【摘 要】
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近年来,随着5G移动通信技术以及柔性电子技术的革新浪潮的到来,人们对电子元器件的微型化、高频带宽化、集成化以及柔性化的需求越来越迫切,基于半导体微加工的MEMS器件正在
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近年来,随着5G移动通信技术以及柔性电子技术的革新浪潮的到来,人们对电子元器件的微型化、高频带宽化、集成化以及柔性化的需求越来越迫切,基于半导体微加工的MEMS器件正在接受新的挑战。薄膜体声波谐振器(FBAR)作为一种集成度更高,更加微型化,并且可实现高频段,多制式通讯技术需求的RF-MEMS器件被广泛应用于无限通讯射频前端,与此同时,基于FBAR技术的传感器因其灵敏度高,线性度好等特点也渐渐成为生物、医学、物理等传感领域的研究热点。本文针对FBAR展开了创新性研究,提出了基于超薄单晶铌酸锂(LN)的高频FBAR的研制,以及基于β-PVDF的柔性FBAR技术。主要的研究内容和当前成果如下:1.研究建立了单晶LN作为FBAR压电层的设计方法,提出了新型单晶FBAR的仿真模型。通过理论分析与计算,获得了不同晶向单晶LN体声波传输特性与电学特性,得到了以Z-cut LN作为FBAR压电层的最佳选择。并借助ADS进行的Mason模型仿真和COMSOL进行的有限元仿真,分析了材料结构参数对性能的影响、新型FBAR振动模式及寄生波模式,得到新型FBAR设计与优化结构。2.探索了新型超薄单晶LN FBAR的制备工艺,获得了高频高Q值的FBAR器件。采用离子注入/剥离获得超薄压电单晶片、探索了LN通孔刻蚀工艺、改进了背刻蚀工艺等关键技术,最终实现了串联谐振频率为5.009GHz、并联谐振频率为5.062GHz,Q值高达1800的FBAR器件,远优于目前单晶LN FBAR研究水平。同时该FBAR的实验测试结果与Mason模型以及有限元模型仿真结果具有较好的一致性。3.提出了基于β-PVDF压电层的柔性FBAR的解决方案,获得了性能稳定且具有多种应用可能的FBAR传感器。通过理论分析及有限元仿真验证了β-PVDF FBAR的可行性,并开发了利用二次曝光、低温光刻工艺在不破坏压电薄膜性能的情况下实现了器件制备。所得的100μm的β-PVDF FBAR器件谐振频率为9.212MHz,机电耦合系数(!")高达12.76%。在2400με应变范围下其作为应变传感器的灵敏度为80 Hz/με,并具有良好的稳定性。频率温度系数(TCF)高达-4630ppm/℃,具有极高线性度且无迟滞现象,在温度传感领域具有巨大优势。这些结果都表明其在柔性电子领域的巨大应用前景。
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