FBAR微質(zhì)量傳感器若干關(guān)鍵問(wèn)題的研究.pdf

1、作為一種新穎的射頻MEMS器件，薄膜體聲波諧振器(FBAR)近年來(lái)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域取得了巨大的商業(yè)成功。與此同時(shí)，F(xiàn)BAR在微質(zhì)量生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，正成為下一個(gè)研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的質(zhì)量傳感器--石英晶體微天平(QCM)相比，F(xiàn)BAR具有諧振頻率高、質(zhì)量靈敏度高、體積小、可集成等優(yōu)點(diǎn)。
　　 本論文主要從FBAR傳感器的四個(gè)方面進(jìn)行了研究：對(duì)雙模式FBAR的理論分析與建模、壓電薄膜AIN的制備、FBAR原型器件的制備與測(cè)試以及FBA

2、R在質(zhì)量傳感器上的應(yīng)用模型，主要取得了以下成果：
　　 1.研究了基于c軸傾斜取向壓電薄膜的厚度場(chǎng)激勵(lì)雙模式FBAR的諧振機(jī)理和振動(dòng)模式，并建立了雙模式復(fù)合FBAR的電學(xué)阻抗解析表達(dá)式，提出了雙模式復(fù)合FBAR的改進(jìn)型Mason等效電路模型。研究結(jié)果表明：AIN壓電薄膜的壓電參數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、體聲波速以及振動(dòng)模式等隨晶體的c軸傾斜角度θ增大呈周期性變化，理想FBAR中存在為縱波和剪切波雙模式，當(dāng)θ=0°或66.5°時(shí)，理想FB

3、AR中僅存在縱波模式；當(dāng)c軸傾斜角度θ=47.6°或90°時(shí)，理想FBAR中僅存在剪切波模式；當(dāng)θ為0°、34.4°時(shí)，可分別獲得最大的縱波機(jī)電耦合系數(shù)和剪切波機(jī)電耦合系數(shù)。
　　 2.在反應(yīng)濺射模型基礎(chǔ)上，深入研究了擇優(yōu)取向AIN壓電薄膜的制備技術(shù)，優(yōu)化了工藝方法，實(shí)現(xiàn)了高速沉積擇優(yōu)取向AIN薄膜。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，增大系統(tǒng)抽速、采用磁控濺射技術(shù)減小靶面有效濺射面積等可以減弱以至消除反應(yīng)濺射系統(tǒng)中的遲滯效應(yīng)；N2濃度

4、過(guò)高或過(guò)低時(shí)都不利于AIN擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，當(dāng)N2濃度為25％時(shí)最有利于AIN薄膜的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)。論文提出并實(shí)現(xiàn)了消除反應(yīng)濺射過(guò)程中的遲滯現(xiàn)象、將靶穩(wěn)定控制在金屬態(tài)與中毒態(tài)之間的過(guò)渡態(tài)、并實(shí)現(xiàn)快速沉積擇優(yōu)取向AIN薄膜的優(yōu)化工藝方法。該方法在優(yōu)化的工藝條件下，AIN(002)衍射峰半高寬為0.28°，薄膜沉積速率為2.1μm/h。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了c軸傾斜取向生長(zhǎng)AIN薄膜，傾斜角度為22°，成膜速率為1.85μm/h。這一成果已被SCI收錄，具有

5、重要應(yīng)用價(jià)值。
　　 3.提出并制備了Al/W全金屬膜系布拉格反射層結(jié)構(gòu)，這種新穎的膜系申請(qǐng)了二項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。使用探針臺(tái)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得基于5層Al/W反射層的固態(tài)裝備型FBAR諧振頻率為2.25GHz，Q值為170，此結(jié)構(gòu)具有金屬薄膜之間結(jié)合力好、熱應(yīng)力小、器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、熱容量大、沉積速率快等優(yōu)點(diǎn)。此外，還制備了基于SiO2/W布拉格反射層的固態(tài)裝備型FBAR。
　　 4.制備出了硅反面刻蝕結(jié)構(gòu)的FBAR原型器件

6、，包括厚度場(chǎng)激勵(lì)的縱波模式FBAR和側(cè)向場(chǎng)激勵(lì)的剪切模式FBAR。使用探針臺(tái)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得縱波模式FBAR的諧振頻率為1.03GHz，Q值達(dá)到1350；剪切模式FBAR的諧振頻率為1.4GHz，Q值為370。
　　 5探討了雙模式FBAR微質(zhì)量傳感器，建立了這種微質(zhì)量傳感器模型，理論研究表明：對(duì)于均勻質(zhì)量負(fù)載、在壓電薄膜的不同c軸傾斜角度下、縱波和剪切模式FBAR的質(zhì)量靈敏度SL(θ)、SS(θ)分別為-1403cm2/g

7、～-1366cm2/g、-1344cm2/g～-1309cm2/g；對(duì)于相同的質(zhì)量負(fù)載，不同c軸傾斜角度的FBAR傳感器的質(zhì)量靈敏度與FBAR的機(jī)電耦合系數(shù)有關(guān)。建立了雙模式FBAR質(zhì)量傳感器的有限元模型，利用ANSYS軟件分別仿真分析了質(zhì)量負(fù)載的沉積位置改變時(shí)縱波和剪切模式FBAR傳感器的諧振特性，結(jié)果表明：當(dāng)質(zhì)量塊位于FBAR的中心位置時(shí)，傳感器的質(zhì)量響應(yīng)度最大，縱波和剪切FBAR傳感器的質(zhì)量響應(yīng)度分別為-8150kHz/ng、-7