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FBAR温度传感器研究

作 者: 刘世洁
导 师: 丁扣宝;骆季奎
学 校: 浙江大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: 薄膜体声波谐振器 FBAR温度传感器 温度频率系数 ANSYS
分类号: TP212.11
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 53次
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内容摘要


近年来,微机电制造技术的发展使得薄膜体声波谐振器(FBAR)获得了广泛的商业应用。一方面,FBAR在移动通信领域扮演着重要角色,由于FBAR射频器件具有体积小、工作频率高、插入损耗小、功率容量大等优点,FBAR振荡器、滤波器、双工器已经广泛应用于移动通信领域。另一方面,FBAR在传感器领域也发展迅速,FBAR传感器的高灵敏度和高可靠性引起了人们的广泛研究兴趣。目前,已报道的FBAR传感器有微质量传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、紫外线传感器等。虽然FBAR传感器的发展仍然处于实验室研究阶段,但随着对其研究的不断深入,相信不久的将来,它将会被广泛应用于很多领域。本文首先在对FBAR的结构、原理、等效电路模型以及制作工艺等做了简单的归纳与总结的基础上,提出了一种利用牺牲层材料制作体硅刻蚀型FBAR的方法,该方法具有工艺步骤简单且容易实施的优点。其次,本文重点研究了两个FBAR样品的温度频率特性,绘制了20℃至200℃的温度频率曲线并计算了其温度频率系数(TCF),测量结果表明了FBAR的并联谐振频率与温度之间呈良好的线性关系(非线性误差分别为6.4%和4.2%),且两者具有很好的非迟滞性和重复性,从而证明了FBAR温度传感器的可行性。随后,通过在体硅刻蚀型FBAR背面密封空气的方法制作了一种密封空气型FBAR,并在20℃至100℃范围内对其温度频率特性进行了测量,测量结果表明密封空气提高了FBAR的TCF且没有影响谐振频率与温度之间的线性关系。有限元法是分析工程问题的常用方法。本文的最后一部分主要介绍了有限元分析的步骤及常用的有限元分析软件ANSYS,并用ANSYS软件对FBAR进行三维有限元仿真,主要分析电极材料、电极厚度、压电薄膜厚度等参数对FBAR谐振频率的影响。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-8
缩略词表  8-9
目次  9-12
1 绪论  12-22
  1.1 传感器基础  12-13
  1.2 电声技术  13-18
    1.2.1 电声器件  13-16
    1.2.2 FBAR传感器  16-18
  1.3 FBAR温度传感器的研究意义与研究现状  18-19
    1.3.1 FBAR温度传感器的研究意义  18
    1.3.2 FBAR温度传感器的研究现状  18-19
  1.4 论文的研究内容与章节安排  19-22
    1.4.1 论文的研究内容  19
    1.4.2 各章节内容安排  19-22
2 FBAR基础  22-44
  2.1 基本声波理论  22-23
  2.2 压电效应与压电方程  23-26
    2.2.1 压电效应  23-24
    2.2.2 压电方程  24-26
  2.3 FBAR的工作原理  26-29
    2.3.1 理想FBAR的工作原理  26-27
    2.3.2 FBAR的制备材料  27-28
    2.3.3 FBAR的品质因数  28-29
    2.3.4 FBAR的机电耦合系数  29
  2.4 FBAR的典型结构  29-31
  2.5 FBAR的制备工艺  31-35
    2.5.1 体硅刻蚀型FBAR的制备工艺  31-32
    2.5.2 空气隙型FBAR的制备工艺  32-33
    2.5.3 固态装配型FBAR的制备工艺  33
    2.5.4 一种制备体硅刻蚀型FBAR的新方法  33-35
  2.6 FBAR的等效电路模型  35-42
    2.6.1 Mason等效电路模型  35-38
    2.6.2 BVD等效电路模型  38-41
    2.6.3 MBVD等效电路模型  41-42
  2.7 本章小结  42-44
3 FBAR温度传感器  44-62
  3.1 FBAR温度传感器原理  44-47
    3.1.1 FBAR的温度频率系数  44-45
    3.1.2 FBAR引入温度因素的BVD等效电路模型  45-46
    3.1.3 FBAR常用的温度补偿方法  46-47
  3.2 FBAR温度传感器研究  47-56
    3.2.1 FBAR样品制备  48
    3.2.2 测量设备与测量方法  48-49
    3.2.3 FBAR温度频率特性的测量  49-56
  3.3 密封空气型FBAR温度传感器  56-60
    3.3.1 密封空气型FBAR的制作  56-57
    3.3.2 密封空气提高FBAR温度传感灵敏度的原理  57-58
    3.3.3 密封空气型FBAR温度传感器的测量  58-60
  3.4 FBAR的压力频率系数  60-61
  3.5 本章小结  61-62
4 FBAR的有限元仿真  62-80
  4.1 有限元概述  62-64
    4.1.1 有限元法  62-63
    4.1.2 有限元分析的主要步骤  63-64
  4.2 有限元仿真软件ANSYS  64-70
    4.2.1 ANSYS分绍  64-66
    4.2.2 ANSYS有限元分析的步骤  66-67
    4.2.3 ANSYS压电分析  67-70
  4.3 FBAR的ANSYS仿真  70-79
    4.3.1 FBAR谐振特性仿真  70-74
    4.3.2 电极与压电薄膜对FBAR谐振频率的影响  74-79
  4.4 本章小结  79-80
5 总结及展望  80-82
  5.1 论文的主要内容  80
  5.2 论文的不足之处  80-82
参考文献  82-86
作者简历及在学期间所取得的科研成果  86

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器 > 物理传感器 > 温度传感器
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