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。     

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。     

薄膜体声波谐振器的伽马辐照敏感机理分析

实验证明薄膜体声波谐振器(FBAR)用于检测伽马辐照是可行的,但未对敏感机理进行深入研究。针对这一问题,根据两种不同的FBAR结构,提出了不同机理来解释FBAR在伽马辐照下谐振频率偏移的原因。其中结构一FBAR为四层叠层结构（金属层-压电层-氧化层-金属层）,伽马辐照之后,会在辐照敏感层(氧化层)形成一个电压,相当于给压电层施加了一个直流电压,从而使谐振频率发生偏移;结构二与结构一不同的是,结构二FBAR在氧化层和压电层之间有一半导体层,辐照之后在氧化层中形成的电压改变了半导体的表面势,使半导体空间电荷层电容发生改变,从而改变谐振频率。通过仿真得到两种不同机理的结果,并与相关文献的测试结果对比,发现频率偏移的趋势和频率偏移量的数量级是相同的,因此提出来的两种机理是可行的。     

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:     

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。     

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。     

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。     

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。      

用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

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.     

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。      

3D-Transmon与压电振子的量子耦合系统北大核心

微机械振子在量子信息领域有着重要的应用,可用作量子存储器、量子换能器等.鉴于三维传输子量子比特(3D-Transmon)优良的退相干特性以及AlN压电振子较高的谐振频率,我们利用微纳加工技术,在蓝宝石基片上成功制备了3D-Transmon与AlN压电振子的量子耦合系统.实际测量结果显示,在外加磁场偏置下,量子比特的跃迁频率可调范围为4.1~9.8 GHz,能量弛豫时间T1约为4.7μs,并且测量到了能级免交叉现象.这些结果为今后超导量子比特与微机械振子耦合系统的深入研究提供了重要参考.     

基于ZnO压电薄膜的弯曲振动硅微压电超声换能器的研究

对所研制的硅微压电超声换能器（PMUT）的振动特性进行了研究分析。对硅微压电超声换能的振动膜薄板的厚度相对于薄板的尺度（边长）而言较薄的情况,理论分析与实验结果均表明残余应力对换能器的谐振频率影响较大:不考虑残余应力的理论分析得出的换能器谐振频率与器件的实验测量的结果相差较大,而考虑残余应力的分析给出的谐振频率结果与实验结果是符合的。本文还对所制作的硅微压电超声换能器的谐振频率及导纳进行测量,并给出其等效电路参数。其中振动膜边长为1mm的换能器的谐振频率为71.25 kHz。最后对其进行了简单接收发射实验,测得谐振频率处的接收灵敏度为-201.6 dB（ref 1 V/μPa）,发射电压响应约为137 dB（ref 1 μPa·m/V）。      

稀土元素La掺杂对AlN性能影响的第一性原理研究

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了稀土元素La掺杂对纤锌矿结构AlN力学性能及压电性能的影响.计算得到的AlN各项力学性能及压电性能与实验值较吻合.掺杂稀土元素La会降低其体模量、剪切模量与杨氏模量,但会使AlN由脆性材料转变为韧性材料.压电性能计算结果表明,掺杂稀土元素La后,可使体系的压电性能提升15%左右.电子结构分析结果表明La的引入会降低体系中化学键的作用强度,从而提升了体系的塑性及压电性能.     

基于Hopkinson杆的高g值加速度传感器的动态特性分析

 基于Hopkinson杆激光干涉冲击试验台,分析了高g值加速度传感器的动态特性,主要分析了实现高g值加速度传感器的幅频特性的原理及可行性。该方法采用Hopkinson杆作为高g值加速度信号发生器,并应用激光光栅干涉仪可以精确地获得高g值加速度脉冲的激励波形,再与加速度计的输出联合处理得出传感器的动态校准结果。并用988压电传感器的动态校准结果加以说明。     

声表面波加速度计

以往有人研究了加速度对声表面波振荡器的影响,最近则报道了以此为基础的一个声表面波加速度计.这种加速度值是由直接读到的振荡器频率偏移值换算的,也可以将频率值标成加速度值,直接读数. 这种加速度传感器的结构如图所示.它由两个石     

Cd:O共掺杂AlN的电子结构和p型特性研究

为研究Cd：O共掺杂纤锌矿AlN的p型特性,进而揭示导致纤锌矿AlN空穴浓度增加的机理,对Cd：O共掺杂AlN进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究.通过计算Cd_n-O（n=1,2,3,4）复合体掺杂AlN的结合能,发现Cd：O在AlN中可以稳定存在,共掺杂提高了Cd在AlN中的固溶度.分析Cd和Cd₂-O掺杂AlN体系的激活能,发现Cd₂-O的激活能比Cd减小0.21 eV,表明Cd₂-O的空穴浓度比单掺Cd大约提高 关键词： Cd：O共掺杂 纤锌矿AlN 电子结构 p型掺杂特性     

李俊红等同志荣获《声学学报》2016年度优秀论文奖

<正>根据《声学学报》优秀论文评选办法,经过《声学学报》编辑委员会两轮评选,编委会一致同意,决定授予李俊红、魏建辉、马军、任伟、刘梦伟、汪承灏等同志的"ZnO薄膜硅微压电矢量水听器"(《声学学报》,2016年第41卷第3期第273—280页)一文为《声学学报》2016年度优秀论文奖。编委会认为:李俊红、魏建辉、马军、任伟、刘梦伟、汪承灏等同志的"ZnO薄膜硅微压电矢量水听器"(《声学学报》,2016年第41卷第3期第273—280页)研制了一种基于ZnO薄膜的硅微压电矢量水听器,其核心部件是利用MEMS技术制作的悬臂梁结构压电加速度计。研究得出加速度计的灵敏度和谐振频     

基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器

针对桥梁加速度传感器原位校准时标准传感器的选取问题,提出了一种基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器。通过力学模型分析传感器谐振频率与灵敏度,根据桥梁原位校准要求对传感器结构进行参数优化,并进行静应力分析、模态分析和谐响应分析,最后制作传感器实物并进行标定。实验结果表明：传感器谐振频率为460 Hz,灵敏度约为43 pm/g,横向干扰能力程度5.7%,可用于桥梁上加速度监测。     

共晶键合与减薄技术的压电能量采集器（英）

采用微硅 锆钛酸铅（Si-PZT）悬臂梁结构并在悬臂梁末端附加镍质量块,构成可以工作于低频环境（小于1 000 Hz）的微压电能量采集器,一种利用压电效应将环境振动能转换为电能的器件。利用金薄膜作为中间层的共晶键合技术和PZT研磨减薄技术制备了微压电悬臂梁结构,PZT减薄实验最好结果为减薄至8 m。镍质量块（2 mm2 mm0.6 mm）采用微电铸工艺制备。通过对硅片与块材PZT的共晶键合工艺与PZT减薄技术的研究,制备出总厚度约为71 m的Si-PZT悬臂梁结构,其中硅梁厚约为47 m,PZT梁厚约为24 m。制备的微压电振动能量采集器样品的测试结果表明:在谐振频率为950 Hz,1.0g加速度激励条件下,其交流输出峰值电压可达958 mV。