固态装配型体声波谐振器功率容量研究

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近年来随着第五代无线通信技术的发展,射频信号将有两大变化:一是高频通信,5G将采用3GHz以上的频段;二是频段的数量增多。由此可见射频前端无源器件的高功率容量和微小型化将成为新的发展趋势。体声波谐振器作为一种新型的射频MEMS器件,具有插损小、Q值大工作频率高、功率容量高、可与CMOS工艺兼容等优点,因此在无线通讯领域取得了突飞猛进的发展。本文将固态装配型体声波谐振器(SMR)作为基本研究单元,探究SMR型谐振器电学与热学性能的影响因素和变化规律。为射频前端无源器件的高功率容量和微小型化的发展趋势奠定了基础。首先本文根据体声波谐振器的工作原理,使用ADS仿真软件分别建立了固态装配型体声波谐振器的Mason和MBVD模型,同时使用Comsol Multiphysics建立谐振器的有限元模型,对器件的电和热性能进行多物理场分析,并研究器件每一层所用材料对其性能的影响。在电学仿真中发现,在顶电极厚度同为100nm时,W、M、Al、Pt四种电极材料,Pt的谐振频率最低(2.642GHz),Al的谐振频率最高(3.958GHz)。在顶电极质量相同时,声阻抗越大的电极材料,产生的寄生谐振越小。同时研究了顶电极和底电极的面积变化对器件电学性能的影响,仿真的结果显示电极面积减小将增加谐振点附近的寄生谐振,在器件横向尺寸一定时,同时改变上下电极相比于仅改变顶电极面积,在谐振点附近产生横向杂散信号更显著。在热学仿真中,比较了固态装配型和匀胶型谐振器的热学性能随热功率的变化趋势,固态装配型谐振器热功率每上升0.1W最高稳态温度平均上升了4.375K,最大热应力上升了1Mpa,匀胶型器件热功率每上升0.1W最高稳态温度平均上升了212.5K,最大热应力上升了1.68×107GPa。在仿真基础上,通过压电层掺杂Mg和Zr来优化固态装配型谐振器的热学性能,仿真结果显示随着Mg和Zr掺杂浓度的增加,器件的最高稳态温度和最大热应力降低,当Mg和Zr的总掺杂浓度为15%时,器件的热学性能最佳。在热功率为1W时,其中最高稳态温度为323K,最大热应力为52.4MPa。其次,本文在固态装配型谐振器理论仿真分析的基础上,重点研究其各膜层材料的制备。研究了磁控溅射功率和气压对Mo、W和AlN薄膜生长的影响。并根据最优的工艺条件制备了掺杂了Mg和Zr的AlN薄膜,得到了AlN薄膜(002)晶向的2θ变化趋势。同时研究了化学气相沉积的功率、气压和温度对SiO2薄膜生长的影响。最后结合体声波谐振器的理论分析和仿真结果,利用MEMS加工平台制备出高功率容量的SMR器件,并得到其性能测试结果。最终器件的并联谐振频率为1.5019GHz,器件的有效机电耦合系数为5.728%,可以承受超过30dBm的信号。
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