新型级联阵列结构的AlN MEMS谐振器及关键机理研究

The development of high-performance resonators is meant to respond to the growing demand of single-chip, low power, high speed, multi-band RF solutions for advanded wireless communication systems. The new aluminum nitride piezoelectric contour-mode resonator arrays proposed that have their fundamental frequency defined by in-plane dimensions. They can achieve high quality factors at UHF band and low motional resistance. The minimal patterned size of GHz resonator is micron and can be obtained by normal lithography process. The sputter process and characterization for AlN film, the design and simulation of the new coupling array, the techniques for fabrication, measurement and encapsultion will be studied. The work principle on the new resonator array such as the orientation of AlN thin film, the relativity of the pizoelectronic effects and resonant modes and the energy loss mechanism etc will also be studied. The work is the basis of the deveolpment of the high performance single-chip RF MEMS front end system.

基于无线通信系统微型化、低功耗、高速率和多功能方向发展的需求，本项目提出研制一种新型氮化铝微机电谐振器，采用体压缩谐振模式，以级联的形式耦合成阵列结构，在超高频域(UHF)获得较高的品质因数（高Q值），并具有较低的动态阻抗，GHz谐振频率的器件最小图形尺寸为微米量级。研究内容主要包括AlN压电材料的生长工艺研究和物性分析、新型阵列级联耦合结构的结构设计和建模分析、制备工艺研究、测试技术研究和圆片级射频封装技术研究。本项目将在进行超高频高Q值谐振器制备工艺的同时，致力于相关机理研究，包括压电材料ALN的择优取向成膜机理，AlN薄膜形状尺寸与其压电效应和谐振模式的相关性，以及阵列级联耦合结构中影响Q值的能量损耗机理等，为可集成的高性能RF MEMS前端器件设计研制奠定理论和实践基础。

研制出新型阵列自耦合结构的MEMS谐振器。该器件基于面内伸缩模式谐振机理工作，由多个谐振单元自耦合而成，谐振单元的形状尺寸决定了谐振器的谐振频率，因此可以在同一片衬底上制备出多种频率的器件，实现片上选频阵列。对RF MEMS领域的发展具有重要的意义。.研究了新型自耦合结构的MEMS谐振器的理论模型和工作机理，完成了性能仿真和结构设计，仿真数据与实际制备的器件的性能进行对比分析，完成了实验验证工作。这些工作为基于伸缩模态机理工作的谐振器（CMR）的研究奠定了基础。.研究了AlN压电材料的生长工艺、物性分析和AlN MEMS的关键工艺，提出了PFM测试薄膜压电系数的修正方法，研究了AlN的刻蚀工艺，这些工作为AlN材料应用于MEMS领域奠定基础。.本项目研制出的新型阵列自耦合结构的MEMS谐振器，谐振频率为68.58MHz，动态阻抗为785Ω，Q值为400。可以通过改变谐振器阵列的平面尺寸，得到实际需要的谐振器件。.共发表文章8篇，其中SCI检索论文3篇、EI期刊5篇，核心期刊3篇，申请专利7项，培养研究生4名。