微機(jī)械諧振器是基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的一種聲學(xué)諧振器,相較于傳統(tǒng)的電學(xué)諧振器,其尺寸可以大幅減小,并且具有低功耗和高集成度的優(yōu)點(diǎn)。因此,隨著電子設(shè)備小型化的發(fā)展趨勢(shì),微機(jī)械諧振器在傳感和無線通信領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。然而,采用壓電換能方式的微機(jī)械諧振器的品質(zhì)因數(shù)通常比較低,從而嚴(yán)重限制了其在多個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用,比如:低相位噪聲振蕩器、高靈敏度傳感器和窄帶濾波器。因此,為了推進(jìn)壓電微機(jī)械諧振器在眾多領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用,需要研究提升其品質(zhì)因數(shù)的方法。在各種類型的壓電微機(jī)械諧振器中,本文主要對(duì)硅上壓電薄膜（TPoS）結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,因?yàn)樵摲N結(jié)構(gòu)的諧振器機(jī)電耦合系數(shù)相對(duì)較高,且可以實(shí)現(xiàn)單片多頻輸出。為了提升TPoS諧振器的品質(zhì)因數(shù),本文對(duì)聲子晶體進(jìn)行了深入研究,因?yàn)槁曌泳w所產(chǎn)生的聲學(xué)帶隙可以用于抑制諧振體中的聲波通過支撐梁向外耗散,從而能夠顯著減小錨點(diǎn)損耗以提升品質(zhì)因數(shù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:首先,本文設(shè)計(jì)并加工了一種集成在諧振器支撐梁上的一維塊狀聲子晶。通過對(duì)該聲子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了其在諧振頻率處存在部... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

電學(xué)濾波器與聲學(xué)濾波器的體積對(duì)比

第一章緒論3ratio,SNR）的傳感器以及具有大噪聲抑制比的濾波器都是非常重要的[11-14]。綜上所述，MEMS諧振器在諸多領(lǐng)域都有著誘人的應(yīng)用前景，而研究具有高品質(zhì)因數(shù)的MEMS諧振器對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用有著重要意義。1.2聲學(xué)諧振器的研究現(xiàn)狀聲學(xué)諧振器所具有的優(yōu)異性能在眾多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，然而聲學(xué)諧振器的結(jié)構(gòu)多種多樣且各有特點(diǎn)，對(duì)于不同領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該選擇合適的諧振器類型。因此，本節(jié)首先對(duì)幾種常見的聲學(xué)諧振器進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并指出本文所要研究的硅上壓電薄膜（Thin-filmPiezoelectric-on-Silicon,TPoS）結(jié)構(gòu)的諧振器，接著對(duì)目前國(guó)內(nèi)外已有的提升TPoS諧振器品質(zhì)因數(shù)的方法進(jìn)行概述。1.2.1聲學(xué)諧振器的分類聲學(xué)諧振器是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換器件，首先按照能量轉(zhuǎn)換方式的不同可以分為電容式和壓電式兩種，如圖1-2所示。電容式諧振器是通過改變諧振體與電極之間的間隙來實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換，具有可以與石英晶體諧振器相媲美的品質(zhì)因數(shù)，但是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且在空氣中工作時(shí)動(dòng)態(tài)阻抗過大，因此必須采用真空封裝，將會(huì)增加器件的體積和成本[15,16]。而壓電式諧振器通過壓電材料實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換，機(jī)電耦合系數(shù)較高，而且空氣不會(huì)影響器件的動(dòng)態(tài)阻抗，因此不必采用真空封裝，這些優(yōu)點(diǎn)使其得以被廣泛的研究和應(yīng)用。但是，壓電式諧振器中除了石英晶體諧振器以外，其他類型諧振器的品質(zhì)因數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電容式的諧振器，通常只有1,000-5,000，因此亟待提出一些提升壓電式諧振器品質(zhì)因數(shù)的方法。圖1-2兩中不同換能方式的聲學(xué)諧振器。(a)電容式[17]；(b)壓電式[18]常見的壓電式諧振器類型有石英晶體諧振器，聲表面波諧振器（SurfaceAcousticWave,SAW），薄膜體聲波諧振器（FBAR）和MEMS諧振器，如圖1-3所

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4示。在這幾種諧振器中，石英晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的諧振器，而且具有優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，因此已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于振蕩器中[19,20]。但是，由于石英晶體諧振器的諧振頻率與其晶體厚度成反比，受限于目前的工藝水平，很難將晶體切割的很薄，故石英晶體諧振器無法達(dá)到較高的諧振頻率，通常小于500MHz。此外，石英晶體諧振器還有著尺寸較大，抗沖擊性差且不能與硅基的CMOS電路集成的缺點(diǎn)，從而無法滿足對(duì)小尺寸和高集成度有著嚴(yán)格要求的電子設(shè)備。圖1-3四種常見類型聲學(xué)諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)石英晶體諧振器；(b)聲表面波諧振器；(c)薄膜體聲波諧振器；(d)硅上壓電薄膜微機(jī)械諧振器SAW和FBAR是目前已經(jīng)被應(yīng)用的聲學(xué)諧振器，它們的主要區(qū)別在于聲波傳播位置的不同，SAW的聲波是沿著壓電基底的表面?zhèn)鞑ィC振頻率是由IDT（InterdigitalTransducer）電極的周期距離決定；FBAR的聲波是在壓電薄膜體內(nèi)傳播，諧振頻率是由壓電薄膜的厚度決定。因此，F(xiàn)BAR的工作頻率要高于SAW，但是SAW可以通過改變IDT之間的間距在同一基底上實(shí)現(xiàn)多頻輸出，而FBAR在同一基底上只能設(shè)計(jì)為相同的頻率。SAW的加工工藝相對(duì)成熟且成本低，因此基于SAW的濾波器在移動(dòng)通信終端領(lǐng)域占有重要地位，但是受限于目前工藝中的線寬精度，其電極間距很難做到特別窄，所以SAW濾波器也無法滿足高頻應(yīng)用，通常為10MHz-3GHz。FBAR的加工工藝較為復(fù)雜且成品率低，因此基于FBAR的濾波器通常應(yīng)用于一些高端設(shè)備。但是，F(xiàn)BAR的工作頻率可以高達(dá)5GHz，而且由于FBAR為懸浮結(jié)構(gòu)，諧振體四周與空氣接觸，由于空氣與諧振體材料之間的聲阻抗相差很大，會(huì)產(chǎn)生聲阻抗不匹配，因此FBAR的能量損耗較小，Q值更高。此外，F(xiàn)BAR還具有可以與硅基的CMO

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]聲子晶體諧振器及其聲能采集器研究[D]. 楊愛超.重慶大學(xué) 2015
[2]聲子晶體局域共振帶隙機(jī)理及減振特性研究[D]. 王剛.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2005



本文編號(hào)：3273052