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。     

偏置电压对磁致伸缩/压电层合换能结构磁电性能影响

分析和测试了偏置电压调整时PZT5/Terfenol-D/PZT8层合换能结构磁电性能. 提出了一种磁致伸缩/压电层合磁电换能结构的一阶谐振频率控制方法. 通过改变压电驱动层的直流电压对磁电层合结构的预应变进行改变, 从而调整谐振频率. 分析偏置电压、 应变、 弹性模量、 谐振频率和谐振磁电电压系数之间关系. 分析表明: 在较小应变情况下, 控制电压几乎可以线性调节谐振频率, 而层合结构谐振磁电电压系数几乎与偏置电压无关. 实验研究验证: 理论与实验结果较好吻合. 在-170 V-+170 V的偏置电压时, 谐振频率可以几乎线性调整. 最大频率调整量达到1 kHz, 偏置电压对一阶纵振频率的控制率达到: 2.94 Hz/V. 在偏置磁场为0-225 Oe时, 谐振频率调整量与偏置磁场无关. 偏置磁场会改变谐振磁电电压系数, 在大于178 Oe静态磁场偏置时, 磁电电压系数最大, 达到1.65 V/Oe.     

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(英文)

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-35×10-6/℃。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0.872×10-6/℃;与没有温度补偿层的FBAR相比,温度稳定性得以显著改善。     

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:     

高频宽带嵌套式复合材料换能器

研制了一种嵌套式高频宽带复合材料换能器,利用1-3型压电复合材料Q值较低、频带较宽的特点,采用组合式的结构拓展换能器的工作带宽。通过切割框型压电陶瓷、灌注环氧树脂得到压电复合材料框型敏感元件,再将不同厚度的框型敏感元件沿轴向嵌套从而制成多层嵌套的压电复合材料敏感元件。建立1-3型压电复合材料中压电小柱的等效电路,根据等效电路计算出压电小柱的谐振频率,并与1-3型压电复合材料的谐振频率理论计算结果进行对比。通过ANSYS软件对敏感元件结构进行仿真,并根据仿真结果确定了敏感元件的最佳设计方案。最终制作出的换能器进行水下测试,该换能器的谐振频率为310 kHz,最大发送电压响应为188.5 dB,-3 d B带宽可达130 kHz,接收灵敏度最大可达-186.8 dB,-3 dB带宽可达90 kHz,谐振频率处-3 d B的指向性开角约为2.4°。该嵌套式敏感元件可实现换能器宽带发射与接收声波的目标。     

三层介质超声谐振模式随材料和界面粘接性能变化的演变规律

在用超声波谐振对粘接材料的粘接强度进行无损评估时, 不同模式对粘接强度的敏感程度受到众多因素和参数的影响, 对检测结果的可靠性至关重要. 基于多层介质中声传播和界面弱粘接边界条件的理论模型, 将一个上下非对称的金属-粘接剂-金属三层结构的平面波反射系数函数中的谐振模式看作是上下铝金属层各自的Lamb波频散模式通过夹心粘接剂层相互耦合后叠加组成. 改变影响结构粘接强度的因素, 即粘接剂的性能参数(声阻抗、密度、厚度)和界面切向劲度系数k_t来分析三层结构谐振模式耦合方式的变化,得出结论: 粘接结构粘接性能的变化基本上不改变与被粘铝层相关的固有部分的Lamb波模式, 而它们的耦合模式则在谐振频率上产生平移并会与固有模式进行交换和替代; 不同参数的变化引起的模式演变有各自的规律, 大多可彼此区分.     

压电陶瓷非线性对大功率换能器结构参数匹配影响的计算分析

在Guyomar非线性模型基础上,通过机电等效法将晶堆前向负载作为等效质量和阻尼加入振动方程的质量项和阻尼项,推导了换能器振速、辐射声压级和谐振频率偏移率等表达式,计算分析了压电陶瓷非线性参数和结构参数对换能器声辐射性能的影响,研究了压电陶瓷的非线性对换能器结构参数匹配的影响。结果表明,换能器节面靠前,前盖板厚度越小,前盖板大径越小,都可以减少压电陶瓷非线性引起的换能器频率偏移。当设计频率确定时,压电陶瓷处于非线性工作域的换能器的结构参数有所减小。换能器加入辐射端匹配后,可以改善压电晶堆前向负载匹配,降低换能器的谐振频率偏移率。换能器激励电流也会出现频率偏移现象。在提高换能器激励电压时,换能器的结构参数应适当减小。得到的结论可为换能器设计提供理论依据和帮助。     

基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器

为了解决现存太赫兹移相器的损耗较大且不可控、相移量较小的问题,本文设计了一种简易超材料复合结构实现的太赫兹移相器.该器件由4层结构组成,自上而下依次为L型金属谐振层、液晶层、弓型金属层、石英基底层.通过在上、下金属层施加偏置电压,改变液晶盒内液晶分子指向矢的偏转角α,从而改变液晶的有效折射率,器件的相位也随之发生变化,进而实现动态调控相位的目的.仿真结果表明:设计的太赫兹液晶移相器在1.68—1.78 THz间透射率可达0.968,插入损耗低至0.3 dB;当频率为1.7396 THz时,其最大相移为352.625°,在1.7315—1.7396 THz (带宽为8.1 GHz)频率内相移量超过352°.这种简易超材料多层结构为调控太赫兹波提供了一种新方法,在太赫兹成像、传感等领域有广泛的应用前景.     

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。     

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.     

Thickness-shear vibration of a quartz plate connected to piezoelectric plates and electric field sensing

We study thickness-shear vibration of a quartz plate connected to two piezoelectric ceramic plates with initial deformations caused by a biasing electric field. The theory for small deformations superposed on finite biasing deformations in an electroelastic body is used. It is shown that the resonant frequencies of the incremental thickness-shear vibration of the quartz plate vary with the biasing electric field. The biasing electric field induced frequency shift depends linearly on the field. Therefore this effect may be used for electric field sensing. The dependence of the electric field induced frequency shift on various material and geometric parameters is examined. When the electric field is of the order of 100 V/mm, the relative frequency shift is of the order of 10⁻⁵. The case when the piezoelectric plates are replaced by piezomagnetic plates is also investigated for magnetic field sensing, and similar results are obtained.     

Generation of excess minority carriers in mos devices due to gamma irradiation

The effect of gamma irradiation on MOS devices prepared under different oxidation conditions Is investigated. The C-V characteristics of the devices are studied before and after exposing the latter with gamma radiations of CO⁶⁰ (1.17 and 1.33 MeV gamma rays). For MOS transistor (n-channel depletion type devices) the C-V characteristics change slightly towards the negative voltage axis and the C_min also decreases after Irradiation. For MOS capacitor (wet oxide) there is a change from high frequency C-V characteristics to low frequency C-V characteristics. In the case of a MOS capacitor (HCl grown) breakdown occurs relatively at lower voltage.     

High temperature property studies of the 6H-SiC MOS capacitor

N-type and p-type 6H-SiC metal oxide semiconductor (MOS) capacitor samples are fabricated with a typical method,and the high frequency capacitor voltage (C-V) curves of these samples are measured at temperatures ranging from 293 to 533 K.There exists huge difference between the n-type and p-type samples.Flat-band voltage shift of the n-type sample becomes larger with temperature rising,but that of the p-type sample have very little change.This may be caused by the residual Al in the p-type oxide.Both types ...     

瞬态光电流对有机薄膜光伏器件中肖特基接触的研究

制备了结构为氧化铟锡(ITO)/有机半导体/金属的有机薄膜光伏器件,电流--电压曲线显示其具有整流特性但有机半导体和电极间肖特基接触的内建电场方向很难判定.为了研究有机半导体和电极的肖特基接触特性,分别制备了结构为ITO/有机绝缘层/有机半导体/金属和ITO/有机半导体/有机绝缘层/金属的器件,通过调制激光照射下器件的瞬态光电流方向可容易判断有机半导体和电极间肖特基接触的内建电场方向,外加偏压下瞬态光电流的强度变化进一步证实了判断的正确性.     

65 nm互补金属氧化物半导体场效应和晶体管总剂量效应及损伤机制

对65 nm互补金属氧化物半导体工艺下不同尺寸的N型和P型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET和PMOSFET)开展了不同偏置条件下电离总剂量辐照实验.结果表明:PMOSFET的电离辐射响应与器件结构和偏置条件均有很强的依赖性,而NMOSFET表现出较强的抗总剂量性能;在累积相同总剂量时,PMOSFET的辐照损伤远大于NMOSFET.结合理论分析和数值模拟给出了PMOSFET的辐射敏感位置及辐射损伤的物理机制.