本文選題：聲表面波　切入點：薄膜體聲波諧振器　出處：《浙江大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著半導體和MEMS工藝的進步以及物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,傳感器在我們的日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中幾乎無所不在,已經(jīng)成為了我們的第三只眼睛和耳朵,為我們提供更高的生活質量以及保障工業(yè)生產(chǎn)順利進行。常見的傳感器類型有電阻型,電感型,壓電型,電容型,金屬氧化物半導體型等不同工作原理的傳感器。本文主要圍繞壓電型聲波傳感器展開研究,包括聲表面波傳感器和薄膜體聲波傳感器,研制了柔性、透明聲表面波濕度傳感器,薄膜體聲波壓力,紫外光和濕度傳感器,并研制了基于薄膜體聲波諧振器的濕度傳感器芯片及多氣體多參數(shù)檢測系統(tǒng)。希望通過本研究,為聲波傳感器在生活,生產(chǎn),物聯(lián)網(wǎng),智慧城市等各方面的普及應用打下基礎。本文在玻璃和PI襯底上通過反應式磁控濺射的方法生長了高質量的ZnO薄膜,并制備了性能優(yōu)良的延遲線型聲表面波器件。深入研究了基于玻璃襯底的聲表面波傳感器的響應原理,并研究了有望用于柔性可穿戴設備的基于PI襯底的柔性聲表面器件,對柔性聲表面波器件產(chǎn)生的兩個諧振峰進行了詳細的分析,確認了這兩個諧振峰是Lamb波的兩個零階模態(tài),即對稱零階模態(tài)(SO)和非對稱零階模態(tài)(AO)。采用新型納米材料氧化石墨烯做敏感膜,研究了柔性聲表面波器件的兩個諧振峰的濕度響應。針對柔性器件可彎曲的特性,探索了它們在不同彎曲狀態(tài)下的濕度響應能力,器件在彎曲狀態(tài)下(應變約為2000ε)時,仍然具有非彎曲狀態(tài)下的濕度響應能力,同時,對器件進行彎曲性能測試(應變約2000ε),當器件彎曲次數(shù)達到8000次時,器件仍保持著良好的性能,展現(xiàn)出了優(yōu)越的柔性應用潛力。分析了薄膜體聲波器件的工作原理,并利用ADS軟件建立了薄膜體聲波器件的Mason模型。利用實驗室現(xiàn)有的MEMS工藝,采用背刻蝕的方法,設計和制備了以氧化鋅為壓電薄膜的薄膜體聲波諧振器,所制備的背刻蝕型FBAR器件,其工作頻率在1.95GHz時,Q值為2500多,達到了國際領先水平,并驗證了所建立的薄膜體聲波諧振器的Mason模型與實驗結果的一致性。對有二氧化硅支撐層的薄膜體聲波器件,分析了其產(chǎn)生多個諧振峰的原因及在各個諧振峰的聲波振動模式。以背刻蝕型的FBAR為基礎,提出了使用UV感光膠水和玻璃把背刻蝕的通孔密封起來的新型壓強傳感器結構。并研究了薄膜體聲波諧振器的多個諧振峰對壓強的響應及溫度特性,發(fā)現(xiàn)模式1諧振峰對壓強變化具有最好的靈敏度,三個諧振峰對壓強具有良好的線性度,非常適合于做輪胎壓強傳感器。提出了一種具有多孔上電極的薄膜體聲波諧振器結構,通過實驗對比發(fā)現(xiàn),具有多孔上電極的薄膜體聲波器件具有更好的紫外響應能力,也就是說多孔上電極增加了紫外光的透過率,提升了薄膜體聲波諧振器的紫外探測能力。FBAR氣體傳感器一般都是基于質量負載原理,本文對薄膜體聲波諧振器的質量傳感器原理進行了數(shù)值分析,采用Mason模型和有限元模型對質量負載效應進行了數(shù)值仿真。采用分立器件設計和制備了基于薄膜體聲波諧振器的Pierce振蕩器,并采用氧化石墨烯做敏感膜,進行了基于薄膜體聲波振蕩器的濕度傳感研究。并搭建了傳感器的氣體陣列全自動測試系統(tǒng),包括氣體產(chǎn)生系統(tǒng),測試腔體以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用Invensense提供的MEMS工藝PDK和Global Foundry提供的0.18μm CMOS工藝,進行了 FBAR和CMOS單片集成的振蕩器陣列設計,電路部分主要包括振蕩器核心,提供偏置的電流源,采用數(shù)字異或門的數(shù)字混頻器,電路的前仿和后仿均顯示出了優(yōu)異的性能和一致性。在4mm*2.5mm的范圍內集成了 23個FBAR振蕩器。
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【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP212;TN65

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本文編號：1641432