基于氟化镁波导的乐甫波器件特性研究

论文摘要

乐甫波传感器是声表面波传感器中的一种,它的灵敏度最高并可在液相环境中应用,使得它具有广阔的应用前景。波导层材料的性质对乐甫波传感器的各项性能指标都有很大的影响。理论与实验已证明,波导层材料除了需具备低的剪切速度和密度外,还需具有良好的弹性和低的声吸收。本文探索了一种低密度无机材料——MgF2来作为乐甫波器件的波导材料。本论文采用真空蒸发法在石英基底上沉积了MgF2薄膜,对薄膜的制备工艺参数诸如基片温度、蒸发电流以及热处理温度等进行了系统的研究。对不同工艺制备的薄膜样品进行X射线衍射和扫描电镜表征分析,结果表明,当蒸发电流为100A,基片温度为300℃时,能获得表面平整度高、晶粒大小均匀和晶粒取向单一的MgF2薄膜,再通过300℃退火一小时后,薄膜的晶粒略有增大,表面粗糙度和致密度没有明显的变化,而且薄膜（110）峰增强的同时,出现了（220）和（211）峰。通过用QCM测量薄膜质量,用SEM断面获得薄膜厚度,根据一般计算体材料密度的方法计算得到MgF2薄膜密度为2.9g/cm3。用网络分析仪对不同厚度MgF2波导层的乐甫波器件进行测试,得到了器件频率、插损、Q值和质量灵敏度与波导厚度的关系。结果表明,当波导层厚度为2.5μm左右时,器件的插损最小（-23.93dB）,Q值最大（2193.8）。当波导层厚度为6.5μm左右时,器件获得了最大质量灵敏度416.7cm2g-1。对相同波导厚度的乐甫波器件在不同温度下进行退火处理,发现器件的Q值、质量灵敏度随退火温度的升高而增大,插损随退火温度的升高而减小。最后研究了基于PMMA/MgF2复合波导的乐甫波器件。实验结果表明,当MgF2层的厚度一定时,器件的质量灵敏度和插损都随着PMMA层厚度的增加而增大。我们还发现,对于相同厚度的波导,PMMA/MgF2复合波导的乐甫波器件比MgF2单层波导的乐甫波器件具有更高的质量灵敏度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 声表面波传感器概述
• 1.1.1 声表面波器件基本结构及原理
• 1.1.2 延迟线和谐振型器件
• 1.2 声表面波传感器的基本类型
• 1.2.1 瑞利波传感器
• 1.2.2 剪切声板波传感器
• 1.2.3 Lamb波传感器
• 1.2.4 浅体声波传感器
• 1.2.5 Love波传感器
• 1.3 本论文的研究内容及安排
• 第二章 乐甫波传感器
• 2.1 乐甫波的理论
• 2.1.1 乐甫波的形成
• 2.1.2 乐甫波的质量灵敏度
• 2.2 乐甫波传感器研究现状
• 2.2.1 有机波导材料
• 2.2.2 无机波导材料
• 2.2.3 复合波导材料
• 2.3 乐甫波器件的模拟与仿真
• 2.4 小结
• 第三章 乐甫波器件制备工艺
• 3.1 SSBW器件制备
• 3.1.1 基片的选择
• 3.1.2 制备IDT的基本工艺
• 3.2 波导薄膜制备
• 3.2.1 薄膜制备
• 3.2.2 薄膜表征方法
• 第四章 氟化镁波导薄膜制备与表征
• 4.1 制备工艺对薄膜性能的影响
• 4.1.1 不同沉积速率对薄膜的影响
• 4.1.2 基板温度对薄膜的影响
• 4.1.3 不同沉积时间对薄膜的影响
• 4.2 退火处理对薄膜的影响
• 4.3 波导薄膜密度
• 4.3.1 QCM介绍
• 4.3.2 薄膜密度的测量
• 4.4 小结
• 第五章 乐甫波器件性能测试
• 5.1 氟化镁波导材料
• 5.2 波导层厚度对乐甫波器件性能的影响
• 5.2.1 频率
• 5.2.2 插损
• 5.2.3 Q值
• 5.2.4 质量灵敏度
• 5.3 不同退火温度对器件性能的影响
• 5.3.1 频率
• 5.3.2 插损与Q值
• 5.3.3 质量灵敏度
• 5.4 复合波导对器件性能的影响
• 5.4.1 频率
• 5.4.2 插损
• 5.4.3 质量灵敏度
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果