柔性布拉格反射层的声学特性研究

A new film bulk acoustic wave biochemical sensor on PET flexible substrate will be studied. This sensor has a SMR type resonator, which composes PI/W Bragg reflector layers. The resonant mechanism and vibration mode of this flexible BAW base on SMR structure will be researched. The electrical impedance expression and the improved Mason equivalent circuit model will be presented. A new PI/W Bragg reflector structure will be proposed and fabricated. By using the FEM simulation software, the effect of different structure parameters such as thickness of piezoelectric layer and Bragg reflector layers, thickness and width of electrode to the resonant characteristics of device will be analyzed. Flexible sensors with different shape and dimension will be designed. The micromachining process of the flexible sensor will be developed and the sensor chip will be fabricated.

针对所提出的柔性BAW传感器的新型结构器件，本项目拟基于BAW传感器相关基础理论，建立柔性基底BAW传感器的数学模型，通过数值仿真计算对BAW传感器结构及工作模式进行设计，利用有限元仿真，分析结构及材料参数对传感器性能的影响，优化布拉格反射材料特性及电极分布，实现厚度剪切模式的激振，并设计相关验证性实验，完善柔性BAW传感器理论分析。根据PET及PI材料的特性，设计以PET为器件基底，PI和W分别为固态封装型体声波谐振器布拉格反射层低、高阻抗层的新型体声波谐振器。实验中选择磁控溅射及甩胶涂覆的方式沉积器件各层薄膜，利用干法刻蚀实现器件的图形化。研究柔性BAW谐振器的能量转换及声波传输的相关特性，研究柔性基底BAW传感器灵敏度的特性，并与理论计算相验证，深刻理解柔性基底对BAW性能的影响，为其他类似结构的传感器提供理论依据和参考。

随着无线通讯技术的不断发展，薄膜体声波器件在射频前端应用中的优势越来越明显，该类型谐振器尺寸极小，比单纯以电磁波为传播信号的元器件尺寸小4-5个数量级；插损小，Q值高(可达1000以上)；工作频率高，可承受的功率容量比声表面波器件更大；并且可以与CMOS工艺兼容，鉴于以上优点薄膜体声波谐振器技术迅速占领了射频通信市场。同时，在传感器领域，如生化检测等方面也有着广阔的应用前景。.传统体声波谐振器的制备工艺复杂、成本高。为了降低体声波谐振器的工艺门槛，使其得到更广泛的研究与应用，本项目研究了基于柔性基底的体声波谐振器，采用声阻抗很小的柔性材料作为基底的同时反射声波，该类型谐振器无需制备工艺复杂的空腔结构或布拉格反射层结构，.首先项目组从理论上分析了基于柔性基底体声波谐振器的工作原理，完善了其理论基础。提出了基于柔性基体声波谐振器的三种实现形式：成品PI基底器件，匀胶固化式器件和凹槽填充式器件，并利用Comsol有限元仿真软件对器件进行了建模仿真，从器件的电学性能和热力学性能两大方面对器件进行了仿真分析。发现采用声阻抗极小的PI衬底在理论上也可以得到性能良好的器件，仿真发现直接以PI为衬底的器件Q值可以达到1300。在对匀胶固化式器件的仿真分析中得出结论：PI厚度过小时存在大量的反射波造成的寄生谐振模式，当PI厚度达到10μm以上时寄生模量才能被有效抑制，随着PI厚度的增加器件的有效机电耦合系数不断增加，器件Q值有下降趋势；在热力学性能的分析中，发现对于匀胶固化式器件PI每增加2μm器件的最高稳态温度上升33K；凹槽填充式器件极大的优化了器件的热力学性能，同样在10μm厚度PI条件下，比匀胶固化式器件的最高稳态温度降低142.44K。.在理论分析的基础上，对基于柔性基底的体声波谐振器进行了实验制备。分别研究了溅射功率、气体流量和基底温度对薄膜性能的影响，利用MEMS工艺对三种结构的谐振器进行了制备，最终成功制备出以成品PI为衬底的谐振器与匀胶固化式谐振器，并进行了测试。