多层结构高频声表面波器件的分析与研制

论文题目: 多层结构高频声表面波器件的分析与研制

论文类型: 硕士论文

论文专业: 光学工程

作者: 马靖

导师: 陈希明

关键词: 多层结构声表而波器件模拟,金刚石膜,高频滤波器,传感器

文献来源: 天津理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 声表面波器件(Surface Acoustic Wave Device)是通讯系统中重要的器件之一。由于目前通讯器件朝着高频化发展，优良的高频声表面波器件必须具有高声速、高机电耦合系数、低传播损耗、高温度稳定性等特性。通过在压电材料与衬底之间加入高声速的金刚石膜层，可以提高声表面波传播速度，使声表面声波器件在不改变叉指换能器(IDT)线宽条件下，提高中心频率，以满足通信系统的高频需求。本研究采用金刚石为基片来提高声表面波速度，并选用压电性能优良的氧化锌(ZnO)薄膜压电材料，对ZnO／IDT／金刚石多层膜结构的声表面波器件分析和研制。主要完成了以下几方面工作：1．理论模型研究以多层结构的波传播特性为基础计算出声表面波传播速度和机电耦合系数，应用耦合模型(coupling of modes)理论，进一步模拟出多层结构声表面波滤波器的频率响应，优化设计多层结构基片和叉指换能器结构，编制了模拟程序软件。2．高频声表面波滤波器的多层结构基片及器件的设计和制备根据理论分析设计出的高频声表面波滤波器的多层结构基片和叉指换能器结构，采用热丝化学气相沉积(HFCVD)技术在硅衬底上沉积了满足高频声表面波器件中金刚石晶体结构、厚度和表面粗糙度要求的金刚石膜。同时采用射频磁控溅射方法制备了C轴定向的氧化锌压电薄膜，结合光刻工艺实际制作出ZnO／IDT／金刚石／Si的多层结构声表面波滤波器，成功的将中心频率提高至1.5GHz。最后，利用网络分析仪测量的多层结构声表面波滤波器的输出结果，与压电单晶结构的输出特性进行了对比，中心频率是普通压电单晶的3倍，并满足高频需求：同时，实际输出特性与仿真的输出结果作了对比，确定理论模拟对于多层结构声表面波滤波器的适用性。3．为了进一步扩展声表面波器件的应用领域，还对无线、无源声表面波传感器进行了初步探讨，进行了参数设计，器件的制作及测量方法的研究工作。综上所述，本论文针对ZnO／IDT／金刚石／Si多层结构高频声表面波滤波器提供了完整的理论、制备和结果测量。实验结果验证了本文研制的多层结构声表面波滤波器能够提高传播速度、中心频率，降低损耗，满足未来高频需求。另外，对声表面波器件的另一种应用——声表面波传感器进行了初步研究。本文的创新工作如下：1．自行开发、研制多层结构声表面波器件模拟程序、为多层高频声表面波滤波器优化基片结构和叉指换能器结构提供了理论依据。2．研究了高声速金刚石膜及其CVD沉积工艺。提出了包括Si基片预处理、灯丝碳化、金刚石形核和生长在内的全部工艺，经检验能满足高频声表面波滤波器的要求。3．提出了多层膜厚度的精确测量新方法。在无需已知相对介电常数(ε)的情况下得到比较精确的厚度值，而且测量精度能达到19nm左右。4．研制了中心频率1.5GHz的高频声表面波滤波器。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 声表面波器件

1.2.1 声表面波滤波器

1.2.2 声表面波传感器

1.3 国内外研究现状

1.4 本论文的主要内容

第二章 声表面波器件的模拟设计及理论分析

2.1 引言

2.2 声表面波滤波器的基片材料的模拟和分析

2.2.1 声表面波滤波器的基片材料所需考虑的参数

2.2.2 声表面波滤波器中基片材料的计算方法

2.2.3 声表面波滤波器中基片材料的计算结果

2.3 声表面波器件模拟设计的分析方法

2.3.1 模拟声表面波滤波器输出特性模型的类别

2.3.2 模态耦合模型设计原理及模型推导

2.3.3 SAW滤波器模拟、仿真结果与分析

2.4 本章小结

第三章 高频声表面波器件中多层结构基片的制备研究

3.1 快声速材料金刚石薄膜的理论研究

3.1.1 金刚石的基本结构

3.1.2 金刚石薄膜在高频声表面波器件中的应用

3.1.3 金刚石薄膜的沉积技术的发展及对比

3.2 CVD法金刚石薄膜的制备研究

3.2.1 CVD金刚石的形核机理和生长机理

3.2.2 热丝法化学气相沉积(HFCVD)设备

3.2.2 制备所需材料

3.2.3 制备步骤

3.3 压电材料ZNO薄膜的理论研究

3.3.1 ZnO压电薄膜的结构及制备方法

3.3.2 磁控溅射ZnO薄膜的溅射及沉积原理

3.3.3 工艺条件对薄膜性能影响的理论分析

3.3.4 实验设备及基本步骤

3.4 本章小结

第四章 高频声表面波器件的多层结构基片的测试结果和分析

4.1 薄膜基片的表征方法

4.1.1 扫描电子显微镜(SEM)分析

4.1.2 拉曼(Raman)光谱分析

4.1.3 原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)

4.1.4 X光衍射分析仪

4.1.5 厚度测量方法

4.2 CVD法金刚石薄膜的结果测试和分析

4.2.1 膜厚测量分析

4.2.2 金刚石薄膜的晶体结构分析

4.2.3 金刚石薄膜的型态和缺陷分析

4.2.4 金刚石薄膜表面形态与横截面形态

4.2.5 表面粗糙度测量分析

4.3 ZNO压电薄膜的测试结果

4.3.1 X-射线衍射(XRD)分析

4.3.2 薄膜表面结构分析

4.3.3 薄膜厚度分析

4.4 本章小结

第五章 高频声表面波滤波器的结构设计和结果测量

5.1 SAW滤波器的叉指换能器IDT的设计

5.1.1 叉指换能器IDT的结构参数

5.1.2 高频声表面波滤波器整体结构参数及版图

5.2 高频声表面滤波器的制作

5.2.1 叉指换能器IDT的制作

5.2.2 溅射氧化锌的掩模夹具

5.2.3 器件封装

5.3 高频声表面波滤波器的测量

5.3.1 网络分析仪校正

5.3.2 测量结果及分析

5.3.3 测量结果与理论模拟结果的对比

5.4 本章小结

第六章 无线、无源声表面波传感器的初步研究

6.1 无线、无源声表面波传感系统的结构

6.2 SAW传感器的整体布局和设计

6.2.1 声表面波传感器设计中考虑的因素

6.2.2 叉指换能器IDT的设计

6.2.3 反射栅的设计

6.2.4 传感器结构设计及版图

6.3 声表面波传感器的研制

6.4 传感器信号的无线收发系统

6.5 本章小结

第七章 总结与未来展望

7.1 总结

7.2 未来展望

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

发布时间: 2007-08-01

参考文献

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