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。     

品质因数对薄膜体声波谐振器振荡器频率稳定度的影响

在薄膜体声波谐振器(FBAR)振荡器中,振荡器的有载品质因数(QL)和FBAR的品质因数(Q值)均与振荡器的频率稳定度有关。为了研究这两种品质因数对FBAR振荡器频率稳定度的影响,在COMSOL Multiphysics软件中建立了FBAR的多物理场模型,通过频域仿真和MBVD(Modified Butterworth-Van Dyke)模型参数拟合,得到了MBVD模型参数,并在ADS软件中建立了MBVD模型电路,通过S参数仿真结合求取Q值的Bode法得到了不同损耗对应的Q值;再建立基于Pierce架构的振荡器,通过谐波平衡仿真得到了相位噪声,通过分别改变QL和Q得到了二者对FBAR振荡器频率稳定度的影响。结果表明：频率稳定度随QL和Q的增大而增大,Q值随不同损耗的增大而减小。当FBAR的Q值低于338时,即使通过增大QL来提高频率稳定度,其效果也不佳,以此FBAR构成的振荡器将不能满足作为无线通信射频前端参考信号源或者FBAR传感器读出电路的要求。为FBAR参考信号源和FBAR传感器读出电路的设计提供了一定的参考。     

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。     

品质因数对薄膜体声波谐振器振荡器频率稳定度的影响北大核心CSCD

在薄膜体声波谐振器(FBAR)振荡器中,振荡器的有载品质因数(QL)和FBAR的品质因数(Q值)均与振荡器的频率稳定度有关。为了研究这两种品质因数对FBAR振荡器频率稳定度的影响,在COMSOL Multiphysics软件中建立了FBAR的多物理场模型,通过频域仿真和MBVD(Modified Butterworth-Van Dyke)模型参数拟合,得到了MBVD模型参数,并在ADS软件中建立了MBVD模型电路,通过S参数仿真结合求取Q值的Bode法得到了不同损耗对应的Q值;再建立基于Pierce架构的振荡器,通过谐波平衡仿真得到了相位噪声,通过分别改变QL和Q得到了二者对FBAR振荡器频率稳定度的影响。结果表明:频率稳定度随QL和Q的增大而增大,Q值随不同损耗的增大而减小。当FBAR的Q值低于338时,即使通过增大QL来提高频率稳定度,其效果也不佳,以此FBAR构成的振荡器将不能满足作为无线通信射频前端参考信号源或者FBAR传感器读出电路的要求。为FBAR参考信号源和FBAR传感器读出电路的设计提供了一定的参考。     

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,QM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。     

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。     

薄膜体声波谐振器性能模型参数的提取方法

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。     

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。     

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

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。     

S波段窄带带通体声波滤波器设计

针对无人机测控应用设计了一种S波段窄带带通体声波(BAW)滤波器,其技术指标为：中心频率2.46 GHz,带宽41 MHz,带内插损大于-3 dB,带内纹波小于1 dB,带外抑制小于-40 dB@2.385 GHz和2.506 GHz。采用Mason模型设计了BAW滤波器中各薄膜体声波谐振器(FBAR)的叠层结构;使用变迹法设计了各FBAR(电极)的形状;采用一种自行开发的自动布局方法得到紧凑的BAW滤波器布局;建立了BAW滤波器的声-电磁协同仿真模型,通过这种高保真的多物理场仿真方法对设计结果进行了性能验证。该设计流程是通用的,并且有两个特点：采用声-电磁协同仿真方法对设计阶段的BAW滤波器进行最终性能检验,可以及早发现并拒绝1D Mason模型过于乐观的设计;滤波器布局设计中采用了一种新的自动化布局方法,大大简化了在此阶段的反复尝试工作,也为声-电磁协同仿真模型输出了必需的面内结构信息。     

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:     

Fabrication and analysis of ZnO thin film bulk acoustic resonators

This study employs RF magnetron sputter technique to deposit high C-axis preferred orientation ZnO thin film on silicon substrate, which is then used as the piezoelectric thin film for a thin film bulk acoustic resonator (FBAR). Electrical properties of the FBAR component were investigated by sputtering a ZnO thin film on various bottom electrode materials, as well as varying sputter power, sputter pressure, substrate temperature, argon and oxygen flow rate ratio, so that structural parameters of each layer were changed. The experimental results show that when sputter power is 200 W, sputter pressure is 10 mTorr, substrate temperature is 300 °C, and argon to oxygen ratio is 4:6, the ZnO thin film has high C-axis preferred orientation. The FBAR component made in this experiment show that different bottom electrode materials have great impact on components. In the experiment, the Pt bottom electrode resonant frequency was clearly lower than the Mo bottom electrode resonant frequency, because Pt has higher mass density and lower acoustic wave rate. The component resonant frequency will decrease as ZnO thin film thickness increases; when top electrode thickness is higher, its resonant frequency also drops, due to top electrode mass loading effect and increased acoustic wave path. Therefore, ZnO thin film and top/bottom electrode thickness can be fine-tuned according to the required resonant frequency.     

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:     

准光腔品质因数的标网测量与研究

 采用标量网络分析仪(SNA)对毫米波段的Fabry-Perot准光腔进行了品质因数测定。通过纵向半波数的测试确定了谐振峰对应的模式，给出了AV3617测量数据并计算了相应的外观品质因数和固有品质因数，详细分析了扫频测试的误差及其误差来源。分析表明，半功率点的频率测定误差是引起准光腔品质因数测量误差的主要因素；利用扫频源HP83630A较高的频率分辨率，结合参考频标使测试数据的有效位数增加，从而提高了测试准光腔品质因数的精度。