应用于87Rb芯片级原子钟的硅基3.4GHz高Q薄膜体声波谐振器研究

芯片级原子钟由于其尺寸和功耗的优势，在移动便携式和水下通讯用定位对时系统、无人机定位系统、水下和地球物理探测装备中分布式观测阵元的对时系统等场合有巨大用途。相关研究在国内外日益受到重视。在应用于87Rb芯片级原子钟的3.4GHz压控振荡器中，通过高稳石英晶振倍频的传统方法由于功耗较高，不能满足芯片级原子钟的要求。本课题针对SiO2薄膜可以被用于补偿薄膜体声波谐振器（FBAR）频率温度系数和提高FBAR器件高阶模式Q值的特点，提出通过研究SiO2薄膜在FBAR器件结构中提高Q值和补偿谐振器频率温度系数的规律，结合器件实测结果，完成谐振器系统的建模和参数修正，找到同时满足谐振器频率、Q值和频率温度系数指标要求（3.4GHz，Q>1000，TCF优于±10ppm/K）的结构和参数；在此基础上，设计并采用MEMS工艺研制出相应的高Q值FBAR器件，应用于芯片级原子钟。

芯片级原子钟由于其尺寸和功耗的优势，在移动便携式和水下通讯用定位对时系统、无人机定位系统、水下和地球物理探测装备中分布式观测阵元的对时系统等场合有巨大用途。芯片级原子钟主要由物理封装、控制环路和射频模块构成，按照指标要求，每个部分的功耗应小于10mW以满足整体功耗小于30mW的要求。传统基于晶振的频率综合方式功耗约为60mW，高于指标要求。薄膜体声波谐振器具有高频率、高Q值和小尺寸的优点，被认为适合用于芯片级原子钟。但另一方面，薄膜体声波谐振器存在频率温度系数差的缺点。氧化硅薄膜具有和AlN薄膜相反的温度系数，将其引入到薄膜体声波谐振器的结构中，可以改善薄膜体声波谐振器的频率温度系数并可以提高薄膜体声波谐振器高阶模态Q值。在本课题中，采用射频磁控反应溅射在不同厚度氧化硅薄膜上制备了氮化铝压电薄膜，并通过扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射等手段对薄膜质量和性能进行了检验，结果显示氧化硅厚度为100nm和200nm时，氮化铝薄膜具有较好的压电材料特性。进一步，采用梅森等效电路对谐振器的性能进行了仿真。考虑实际工艺的可行性，一个工作在4.6GHz的FBAR器件的Q值仅有278。为了改进Q值，在上电极和压电层之间引入了氧化硅薄膜，结果发现可以获得627的Q值，提高了350，这样的谐振器可望用于芯片级原子钟。除此之外，本课题还研究了芯片级原子钟的压控振荡器和射频模块，实现了相关电路，得到了较好的测试结果。