10 GHz - 30 GHz 高性能压电MEMS谐振式质量传感器研究

FBAR mass sensor based on MEMS and piezoelectric film technologies has received more and more attention, due to its small size, high mass sensitivity and fine mass resolution. The project proposes to study ultra-high-frequency FBAR mass sensor (resonant frequency from 10 GHz to 30 GHz), aimming to improve the minimum detectable mass change of the sensor substantially. With the increase of the frequency, the Q of the resonator is reduced with spurious resonant modes strongly excited, which affects the performance of the FBAR mass sensor. The project seeks to theoretically and experimentally study the ultra-high-frequency FBAR resonator. The research topics: The growth of high quality thin piezoelectric film; Second mode resonance for ultra-high-frequency FBAR resonators; Mechanisms of spurious modes and energy loss; Suppression of spurious modes to increase Q of the FBAR resonators by introducing phonon bound structure。The project aims to lower the minimum detectable mass change of the FBAR mass sensor by 2 to 3 orders of magnitude. The research will greatly broaden the application of FBAR mass sensors in chemical and biological detection of single molecules.

基于MEMS 和压电薄膜技术的薄膜体声波谐振（FBAR）微质量传感器因体积小、灵敏度高、分辨率高，受到越来越多的关注。在已有研究的基础上本课题提出研究极高频率（谐振频率大于10GHz, 最高可达30 GHz）FBAR 微质量传感器，以期大幅提升传感器最小可探测质量。随着 FBAR 频率的升高，FBAR谐振器Q值下降、寄生谐振模式增强等问题将影响FBAR质量传感器性能。本项目力图从理论和实验两方面对极高频 FBAR 谐振器展开研究，包括：高质量超薄压电薄膜的成膜工艺研究；二阶谐振模式在极高频FBAR谐振器中的应用；极高频FBAR寄生模式及能量损耗机理分析；声子束缚结构对抑制FBAR寄生模式、提高谐振器Q值的作用。本项目力图将现有的FBAR质量传感器的绝对最小可探测质量降低2到3个数量级。FBAR质量传感器探测精度的提高以及传感器尺寸的进一步减小将大大拓宽其在化学和生物单分子检测中的应用。

薄膜体声波谐振器（FBAR）是一种微米/亚微米尺度的声学谐振器，具有小体积、高品质因数、低成本等优势，利用其质量负载效应可以实现高灵敏度的微小质量检测，常作为质量传感器的核心器件。由于FBAR质量传感器的灵敏度与其谐振频率成正比，提高FBAR的谐振频率有利于优化传感器的最小可探测质量。因此，本课题提出了具有极高频率（谐振频率大于10GHz, 最高可达30 GHz）的FBAR微质量传感器，并从理论和实验两方面对其展开深入研究。通过构建FBAR的电学模型设计了10 GHz FBAR的层叠结构，并仿真了FBAR质量传感器的灵敏度与谐振频率的关系。研究了高质量超薄（百nm级）压电薄膜的成膜工艺，并针对小尺寸谐振器预埋牺牲层不易去除的问题，提出了采用氟化氙干法刻蚀硅衬底形成反射腔的方法，从而加工出具有较高性能的10 GHz FBAR器件。采用分子层自组装技术研究了10 GHz FBAR的灵敏度特性，相比常规频率FBAR，其灵敏度大幅提高。进一步研究了10 GHz FBAR在易挥发有机气体低浓度检测中的应用，当有机气体气压比为0.01时，谐振器仍然具有百kHz级的电学响应，体现出极高频FBAR质量传感器高灵敏度的优势。此外，本项目提出了一种新型液体传感器结构，采用电极连接传输线作为检测区域，从而避免将FBAR浸入液体中，有利于提高传感器在液体环境中的检测灵敏度。本项目加工制造出的极高频FBAR微质量传感器能够大幅优化检测极限，满足化学、生物、环境等领域对微小质量检测的需求。