备的高质量(002)AlN薄膜作为压电材料,基于FBAR多层立体结构,实现了空气腔型FBAR谐振器的制作工艺,实际制作了FBAR谐振器样品。实测FBAR谐振器样品典型指标:Q值≥300,谐振频率为1.46 GHz,谐振频率覆盖L波段。测试结果验证了设计方案及工艺路径的正确性与可行性,为后续产品的研发提供了技术基础。     

X波段FBAR用AlN薄膜制备研究

采用中频磁控溅射法,在硅基上制备了X波段薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器用AlN压电薄膜。对AlN薄膜进行了分析表征,结果表明,AlN压电薄膜具有良好的(002)面择优取向,摇摆曲线半峰宽为2.21°,膜厚均匀性优于0.5%,薄膜应力为-5.02 MPa,应力可在张应力和压应力间进行调节。将该AlN薄膜制备工艺应用于FBAR器件的制作,研制出X波段FBAR器件,谐振频率为9.09 GHz,插入损耗为-0.38 dB。     

薄膜体声波传感器的有限元仿真与分析

薄膜体声波滤波器(FBAR)传感器的性能受结构和材料特性的影响很大。该文利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,建立了FBAR传感器的二维、三维有限元结构模型。用氮化铝和氧化锌材料作为压电薄膜对建立的模型做了固体力学和静电学仿真分析,得到了FBAR传感器的谐振频率、导纳特性曲线和谐振频率处的位移分布情况。通过分析发现氮化铝压电薄膜阻抗特性曲线更平滑,而氧化锌压电薄膜存在明显的寄生谐振峰的问题。针对氧化锌压电薄膜存在的寄生谐振峰进行了优化,仿真分析了电极边长尺寸和电极厚度对寄生谐振的影响,实现了对寄生谐振峰的有效抑制。     

The fabrication of thin-film bulk acoustic wave resonatorsemploying a ZnO/Si composite diaphragm structure using porous siliconlayer etching

Thin-film bulk acoustic wave resonators (FBARs) are used in monolithic microwave integrated circuits (MMICs) for semiconductor devices. FBARs are more attractive than surface acoustic wave resonators since they have the advantages of small size, low cost, and mass-production ability. In this letter, an FBAR with an air gap is fabricated by a surface micromachining technique which utilizes porous silicon layer (PSL) etching. This FBAR has a forward reflection coefficient of -18.912 dB when the thickness of the ZnO thin film measures 1 μm. The FBAR is composed of a piezoelectric zinc oxide (ZnO) thin film and top and bottom electrode thin films of Au(1000 Å)/Ni-Cr(50 Å). The ZnO thin film is deposited by RF magnetron sputtering. This fabrication process is compatible with conventional IC processes, thereby enabling the development of monolithic-integrated FBAR's on Si or GaAs substrates     

薄膜体声波谐振器有限元仿真与设计

为了抑制薄膜体声波谐振器的寄生谐振,建立了薄膜体声波谐振器的二、三维有限元模型。通过频率响应仿真,分析了不同电极结构的谐振器在中心频率处的振动位移分布情况和频率响应曲线,评估了不同电极结构对谐振器寄生振动的影响,并完成谐振器电极结构的优化设计,实现了谐振器寄生振动抑制。根据仿真优化结果表明,设计并制作了工作频率在1.873GHz的薄膜体声波谐振器,谐振器插入损耗0.7dB,无明显寄生谐振,对设计进行了验证。     

薄膜体声波谐振器的电磁兼容性分析

随着薄膜体声波谐振器(FBAR)工作频率及FBAR器件集成度的不断提高,FBAR器件的电磁干扰问题显得尤为突出。常用电学模型和有限元模型都假定FBAR中的电磁场为无源准静态场,无法仿真模型的相关电磁特性。使用HFSS高频电磁仿真软件建立了FBAR的三维电磁仿真模型,采用一个包含声场特性的等效介电常数,实现了FBAR电磁场分布、电磁场耦合与压电效应的一体化仿真。分析了高频电磁场分布及电磁场耦合对谐振特性的影响,通过优化FBAR与临近元件的间距及采用不同介电常数的基板材料,减小了电磁场耦合的干扰。     

掺镁ZnO基薄膜体声波谐振器的制备和性能研究

固体装配型薄膜体声波谐振器(FBAR)机械强度好,尺寸小,可在硅片上三维立体集成,灵敏度大,在未来的通信设备制作高带通滤波器和物联网传感器中展现出广泛的应用前景。通过射频磁控溅射系统制备了以掺镁ZnO(MgxZn1-xO)作为压电层的固体装配型薄膜体声波谐振器,研究了掺镁ZnO对薄膜体声波谐振器谐振性能的影响。利用场发射扫描电镜(FESEM)对FBAR的结构进行了微观表征。比较了不同掺镁ZnO靶材对于晶向和谐振性能的影响。通过优化条件,制备出了性能优越的FBAR,其谐振频率在1.8~2.4GHz,品质因数(Q)可达800,回波损耗可达-30dB。     

L波段薄膜体声波谐振器纵波谐振频率计算

薄膜体声波谐振器(FBAR)电极层和压电层的厚度、材料是影响谐振频率的主要因素,确定各层的厚度和材料可得到期望的谐振频率。通过推导FBAR纵向运动应力方程,得到各层厚度、材料、频率参数与角频率相关的公式;采用MATLAB对FBAR各层应力和位移的边界、连续性条件方程组的行列式进行牛顿迭代,得到各层的频率参数。将确定的各层厚度、材料参数值及由牛顿迭代得到的频率参数值代入公式,可以得出谐振频率为1.453 8GHz。采用ADS对具有与公式计算相同厚度、材料的FBAR进行纵向振动Mason模型等效电路仿真,得到仿真模型的谐振频率为1.463GHz。仿真验证结果表明,谐振频率公式计算值和模型仿真值较近,可采用频率公式计算L波段FBAR纵波谐振频率。     

LiNbO_3单晶薄膜体声波谐振器的研制

该文介绍了一种采用智能截割(Smart Cut~(TM))技术制备的单晶铌酸锂(LiNbO_3)薄膜体声波谐振器。采用COMSOL有限元仿真软件从材料和结构两方面对LiNbO_3薄膜体声波谐振器进行优化设计,以实现高机电耦合系数,并通过Smart Cut~(TM)工艺方法制备了高性能Z切-LiNbO_3单晶薄膜作为谐振器的压电层,最终得到LiNbO_3薄膜体声波谐振器的谐振频率为3 847.5 MHz,反谐振频率为3 986.25 MHz,插入损耗为1.81 dB,谐振器有效机电耦合系数达到8.3%。