基于压电电子学效应的可调谐FBAR工作机理研究及其应用
批准号:
12102183
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李念
依托单位:
学科分类:
多场耦合与智能结构力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李念
中文摘要
薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种性能优异的新型谐振器,现已广泛应用于各种电子设备中。为了解决当前FBAR高度集成化造成的负面影响,可调谐FBAR的概念被提出,但现有的调谐技术尚存不足,仍需进一步研究进行改善。本项目拟将压电电子学的机械调控理念拓展应用于FBAR中,利用ZnO或AlN薄膜的压电半导体双向耦合效应,在传统FBAR的电学拓扑结构中引入机械调控电容,从而实现对FBAR的机械调谐。主要研究内容为:基于压电半导体宏观唯象理论,利用半解析有限元法、模态叠加法,系统地研究压电半导体高频声波器件的物理机制、工作机理;在此基础上采用小扰动假设、非线性离散的方法优化求解效率,开发便捷化的理论分析工具;进一步探讨新型机械调谐型FBAR作为传感器应用的可行性,推导频率与待测量之间的解析公式。本项研究的顺利进行将有利于拓展压电电子学的研究范围,为新型可调谐FBAR的设计提供理论支撑。
英文摘要
Film Bulk Acoustic Wave Resonator (FBAR) is a new type of resonator with outstanding working performance, which has been widely applied in nearly every electronic product. In order to resolve the difficulty arising from the highly integrated device, the idea for the design of tunable FBAR was proposed. However, the existing tunable approaches are kind of deficient for real application, and further researches are still necessary to improve the performance of tunable FBAR. In this project, the concept of mechanical-control in Piezotronics is expanded into the design of FBAR. The two-way coupling effect of piezoelectric and semiconductor property in ZnO or AlN film is utilized, and a mechanical controlling capacitance is introduced into the traditional topological structure of electric, which finally gives us a mechanical tunable FBAR. The main contents of the present project are: Systematically study the physical mechanism and working principle of piezoelectric semiconductor acoustic wave resonator with the phenomenological theory of piezoelectric semiconductor, and also the semi-analytical finite element method, the mode superposition method. Based on the researching achievements, develop efficient theoretical tool with the assumption small perturbation and the method of nonlinear discretization. Furthermore, discuss the possibility of the application of the new designed mechanical tunable FBAR in sensing field, and derive the analytical equation for the relation of frequency and detectable variable. The successful implementation of this project will be helpful for expanding the research scope of Piezotronics, and provide theoretical foundation for the design of new type of tunable FBAR.
薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种性能优异的压电声波器件,可以通过现代成熟的芯片制造工艺进行批量生产,现已广泛应用于各种电子设备的通讯模块中。随着通信技术的发展,频段拥挤、多频段共存等问题亟需解决。本项目利用ZnO/AlN薄膜的压电半导体双向耦合效应,在传统体声波器件中引入机械调控,通过一系列研究成果论证了FBAR机械调谐方案的可行性。本项目首先基于半导体的载流子漂移扩散方程、弹性力学控制方程以及静电高斯方程,构建了能够描述压电半导体力电耦合行为的宏观唯象理论,并基于该理论系统地研究了压电半导体中力电耦合行为的机械调控机理,为可调谐FBAR的器件研发工作提供理论依据;在此基础上,从器件的实际应用情况出发,基于二维标量微分方程开发了新型FBAR的快速仿真工具,能够同时兼顾仿真精度与效率,为器件研发提供可靠的工具支持;进一步,针对器件实际工作过程中可能存在的工程问题,如电极平行度、表面粗糙度、薄膜预应力、微观挠曲电等,分别开展研究,系统地给出了新型FBAR在不同工况下的关键物理现象;最终,对本项目的研究成果进行了拓展,分析了机械调谐方式在多种新型声波结构中的可行性,如基于泛音模态的高阶FBAR、基于导波模态的新型声表面波器件、基于压电薄膜异质结构的窄带滤波器等。总体上,本项研究进展顺利,取得的成果预期可以为新型FBAR的设计与研发提供可靠的理论支撑。
国内基金
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