高次谐波体声波谐振器的机械品质因数

机械品质因数QM是高次谐波体声波谐振器(High-overtone Bulk Acoustic Resonator,HBAR)一个关键的特性参数。首次较系统地研究了QM随构成HBAR的3个组成部分(基底、压电薄膜和电极)的结构参数(厚度)和性能参数(特性阻抗与机械衰减因子)的变化规律。在谐振频率附近,将HBAR的分布参数等效电路简化为集总参数等效电路,首次用解析表达式给出它们的变化规律,分析了QM在给定频率最近谐振点的变化情况。结果表明,固定压电层厚度,QM随基底厚度的连续增加略呈振荡(非单调)上升,当基底厚度很大时趋于基底材料的机械品质因数;固定基底厚度,QM随压电层厚度的连续增加呈波浪式下降;选择低损耗的蓝宝石或YAG作为基底可以获得较大的QM值;电极的损耗必须考虑,它会降低QM值;与Au电极相比,具有较低损耗的A1电极选择适当厚度可以获得较高的QM值;此外,QM随频率的增加呈下降趋势。上述的结果为HBAR的优化设计提供了相应的理论依据。根据我们对K_(eff)~2的研究,Q_M与K_(eff)~2的变化规律往往是相悖的,因此在设计HBAR时要在这两者作适当的权衡。

高次谐波体声波谐振器谐振频率分布研究

基于由谐振频率分布提取压电薄膜参数的方法,研究影响高次谐波体声波谐振器(HBAR)谐振频率分布的因素。对多种HBAR进行模拟计算,模拟结果显示,变化基片对薄膜的声阻抗比值会引起并联谐振频率间隔的分布和有效机电耦合系数的分布改变;当薄膜的基模在高频时,改变电极对薄膜的声阻抗比值和电极厚度会引起谐振频率分布改变。这些结果表明,通过调整影响谐振频率分布的因素能使谐振频率变化,进而得到在特定的频率上产生谐振。

高次谐波体声波谐振器机械品质因数的谐振谱特性

高次谐波体声波谐振器(High-overtone Bulk Acoustic Resonator,HBAR)是由基底、压电薄膜及上下电极所组成的器件,它具有高的品质因数Q和多模谐振频谱特性.从给出HBAR的谐振谱出发,以各层的结构(厚度)和材料特性(特性阻抗和机械衰减因子)为参数,系统研究了机械品质因数Q_M的谐振谱特性。Q_M随基底或压电薄膜的厚度变化表现为一系列对应不同阶数的曲线。在给定频率下,Q_M随基底厚度的增加振荡上升,且最终趋于基底材料的机械品质因数,而其随压电薄膜厚度的增加呈波浪式下降。对于给定结构的HBAR,QM随频率(阶数)的增加呈波浪式下降。此外,考虑电极的厚度对Q_M的变化规律影响不大。为了获得较大的Q_M,应选择Al/AlN/Al/Sapphire或YAG结构的HBAR,且基底要较厚,压电薄膜和电极厚度要适中。

基于高次谐波体声波谐振器的微波振荡器设计

基于高次谐波体声波谐振器(HBAR)的高品质因数(Q)值和多模谐振特性,设计了Colpitts和Pierce两种形式的微波振荡器。采用HBAR与LC元件组成谐振回路的方法,与放大电路构成反馈环路直接基频输出微波频段信号。Colpitts振荡器输出信号频率为980 MHz,信号输出功率为-4.92dBm,信号相位噪声达-119.64dBc/Hz@10kHz;Pierce振荡电路输出信号频率达到2.962GHz,信号输出功率为-9.77dBm,信号相位噪声达-112.30dBc/Hz@10kHz。

基于高次谐波体声波谐振器的微波跳频源研究

频率信号源已经成为现代通信系统的核心部件,是决定系统性能的关键设备。采用MEMS工艺实验制备了Al-Zn O-Au-Sapphire结构的高次谐波体声波谐振器（HBAR）,基于HBAR的高Q值、多模谐振特性,研究实现了高性能的微波点频源及压控形式的跳频信号源,相对于传统的晶体振荡器和DDS＋PLL的跳频源技术,电路设计简单,所需硬件数量极少,相位噪声低。测试结果显示：微波点频源输出频率2.962 GHz,输出功率-5.15 dBm,相位噪声达到了-112dBc/Hz@10 kHz,频率稳定度≤8.9×10（-5）;跳频信号源跳频带宽56 MHz,步进频率为14 MHz,压控灵敏度为14 MHz/1.8 V,频率转换时间短,在导航、通信系统中将得到广泛应用。

高次谐波体声波谐振器机械品质因数的测量

高次谐波体声波谐振器(HBAR)具有高的机械品质因数(Q_M)和多模谐振谱特性,其在频率控制系统中具有重要应用。对制备的Al/Zn O/Au/Sapphire结构HBAR器件进行了Q_M的测定,从实际的测试系统出发,给出了它的等效电路,通过一系列分析处理得到了Q_M随频率的变化曲线。结果表明,Q_M随频率增加逐渐减小。

高次谐波体声波谐振器的频率修正方法研究

基于高次谐波体声波谐振器(HBAR)的一维纵向振动模型,研究了获得工作在某一谐振频率HBAR的几种频率修正方法,即减薄基底或顶电极,或在其表面沉积薄膜,并讨论了频率修正前后其有效机电耦合系数(Keff^2)和机械品质因数(QM)的变化情况。结果表明,对于该文结构的HBAR,减薄基底的频率修正方法最佳,其对Keff^2和QM的影响最小;若选择沉积薄膜法进行频率修正,其对Keff^2的影响不大,但对QM的影响较大,故宜选择沉积低损耗的材料。

掺钪AlN材料特性及HBAR器件性能研究

该文基于掺钪AlN薄膜制备了高次谐波体声波谐振器(HBAR),研究了钪(Sc)掺杂浓度对AlN压电薄膜材料特性及器件性能的影响。研究表明,当掺入Sc的摩尔分数从0增加到25%时,压电应力系数e_(33)增加、刚度C^(D)_(33)下降,导致Al_(1-x)Sc_(x) N压电薄膜的机电耦合系数k^(2)_(t)从5.6%提升至15.8%,从而使HBAR器件的有效机电耦合系数(k^(2)_(eff))提升了3倍。同时,当Sc掺杂摩尔分数达25%时,Al_(1-x)Sc_(x) N(x为Sc掺杂摩尔分数)压电薄膜的声速下降13%,声学损耗提高,导致HBAR器件的谐振频率和品质因数降低。