双重振动模式压电薄膜体声波谐振器的研究

随着无线通讯技术的发展，对高频谐振器的需求越来越大。薄膜体声波谐振器（FBAR）由于其体积小，能耗低等优点而受到越来越广泛的关注，而氮化铝等压电薄膜体声波谐振器由于其压电薄膜材料优良的相关物理和化学性能成为近年来的研究热点。本项目将采用反应磁控溅射物理气相沉积工艺进行氮化铝压电薄膜的制备,通过实验研究压电薄膜晶粒生长取向与薄膜生长条件的关系，并进行生长机理上的探讨。采用微机电系统（MEMS）技术制备在硅衬底氮化铝薄膜体声波谐振器，对体声波谐振器的高频谐振性能进行充分的分析测试。对薄膜晶粒c轴取向相对于基底具有倾斜生长角度的压电薄膜谐振器，将进行厚度伸缩和厚度剪切振动模式共存的谐振性能的研究。在机电耦合理论基础上，从Mason模型出发，取得厚度伸缩与厚度剪切双重震动模式共存的器件电阻抗模型。结合实际制备工艺和理论模型，可以设计和制备可提供多种选频需求的高频压电体声波谐振器。

由于薄膜体声波谐振器（FBAR）具有工作频率高(可达0.5-20 GHz)，体积小，换能效率高等优点，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波（SAW） 器件和微波陶瓷器件，而本项目提出利用有倾斜c轴生长取向的压电薄膜制备的谐振器为器件的频率控制及调频提供了更多的选择，扩大了压电薄膜在谐振器及相关微机电器件中的应用范围，具有一定的理论意义和相当广泛的应用前景。本项目按照资助计划圆满完成各项研究内容。分别采用固相烧结法和激光脉冲沉积方法研究了PZT陶瓷靶材和薄膜的制备，用磁控溅射沉积法制备了AlN薄膜，并用XRD和SEM对薄膜质量进行了表征，实验结果表明具有30°倾斜角的AlN薄膜成功的沉积在Si衬底上。对双重振动模式压电薄膜体声波谐振器进行了模拟计算，推导出具有不同c轴倾斜角的AlN谐振器的电输入阻抗公式，材料性能如介电系数，弹性系数和压电系数，及体声波性能如声波速度和机电耦合性能与材料结构（倾斜角）的关系得到了系统的研究。对钝化层和外电路对FBAR的影响进行了理论模拟，对具有双重振动模式的FBAR在流体传感器中的应用也进行了模拟计算。模拟计算为FABR的设计和应用提供了理论基础。用微机电系统（MEMS）工艺制备了具有双重振动模式AlN压电薄膜体声波谐振器，测试结果表明器件厚度伸缩模式和剪切模式共存，工作频率可以达到1GHz。在本项目的资助下，已发表论文7篇，其中SCI收录1篇，EI收录3篇；培养硕士研究生已毕业1人、在读3人。