高次谐波体声波谐振器的机械品质因数

机械品质因数Q_M是高次谐波体声波谐振器(High-overtone Bulk Acoustic Resonator,HBAR)一个关键的特性参数。首次较系统地研究了Q_M随构成HBAR的3个组成部分(基底、压电薄膜和电极)的结构参数(厚度)和性能参数(特性阻抗与机械衰减因子)的变化规律。在谐振频率附近,将HBAR的分布参数等效电路简化为集总参数等效电路,首次用解析表达式给出它们的变化规律,分析了Q_M在给定频率最近谐振点的变化情况。结果表明,固定压电层厚度,Q_M随基底厚度的连续增加略呈振荡(非单调)上升,当基底厚度很大时趋于基底材料的机械品质因数;固定基底厚度,Q_M随压电层厚度的连续增加呈波浪式下降;选择低损耗的蓝宝石或YAG作为基底可以获得较大的Q_M值;电极的损耗必须考虑,它会降低Q_M值;与Au电极相比,具有较低损耗的A1电极选择适当厚度可以获得较高的Q_M值;此外,Q_M随频率的增加呈下降趋势。上述的结果为HBAR的优化设计提供了相应的理论依据。根据我们对K_eff2的研究,Q_M与K_eff2的变化规律往往是相悖的,因此在设计HBAR时要在这两者作适当的权衡。      

高次谐波体声波谐振器机械品质因数的测量*

高次谐波体声波谐振器(HBAR)具有高的机械品质因数(Q_M)和多模谐振谱特性,其在频率控制系统中具有重要应用。对制备的Al/Zn O/Au/Sapphire结构HBAR器件进行了Q_M的测定,从实际的测试系统出发,给出了它的等效电路,通过一系列分析处理得到了Q_M随频率的变化曲线。结果表明,Q_M随频率增加逐渐减小。     

高次谐波体声波谐振器的有效机电耦合系数

高次谐波体声波谐振器HBAR (High-overtone Bulk Acoustic Resonator)由基底、压电薄膜和上下电极组成,系统地研究了它们的结构参数(厚度)和性能参数(特性阻抗)对HBAR的重要性能参数有效机电耦合系数K_eff2的影响。在谐振频率附近,通过将HBAR的分布参数等效电路简化为集总参数等效电路得到了它们之间的关系表达式,分析了K_eff2在所关心频率最近谐振点的变化情况。结果表明,保持压电薄膜厚度不变,连续增加基底厚度,K_eff2呈振荡(非单调)下降,当基底厚度达到一定值时K_eff2与厚度成反比下降;保持基底厚度不变,连续增加压电薄膜厚度,K_eff2的峰值随基底和压电层的特性阻抗之比增加快速下降,到达极小值后缓慢增加;选择低阻抗的熔融石英作为基底可以获得较大的K_eff2;与Al电极相比,Au电极选择适当厚度可以获得较高的K_eff2。上述揭示的一些规律为HBAR的优化设计提供了理论依据。      

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。     

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。      

微纳相控线阵超声换能器参数的理论分析*

微纳相控线阵超声换能器参数(阵元数目、阵元宽度及阵元间距)直接影响其横向声场分布,而其横向声场分布是能否实现高成像分辨率、大探测深度的决定性因素,也是制备换能器的主要依据。该文利用数值模拟研究微纳相控线阵超声换能器阵元参数对其横向声场中主瓣强度、-3 dB主瓣宽度、第一级旁瓣及栅瓣的影响。结果表明,主瓣强度随着阵元数目增加而增大,随阵元间距减小而增大,随着阵元宽度的增大呈现先增大后减小的趋势;-3 dB主瓣宽度随着阵元数目和阵元间距的增大而减小,随着阵元宽度的减小而减小;此外,减小阵元数目、减小阵元间距或增大阵元宽度均可以抑制旁瓣;栅瓣在阵元间距满足一定条件时可以完全消除。通过这些研究为微纳相控线阵超声换能器的优化设计与制备提供理论参考。     

ZnO薄膜硅微压电矢量水听器

提出了一种基于ZnO压电薄膜的硅微压电矢量水听器,其核心部件是利用微电子机械系统(MEMS)技术制作的悬臂梁结构压电加速度计。由近似解析和有限元分析,得出加速度计的灵敏度和谐振频率,并在此基础上对其进行了优化设计。研制了MEMS压电加速度计,并装配后构成MEMS矢量水听器。测试结果表明:加速度灵敏度在20~1,200 Hz范围内约为0.83 mV/(m/s2)。经过液柱法测量,在1 kHz时,MEMS矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5 dB (ref.1V/μPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB以上。