晶体叠层型薄膜体声波滤波器的设计与仿真研究

论文摘要

当前无线通信系统正向高工作频率、大数据传输量、多信道和小信道带宽的方向发展,无线通信终端也日趋微型化、集成化和多功能化。这些发展趋势对通信系统中的频率器件提出了更高的要求,当前的滤波器需要具有高工作频率、窄带宽、可片内集成、低功耗和大功率容量等特性。传统用于无线通信的带通滤波器以介质陶瓷滤波器和声表面波滤波器为主,他们因为体积大或工作频率低等因素已经不能满足需要。基于微机械电子系统的薄膜体声波器件可以很好的解决传统带通滤波器所面临的问题。其中,晶体叠层型薄膜体声波滤波器与梯型、格型及耦合谐振型滤波器相比具有带外抑制特性好、插入损耗低及通带宽度窄等优点,因此,晶体叠层型薄膜体声波滤波器受到全世界范围内研究人员的关注,国外已经有商用的体声波滤波器。由于晶体叠层型薄膜体声波滤波器相对薄膜体声波谐振器其结构和原理更为复杂,其性能同时受到两个压电层影响,国内只有很少的研究机构对晶体叠层型薄膜体声波滤波器进行研究。基于以上的研究意义及现状,本文对晶体叠层型薄膜体声波滤波器进行研究。本文的主要研究内容分为以下五个部分。第一部分,对晶体叠层型薄膜体声波谐振器、滤波器的基本概念和结构进行简要介绍,并分析了国内外体声波谐振器及滤波器的研究现状。第二部分,对晶体叠层型薄膜体声波滤波器的原理进行阐述,推导了基于压电学中单层压电振子的一维Mason等效模型并推导出SCFBAF的等效电路,得出SCFBAF的电压传递函数。第三部分,讨论了选择SCFBAF材料时需要考虑的因素,并对几种适用于SCFBAF的压电材料及电极材料进行比较。第四部分,是本文的核心工作部分,利用ANSYS 11.0软件对不同压电材料、不同形状以及不同尺寸的SCFBAF进行了一系列的仿真,得到其幅频特性曲线。将仿真结果进行分析之后,得出材料种类、形状及尺寸对SCFBAF的影响。供后续结构更加复杂的微机电薄膜体声波滤波器设计参考。第五部分,综述了SCFBAF各结构层制备工艺并设计了SCFBAF的制备流程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 背景知识
• 1.2.1 MEMS技术简介
• 1.2.2 无线通信电路简介
• 1.2.3 RF MEMS简介
• 1.3 薄膜体声波滤波器介绍及其国内外研究现状
• 1.3.1 薄膜体声波滤波器简介
• 1.3.2 国内外的研究现状
• 1.4 本文的研究工作及创新点
• 1.4.1 论文的结构安排
• 1.4.2 本文的创新点
• 第二章 SCFBAF的结构设计与建模
• 2.1 理想FBAR的结构和工作原理
• 2.2 复合FBAR的种类和结构
• 2.3 基于一维Mason模型的理想FBAR等效电路
• 2.4 SCFBAF的结构设计及工作原理
• 2.5 SCFBAF的建模及理论推导
• 第三章 SCFBAF的材料选择
• 3.1 SCFBAF压电材料选择
• 3.2 SCFBAF电极材料选择
• 第四章 SCFBAF的3D有限元仿真
• 4.1 选择仿真方法
• 4.2 前处理器
• 4.2.1 建立实体模型
• 4.2.2 定义单元及材料属性
• 4.2.3 网格划分
• 4.3 加载和求解
• 4.3.1 定义分析类型和设置分析选项
• 4.3.2 施加载荷
• 4.3.3 求解
• 4.4 后处理操作
• 4.4.1 通用后处理器（POST1）
• 4.4.2 时间历程后处理器（POST26）
• 第五章 计算结果
• 5.1 不同压电材料的SCFBAF的幅频特性计算结果
• 5.1.1 以PZT为压电材料的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.1.2 以ZnO为压电材料的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.1.3 以AlN为压电材料的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.2 不同压电层厚度的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.2.1 两压电层同步变化时的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.2.2 一个压电层厚度固定另一个压电层厚度变化时的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.2.2.1 压电层1厚度固定压电层2厚度变化时的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.2.2.2 压电层2厚度固定压电层1厚度变化时的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.2.3 两压电层总厚度固定时的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.3 不同形状的SCFBAF幅频特性计算结果
• 5.3.1 长方形SCFBAF的幅频特性计算结果
• 5.3.2 圆形SCFBAF的幅频特性计算结果
• 第六章 结果分析及结论
• 6.1 压电材料对SCFBAF幅频特性的影响分析
• 6.2 压电层厚度对SCFBAF幅频特性的影响分析
• 6.3 形状对SCFBAF幅频特性的影响分析
• 6.4 结论
• 第七章 SCFBAF的制备流程设计
• 7.1 压电薄膜的制备
• 7.1.1 PZT薄膜的制备方法及特点
• 7.1.1.1 射频磁控溅射法（RFMS）
• 7.1.1.2 脉冲激光沉积法（PLD）
• 7.1.1.3 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
• 7.1.1.4 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 7.1.1.5 烧结法
• 7.1.2 ZnO薄膜的制备方法及特点
• 7.1.2.1 MOCVD制备ZnO薄膜的主要特点
• 7.1.2.2 MBE方法简介及特点
• 7.1.2.3 磁控溅射（Magnetron Sputtering,MS）法特点
• 7.1.2.4 PLD法和Sol-Gel法
• 7.1.3 AlN薄膜的制备方法及特点
• 7.2 电极的制备
• 7.3 SCFBAF的工艺制备流程
• 第八章 总结及展望
• 8.1 总结
• 8.2 论文的不足
• 8.3 展望
• 致谢
• 参考文献/Reference
• 附录Ⅰ 攻读硕士期间发表的学术论文