剪切波模式FBAR压力传感器的仿真与制备

作     者：马晓鑫 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏淑靖

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：FBAR 压力传感器 谐振频率 有限元仿真 压电薄膜 

摘      要：随着薄膜与微纳加工技术的快速发展,薄膜体声波滤波器(FBAR)在通信领域得到了广泛的商业应用。相对于传统的介质谐振器及声表面波(SAW)器件而言,FBAR具有体积小,插入损耗低,工作频率高品质因数高等优点,被认为是新一代无线通信系统和超微量生化检测领域内最具发展前景的器件之一。由于薄膜体声波滤波器本身具有诸多优良的特性,其在传感器领域的应用正引起人们广泛的研究兴趣。通过测量FBAR的谐振频率改变便可得到待测物理量的大小,具有测量结果易于得到的优点。另外FBAR传感器能够兼容集成电路工艺,可以在同一芯片中集成传感模块与读出电路模块,从而实现在恶劣环境中的传感测量或应用于无线传感网络系统中。FBAR传感器具有诸多优点,因此对FBAR传感器展开理论分析和基础应用研究有着极其重要的科研价值。本文的主要研究内容如下:(1)详细总结了国内外FBAR传感器的研究现状,在分析现有的FBAR压力传感器的基础上,建立了纵波模式和剪切波模式2种FBAR压力传感器的模型。从基本原理入手介绍FBAR的结构和基本工作原理。分析了声波传播理论和压电现象并研究了FBAR压力传感器的谐振频率、机电耦合系数、电学特性等参数。(2)利用COMSOL Multiphysics多物理场有限元仿真软件,建立了FBAR压力传感器的有限元模型。1)根据特征频率分析,确定了FBAR压力传感器的压电薄膜尺寸、薄膜厚度参数以及电极尺寸、电极厚度参数;仿真得到压力传感器的形变位移分布图以及导纳特性曲线图。2)分别仿真分析了纵波模式FBAR传感器和剪切波模式FBAR传感器的特性。3)仿真分析了剪切波模式FBAR压力传感器在不同液相环境中谐振频率域响应电压之间的关系,在对FBAR压力传感器施加不同压力条件下,谐振频率逐渐发生变化,计算得到了FBAR压力传感器在不同液相环境中的传感灵敏度。(3)研究了剪切波模式FBAR压力传感器的制备工艺。基于仿真分析得到的结构模型,制作掩膜版,并利用MEMS加工工艺制作了空气隙型结构的剪切波模式FBAR压力传感器,使用场发射扫描电子显微镜对所制作的FBAR压力传感器进行了定量分析,并使用拉曼光谱仪检测了所制作的FBAR压力传感器各膜层成分,并使用网络分析仪测试分析了所设计的FBAR压力传感器。