嵌入式电极侧向场激励薄膜体声波谐振器研究

Lateral field excited thin film bulk acoustic resonator (FBAR) is one of the most promising RF MEMS technologies for biosensor applications due to its relative high sensitivity in liquid, but there are still some shortcomings, such as the exist of spurious modes and the reduction of Q value in liquid environment. We proposed a novel lateral field excited FBAR with embedded electrodes, which has the advantages of pure shear mode resonance and high Q in liquid environment. These outstanding features are achieved by moving the spectra of spurious modes far away from the main shear mode resonant frequency. The main research contents and objectives are: ①Investigate the multi-physics coupling, spurious modes and the facts that affects Q value of lateral field excited FBAR, and then propose a novel method to achieve high Q value and pure shear mode resonance by moving the spectra of spurious modes far away from the main shear mode resonant frequency; ②Propose a novel embedded electrodes structure of lateral field excited FBAR, which is suitable for biosensor applications due to the pure shear mode resonance and relative high Q value in liquid. We have investigated the proposed structure with a preliminary theoretical analysis and finite element study, and obtained some results that verified the feasibility of this proposal. By the implementation of this project, it is expected to obtain the core technologies of high performance FBAR sensors, and will promote the development of FBAR technology in bio-sensing applications.

侧向场激励薄膜体声波谐振器（FBAR）作为一种新型的可工作于液相环境的射频MEMS器件，是目前高灵敏度生物传感器中最具竞争力的方案，但是，该技术当前主要存在寄生模式较多、液体中Q值衰减较大等缺点。本项目提出了一种嵌入式电极侧向场激励的FBAR结构，通过寄生模式频谱的搬移，实现高Q纯剪切波谐振。主要研究内容及目标有：①研究侧向场激励FBAR器件的多物理场耦合、寄生模式以及结构对Q值的影响等机制，提出一种通过搬移寄生模式频谱来获得高Q纯剪切波谐振模式的方法；②提出一种嵌入式电极侧向场激励高Q纯剪切波谐振模式的FBAR结构，使其能适合于液相环境的生物传感应用。申请者已经对这种结构的FBAR进行了初步的理论分析与有限元研究，取得了一定的研究成果，验证了其可行性。通过本项目的实施，有望获得具有自主知识产权的高性能FBAR传感器的核心技术，对FBAR传感器在生物传感领域的应用具有推动作用。

薄膜体声波谐振器（FBAR）是一种新兴的射频MEMS器件，在无线通信和生物传感领域具有广泛的应用价值，本项目主要研究更适合传感应用的侧向场激励FBAR器件，提出并研究了一种嵌入式电极结构的侧向场激励FBAR，同时，对相关的FBAR和薄膜型声表面波（SAW）器件也作了研究，并将研究领域拓展到目前比较热门的柔性电子领域，实现了柔性FBAR和柔性SAW。项目主要研究内容包括：1）侧向场激励FBAR声波传输与谐振机理；2）电极宽度、间距、对数、嵌入深度等参数对器件性能的影响；3）高c轴取向压电薄膜的低温反应磁控溅射生长机理及工艺参数优化；4）器件制备工艺；5）器件的电学性能与传感特性表征；6）柔性衬底对FBAR、SAW器件的影响。研究发现：1）侧向场激励FBAR中主谐振频率附近的寄生杂波主要是由于表面电极结构中寄生杂波的基模频率低于主谐振模式的频率引起的，通过将电极嵌入压电薄膜一定的深度，可移动寄生模式的频率，实现主模纯剪切波谐振；嵌入深度典型的值约100 nm；2）电极间距、宽度、嵌入深度分别影响主谐振模式的强度、寄生模式的数量及幅度、寄生模式的频率，增加电极对数有利于提高主模谐振的强度；当ZnO约2微米厚时，优化的电极间距、宽度为20~40微米左右，对数需3对以上；3）低溅射气压、较高的溅射功率、合适的溅射反应气体比、一定程度的膜厚、合适的衬底偏压等因素均有利于低温获得高c轴取向的压电薄膜，对于ZnO薄膜，典型的工艺参数为溅射气压2Pa、直流溅射功率200W、Ar:O2比100:50sccm、膜厚4微米、衬底偏压-75V；4）采用lift-off和硅背刻蚀工艺可制得嵌入式电极侧向场激励FBAR，采用0.4%的稀盐酸可腐蚀ZnO、形成电极嵌入所需的凹槽，但稀盐酸与ZnO反应速度过快导致了腐蚀精度的较难控制和腐蚀后ZnO表面的不平整；5）采用网络分析仪和探针台可片上测量器件的电学特性，采用LabVIEW可自动化测试封装后器件的传感特性；6）采用PI作支撑层，可在任意衬底上实现FBAR器件的制备，典型的PI厚度需9微米；7）获得了谐振频率为5.23GHz的柔性侧向场FBAR，灵敏度分别为111.3ppm/(mW/cm2) 和34.7kHz/10%RH的柔性SAW紫外光、湿度传感器等。本项目的研究，对FBAR传感器、柔性压电微纳器件，以及集成应用等具有一定的科学意义和参考价值。