柔性压电薄膜体声波谐振器的制造及其射频应用研究

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柔性电子器件相对于传统的基于硬质印刷线路板和硅基集成电路芯片的电子器件来说,具有形状可塑性强,柔软轻便,适合于大面积制造和应用的特点。在消费电子,可穿戴健康检测设备,仿生电子学等领域具有巨大的应用潜力。目前对于柔性电子器件的研究大多数局限在晶体管、发光二极管、电连接等平面器件上,而对于加工工艺与柔性基底兼容性较差的微机电系统(MEMS)器件少有涉及。压电薄膜体声波谐振器作为一种典型的MEMS器件,已经被广泛的应用于无线通信设备中,其压电换能特性使得该器件还可作为传感器和执行器使用。柔性薄膜体声波谐振器的实现不仅对于构建具备无线通信功能的柔性电子系统具有重要意义,而且可以极大的丰富柔性电子器件与环境交互的能力。本文首次提出了使用转移印刷的方法制造柔性薄膜体声波谐振器,针对转移印刷技术中的关键工艺难点进行了试验,并重新设计了器件的结构和制造工艺,加工制作了具有优秀电学性能和机械性能的柔性薄膜体声波谐振器。在应用研究方面,我们利用体声波谐振器作为基本单元制作了性能优良的柔性射频滤波器件,并进一步优化了柔性基底和转移工艺,使得器件在可弯曲能力、工艺兼容性上得到了显著的提升。本课题的主要研究内容和成果如下:1.本文针对柔性体声波谐振器建立了等效电路模型以及结构力学有限元模型。在模型的辅助下,对谐振器的性能作出了预测,对使用的材料完成了选型,对器件基本结构参数完成了设计。2.本文分析了转移印刷工艺中的关键步骤,针对体声波谐振器的转移印刷设计了所必需的锚点结构和加工工艺。利用结构力学有限元仿真辅助设计了可转移器件及锚点的结构,并且设计了简化的验证性实验,对转移工艺的可行性、器件和锚点的几何参数的不同设计进行了先行验证。3.本文首次通过转移印刷的手段,在多种柔性聚合物表面加工了薄膜体声波器件,并对器件进行了电学性能和机械柔性的测试与分析,其中带有空气反射腔的器件的综合性能达到了历史文献中的最高水平。4.本文首次设计并制造了基于薄膜体声波谐振器的柔性射频滤波器,其中器件的通带内性能指标达到了商用产品的水平。我们还对基底材料和转移工艺进行了进一步优化,使得器件的弯曲性能和工艺兼容性得到了进一步的提升。
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