环形氮化铝压电MEMS谐振器的支撑结构设计研究

基于有限元仿真研究了方环和圆环形谐振器的静态位移点,并分析了支撑轴位置对谐振器性能的影响,提出了优化设计方案:对于方环形谐振器,在对角处设置双端侧向支撑以降低其锚点损耗;对于圆环形谐振器,采用单端侧向支撑以及三端底部支撑相结合的器件结构,在保证电学信号引出的同时,提升器件的品质因数Q。针对所设计的器件结构特征,设计了一种基于七步光刻工艺的微纳制程,并成功实现器件的高成品率制备。测试结果表明:前者的Q值和机电耦合系数k_(eff)^(2)分别为1707.4和0.98%,后者的Q值和k_(eff)^(2)分别为1844.7和1.58%。相比于四端支撑环形谐振器,优化设计的支撑结构使得器件Q值得到大幅提升。此外,还分析研究了不同表面电极材料对环形谐振器的性能影响。

氮化铝Lamb波谐振器的支撑轴区域声反射结构研究

本文综合运用有限元仿真和实验相结合的方法,研究分析了氮化铝兰姆(Lamb)波谐振器的支撑轴区域声反射结构对串联谐振品质因数(Q)的影响。对于频率约1.56 GHz的Lamb波谐振器,窄支撑和全支撑锚点结构的Q值基本相当;设置圆弧形和斜边形的声反射结构可减小支撑轴区域的位移幅值,进而降低锚点损耗;设置弧形沟槽有助于将声能限制在谐振腔区域,进而提升Q值;在衬底与支撑轴相邻区域沉积金属铝,可增加衬底与支撑轴的声阻抗失配程度,有利于声波反射回谐振腔。此外,基于6 in(1 in=2.54 cm)氮化铝工艺平台,成功制备了本文所设计的器件,且测试结果与模拟结果基本吻合,采用上述几种声反射结构均可提升Q值,其中斜边形反射结构对Q值的提升最为显著,Q值从2232.1提高到3256.5。

氮化铝Lamb波谐振器的能量损耗分析研究

本文介绍了工作频率为400 MHz和2 GHz氮化铝Lamb波谐振器的结构设计、微纳制造及测试表征,研究了锚点损耗和声子间相互作用损耗对Lamb波谐振器品质因数(Q值)的影响,并分析了不同工作频率的Lamb波谐振器的主要能量损耗来源.研究发现:对于低频谐振器,锚点损耗为其主要能量损耗来源,因此减小支撑轴宽度可减少通过支撑轴泄漏至衬底的能量,进而提高Q值;对于高频谐振器,声子间相互作用损耗为其主要能量损耗来源,因此相比于金(Au),采用铝(Al)作为叉指电极(IDT)材料的谐振器具有更高Q值.针对Lamb波谐振器的结构特点,设计了一套基于七步光刻工艺的微纳制程,成功制备了具有微型化释放腔体的Lamb波谐振器,并具备优异的性能.测试结果表明,工作频率为400 MHz和2 GHz的Al-IDT谐振器的串联品质因数(Qs)分别达到2 590和1 192.