薄膜体声波谐振器横向杂散模式三维仿真分析

利用有限元分析软件ANSYS建立了FBAR三维振动模型,分析了不同有效区域形状(方形、圆形、非正五边形)、不同有效区域面积(10 000μm~2、15 625μm~2、22 500μm~2、30 625μm~2、40 000μm~2)和不同压电层材料(AlN、ZnO)对其横向杂散模式的影响,得到了阻抗特性曲线及不圆度(NC)。有效区域形状为非正五边形时,得到最平滑的阻抗曲线和最小的NC值为0.015 1;有效区域面积为40 000μm~2时得到最小的NC值为0.005 5;在相同谐振频率(1.76GHz)下,用ZnO作压电材料时得到较小的NC值为0.012 9。     

低温漂薄膜体声波谐振器研究

该文介绍了一种基于空腔结构的温度补偿型薄膜体声波谐振器(TC-FBAR)。通过在压电层上方生长SiO₂温度补偿层,实现谐振器的低温漂。未采用温度补偿的薄膜体声波谐振器,其频率温度系数约为-25×10^-6/℃。通过适当的膜层结构设计,可使其频率温度系数在±3×10^-6/℃。结果表明,由于温度补偿层的增加,导致器件总体压电效应降低,使谐振器的有效机电耦合系数降低。低温漂谐振器的实现,为窄带低温漂滤波器的研制提供了有效的设计和工艺技术支撑。     

C波段宽带薄膜体声波滤波器设计及验证

介绍了一种适用于三维堆叠的凸点式晶圆级封装的小型化C波段宽带薄膜体声波滤波器的设计方法,并进行了工艺验证。通过对压电层薄膜进行钪掺杂、材料参数提取、结构模型优化实现了相对带宽大于5%的薄膜体声波滤波器设计。通过表面硅基微机电系统(MEMS)工艺制备与凸点式晶圆级封装实现滤波器制备。研制出标称频率5 800 MHz、插入损耗小于2.8 dB、阻带抑制大于40 dBc、体积仅1.0 mm×1.0 mm×0.35 mm的C波段宽带薄膜体声波滤波器。     

氧化锌薄膜体声波谐振器制作重复性和均匀性

通过磁控溅射靶材的成分调控和一系列优化过的微电子机械系统(MEMS)工艺,成功研制了基于氧化锌(ZnO)压电薄膜的固体装配型薄膜体声波谐振器(FBAR)。通过使用性能优异的靶材,所得到的器件谐振性能良好。在同一种工艺条件下得到多个硅片的中心处FBAR的谐振频率为2.365～2.379 GHz,具有较好的重复性。并且,同一硅片不同位置的器件性能还具有优异的均匀性,S_(11)的平均相对误差很小。尤其谐振频率可以控制在2.359～2.410 GHz,相比之前的1.8～2.4 GHz,其均匀性有了明显的提升。同一硅片上9个FBAR谐振频率的平均相对误差能够低至0.256%。     

双阶梯型薄膜体声波谐振器有限元仿真分析

为了抑制薄膜体声波谐振器(FBAR)的寄生谐振同时满足5G通信的高频需求,基于Comsol Multiphysics仿真软件建立薄膜体声波谐振器的二维和三维有限元模型,研究了压电材料、电极横向尺寸和电极形状对寄生谐振的影响,并讨论了电极框架结构对FBAR并联谐振频率(f_p)处的品质因数(Q_p)的影响。基于分析,提出并设计了一种双阶梯电极框架结构的FBAR,该结构的FBAR以AlN为压电材料,电极形状为五边形,中心频率为3.504 GHz,串联谐振频率为3.467 GHz,并联谐振频率为3.541 GHz,Q_p为1591。Q_p与未优化的FBAR相比提高了19.2%,实现了对寄生谐振的有效抑制。     

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Mason模型参数的提取方法

为了正确分析和设计薄膜体声波谐振器(FBAR)器件,需要对谐振器Mason模型中的仿真参数(如机电耦合系数、介电常数及粘滞系数等)进行准确提取。通过简谐近似,在Mason模型中引入了厚度方向位移的横向分量,提高了参数提取的准确性。使用谐振器开路和短路图形的散射参数,提取了探针及测试焊盘的等效电路参数,对谐振器进行去嵌。根据拟合得到的模型参数,仿真了中心频率为5.43 GHz的滤波器。结果表明,采用该方法提取的模型参数仿真结果和滤波器探针测试曲线的通带形状吻合较好。     

薄膜体声波谐振器的热学分析

采用有限元分析软件Comsol Multiphics构建谐振器三维模型,研究器件结构、材料对其热性能的影响。固态装配型谐振器(SMR)有更好的热传导能力与热应力稳定性。在SMR器件中增加一层SiO2,其最高稳态温度上升7℃。器件最高稳态温度随其谐振区面积的减小而迅速增大。当器件换用高热导率材料时,器件最高稳态温度及其随热耗散功率增加而增大的幅度明显降低。     

高品质因数薄膜体声波谐振器的仿真与制备

该文研究了双层反射结构对薄膜体声波谐振器性能的影响。采用有限元方法建立了以氮化硅为支撑层,氮化铝为压电层,钼为电极的器件模型。首先探究反射层的宽度对输入阻抗的影响,为了进一步验证仿真结果,制备了空腔型薄膜体声波谐振器。研究结果表明,当反射层的宽度为0.5 μm时,器件的品质因数将得到极大增强。     

Multifunctional ZnO-Based Thin-Film Bulk Acoustic Resonator for Biosensors

Zinc oxide (ZnO) and its ternary alloy magnesium zinc oxide (Mg _x Zn_1−x O) are piezoelectric materials that can be used for high-quality-factor bulk acoustic wave (BAW) resonators operating at GHz frequencies. Thin-film bulk acoustic resonators (TFBARs) are attractive for applications in advanced communication and in various sensors as they offer the capability of monolithic integration of BAW resonators with radio-frequency integrated circuits (RF ICs). In this paper we report Mg _x Zn_1−x O-based TFBAR biosensors. The devices are built on Si substrates with an acoustic mirror consisting of alternating quarter-wavelength silicon dioxide (SiO₂) and tungsten (W) layers to isolate the TFBAR from the Si substrate. High-quality ZnO and Mg _x Zn_1−x O thin films are achieved through a radio-frequency (RF) sputtering technique. Tuning of the device operating frequency is realized by varying the Mg composition in the piezoelectric Mg _x Zn_1−x O layer. Simulation results based on a transmission-line model of the TFBAR show close agreement with the experimental results. ZnO nanostructures are grown on the TFBAR’s top surface using metal- organic chemical vapor deposition (MOCVD) to form the nano-TFBAR sensor, which offers giant sensing area, faster response, and higher sensitivity over the planar sensor configuration. Mass sensitivity higher than 10³ Hz cm²/ng is achieved. In order to study the feasibility of the nano-TFBAR for biosensing, the nanostructured ZnO surfaces were functionalized to selectively immobilize␣DNA, as verified by hybridization with its fluorescence-tagged DNA complement.     

Thin-Film Bulk Acoustic Wave Resonator Floating Above CMOS Substrate

A thin-film bulk acoustic wave resonator (FBAR) having a floating, 3-D structure above a CMOS substrate is presented. The integration of the FBAR to the CMOS substrate is performed with independence of FBAR or CMOS fabrication technologies. Wafer-level transfer is carried out to obtain a suspended FBAR above CMOS substrates of different technologies, whose resonant frequency is found in the 2.4 GHz band. The electrical interconnection between the FBAR and CMOS is provided by at least two conducting posts, which at the same time offer mechanical support to the resonator's structure. Experimental characterization results and Q-factor comparison with conventional FBAR technologies are discussed.     

薄膜体声波谐振器的研究与仿真

随着5G通信技术的发展,射频前端器件趋向于集成化、微型化,使得薄膜体声波谐振器(FBAR)技术成为通信领域的研究热点之一。该文对FBAR谐振单元选择不同阶数的梯形级联方式,通过射频仿真软件ADS建立MBVD等效电路模型,实验仿真其性能参数输出曲线,设计出频带区间在工信部规划的5G通信频段(4.8～5.0 GHz)标准内的高频窄带滤波器。实验仿真结果表明,所设计的FBAR频带在4.849～4.987 GHz,增加FBAR单元的级联阶数可以提高带外抑制,其插入损耗很小,满足5G通信系统对滤波器的性能参数要求。     

体声波谐振器热行为仿真

为了预测体声波谐振器(BAWR)的热行为并评估其功率容量,提出一种BAWR热行为仿真方法。首先提取BAWR电磁模型中的导体表面损耗,并以此作为热仿真的热源,得到谐振器的温度分布。然后就信号馈送边、有源区形状、功率容量这3方面进行了研究。仿真结果表明,为了减弱BAWR的自热效应,信号馈送宜遵循“长边馈入、长边馈出”原则;有源区形状对自热效应影响甚小;所设计的BAWR功率容量可达3 W。     

ZnO薄膜体声波谐振器性能分析和研制

采用射频网络法分析了ZnO薄膜体声波谐振器的谐振特性,并考虑了介质声损耗对品质因数Q值的影响。采用硅体刻蚀工艺在硅基片上制备了以ZnO薄膜为压电膜的薄膜体声波谐振器,并对器件的性能进行了测试。将实验与理论分析结果进行对比,发现实验器件的谐振频率与理论值一致,但器件Q值却比理论值低,进一步的分析揭示了实际器件Q值偏低的原因。     

微声薄膜耦合谐振滤波器的仿真与设计

基于Mason模型,建立了微声薄膜耦合谐振滤波器的等效电路,实现了滤波器的快速仿真设计。将耦合谐振滤波器与梯形结构微声薄膜滤波器级联,改善了滤波器的矩形度、带外抑制等特性,并通过优化设计,提高了级联滤波器的相位线性度。     

声体波谐振器压控振荡器

声体波谐振器(FBAR)压控振荡器(VCO)技术探讨了高品质因数Q谐振器并实现宽频率调谐难题,完成了声体波谐振器MBVD模型参数建立、电路的选择与布局,以及最优化的设计与制作,尽量消除了FBAR与IC之间的引线产生的影响,克服了频率调整问题.研制了中心频率2.1GHz的VCO振荡器,研究结果表明,其输出功率为5～10 dBm,调谐范围为2.044‰,边带相噪为-143 dBc/1 Hz@1 MHz.     

基于FDTD的薄膜体声波谐振器的数值分析

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和牛顿方程在空间和时间上进行了离散化,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.     

AlN薄膜体声波谐振器的二维数值模拟

利用时域有限差分法对薄膜体声波谐振器进行了二维数值分析.对压电方程和牛顿运动方程在时域和空域利用中间差分进行离散化.采用ANSOFT Maxwell 2D商业软件计算静电场的分布,得到了电场强度的分布.可精确预测各场分量在空间和时间上的分布.在记录一段时间内的电压和电流值的基础上,利用Prony算法计算了薄膜体声波谐振器的电学阻抗特性.