微機械諧振器是基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術(shù)設(shè)計和制造的一種聲學(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。因此,隨著電子設(shè)備小型化的發(fā)展趨勢,微機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械諧振器的品質(zhì)因數(shù)通常比較低,從而嚴重限制了其在多個領(lǐng)域中的實際應(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,為了推進壓電微機械諧振器在眾多領(lǐng)域中的實際應(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械諧振器中,本文主要對硅上壓電薄膜（TPoS）結(jié)構(gòu)進行研究,因為該種結(jié)構(gòu)的諧振器機電耦合系數(shù)相對較高,且可以實現(xiàn)單片多頻輸出。為了提升TPoS諧振器的品質(zhì)因數(shù),本文對聲子晶體進行了深入研究,因為聲子晶體所產(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損耗以提升品質(zhì)因數(shù)。本文的主要研究內(nèi)容包括:首先,本文設(shè)計并加工了一種集成在諧振器支撐梁上的一維塊狀聲子晶。通過對該聲子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)進行仿真,驗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)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電學(xué)濾波器與聲學(xué)濾波器的體積對比

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諧振器對于實現(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，對于不同領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該選擇合適的諧振器類型。因此，本節(jié)首先對幾種常見的聲學(xué)諧振器進行詳細的介紹，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，接著對目前國內(nèi)外已有的提升TPoS諧振器品質(zhì)因數(shù)的方法進行概述。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現(xiàn)機電轉(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動態(tài)阻抗過大，因此必須采用真空封裝，將會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現(xiàn)機電轉(zhuǎn)換，機電耦合系數(shù)較高，而且空氣不會影響器件的動態(tài)阻抗，因此不必采用真空封裝，這些優(yōu)點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)都遠遠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)遠遠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，從而無法滿足對小尺寸和高集成度有著嚴格要求的電子設(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�，諧振頻率是由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現(xiàn)多頻輸出，而FBAR在同一基底上只能設(shè)計為相同的頻率。SAW的加工工藝相對成熟且成本低，因此基于SAW的濾波器在移動通信終端領(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】：
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理及減振特性研究[D]. 王剛.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2005



本文編號：3273052