【摘要】：近些年來隨著移動互聯(lián)網時代與信息化進程的不斷加快,移動通訊行業(yè)迎來了飛速的發(fā)展與革新的熱潮,移動通訊終端設備的需求也呈現爆發(fā)式的增長。在無線通訊系統(tǒng)中,薄膜體聲波諧振器(FBAR)得益于其小體積、高頻率、高Q值、可集成的優(yōu)點,在濾波器、振蕩器、雙工器、低噪聲放大器(LNA)等核心射頻元器件中具有廣泛的應用。在FBAR技術的眾多研究方向中,頻率調制一直以來都是學術界與產業(yè)界的研究熱點,這一功能在實現器件的頻率一致性、溫度補償、頻段拓展及傳感探測等方面具有重大的應用價值。在當前眾多的FBAR頻率調制技術中,基于壓電薄膜的本征電場調制與光調制方式具有控制靈活、響應快且不需要額外調制單元的優(yōu)點,在實現FBAR的頻率調制功能方面具有顯著的優(yōu)勢與應用前景。目前,在FBAR的本征電場調制與光調制特性研究及其應用方面仍然存在一些問題:當下關于各類本征電調特性的研究均側重于描述各自所設計器件的電場調制性能的定量結果,尚未有深入分析FBAR本征電調特性背后的誘因與物理機理的研究,而本征電調特性的機理研究對電調FBAR的優(yōu)化設計有著非常重要的指導意義;另一方面,在FBAR的光調制研究與傳感應用方面,盡管目前已在紫外與可見光波段引起了廣泛研究并取得了不俗的成果,但在紅外波段的研究卻鮮有報道,尤其是在實現高靈敏度與高可靠性的FBAR紅外傳感器方面,尚有待進一步的完善。因此,本論文在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金以及裝備預研教育部聯(lián)合基金的資助下,對基于AlN壓電薄膜FBAR的電場與紅外調制特性及其應用進行了深入的研究。論文的具體工作和主要研究內容如下:(1)基于壓電材料的h型一維簡化本構方程推導了AlN壓電薄膜振子的機電等效模型,并結合普通材料層的聲學等效模型,建立了層合結構FBAR的普適理論模型,并根據此模型對器件的電學阻抗特性進行了分析,優(yōu)化設計了諧振頻率高達GHz的雙主諧振模態(tài)的FBAR器件。此外,還利用了COMSOL有限元仿真軟件分析了器件在諧振模態(tài)下的電學與振動特性,仿真結果與理論模型吻合良好,表明所建立的理論模型可以有效預測層合結構FBAR的諧振特性。(2)研究了基于脈沖直流磁控濺射法制備AlN壓電薄膜的相關理論和方法,分析了襯底溫度、濺射功率、氣體流量比、工藝真空度四個核心工藝參數對AlN壓電薄膜c軸(002)晶面擇優(yōu)取向的影響,進而優(yōu)化制備了高c軸擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜,測試結果表明,AlN壓電薄膜(002)晶面取向衍射峰強度高達10~5 counts,同時實現了半高寬FWHM小于2°。此外,設計了基于該AlN壓電薄膜的FBAR器件一體化微納加工工藝,并成功制備出性能良好的雙模態(tài)FBAR原型器件。測試結果表明,器件在2.5 GHz的一階模態(tài)下的串、并聯(lián)諧振頻率的品質因數(Q值)與機電耦合系數分別達到了163、249與3.72%,在3.5 GHz的二階模態(tài)下的串、并聯(lián)諧振頻率Q值與機電耦合系數分別為211、143與4.44%。(3)系統(tǒng)地研究了基于AlN壓電薄膜雙模態(tài)FBAR的電場調制特性。實驗結果表明,一階模態(tài)與二階模態(tài)的串、并聯(lián)諧振頻率均與外加偏置電場呈線性正相關,其中一階模態(tài)的串、并聯(lián)諧振頻率調制靈敏度分別為48.05 kHz/(MV/m)與33.13kHz/(MV/m),二階模態(tài)則達到了68 kHz/(MV/m)與59.7 kHz/(MV/m)。在此基礎上,進一步研究了FBAR器件各模態(tài)MBVD模型中各參數對電場的依賴關系,提取結果表明,模型中的靜電容C_0與動態(tài)電容C_m均與偏置電場呈負相關,而動態(tài)電阻R_m與動態(tài)電感L_m則與電場呈正相關關系。對器件電場調制特性的機理進行了系統(tǒng)的分析,發(fā)現了AlN壓電薄膜材料的電增勁效應是引起FBAR電調特性的主要原因,并利用推導的FBAR的機電等效模型與電調特性的實驗結果,設計了迭代算法對AlN壓電材料的電增勁效應進行了定量提取,結果表明,AlN的等效剛度系數c~D_(33)隨著外加偏置電場的增加而線性增大,在-150 MV/m到150 MV/m的范圍內的相對變化高達10%,對應的調制靈敏度為333 ppm/(MV/m)。同時,首次從原子間作用力的角度分析了AlN壓電材料電增勁現象的物理機制,揭示了電增勁效應的本質是由電場調制所引發(fā)的原子間作用力的非線性變化所引起的,并針對此效應提出了基于逆壓電效應與Born-Landé方程的定量分析模型,并與之前實驗提取結果進行了對比分析,探討了此理論模型的不足與接下來的改進方向。最后利用電調特性對所加工的FBAR進行了零溫漂補償的測試,結果表明一階模態(tài)與二階模態(tài)的零溫漂補償調制率分別達到了1.29 V/℃與0.16 V/℃。(4)研究了雙模態(tài)FBAR的紅外光調制特性,實驗結果表明,器件一階模態(tài)與二階模態(tài)的諧振頻率均與入射紅外光強呈線性正相關,對應的調制靈敏度分別為80.88 kHz/(mW/mm~2)與1069.34 kHz/(mW/mm~2),與此同時,一階模態(tài)的反射系數與入射紅外光強呈負相關,而二階模態(tài)的反射系數則呈正相關,并且二者隨紅外光強的變化均呈非線性趨勢,最大調制靈敏度分別為-13.91 dB/(mW/mm~2)與1.33dB/(mW/mm~2)。仔細探究了FBAR器件的紅外光敏機理,通過實驗與仿真分析揭示了光致熱效應并不是器件紅外光敏的主要原因,推論器件靜電容的光敏效應才是FBAR紅外光調制的主要誘因,并通過實驗證明了靜電容對入射紅外光具有強烈的依賴關系,調制靈敏度高達5.93%/(mW/mm~2)。最后,利用雙模態(tài)FBAR的紅外調制特性提出了四傳感信號協(xié)同工作的紅外探測方式,分別取得了3.32 Hz/nW,561.21μdB/nW,43.17 Hz/nW及53.70μdB/nW的紅外傳感靈敏度,當采用一階模態(tài)下的反射系數作為傳感信號時,可獲得最佳噪聲等效功率108 pW/Hz~(0.5)。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN62;TN713
【圖文】：

就是微波諧振器。尤其是射頻濾波器，在當下通為了保證無線收發(fā)系統(tǒng)的正常工作，免受鄰近頻段必須配備高性能的濾波器模組，以實現高性噪比的手機為例，如圖 1.1 所示，目前一部 4G 手機中的 個，而對于即將到來的 5G 時代，這一數字將進一動通信領域對射頻濾波器的需求極為巨大。目前，三種：介質濾波器、聲表濾波器、薄膜體聲波諧振波器的優(yōu)勢在于功率容量大，插入損耗低，但其存無法滿足現代電子器件小型化、集成化的發(fā)展趨勢濾波器尺寸可以做得很小，并且工藝也已非常成熟術水平的限制，目前主要應用于 2GHz 以下的中頻的硅基半導體工藝兼容，無法滿足射頻前端進一步工技術的 FBAR 濾波器不僅具體小體積、高頻率、成電路的主流工藝 CMOS 相兼容[3]，完全滿足當集成、低功耗、高性能的發(fā)展趨勢。因此，一經面勢迅速占領了無線通訊領域市場。

隨著全球產業(yè)智能化的發(fā)展與人工智能時代的到發(fā)展。其中，聲波諧振型傳感器得益于其尺寸小、（半數字信號，因此抗干擾能力強，進而獲得高性傳感器領域的市場份額不斷增大，美國全球性ets 在 2017 年 7 月出具的一份關于聲波傳感器的e Sensor Market (2017 2023)”中指出[4]：2017 年聲波元，預計到 2023 年將達到 8.68 億美元，復合年增長而基于 FBAR 技術的諧振型傳感器相較于傳統(tǒng)的聲）具有高 Q 值（可達 2000）、高諧振頻率（可達數容）等得天獨厚的優(yōu)勢，因此，近些來開始在傳感已拓展到質量[5,6]、溫度[7,8]、濕度[9,10]、壓強[11,12]、FBAR 技術不僅在射頻通信領域具有廣闊的應用價大的應用前景。

微納工藝加工出圖形化的各功能層，最后再采用刻蝕的方式將之前預先牲層選擇性刻蝕掉，從而實現 FBAR 核心振蕩區(qū)域底部的空氣界面，如圖）所示；而下凹型則需要在硅襯底表面通過刻蝕工藝先形成一個淺槽（通 2 微米），然后再淀積犧牲層材料將淺槽填充滿，接下來再通過化學機械MP）工藝，將多余的犧牲層材料去掉直至凹槽左右兩端的硅襯再次露出按標準工藝制備 FBAR 的各功能膜層，完畢后再將凹槽中殘余的犧牲層從而依然形成核心振蕩區(qū)域下方的空氣界面，如圖 1.3（b）所示。這一類 F依然能夠很好地將聲波限制于壓電振蕩堆之內，從而獲得很高的 Q 值，采用了表面微加工工藝，省去了背部體硅深刻的麻煩，避開了背面深硅率不一致的弊端，進一步地降低了成本，提高了良品率，目前占據 FBA半壁江山的 Avago 公司所提供的產品正是基于此種結構設計的，但其缺水平要求較高，目前主要是占據市場份額的各商業(yè)寡頭或掌握核心工藝的優(yōu)選方案，對主要面向 FBAR 技術基礎研究的眾多實驗室來說，還有戰(zhàn)。

【參考文獻】

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本文編號：2772717