FBAR的应力负载效应研究

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近年来随着薄膜体声波谐振器(FBAR)的发展,FBAR不仅在射频器件中表现出优秀的应用价值,在传感器领域的应用潜力也逐渐被挖掘出来,如FBAR微质量传感器、FBAR微加速度计、FBAR压力传感器等。FBAR微加速度计和FBAR压力传感器属于FBAR力学传感器一类,关于这类FBAR传感器的研究普遍存在一个问题——FBAR的敏感机理不详,也就是FBAR的应力负载效应的原因不详。针对这个问题展开了本文的工作,一方面深入研究FBAR的应力负载效应,另一方面,找到一种FBAR力学传感器的灵敏度计算方法。研究了FBAR的应力负载效应。从线性电弹理论出发推导了初应力下FBAR的阻抗表达式,研究了FBAR的谐振频率与初应力的关系,并通过ANSYS有限元软件仿真FBAR受集中力下谐振频率的变化,发现这两种情况下,FBAR的谐振频率偏移方向相反。通过第一性原理计算研究了Al N晶体的受不同压力下材料常数的变化,并通过理想FBAR的谐振频率计算方法粗略分析了不同受力条件下FBAR的谐振频率偏移情况,发现不同受力条件下FBAR的谐振频率变化趋势相同。提出了FBAR力学传感器灵敏度的计算模型或者方法。提出一种基于Mason模型的多尺度计算方法,采用第一性原理计算的压力与弹性常数之间的关系作为“桥梁”,连接Mason模型和结构力学有限元模型,采用微分-综合方法计算FBAR力学传感器的灵敏度。并在此基础上对该方法进行了改进,采用特征频率法求解FBAR的谐振频率,并用能量加权平均法求解FBAR结构中的平均压力和厚度方向的平均应变用于修正FBAR的材料参数和几何结构,进而计算FBAR力学传感器的灵敏度。讨论了基于电弹体非线性理论推导的摄动积分法。介绍了纯弹性摄动下FBAR的谐振频率偏移量的计算方法,考虑到纯弹性摄动计算方法的不足,没有考虑压电材料的压电和介电摄动,因此列出了考虑完整摄动的摄动积分方程。
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