新型FBAR及传感技术的研究

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近年来随着可穿戴设备等智能硬件的兴起,人们对电子元器件的微型化、柔性化、透明化的需求越来越迫切。薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种应用广泛的MEMS高频器件,相比其它频率器件FBAR具有体积更小,品质因数更高等优点,由FBAR构成的滤波器、双工器被应用在最新的iphone手机等产品中;FBAR具有高灵敏度的特点,被广泛用于医学、生物和物理等各种传感领域。可以预见,在未来电子产品中,柔性、透明的FBAR将有极为广泛的应用前景。本文提出一种新型FBAR结构,使用聚合物作为支撑层,简化了FBAR制备工艺,提高了成品率,可以将FBAR做在任意基底上,具有柔性和透明的潜能。经过实验验证,新型FBAR与传统结构FBAR性能相当。并基于该新型结构FBAR,提出了多种新型的实际应用方案。具体的研究内容和成果如下:1、建立了新型FBAR仿真模型。用ADS软件进行了Mason模型仿真,用Comsol软件进行了有限元仿真分析。根据理论分析和不同材料的声阻抗特性,对基底材料、支撑层polymer材料和支撑层厚度这3个条件进行了对照仿真实验。得到了制作新型FBAR最佳支撑层材料-聚酰亚胺(polyimide简称PI)及其厚度(>9μm)等条件。2、获得了成熟稳定的新型结构FBAR的制备工艺。在实验室MEMS工艺条件下,成功制备出了不同厚度P1支撑层的新型FBAR器件(以下简称PI-FBAR)。测试结果与仿真结果、背刻蚀FBAR结果进行了对比分析。经测试,2μm厚度ZnO压电层的PI-FBAR谐振频率在1.5GHz左右,与传统结构相同;当支撑层PI厚度>9μm后器件性能与传统结构性能相当,Q值普遍能达500左右。3、制备了不同基底上的PI-FBAR。将PI-FBAR制备在了铜片、玻璃和纸衬底上。并对这些不同基底的FBAR谐振频率fr和品质因数Q进行了对比和理论分析。验证了这种新型FBAR具有柔性和透明的潜能。4、提出了新型FBAR的多种应用。包括(1)基于它的温度传感,纸上FBAR的温度系数为-45.47 ppm/k,铜上的为-63.37 ppm/k,Si上的为-54.56 ppm/k。(2)基于新结构,选用铁磁性材料Ni做电极,提出了一种新型的磁力传感器。(3)基于新结构提出了一种紫外线传感器(4)本文还验证了新型FBAR制作在粗糙表面的可行性,显示了新型FBAR与传统CMOS电路集成的可行性。这些应用都具有广阔的市场前景。
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