【摘要】：隨著薄膜體聲波諧振器(FBAR)技術(shù)的發(fā)展,FBAR傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛,如微質(zhì)量傳感器、微加速度計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、生物傳感器等。微加速度計(jì)和壓力傳感器均屬于力學(xué)傳感器。力學(xué)傳感器的基本原理為FBAR力敏機(jī)理,即力載荷作用在力學(xué)傳感器上,使得FBAR變形,從而導(dǎo)致FBAR諧振頻率偏移。本文旨在解決FBAR力敏機(jī)理的兩個(gè)關(guān)鍵問題:理論基礎(chǔ)和預(yù)測(cè)方法。FBAR力敏機(jī)理可以分為應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)和電極化效應(yīng)。變形的FBAR內(nèi)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力與內(nèi)電場(chǎng)。應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)是由內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致FBAR諧振頻率偏移的現(xiàn)象。電極化效應(yīng)是由內(nèi)電場(chǎng)導(dǎo)致FBAR諧振頻率偏移的現(xiàn)象。分別對(duì)應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)和電極化效應(yīng)進(jìn)行研究,建立兩種效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。其中應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)是主要的。并針對(duì)非線性的應(yīng)力負(fù)載效應(yīng),提出了能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)FBAR力學(xué)傳感器靈敏度的方法。建立了應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型�；诜蔷�性電彈性理論,利用疊加于有限偏場(chǎng)之上的小增量場(chǎng)理論描述了應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)。將壓電體分為三種構(gòu)型:參考構(gòu)型、初始構(gòu)型和現(xiàn)時(shí)構(gòu)型。外界力載荷為偏場(chǎng),使壓電體從參考構(gòu)型變?yōu)槌跏紭?gòu)型。交變電場(chǎng)為小增量場(chǎng),使壓電體從初始構(gòu)型變?yōu)楝F(xiàn)時(shí)構(gòu)型。構(gòu)建小增量場(chǎng)的壓電本構(gòu)方程。方程系數(shù)與偏場(chǎng)有關(guān),并由有效材料參數(shù)表示。結(jié)合邊界條件和變分公式,得到關(guān)于應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)的完整數(shù)學(xué)模型。提出了攝動(dòng)與有限元聯(lián)合求解方法。利用COMSOL計(jì)算了FBAR力學(xué)傳感器受外界載荷作用下,壓電層AlN的平均偏置應(yīng)力。在COMSOL中計(jì)算了FBAR的諧振頻率與相應(yīng)的振型。利用第一性原理得到了內(nèi)應(yīng)力與彈性常數(shù)的關(guān)系,結(jié)合攝動(dòng)積分公式,得到FBAR力學(xué)傳感器的靈敏度。結(jié)合兩個(gè)案例驗(yàn)證了該方法的可行性。將該方法與基于Mason模型的多尺度計(jì)算方法、基于有限元的多尺度計(jì)算方法對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。建立電極化效應(yīng)的解析模型。基于線性壓電理論,推導(dǎo)出了FBAR諧振頻率與直流偏置電壓的關(guān)系。利用正壓電效應(yīng)中外力與直流電壓的表達(dá)式,得到了外界力載荷與FBAR諧振頻率的關(guān)系。利用一個(gè)案例證明了電極化效應(yīng)可以被忽略,FBAR力敏機(jī)理主要為應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN65
【圖文】：

( )1d2cPf Pd = ，其中 P 為外界壓力，d 為 FBAR 厚度，c 為彈性常數(shù)。通過以上三個(gè)公式，分別計(jì)算縱波模式下和剪切波模式下，彈性常數(shù)、厚度、密度對(duì) FBAR 諧振頻率的偏移量，疊加得到總頻率偏移量。并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，頻率靈敏度基本一致，均在 10-2Hz/Pa 的量級(jí)。但實(shí)際在應(yīng)變傳感器感受到應(yīng)變時(shí)，并不是簡(jiǎn)單的拉壓形變，諧振器產(chǎn)生的應(yīng)變與應(yīng)力分布也是不均勻的，Waber 并沒有給出解決該問題的方法，以及預(yù)測(cè)其頻率靈敏度相應(yīng)的模型。2007 年，Chiu 等[18]報(bào)道了一種高靈敏度 FBAR 傳感器。該傳感器可以同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和壓力，其結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。其中 FBAR 屬于反面刻蝕型，壓電材料為氮化鋁(AlN)。該傳感器直接將 FBAR 作為敏感膜片，并放置于空氣中，因此該傳感器測(cè)量的是表壓。FBAR 膜片感受到壓力而彎曲，從而導(dǎo)致諧振頻率偏移。這與 Weber 報(bào)道的壓力傳感器工作原理相似。Chiu 認(rèn)為導(dǎo)致 FBAR 諧振頻率漂移的原因是：壓電層的彈性常數(shù)和密度的變化。影響 TE 模 FBAR 諧振頻率的主要因素是縱波聲速和 FBAR壓電層的厚度。而影響縱波聲速的主要因素是壓電材料的彈性常數(shù)和密度。當(dāng) FBAR受到機(jī)械應(yīng)力變化或溫度變化時(shí)，壓電材料的彈性常數(shù)和密度都會(huì)變化，從而導(dǎo)致FBAR 的諧振頻率發(fā)生偏移。

( )1d2cPf Pd = ，其中 P 為外界壓力，d 為 FBAR 厚度，c 為彈性常數(shù)。通過以上三個(gè)公式，分別計(jì)算縱波模式下和剪切波模式下，彈性常數(shù)、厚度、密度對(duì) FBAR 諧振頻率的偏移量，疊加得到總頻率偏移量。并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，頻率靈敏度基本一致，均在 10-2Hz/Pa 的量級(jí)。但實(shí)際在應(yīng)變傳感器感受到應(yīng)變時(shí)，并不是簡(jiǎn)單的拉壓形變，諧振器產(chǎn)生的應(yīng)變與應(yīng)力分布也是不均勻的，Waber 并沒有給出解決該問題的方法，以及預(yù)測(cè)其頻率靈敏度相應(yīng)的模型。2007 年，Chiu 等[18]報(bào)道了一種高靈敏度 FBAR 傳感器。該傳感器可以同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和壓力，其結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。其中 FBAR 屬于反面刻蝕型，壓電材料為氮化鋁(AlN)。該傳感器直接將 FBAR 作為敏感膜片，并放置于空氣中，因此該傳感器測(cè)量的是表壓。FBAR 膜片感受到壓力而彎曲，從而導(dǎo)致諧振頻率偏移。這與 Weber 報(bào)道的壓力傳感器工作原理相似。Chiu 認(rèn)為導(dǎo)致 FBAR 諧振頻率漂移的原因是：壓電層的彈性常數(shù)和密度的變化。影響 TE 模 FBAR 諧振頻率的主要因素是縱波聲速和 FBAR壓電層的厚度。而影響縱波聲速的主要因素是壓電材料的彈性常數(shù)和密度。當(dāng) FBAR受到機(jī)械應(yīng)力變化或溫度變化時(shí)，壓電材料的彈性常數(shù)和密度都會(huì)變化，從而導(dǎo)致FBAR 的諧振頻率發(fā)生偏移。

西南科技大學(xué)2007 年，Campanella 等人[14]報(bào)道了一(SEM, scanning electron microscope)圖如圖2009 年 Campanella[15]在嵌入式 FBAR 微加面刻蝕型 FBAR，優(yōu)化設(shè)計(jì)出了 FBAR-梁的中的壓電材料均為 AlN。這兩種結(jié)構(gòu)的微于嵌入式 FBAR 微加速度計(jì)時(shí)，質(zhì)量較大撐梁上方的 FBAR 也隨之變形，從而導(dǎo)致 F諧振頻率偏移的原因?yàn)椋篎BAR 感受到支作用下，變形導(dǎo)致 FBAR 中的壓電晶體的極產(chǎn)生電荷，使得 FBAR 諧振頻率偏移。在速度計(jì)受到的加速度成正比。Campanella 只的頻率靈敏度，一個(gè)支撐梁的靜態(tài)加速度靈的電荷位移如何影響 FBAR 頻率偏移，以不過與 Weber 提出的 FBAR 敏感機(jī)理不同

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本文編號(hào)：2796044