【摘要】：近些年來(lái)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代與信息化進(jìn)程的不斷加快,移動(dòng)通訊行業(yè)迎來(lái)了飛速的發(fā)展與革新的熱潮,移動(dòng)通訊終端設(shè)備的需求也呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。在無(wú)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(diǎn),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(yīng)用。在FBAR技術(shù)的眾多研究方向中,頻率調(diào)制一直以來(lái)都是學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn),這一功能在實(shí)現(xiàn)器件的頻率一致性、溫度補(bǔ)償、頻段拓展及傳感探測(cè)等方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值。在當(dāng)前眾多的FBAR頻率調(diào)制技術(shù)中,基于壓電薄膜的本征電場(chǎng)調(diào)制與光調(diào)制方式具有控制靈活、響應(yīng)快且不需要額外調(diào)制單元的優(yōu)點(diǎn),在實(shí)現(xiàn)FBAR的頻率調(diào)制功能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景。目前,在FBAR的本征電場(chǎng)調(diào)制與光調(diào)制特性研究及其應(yīng)用方面仍然存在一些問(wèn)題:當(dāng)下關(guān)于各類本征電調(diào)特性的研究均側(cè)重于描述各自所設(shè)計(jì)器件的電場(chǎng)調(diào)制性能的定量結(jié)果,尚未有深入分析FBAR本征電調(diào)特性背后的誘因與物理機(jī)理的研究,而本征電調(diào)特性的機(jī)理研究對(duì)電調(diào)FBAR的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著非常重要的指導(dǎo)意義;另一方面,在FBAR的光調(diào)制研究與傳感應(yīng)用方面,盡管目前已在紫外與可見(jiàn)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(bào)道,尤其是在實(shí)現(xiàn)高靈敏度與高可靠性的FBAR紅外傳感器方面,尚有待進(jìn)一步的完善。因此,本論文在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及裝備預(yù)研教育部聯(lián)合基金的資助下,對(duì)基于AlN壓電薄膜FBAR的電場(chǎng)與紅外調(diào)制特性及其應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。論文的具體工作和主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)基于壓電材料的h型一維簡(jiǎn)化本構(gòu)方程推導(dǎo)了AlN壓電薄膜振子的機(jī)電等效模型,并結(jié)合普通材料層的聲學(xué)等效模型,建立了層合結(jié)構(gòu)FBAR的普適理論模型,并根據(jù)此模型對(duì)器件的電學(xué)阻抗特性進(jìn)行了分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)了諧振頻率高達(dá)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(xué)與振動(dòng)特性,仿真結(jié)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(yù)測(cè)層合結(jié)構(gòu)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(guān)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(gè)核心工藝參數(shù)對(duì)AlN壓電薄膜c軸(002)晶面擇優(yōu)取向的影響,進(jìn)而優(yōu)化制備了高c軸擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜,測(cè)試結(jié)果表明,AlN壓電薄膜(002)晶面取向衍射峰強(qiáng)度高達(dá)10~5 counts,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了半高寬FWHM小于2°。此外,設(shè)計(jì)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(cè)試結(jié)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(zhì)因數(shù)(Q值)與機(jī)電耦合系數(shù)分別達(dá)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(jī)電耦合系數(shù)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(chǎng)調(diào)制特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǎng)呈線性正相關(guān),其中一階模態(tài)的串、并聯(lián)諧振頻率調(diào)制靈敏度分別為48.05 kHz/(MV/m)與33.13kHz/(MV/m),二階模態(tài)則達(dá)到了68 kHz/(MV/m)與59.7 kHz/(MV/m)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了FBAR器件各模態(tài)MBVD模型中各參數(shù)對(duì)電場(chǎng)的依賴關(guān)系,提取結(jié)果表明,模型中的靜電容C_0與動(dòng)態(tài)電容C_m均與偏置電場(chǎng)呈負(fù)相關(guān),而動(dòng)態(tài)電阻R_m與動(dòng)態(tài)電感L_m則與電場(chǎng)呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)器件電場(chǎng)調(diào)制特性的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,發(fā)現(xiàn)了AlN壓電薄膜材料的電增勁效應(yīng)是引起FBAR電調(diào)特性的主要原因,并利用推導(dǎo)的FBAR的機(jī)電等效模型與電調(diào)特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)了迭代算法對(duì)AlN壓電材料的電增勁效應(yīng)進(jìn)行了定量提取,結(jié)果表明,AlN的等效剛度系數(shù)c~D_(33)隨著外加偏置電場(chǎng)的增加而線性增大,在-150 MV/m到150 MV/m的范圍內(nèi)的相對(duì)變化高達(dá)10%,對(duì)應(yīng)的調(diào)制靈敏度為333 ppm/(MV/m)。同時(shí),首次從原子間作用力的角度分析了AlN壓電材料電增勁現(xiàn)象的物理機(jī)制,揭示了電增勁效應(yīng)的本質(zhì)是由電場(chǎng)調(diào)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(duì)此效應(yīng)提出了基于逆壓電效應(yīng)與Born-Landé方程的定量分析模型,并與之前實(shí)驗(yàn)提取結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,探討了此理論模型的不足與接下來(lái)的改進(jìn)方向。最后利用電調(diào)特性對(duì)所加工的FBAR進(jìn)行了零溫漂補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試,結(jié)果表明一階模態(tài)與二階模態(tài)的零溫漂補(bǔ)償調(diào)制率分別達(dá)到了1.29 V/℃與0.16 V/℃。(4)研究了雙模態(tài)FBAR的紅外光調(diào)制特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)呈線性正相關(guān),對(duì)應(yīng)的調(diào)制靈敏度分別為80.88 kHz/(mW/mm~2)與1069.34 kHz/(mW/mm~2),與此同時(shí),一階模態(tài)的反射系數(shù)與入射紅外光強(qiáng)呈負(fù)相關(guān),而二階模態(tài)的反射系數(shù)則呈正相關(guān),并且二者隨紅外光強(qiáng)的變化均呈非線性趨勢(shì),最大調(diào)制靈敏度分別為-13.91 dB/(mW/mm~2)與1.33dB/(mW/mm~2)。仔細(xì)探究了FBAR器件的紅外光敏機(jī)理,通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真分析揭示了光致熱效應(yīng)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(yīng)才是FBAR紅外光調(diào)制的主要誘因,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了靜電容對(duì)入射紅外光具有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系,調(diào)制靈敏度高達(dá)5.93%/(mW/mm~2)。最后,利用雙模態(tài)FBAR的紅外調(diào)制特性提出了四傳感信號(hào)協(xié)同工作的紅外探測(cè)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(dāng)采用一階模態(tài)下的反射系數(shù)作為傳感信號(hào)時(shí),可獲得最佳噪聲等效功率108 pW/Hz~(0.5)。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN62;TN713
【圖文】：

就是微波諧振器。尤其是射頻濾波器，在當(dāng)下通為了保證無(wú)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(shí)現(xiàn)高性噪比的手機(jī)為例，如圖 1.1 所示，目前一部 4G 手機(jī)中的 個(gè)，而對(duì)于即將到來(lái)的 5G 時(shí)代，這一數(shù)字將進(jìn)一動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)ι漕l濾波器的需求極為巨大。目前，三種：介質(zhì)濾波器、聲表濾波器、薄膜體聲波諧振波器的優(yōu)勢(shì)在于功率容量大，插入損耗低，但其存無(wú)法滿足現(xiàn)代電子器件小型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)濾波器尺寸可以做得很小，并且工藝也已非常成熟術(shù)水平的限制，目前主要應(yīng)用于 2GHz 以下的中頻的硅基半導(dǎo)體工藝兼容，無(wú)法滿足射頻前端進(jìn)一步工技術(shù)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(dāng)集成、低功耗、高性能的發(fā)展趨勢(shì)。因此，一經(jīng)面勢(shì)迅速占領(lǐng)了無(wú)線通訊領(lǐng)域市場(chǎng)。

隨著全球產(chǎn)業(yè)智能化的發(fā)展與人工智能時(shí)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(shù)字信號(hào)，因此抗干擾能力強(qiáng)，進(jìn)而獲得高性傳感器領(lǐng)域的市場(chǎng)份額不斷增大，美國(guó)全球性ets 在 2017 年 7 月出具的一份關(guān)于聲波傳感器的e Sensor Market (2017 2023)”中指出[4]：2017 年聲波元，預(yù)計(jì)到 2023 年將達(dá)到 8.68 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)而基于 FBAR 技術(shù)的諧振型傳感器相較于傳統(tǒng)的聲）具有高 Q 值（可達(dá) 2000）、高諧振頻率（可達(dá)數(shù)容）等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此，近些來(lái)開(kāi)始在傳感已拓展到質(zhì)量[5,6]、溫度[7,8]、濕度[9,10]、壓強(qiáng)[11,12]、FBAR 技術(shù)不僅在射頻通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價(jià)大的應(yīng)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(yù)先牲層選擇性刻蝕掉，從而實(shí)現(xiàn) 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(guò)刻蝕工藝先形成一個(gè)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(lái)再通過(guò)化學(xué)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)，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(kāi)了背面深硅率不一致的弊端，進(jìn)一步地降低了成本，提高了良品率，目前占據(jù) FBA半壁江山的 Avago 公司所提供的產(chǎn)品正是基于此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，但其缺水平要求較高，目前主要是占據(jù)市場(chǎng)份額的各商業(yè)寡頭或掌握核心工藝的優(yōu)選方案，對(duì)主要面向 FBAR 技術(shù)基礎(chǔ)研究的眾多實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，還有戰(zhàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2772717