隨著無線通訊技術(shù)的高速發(fā)展,通訊終端多功能化(如GPS導(dǎo)航、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?的市場需求日異強(qiáng)烈,以及星載、機(jī)載、彈載等電子系統(tǒng)對元器件體積、功耗等因素的嚴(yán)格要求,研制具有高Q值、微型化、集成化特點(diǎn)的高性能頻率器件成為無線通訊發(fā)展的關(guān)鍵部分。提出一種基于PZT壓電效應(yīng)薄膜體聲波諧振器,對高性能頻率器件的發(fā)展具有重要的意義。論文深入討論了薄膜體聲波諧振器的工作機(jī)制,詳細(xì)地闡述了FBAR器件基本電學(xué)等效模型及建模方法,借助ADS電學(xué)仿真、Comsol有限元仿真,研究了壓電材料厚度及種類,電極材料種類及形狀,諧振區(qū)域面積等物理結(jié)構(gòu)對FBAR阻抗特性的影響。基于仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)了器件尺寸,最優(yōu)尺寸下分析諧振中心區(qū)域壓電層的位移分布,結(jié)合PZT壓電薄膜應(yīng)變范圍,論證器件結(jié)構(gòu)可行性,結(jié)合MEMS加工工藝,確定器件加工技術(shù)路線,完成版圖設(shè)計(jì)。采用sol-gel技術(shù)完成了PZT壓電薄膜晶圓級(jí)異質(zhì)集成,得到了成膜致密、取向性良好、厚度均勻的壓電薄膜,最優(yōu)匹配了FBAR器件的材料屬性要求。采用MEMS體硅、平面加工工藝完成了薄膜體聲波諧振器基礎(chǔ)芯片制備,針對支撐層釋放工藝成品率低的技術(shù)瓶頸,創(chuàng)新性地提出了TMAH氣相刻蝕方法,實(shí)現(xiàn)體硅加工的高均勻性、低粗糙度的陣列平面一體化刻蝕,解決了高質(zhì)量薄膜釋放濕法刻蝕技術(shù)難題。最后,自主搭建測試平臺(tái)初步完成原型樣機(jī)S參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基礎(chǔ)芯片串聯(lián)諧振頻率f_s=1.147GHz,并聯(lián)諧振頻率f_p=1.209GHz,帶寬為62MHz,器件機(jī)電耦合系數(shù)k~2_(tff)=12.65%,與仿真結(jié)果差距較小,得到了較滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【學(xué)位單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN751.2
【部分圖文】：

圖 1.1 FBAR器件相對于傳統(tǒng)器件的性能優(yōu)勢膜體聲波諧振器的國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)世紀(jì)60年代初期，為了拔高石英晶振的工作頻段， 體聲波 器件應(yīng)運(yùn)而生ewell制成了第一個(gè)固體裝配型諧振器[8]，該器件采用了布拉格反射層結(jié)構(gòu)加工工藝水平的限制，只是個(gè)實(shí)驗(yàn)室的概念，未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。壓電器的概念是1980年由三個(gè)研究小組各自獨(dú)立提出的[9]。最早提出的背腔刻撐層一般由一層p型摻雜的Si、SiO2或Si3N4充當(dāng)，壓電材料為ZnO，電極t。襯底采用（100）取向的Si，利用Si的各向異性刻蝕將壓電振蕩堆漏出，為自停止層完成刻蝕。20世紀(jì)90年代，聲表面波器件（SAW）加工工藝逐漸AW的濾波器和雙工器逐漸被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)，成為主要的頻率器BAR性能尚不足以與SAW相比，這種情況在20世紀(jì)末未發(fā)生改變。美國麻

微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室采用硅刻蝕技術(shù)和鍵合技術(shù)，構(gòu)造出壓電薄膜懸空的密封腔，得到了基模中心頻率為1.35GHz、品質(zhì)因數(shù)為540、機(jī)電耦合系數(shù)為6.4%、插損為3dB的AlN薄膜體聲波諧振器（如圖1.2），并在集成電路中得到首次應(yīng)用[12]。（a）器件結(jié)構(gòu)圖 （b）器件集成電路圖1.2 麻省理工學(xué)院AlN諧振器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用圖近年來，全球參與FBAR研究的機(jī)構(gòu)眾多，企業(yè)單位如美國的Motorola公司，德國的 EPCOS公司，芬蘭的 Nokia公司，日本的 Fujutsu公司，韓國的 Samsung公司等；學(xué)術(shù)單位如美國麻省理工學(xué)院

該結(jié)構(gòu)明顯地提高了諧振器的性能[19]。藝探索方面主要針對諧振頻率的精確控制、材料改性、新穎器S工藝集成性的增強(qiáng)、牢固可靠的封裝技術(shù)等問題。新加坡微電通過引入SiO2和Si3N4保護(hù)層（如圖1.3），成功地解決了當(dāng)使用犧牲層時(shí)壓電層AlN和Mo電極之間的粘附問題，以及刻蝕氣問題，進(jìn)一步提高了FBAR器件與CMOS工藝的兼容性[20]；Kim諧振器制備工藝步驟多的問題，創(chuàng)新性提出了使用Mg作為犧牲大簡化了工藝過程[21]；天津大學(xué)的龐慰和張浩教授課題組研究AR傳感器，并對體聲波的液相響應(yīng)進(jìn)行了分析，并通過分子單現(xiàn)了器件的可調(diào)諧性，其頻率移動(dòng)高達(dá)20 MHz[22]；清華大學(xué)次在柔性基底上實(shí)現(xiàn)了AlN基FBAR器件的制備[23]，經(jīng)過數(shù)次彎好的諧振性能（如圖1.3），這對柔性無線電子器件的發(fā)展具有
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本文編號(hào)：2890862