体声波微加速度计的力敏机理与集成方法

BAW micro-accelerometer is a novel electro-acoustic resonant micro-accelerometer which intercrossed the micro- inertial technology and RF MEMS technology. It has the potential to meet the comprehensive requirements for micro-accelerometer used in critical applications, including high performance, reliability, stability and manufacturability. This project aims at three closely related crucial science problems of the integrated BAW micro-accelerometer: inertial force sensing mechanism, integrated sensor-head manufacturing process, and integratable RF signal readout circuits. A novel BAW accelerometer sensor-head structure, i.e. FBAR-on-diaphragm, is presented, which has advantages of improved sensor-head manufacturability, temperature stability and reduce its cross modal coupling. The proposed multi-scale multi-domain coupled modeling method starts from the first principle calculation on the crystal structure of the piezoelectric film to analyze the stress - resonant frequency shift characteristics of the FBAR, for systematically explaining the inertial force sensing mechanism of the sensor-head, and acquiring the optimum design criterion and behavior prediction modelof it. The integrated micromachining process plan for sensor-head fabrication, and the readout circuits scheme based on the six-port reflectometer architecture for BAW sensor, are also presented. It is expected that, perception and cognition of the force sensing mechanisms and system integration methods for the BAW micro-accelerometer can be vigorously promoted by this project, and pave the way for original innovation and new principle breakthrough in high performance microaccelerometer for critical applications.

体声波(BAW)微加速度计是微惯性技术与RF MEMS技术交叉的新型电声谐振式微加速度计，可望满足关键应用对微加速度计性能、可靠性、稳定性与可制造性的综合要求。本项目旨在解决集成化BAW微加速度计的三个关键科学问题：惯性力敏机理、表头集成制造工艺和易于集成的读出电路。提出了一种新的BAW微加速度计表头结构，“膜片上FBAR”结构，具有改善表头可制造性和温度稳定性、减小模态交叉耦合等优点。提出了从压电薄膜晶体结构的第一性原理计算出发建立FBAR应力-谐振频率偏移特性分析的多尺度、多物理场耦合计算模型的方法，以期系统解释表头的惯性力敏机理，获得表头的优化设计准则和行为预测模型。提出了表头的集成化微加工工艺方案和基于六端口反射计构建BAW传感器读出电路的设想。通过本项目工作，有望推进BAW微加速度计的力敏机理认知及系统集成方法的新进展，使关键应用中高性能微加速度计的原始创新和新原理突破企盼成真。

项目背景：微加速度计是最重要的MEMS传感器之一，展望微加速度计的发展，探索新的检测机理和集成工艺，在满足产品性能(灵敏度、精度等)要求的同时提高可靠性(reliability)、稳定性(stability)与可制造性(manufacturability)，是不断追求的目标。综合惯性导航与制导、重力测量、油气探测、振动监测等关键应用对微加速度计性能、可靠性、稳定性、可制造性等的全面要求，现有的微加速度计方案都存在显著的不足，由此驱动我们探索新型谐振式微加速度计的机理与集成方法。.主要研究内容：重点解决BAW微加速度计的惯性力敏机理、集成工艺、易于集成的读出电路这三个密切联系的关键共性基础问题。建立FBAR-on-diaphragm结构的力敏特性的多尺度计算仿真模型，掌握新型BAW微加速度计的惯性力敏机理和优化设计准则；掌握膜片上通孔型FBAR表头结构的集成制造工艺方法；掌握基于六端口反射计的BAW传感器读出电路设计方法。.重要成果、关键数据及其科学意义：(1) 提出了一种新型FBAR结构——镂空空腔型FBAR。自行研制的AlN FBAR样品Q值>500。设计的多种AlN FBAR滤波器，在诺思微系统公司Fab1平台流片，FBAR的Q值>1000。(2) 掌握了薄膜BAW器件(不限于BAWR)声-电磁、声-电磁-热的多物理场仿真方法。(3) 首次提出了BAWR的“应力负载效应”的机理，掌握了计算FBAR应力/应变-频移特性的多尺度多物理场协同仿真方法。例如，根据FBAR的“应力负载效应”机理，采用我们的“摄动分析+FEA”方法，计算得到Campanella等报道的“嵌入式FBAR (embedded-FBAR)”微加速度计表头案例中的FBRA谐振频率偏移-加速度灵敏度为98.879 kHz/g，与文献报道的实测结果~100 kHz/g吻合很好。(4) 为了实现薄膜BAW传感器的信号读出，设计了一款差分Pierce振荡器结构的PCB读出电路；为了改善传感器整体的稳定性、提高其分辨率，研究了BAWR的Q值和振荡器的有载品质因数对Pierce振荡器频率稳定度的影响。还创造性地提出一种基于六端口反射计(six-port reflectometer)的BAW传感器读出电路，即采用六端口反射计架构的“片上矢量网络分析仪”(on-chip VNA)直接读取BAWR的导纳变化。