基于模态局部化原理的高性能薄膜体声波谐振器及其应用研究

Sensing technology, which is based on film bulk acoustic resonator (FBAR), has become a hot point due to the advantages of small dimension and high sensitivity of FBAR. However, the fundamental frequency of FBAR cannot be further increased by reducing the thickness of piezoelectric layer based on the existed fabrication technology. Thus, the sensitivity cannot be further improved. A new method is demanded to break it. In addition, FBAR device can be easily affected by environment disturbance. A new way is needed to resolve it as well. Therefore, this project will innovatively utilize mode-localization technology, which amplifies the sensitivity based on the effect of vibration energy localizing by weak coupling resonator, to break the limitation of FBAR technology. At the beginning, the sensitive mechanism of mode localization is established by adding property of piezoelectric material and FBAR into the two order vibration model. Then, high performance FABR device will be developed with high sensitivity and ability of anti-interference. Finally, the developed device will be tested by measurement equipment and the effectiveness of mode localization will be verified. This project will have scientific significance and important applicable value based on the fact that it will establish an important theoretical basis for the performance enhancement of FBAR device and will open a new direction for future development of FABR.

薄膜体声波谐振器（FBAR）具有尺寸小和灵敏度高的特点，其在传感领域的应用成为了研究热点。然而，在现有加工技术条件下，FBAR器件压电层薄膜厚度已薄到极限，导致基础频率难以继续提高，灵敏度难以继续提升，需要研究新方法突破，并且，FABR器件易受外界环境干扰，也需寻找新办法解决。本项目针对上述问题，创新性的把通过弱耦合利用振动能量局部集中效应提高性能的模态局部化技术应用于FBAR器件研究中，突破FBAR技术发展限制，从常规二阶振动模型出发，结合压电材料特性以及FABR特性，建立FBAR模式局部化敏感机理模型，研制出灵敏度高具有抗环境干扰能力的高性能模式局部化FBAR器件，通过搭建测试系统测试模态局部化FABR器件，验证模式局部化技术的有效性。本项目的研究工作将为FBAR器件性能的进一步提高提供一种重要的理论基础，将为FBAR器件的未来发展开拓一个新方向，具有重要的科学意义及应用价值。

薄膜体声波谐振器（FBAR）具有尺寸小和灵敏度高的特点，其在传感领域的应用成为了研究热点。然而，在现有加工技术条件下，FBAR器件压电层薄膜厚度已薄到极限，导致基础频率难以继续提高，灵敏度难以继续提升，需要研究新方法突破。本项目沿着这一思路，针对基于薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR）和兰姆波谐振器（Lamb Wave Resonator，LWR）进行了相关技术的探索研究。.主要研究内容包括：突破FBAR技术发展限制，从常规二阶振动模型出发，结合压电材料和聚酰亚胺材料特性，建立PI-FBAR敏感机理模型；对经MEMS 工艺制备的PI-FBAR 从谐振频率和反射系数S11 双模响应角度进行了详细的湿度测试及表征；进行LWR多模态谐振频率激发方式研究，利用双模态耦合检测实现灵敏度的提升和共模抑制，建立兰姆波的频散特性模型；研制出高灵敏PI-FBAR器件和LWR器件，通过搭建测试系统测试体声波器件在呼吸监测中的性能，验证相关器件和原理的有效性。.本项目取得的重要成果包括：创新性的研制出了PI-FBAR器件，并就相关测试电路、提高谐振器性能方法以及降低声损的方法进行的深入研究；提出了一种基于谐振频率和反射系数S11双参数检测的方法，提升了传感器的灵敏度、改善了传感器的线性度；创新性地将双参数响应PI-FBAR 湿度传感器应用于人体呼吸监测，验证了其在人体健康监测上的巨大应用前景；针对一些与声波谐振器相关的其他问题进行深入的探索研究，如气流测试中的攻角补偿问题、基于兰姆波的声波谐振器的设计问题、芯片的微型化恒温加热技术等；共发表SCI/EI论文13篇；申请发明专利3项，均已授权；培养博士生4人，均已毕业。.本项目结合压电材料特性以及体声波谐振特性，阐述了体声波谐振器多模态局部化耦合敏感机理，结合器件结构仿真与优化，研制出高灵敏PI-FBAR器件和LWR器件，为声波谐振器件的发展开拓一个新方向, 其中关于PI-FBAR器件的中科院一区收录SCI论文获得2020年综述论文好评。项目研究成果与临床监护仪测量显示出高度一致性，结果表明在人体健康监测方面具有巨大的应用潜力。