【摘要】：隨著薄膜體聲波諧振器(FBAR)技術的發(fā)展,FBAR傳感器的應用也越來越廣泛,如微質(zhì)量傳感器、微加速度計、壓力傳感器、溫度傳感器、生物傳感器等。微加速度計和壓力傳感器均屬于力學傳感器。力學傳感器的基本原理為FBAR力敏機理,即力載荷作用在力學傳感器上,使得FBAR變形,從而導致FBAR諧振頻率偏移。本文旨在解決FBAR力敏機理的兩個關鍵問題:理論基礎和預測方法。FBAR力敏機理可以分為應力負載效應和電極化效應。變形的FBAR內(nèi)會產(chǎn)生內(nèi)應力與內(nèi)電場。應力負載效應是由內(nèi)應力導致FBAR諧振頻率偏移的現(xiàn)象。電極化效應是由內(nèi)電場導致FBAR諧振頻率偏移的現(xiàn)象。分別對應力負載效應和電極化效應進行研究,建立兩種效應的數(shù)學模型。其中應力負載效應是主要的。并針對非線性的應力負載效應,提出了能準確預測FBAR力學傳感器靈敏度的方法。建立了應力負載效應的數(shù)學模型�；诜蔷�性電彈性理論,利用疊加于有限偏場之上的小增量場理論描述了應力負載效應。將壓電體分為三種構型:參考構型、初始構型和現(xiàn)時構型。外界力載荷為偏場,使壓電體從參考構型變?yōu)槌跏紭嬓�。交變電場為小增量�?使壓電體從初始構型變?yōu)楝F(xiàn)時構型。構建小增量場的壓電本構方程。方程系數(shù)與偏場有關,并由有效材料參數(shù)表示。結合邊界條件和變分公式,得到關于應力負載效應的完整數(shù)學模型。提出了攝動與有限元聯(lián)合求解方法。利用COMSOL計算了FBAR力學傳感器受外界載荷作用下,壓電層AlN的平均偏置應力。在COMSOL中計算了FBAR的諧振頻率與相應的振型。利用第一性原理得到了內(nèi)應力與彈性常數(shù)的關系,結合攝動積分公式,得到FBAR力學傳感器的靈敏度。結合兩個案例驗證了該方法的可行性。將該方法與基于Mason模型的多尺度計算方法、基于有限元的多尺度計算方法對比,驗證了該方法的準確性。建立電極化效應的解析模型�；诰�性壓電理論,推導出了FBAR諧振頻率與直流偏置電壓的關系。利用正壓電效應中外力與直流電壓的表達式,得到了外界力載荷與FBAR諧振頻率的關系。利用一個案例證明了電極化效應可以被忽略,FBAR力敏機理主要為應力負載效應。
【學位授予單位】：西南科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN65
【圖文】：

( )1d2cPf Pd = ，其中 P 為外界壓力，d 為 FBAR 厚度，c 為彈性常數(shù)。通過以上三個公式，分別計算縱波模式下和剪切波模式下，彈性常數(shù)、厚度、密度對 FBAR 諧振頻率的偏移量，疊加得到總頻率偏移量。并與實驗對比，頻率靈敏度基本一致，均在 10-2Hz/Pa 的量級。但實際在應變傳感器感受到應變時，并不是簡單的拉壓形變，諧振器產(chǎn)生的應變與應力分布也是不均勻的，Waber 并沒有給出解決該問題的方法，以及預測其頻率靈敏度相應的模型。2007 年，Chiu 等[18]報道了一種高靈敏度 FBAR 傳感器。該傳感器可以同時測量環(huán)境溫度和壓力，其結構如圖 1-2 所示。其中 FBAR 屬于反面刻蝕型，壓電材料為氮化鋁(AlN)。該傳感器直接將 FBAR 作為敏感膜片，并放置于空氣中，因此該傳感器測量的是表壓。FBAR 膜片感受到壓力而彎曲，從而導致諧振頻率偏移。這與 Weber 報道的壓力傳感器工作原理相似。Chiu 認為導致 FBAR 諧振頻率漂移的原因是：壓電層的彈性常數(shù)和密度的變化。影響 TE 模 FBAR 諧振頻率的主要因素是縱波聲速和 FBAR壓電層的厚度。而影響縱波聲速的主要因素是壓電材料的彈性常數(shù)和密度。當 FBAR受到機械應力變化或溫度變化時，壓電材料的彈性常數(shù)和密度都會變化，從而導致FBAR 的諧振頻率發(fā)生偏移。

( )1d2cPf Pd = ，其中 P 為外界壓力，d 為 FBAR 厚度，c 為彈性常數(shù)。通過以上三個公式，分別計算縱波模式下和剪切波模式下，彈性常數(shù)、厚度、密度對 FBAR 諧振頻率的偏移量，疊加得到總頻率偏移量。并與實驗對比，頻率靈敏度基本一致，均在 10-2Hz/Pa 的量級。但實際在應變傳感器感受到應變時，并不是簡單的拉壓形變，諧振器產(chǎn)生的應變與應力分布也是不均勻的，Waber 并沒有給出解決該問題的方法，以及預測其頻率靈敏度相應的模型。2007 年，Chiu 等[18]報道了一種高靈敏度 FBAR 傳感器。該傳感器可以同時測量環(huán)境溫度和壓力，其結構如圖 1-2 所示。其中 FBAR 屬于反面刻蝕型，壓電材料為氮化鋁(AlN)。該傳感器直接將 FBAR 作為敏感膜片，并放置于空氣中，因此該傳感器測量的是表壓。FBAR 膜片感受到壓力而彎曲，從而導致諧振頻率偏移。這與 Weber 報道的壓力傳感器工作原理相似。Chiu 認為導致 FBAR 諧振頻率漂移的原因是：壓電層的彈性常數(shù)和密度的變化。影響 TE 模 FBAR 諧振頻率的主要因素是縱波聲速和 FBAR壓電層的厚度。而影響縱波聲速的主要因素是壓電材料的彈性常數(shù)和密度。當 FBAR受到機械應力變化或溫度變化時，壓電材料的彈性常數(shù)和密度都會變化，從而導致FBAR 的諧振頻率發(fā)生偏移。

西南科技大學2007 年，Campanella 等人[14]報道了一(SEM, scanning electron microscope)圖如圖2009 年 Campanella[15]在嵌入式 FBAR 微加面刻蝕型 FBAR，優(yōu)化設計出了 FBAR-梁的中的壓電材料均為 AlN。這兩種結構的微于嵌入式 FBAR 微加速度計時，質(zhì)量較大撐梁上方的 FBAR 也隨之變形，從而導致 F諧振頻率偏移的原因為：FBAR 感受到支作用下，變形導致 FBAR 中的壓電晶體的極產(chǎn)生電荷，使得 FBAR 諧振頻率偏移。在速度計受到的加速度成正比。Campanella 只的頻率靈敏度，一個支撐梁的靜態(tài)加速度靈的電荷位移如何影響 FBAR 頻率偏移，以不過與 Weber 提出的 FBAR 敏感機理不同

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本文編號：2796044