硅微压电超声换能器的设计与制作

介绍了一种用ZnO薄膜作为压电层的硅微压电式超声换能器(PMUT).该硅微压电换能器的振动基膜采用LPCVD制作的氮化硅薄膜和PECVD制作的二氧化硅形成的复合振动膜结构.文中运用有限元方法对该硅微压电换能器的结构进行了模拟和计算,并进行了预应力对硅微换能器共振频率的影响的分析.实验测得硅微压电式换能器的共振频率为71.36kHz.本文还使用该硅微超声换能器在油中进行了初步的共振频率点收发信号的实验,接收实验测得信号峰峰值为9mV左右,发射实验标准水听器接收信号峰峰值为0.8mV左右.

薄膜体声波谐振器的梯形射频滤波器设计

从Mason等效电路模型出发,研究了基于薄膜体声波谐振器的梯形结构射频滤波器的设计。以往的研究中都没有考虑到介质的声损耗,这样得到的滤波器频响中就未计入插入损耗的影响。采用射频网络方法对薄膜体声波谐振器建模,并在模型中加入了介质声损耗的影响,然后就基于薄膜体声波谐振器的梯形射频滤波器的传输响应、带宽、插入损耗、阻带抑制以及带内波纹情况进行了分析和讨论。

圆形振动膜硅微电容传声器

硅微传声器是一种用MEMS技术制造的、将声信号转换为电信号的声学传感器.该传声器只需五次光刻工艺即可制作完成,其灵敏度在偏置电压为9V时可达15mV/Pa左右,在100Hz^18kHz的范围内的频率响应也较平坦.

ZnO薄膜体声波谐振器性能分析和研制

采用射频网络法分析了ZnO薄膜体声波谐振器的谐振特性,并考虑了介质声损耗对品质因数Q值的影响。采用硅体刻蚀工艺在硅基片上制备了以ZnO薄膜为压电膜的薄膜体声波谐振器,并对器件的性能进行了测试。将实验与理论分析结果进行对比,发现实验器件的谐振频率与理论值一致,但器件Q值却比理论值低,进一步的分析揭示了实际器件Q值偏低的原因。

薄膜体声波谐振器(FBAR)谐振特性的模拟分析

主要利用Mason等效电路模型对加入介质声损耗的薄膜体声波谐振器输入阻抗公式进行了推导,并利用该结果对薄膜体声波谐振器的谐振特性进行了模拟分析,分别就不同压电层材料和厚度以及不同电极材料和厚度对薄膜体声波谐振器谐振特性的影响进行了详细分析.结果表明,薄膜体声波谐振器谐振频率主要由压电材料和厚度决定但电极的影响也是很大的.在制作高频FBAR器件(5GHz以上)时,采用氮化铝作压电材料比用氧化锌作压电材料更合适.

氧化锌薄膜体声波谐振器的研制

介绍了一种薄膜体声波谐振器和它的制备流程。该谐振器采用氧化锌压电薄膜作为压电材料,通过从硅片背部体刻蚀硅衬底的方法得到谐振器的支持层。为了避免残余应力引起的支持层起皱现象,采用氮化硅/二氧化硅/氮化硅复合膜作为支持层。采用直流磁控溅射的方法制备氧化锌压电薄膜,X射线衍射结果显示,氧化锌压电薄膜C轴择优取向明显,衍射峰半高宽为0.227 3°,显示出较好的结晶质量;扫描电镜观察到氧化锌垂直于薄膜表面的柱形晶粒结构,薄膜表面平整、致密。采用HP8753D射频网络分析仪对该薄膜体声波谐振器样品进行了测试,结果表明,谐振器具有明显的厚度伸缩振动模式,其基频在750 MHz左右,二次谐频在1.5 GHz左右。进一步提高氧化锌压电薄膜的性能,该谐振器可用于射频振荡源和射频前端滤波器中。

基于ZnO压电薄膜的弯曲振动硅微压电超声换能器的研究

对所研制的硅微压电超声换能器(PMUT)的振动特性进行了研究分析。对硅微压电超声换能的振动膜薄板的厚度相对于薄板的尺度(边长)而言较薄的情况,理论分析与实验结果均表明残余应力对换能器的谐振频率影响较大:不考虑残余应力的理论分析得出的换能器谐振频率与器件的实验测量的结果相差较大,而考虑残余应力的分析给出的谐振频率结果与实验结果是符合的。本文还对所制作的硅微压电超声换能器的谐振频率及导纳进行测量,并给出其等效电路参数。其中振动膜边长为1mm的换能器的谐振频率为71.25 kHz。最后对其进行了简单接收发射实验,测得谐振频率处的接收灵敏度为-201.6 dB(ref 1 V/μPa),发射电压响应约为137 dB(ref 1μPa·m/V)。

2.4GHz射频薄膜体声波谐振器的研制

提出了基于ZnO压电薄膜多层结构的2.4GHz射频薄膜体声波谐振器,并进行了研究。采用修正后的Mason等效电路模型对器件的谐振特性进行了分析和模拟。给出了采用MEMS工艺制备器件的工艺流程,并利用射频网络分析仪对实验器件进行了测试。利用多点数值拟合的方法消除射频测试中引入的寄生分布参数,提取出器件的实际参数:器件的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp分别为2.3714GHz和2.3772GHz,相应的有效机电耦合系数为0.598%;串联谐振频率处和并联谐振频率处的Q值分别为500.3和425.5,f.Q值乘积达到1.2×1012。该谐振器器件的有效直径为200μm,样品实际尺寸为1.2mm×1.2mm×0.3mm,可用来制备体积小、高性能和低相噪的射频振荡器。

应用于体声波谐振器的ZnO薄膜结构和电学特性

采用直流磁控溅射的方法制备了ZnO压电薄膜,并在双面抛光的熔融石英基片上制备了高次谐波体声波谐振器。X射线衍射结果显示ZnO压电薄膜C轴择优取向明显,衍射峰半高宽为0.1624°,显示出较好的结晶质量;扫描电镜分析观察到ZnO垂直于基片表面的柱形晶粒结构和较平滑的薄膜表面。体声波器件的电学测试结果显示器件具有很好的多模谐振特性,说明ZnO压电薄膜很好地激发出了厚度方向的纵声波,可应用于体声波器件和声表面波器件中。另外采用间接的方法得到ZnO压电薄膜在870MHz时的介电常数约为5.24,介电损耗因子为1.07,进一步减小介电损耗因子,可以提高器件的Q值。

射频薄膜体声波谐振器的研制和分析(英文)

研制了一种采用氮化硅/二氧化硅/氮化硅复合膜作为支持薄膜的高Q薄膜体声波谐振器.当采用单层氮化硅膜或二氧化硅膜作为谐振器的支持薄膜时,由于残余应力的作用,释放完的薄膜往往会出现褶皱的现象,极大地降低了薄膜体声波谐振器的Q值;上述复合膜结构有效地解决了这个问题.采用直流磁控溅射法制备了氧化锌压电薄膜,X射线衍射结果表明制备的氧化锌薄膜具有很好的c轴择优取向,意味着氧化锌薄膜具有较好的压电性.S参数测试结果表明该薄膜体声波谐振器在0.4~2.6GHz的频率范围内具有3个明显的谐振模式,计算了这些谐振模式的串联谐振频率、并联谐振频率、有效机电耦合系数和Q值.在这3个模式中,第3个谐波模式的工作频率约为2.4GHz,具有最高的Q值（约为500）,可用来制备2.4GHz的低相噪射频振荡源.