薄膜体声波谐振器性能模型参数的提取方法北大核心CSCD

薄膜体声波谐振器(FBAR)性能模型包含两个关系式:一个是FBAR有效机电耦合系数与其形状因子(面积与周长之比)的关系式,另一个是FBAR品质因数与其形状因子的关系式。前一个关系式中的参数为FBAR边缘区域的等效宽度,后一个关系式中的参数为表征FBAR横向声能泄漏的因子。为使性能模型用于不同膜层结构、材料及制备工艺的FBAR,建立FBAR性能模型参数的提取流程。以一种5层复合结构的FBAR为例,在同一晶片上,制备多个不同形状因子的FBAR。针对其中一个五边形FBAR,在ADS软件中通过Mason电路模型仿真得到其性能值(有效机电耦合系数和品质因数);再使用矢量网络分析仪和射频探针台实测其性能值。将仿真与实测得到的性能值代入FBAR性能模型,解算出这两个参数。确定参数之后,使用FBAR性能模型预测同一晶片上其它不同性能因子FBAR的有效机电耦合系数和品质因数,预测值的相对误差在3%之内,验证了该参数提取流程的有效性。     

新型掺碳二氧化硅-薄膜体声波谐振器结构及其仿真验证

一定厚度的低声阻抗支撑层可以在薄膜体声波谐振器(FBAR)与衬底之间形成声学隔离层,防止声波泄漏到衬底当中。掺碳二氧化硅(CDO)是一种低声阻抗材料,对FBAR具有较好的温度补偿效果,可以作为FBAR与衬底之间的声学隔离层,从而构成一种新型的CDO-FBAR。为了分析CDO-FBAR与通孔型FBAR相比性能是否退化,以及CDO声学隔离层所需厚度,采用多物理场耦合仿真软件分析了CDO-FBAR和通孔型FBAR的谐振频率、Q值、有效机电耦合系数和S参数,并提取了CDO-FBAR纵向振动位移。分析结果表明:CDO-FBAR的谐振频率整体向下漂移;CDO声学隔离层导致S参数的寄生干扰;由于声学损耗增加,Q值略有降低,其中并联谐振点处的Q值降幅更大;有效机电耦合系数略有降低;声波传播到声学隔离层中9 m处就完全衰减,即只需要9 m厚的CDO声学隔离层就能在FBAR与衬底之间形成有效的声学隔离。由此,仿真验证了这种新颖的CDO-FBAR结构的可行性。     

应用于气体传感器的具有铝/金电极的单模式两端对声表面波谐振器

为改善气体传感器性能,通过器件优化设计获得了一种应用于气体传感器的具有低损耗、高品质因子(Q)的单模式两端对声表面波(SAW)谐振器。该谐振器由两个换能器、分置于换能器两边的短路栅反射器以及在换能器之间分布的用于敏感膜镀膜的约2.5mm金属薄层构成。谐振器采用铝/金双层电极以降低测试气体环境的腐蚀影响。利用经典耦合模(COM)理论对器件性能进行了仿真以提取优化的结构设计参数。基于仿真结果,实验研制了基于300MHz频率的新型铝/金电极SAW两端对谐振器,测试结果显示所研制器件具有较低损耗(〈7dB),较高Q值(-3000)以及单一谐振模式的特点,并且,以所研制的新型谐振器为频率控制单元的谐振器型振荡器表现出良好的频率稳定度(t15Hz/h),这对于改善气体传感器的检测下限及稳定性等性能指标具有重要意义。      

用于TES读出的两级SQUID电流放大器及时分复用电路设计与仿真（英文）

本文报道了用于转变边缘传感器(Transition Edge Sensor)读出的两级超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device)放大器电路设计,通过电流分辨率、增益、带宽等考虑对电路参数进行设计,并采用WRspice建立电路仿真模型进行参数优化.电路通过引入磁通锁定环(flux locked loop)实现了大动态输入的确定放大倍数线性放大器,并采用时分复用读出策略对TES阵列进行读出.本文分析方法及仿真模型对于设计及验证大规模复杂TES阵列读出电路提供了一种有效的参数优化手段.     

关于分数阶RL_α-C_β并联谐振品质因数Q的讨论

根据电路理论求得分数阶RL_α-C_β并联电路的导纳,以α=β、CR~2/L1为条件,求得电路谐振频率的简易表达式.在此基础上推导出了RL_α-C_β并联谐振电路品质因数的简易表达式,并对其进行了分析讨论.用MATLAB软件进行了仿真分析,理论分析和仿真分析基本吻合,从而找到了品质因数Q随元件参数及分数阶次数变化的规律.     

薄膜体声波谐振器的力敏特性研究

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到:惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。     

薄膜体声波谐振器的力敏特性研究（英文）

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到:惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。     

探究如何利用谐振电路准确测量电容和电感

当正弦波信号源的输出达到某一频率时,RLC电路的电流达到最大值,即产生谐振现象.目前大多数实验主要是通过描绘RLC串并联电路的相频特性、幅频特性曲线来研究RLC电路的谐振现象,进一步测定谐振曲线、电路品质因数Q值等.那么,能不能利用RLC电路的谐振特性反过来测量电路中的电容和电感呢?为此,本文首先通过谐振电路理论推导得出测量电容及电感的实验原理,然后进行大量的实验探究和数据分析,得出了准确测量电容和电感的条件.     

RLC串联谐振曲线对称性与品质因数Q的关系

通过将RLC串联谐振电路的谐振曲线方程无量纲化得到一个普适的谐振曲线,并根据它证明了曲线的对称性只取决于品质因数Q的值,而非谐振频率的大小.在实验上用控制变量法也验证了此结论.     

RLC串联谐振电路实验的相关问题探讨

通过理论分析了串联谐振电路的谐振原理,探讨了RLC串联电路的谐振特性,包括谐振频率、谐振电压和品质因数.由于电感阻抗的存在对电路谐振特性造成了一定的影响,在实验中发现,谐振特性曲线比理论曲线更平坦,测量的品质因数Q值比理论值偏小.     

贯通导体及其电路对金属腔体内部电磁场的影响

为研究贯通导体及其负载电路对金属腔体内部电磁场的影响,建立了不同贯通导体端接负载模型,使用电磁仿真软件CST进行仿真,利用GTEM室、矢量网络分析仪、功率放大器、ETS电场探头组建实验测试系统,验证了仿真结果的正确性,揭示了贯通导体及其电路对金属腔体内部电磁场的影响规律。研究结果表明:腔体内部电磁场同时受到贯通导体与腔体谐振的影响,在谐振频点干扰场强取得极大值,屏蔽效能取得极小值甚至为负值。贯通导体端接负载不接地与贯通导体两端开路情形相似,贯通导体端接负载直接接地时内部场显著降低,谐振频点降低,贯通导体端接负载浮点接地时内部场变化规律低频时与开路模型相似,高频时与直接接地模型相似。贯通导体端接负载的电阻值、电容值也会影响腔体的内部场。     

体声波双工器中滤波器的参数化设计方法

Tx与Rx滤波器,作为体声波(BAW)双工器的关键部件,其中各薄膜体声波谐振器(FBAR)单元的谐振区面积会影响滤波器的插入损耗和带外抑制这两个重要指标。由于这两个指标是相互制约的,在设计时往往需要折衷考虑,这使得各FBAR单元的谐振区面积设计成为BAW双工器设计的难点之一。为了解决这一问题,提出了一种Tx与Rx滤波器的参数化设计方法。在ADS软件中以FBAR的Mason模型为基础构建了梯形拓扑结构的滤波器电路模型。设置其中各串联FBAR的谐振区面积值以及串并联FBAR的谐振区面积比值为两类优化参数。以给定的滤波器插入损耗与带外抑制为优化目标,使用ADS软件中基于梯度的优化算法得到各参数的优化值。根据优化结果可以简单地计算得到滤波器中各FBAR单元的谐振区面积。以一个工作在LTE band 7的BAW双工器为设计案例展示了该方法的应用流程。设计结果的仿真验证表明:Tx滤波器的插损小于2dB、在Rx滤波器通带内的抑制大于40dB;Rx滤波器的插损小于1.9dB、在Tx滤波器通带内的抑制大于40dB;满足BAW双工器中Tx与Rx滤波器的性能指标。由此验证了该方法的可行性和易用性。     

具有二氧化硅温度补偿层的薄膜体声波谐振器的建模与分析（英）

薄膜体声波谐振器(FBAR)的谐振频率会受到外界环境温度的影响而产生漂移,对于FBAR滤波器而言,这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化,降低其在电学应用中的可靠性。应用ANSYS有限元分析软件,对一个典型Mo-AlN-Mo三层结构的FBAR进行了温度-频率漂移特性的仿真,得到其在［－50 ℃, 150 ℃］温度范围内的频率温度系数(TCF)约为－3510－6/℃。在FBAR叠层薄膜结构中添加了一层具有正温度系数的二氧化硅温度补偿层,分析了该补偿层厚度对FBAR的温度-频率漂移特性、谐振频率和机电耦合特性的影响。设计了具有一层二氧化硅温度补偿层的FBAR叠层,由Mo/AlN/SiO2/Mo多层薄膜构成,仿真得到其频率温度系数为0.87210－6/℃;与没有温度补偿层的FBAR相比,温度稳定性得以显著改善。关键词: Abstract: Key words:     

天线阻抗特性对开关振荡器输出脉冲的影响

以单锥天线和螺旋天线作为开关振荡器辐射天线为例,采用等效电路模型和商业电磁仿真软件,分别对天线末端电压振荡信号和辐射电场脉冲进行了研究。研究结果表明:采用行波天线或者电长度与振荡器一致的振子天线作为辐射天线,都能够产生中心频率与振荡器本征频率一致的电磁脉冲信号;但采用振子天线时,振荡信号持续时间较短(Q值较低),频谱上能量较分散,带宽较宽,而采用行波天线则脉冲持续时间较长(Q值较高),频谱上能量较集中,带宽较窄。     

Simulation Investigation of Millimeter Wave Varactor-tuned Transmission Cavity-stabilized Oscillator

A new circuit configuration for millimeter wave varactor-tuned transmission cavity-stabilized oscillator has been proposed in this paper. Compared to conventional varactor-tuned reflection cavity-stabilized oscillator, in this configuration, a high quality factor transmission cavity directly coupled to varactor diode is employed to improve the performances of the oscillator. The operation frequency of this oscillator can be tuned by varying the resonant frequency of the transmission cavity through changing bias voltage of the varactor diode. An equivalent circuit model for the oscillator has been presented in order to theoretically investigate the performance characteristics of the oscillator. On the basis of this model, electrical tuning characteristics have been studied. Mode jumping phenomena during electrical tuning process have been analyzed for obtaining stable operations of the oscillator. The analytical formulae of quality factor and efficiency have been derived in terms of relevant circuit parameters. Particular emphasis has been paid on several circuit parameters which have a substantial impact on circuit performance. Some design considerations have been pointed out according to the simulation results, which are useful to the design and fabrication of this type of oscillators.     

Effects of electrodes on performance figures of thin film bulk acoustic resonators

The effects of mechanical losses and elastic properties of the electrodes on the performance figures of a thin film bulk acoustic resonator (FBAR) are analyzed by numerical simulation. Results indicate that the material loss of the electrode has no visible effect on the characterization of the effective electromechanical coupling factor, k(eff)2. The acoustic impedance ratio of the electrode to the piezo-film dominantly determines the behaviors of the k(eff)2 variation with the electrode thickness. The resonance Q value, Q(s), of the FBAR closely relies on the material Q values of film and of electrodes as expected. Besides, the variation of Q(s) versus the thickness of the electrodes crucially depends on the acoustic impedance ratio as well. Especially, three characteristic parameters, i.e., the maximum value of k(eff)2, the sectional mass ratio of the electrode to the piezo film corresponding to the maximum k(eff)2, and the tolerance range of the ratio to keep k(eff)2 near the maximum, are calculated for some typical samples. These results would be useful for optimizing FBAR designs and performances.     

一种用于铷原子频标的小型化低噪声10 MHz晶体振荡器设计

本文设计了一种应用于铷原子频标的小型化低噪声石英晶体振荡器,其振荡电路采用柯尔匹兹并联形式和SC切晶体谐振器.基于Leeson模型对石英晶体振荡器相位噪声进行分析,并利用ADS射频仿真软件对振荡电路进行仿真模拟,为振荡器设计与调试提供指导.最终实现体积为22 mm×28.5 mm×13 mm低噪声晶体振荡器,它具有良好的相位噪声特性,其近端相噪为−102.7 dBc/Hz@1 Hz、远端相噪为−164.2 dBc/Hz@10 kHz,且实测短期频率稳定度为1.73×10⁻¹²/s.