体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

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。     

微机械谐振式加速度计的研究现状及发展趋势

微机械谐振式加速度计(MMRA)是通过检测加速度施加前后谐振器谐振频率变化实现对加速度检测的。该传感器具有频率信号输出、稳定性好、灵敏度高、精度高等优点,己成为MEMS传感器的重要发展方向之一。详细讨论了微机械谐振式加速度计设计中的关键技术,难点及对应解决方案、发展趋势。其中,关键技术包括机械结构、激励与检测方式以及谐振器刚度改变方式。分析了谐振器的三种机械结构以及微杠杆工艺误差造成的不对称性;根据谐振器材料的压电特性,可将MMRA分为压电MMRA和非压电MMRA,压电MMRA的激励与检测方式都是压电激励/压电检测,非压电MMRA主要为静电激励/电容检测;讨论了轴向应力和静电刚度这两种谐振器刚度改变方式的原理和适用范围。微机械谐振式加速度计主要存在四个技术难点:机械耦合、温度特性、工艺误差、组装与封装,并针对这四点给出了相应的解决方案。集成,静电刚度,新材料,多轴以及更高的性能指标将是今后微机械谐振式加速度计的主要发展趋势。     

碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合薄膜的制备及力敏特性研究

针对传感器的敏感单元发展需求,提出了一种碳纳米管复合材料.该材料是以碳纳米管作为填充粒子,结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机基体,采用超声共混方法制备的一种新型传感器敏感元件.详细分析研究了复合材料的制备工艺参数,以及在不同工艺参数下该复合材料的力敏特性.扫描电镜测试表明碳纳米管在PDMS中分散均匀且镶嵌良好.通过对不同体积分数的碳纳米管与PDMS复合材料进行电学性能测试,研究薄膜的"力-电阻"和"力-电容"耦合性能,测试了薄膜结构的力敏效应.计算得到复合薄膜材料的压阻灵敏度因子达到40,压电容灵敏度因子达到70.实验研究表明,通过改变碳纳米管与PDMS的比例,可以很好地调节其电子输运特性以及电阻和电容的应力敏感特性,可以为该类型的力敏材料在不同的力敏传感技术领域提供新的研究思路.     

差分式SAW温度应变复合传感器*

本文基于声表面波(SAW)理论和微扰理论,首次提出了并研制由三个谐振器组成的差分式SAW 温度应变复合传感器。通过COMSOL对AT切型和XY切型的两种SAW谐振器进行了仿真,根据其频率-应变响应和频率-温度响应,设计并研制了能够进行温度补偿和应力应变补偿的温度应变传感器,传感器的应力测量灵敏度为100Hz/u,温度测量灵敏度为80kHz/。该传感器成功应用到了隔离开关的状态监测,现场测试表明,该传感器对隔离开关触指温度和应变的检测可实现对隔离开关工作状态的有效判别,在未来的电力系统设备在线检测中具有重要的应用前景。     

PZT铁电薄膜纳米尺度铁电畴的场致位移特性

利用扫描力显微术的压电响应模式，并基于逆压电效应原理，研究了梯度组成的PZT铁电薄膜纳米尺度铁电畴的场致位移特性.获得了源于纳米尺度铁电畴的压电效应和电致伸缩效应贡献的场致位移回滞线，以及源于线性压电效应和电畴反转效应综合贡献的纳米尺度压电位移 场强蝶形曲线，证实了Caspari Merz理论在纳米尺度上的有效性.发现了梯度铁电薄膜存在纳米尺度印刻现象，认为该现象的内因源于薄膜中的内偏场. 关键词： PZT铁电薄膜 场致位移 纳米尺度 扫描力显微术     

基于NbN,AlN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性,随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究,而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能. 我们以单晶MgO作为器件衬底,MgO/NbN多层结构作为AlN薄膜体声波器件的反射器,NbN/AlN/NbN三层结构为谐振器.在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小,可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AlN薄膜.通过控制AlN薄膜和NbN薄膜的不同厚度,可以获得不同频段范围的谐振器. 压电薄膜的质量,以及体声波在多层结构界面上的能量损耗,直接影响到谐振器电学性能.基于AlN材料的压电性能,设计了NbN/AlN/NbN三层结构的谐振器,并进行了数值模拟.     

基于能量转换原理的磁电层合材料低频磁电响应分析

提出了一种基于能量转换原理的磁致伸缩/压电层合材料低频磁电响应模型,并对不同层合结构的磁电响应特性进行了对比研究.该模型假定层合材料层间能量传递通过层间剪切力来实现,利用应力函数法分析了磁致伸缩层和压电层的应力与应变,求出了磁致伸缩层的应变能和存储磁场能以及压电层的应变能和电场能;利用Hamilton最小能量原理求出了层间剪切力的大小,获得了开路状态下层合材料的低频磁电响应模型.发现磁电电压系数与磁致伸缩材料的磁导率、泊松比、磁机耦合系数以及压电材料的泊松比、机电耦合系数等有关,并对这些参数的影响进行了分析.同时对两层和三层结构的层合材料磁电特性进行了对比研究,发现层合结构不同则获得的磁电系数公式不同,用相应的公式计算得到的误差才会最小.研究结果表明,本文的理论误差小于6.5%,与其他方法相比,本文的理论模型能更好地描述磁电层合材料的低频磁电响应特性.     

声表面波介质表面受力条件下的波速变化研究

为了计算力负载直接作用在声表面波传播表面时波速的变化特性,通过有效材料系数将负载引入,并用广义Green函数计算声速,得到了数值计算的结果,并用声表面波谐振器进行了实验.实验结果表明,将力负载直接加载在声表面波的传播表面时,波速变化量和力负载大小近似为线性关系,该加载方式下,实验中声表面波谐振器的谐振频率对外加质量负载有较高的灵敏度,可达1900 Hz/g.     

基于NbN，AIN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性，随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究，而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能．我们以单晶MgO作为器件衬底，MgO/NbN多层结构作为AIN薄膜体声波器件的反射器，NBN／AIN／NbN三层结构为谐振器．在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小，可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AIN薄膜．通过控制AIN薄膜和NbN薄膜的不同厚度，可以获得不同频段范围的谐振器．压电薄膜的质量，以及体声波在多层结构界面上的能量损耗，直接影响到谐振器电学性能．基于AIN材料的压电性能，设计了NBN／AIN／NBN三层结构的谐振器，并进行了数值模拟．     

石墨烯谐振式力学量传感器研究进展

传统谐振式传感器的谐振敏感元件大多采用金属、石英晶体、硅等材料制成,但随着谐振式传感器朝着小型化、微型化、实用化的趋势发展,不但要求新型谐振子材料可进行微纳加工,还对其灵敏度和精度提出了更高的要求.石墨烯这种新型二维纳米材料,因具有出色的力学、电学、光学、热学特性,在谐振传感领域有着巨大的应用潜力和研究价值,因此基于石墨烯材料的力学量传感器有望在小型化、高性能和环境适应性等多方面超越硅基力学量传感器.本文针对石墨烯谐振式力学量传感器,介绍了石墨烯材料的基本性质、制备与转移方法,阐述了谐振式传感器的工作原理与应用特点,进而分析了关于石墨烯谐振特性优化与谐振器制备的理论与实验研究;在此基础上,重点总结了石墨烯谐振器在压力、加速度、质量等传感器领域的研究进展,梳理了石墨烯谐振式力学量传感器在薄膜转移、结构制备与激振/拾振等方面的技术问题,同时也明确了石墨烯在谐振传感领域的研究价值和发展潜力.     

磁致伸缩材料弱磁场响应特性的实验研究

针对磁致伸缩材料在弱磁场传感器领域的应用需要,采用迈克耳逊干涉原理实验测量了零应力条件下Tb-Dy-Fe材料和Fe-Ga合金的磁场响应灵敏度,以及不同应力下Fe-Ga合金的磁场响应特性和温度响应特性.实验结果表明：在零应力,外加磁场16 mT条件下,Fe-Ga合金的磁场响应灵敏度远高于Tb-Dy-Fe材料,更合适作为弱磁场传感器敏感材料;同时,在1.2 MPa预应力和26 mT偏置磁场下,Fe-Ga合金材料具有较好的磁场响应灵敏度和较大的饱和磁致伸缩系数,因而处在最佳工作状态.所得到的材料的磁场和温度响应曲线可作为弱磁场传感器参量设计的参考依据.     

基于ZnO薄膜的高次谐波体声波谐振器的研究

基于ZnO作压电层和蓝宝石作基底的高次谐波体声波谐振器(HBAR),采用不同电极材料和溅射方法进行优化。优化选定镀铬-金/氧化锌/铬-金/蓝宝石结构。对制备的器件进行了测试分析,结果显示,具有多模谐振特性的HBAR器件在2.87GHz Q值达到43000。根据一维Mason等效电路模型,HBAR器件还进行了理论仿真,结果表明理论结果与实测值基本一致。     

BAW滤波器声-电磁协同仿真中的共地电感效应

针对体声波(BAW)滤波器声-电磁协同仿真结果中滤波器的左传输零点向左偏移的现象,验证仿真中共地电感效应的存在并分析其对滤波器性能的影响。通过分别改变BAW滤波器原始布局中的并联薄膜体声波谐振器(FBAR) P1和P4引线到地的位置,即将并联FBAR P1和P4引线到地的路径分别变短后进行声-电磁协同仿真。结果对比表明:声-电磁协同仿真中并联FBAR引线到地与输入、输出端口之间存在共地电感效应。将并联FBAR引线到地的路径变短,滤波器在声-电磁协同仿真中形成的共地电感效应减小,带外抑制性能变好。共地电感效应对于并联FBAR谐振区面积越小的支路影响越大。故在BAW滤波器声-电磁协同仿真中需考虑共地电感效应对滤波器左传输零点和左带外抑制性能的影响。     

基于方形谐振器的表面等离子体波导传感器

本文利用方形谐振器与两个金属/介质/金属型波导结构耦合设计了一个亚波长的表面等离子体波导传感器,并通过有限元分析研究了此结构的传输特性。研究表明,通过谐振器耦合能有效增强共振波长的表面等离子体波的透射能力,同时减小两侧波导结构与方形谐振器之间的金属势垒层宽度可提高透射率。传感器的共振波长与介质材料的折射率之间存在着线性关系,1阶共振模的灵敏度可达1100nm/RIU。这种传感器可实现器件的小型化,在生物、工业传感领域有着很大的潜力。     

PECVD硼掺杂微晶硅薄膜的压阻特性

研究了在硅片、柯伐合金和石英片等不同衬底材料上PECVD生长的微晶硅薄膜的压阻特性。测得以硅片和柯伐合金片作衬底样品的最大应变灵敏度因子(以下简称GF)分别为25和20,经激光退火后可达30。利用价带顶轻、重空穴带在应力作用下分裂模型和热电子发射理论推导了计算p型微晶、多晶硅薄膜GF的公式,可表示为GF对掺杂浓度、晶粒尺寸、晶界陷阱态密度以及薄膜织构的依赖关系,理论计算与实验结果较为符台。本文对微晶、多晶硅薄膜力敏器件的设计和制造将有重要的参考价值。 关键词：     

高次谐波体声波谐振器机械品质因数的谐振谱特性

高次谐波体声波谐振器(High-overtone Bulk Acoustic Resonator,HBAR)是由基底、压电薄膜及上下电极所组成的器件,它具有高的品质因数Q和多模谐振频谱特性.从给出HBAR的谐振谱出发,以各层的结构(厚度)和材料特性(特性阻抗和机械衰减因子)为参数,系统研究了机械品质因数Q_M的谐振谱特性。Q_M随基底或压电薄膜的厚度变化表现为一系列对应不同阶数的曲线。在给定频率下,Q_M随基底厚度的增加振荡上升,且最终趋于基底材料的机械品质因数,而其随压电薄膜厚度的增加呈波浪式下降。对于给定结构的HBAR,Q_M随频率(阶数)的增加呈波浪式下降。此外,考虑电极的厚度对Q_M的变化规律影响不大。为了获得较大的Q_M,应选择Al/AlN/Al/Sapphire或YAG结构的HBAR,且基底要较厚,压电薄膜和电极厚度要适中。      

PVDF压电计的动态响应特性及其在橡胶材料SHPB实验中的应用

通过夹心式PVDF(Polyvinylide Fluoride)压电计的动态分离式Hopkinson压杆(SHPB)标定实验,系统地讨论了传感器的动态响应特性,其中包括测量电路、PVDF表面应力集中、压电计的材料及结构特性和同一压电计受多次撞击对测试信号的影响,为PVDF压电计的制作工艺研究提供参考。利用标定好的压电计测试了橡胶材料在SHPB实验中的动态应力均匀过程。结果表明:调节并联电阻值可以提高压电计的传感精度;增大压电计的敏感面积可以减小因应力集中所造成的信号失真;材料的热粘塑性性质、摩擦效应等将使信号振荡幅度偏小;多次撞击对信号的加载与卸载段都将产生影响,但当传感器表面未发生明显损伤时,测试的应力平台平均值与真实信号近似相同。     

Wi-Fi频段体声波滤波器的设计

为了保证移动设备在Wi-Fi频段正常工作且不受相邻频段的干扰,设计了一种用于Wi-Fi IEEE802.11b频段(2402~2482 MHz)的BAW滤波器。设计基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的一维Mason等效电路模型构成初始结构的梯形滤波器。然后,将串联FBAR的谐振区面积值以及串、并联FBAR的谐振区面积的比值设置为优化参数,以所需的滤波器的带内插损和带外抑制为优化目标,使用ADS软件基于遗传和梯度的优化算法对滤波器进行优化。在滤波器的设计过程中,为了使仿真结果更加精确,采用声电磁协同仿真方法对滤波器进行仿真,并与Mason 等效电路模型仿真结果对比,结果表明,滤波器性能有所下降,带内插损增大1.6 dB,带内纹波增大1.1 dB,带外抑制基本一致。所设计的Wi-Fi频段的BAW滤波器具有低插入损耗(小于3 dB)、高带外抑制(大于40 dB)性能。