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FBAR温度传感器研究 学号：220132587姓名：王玲 日期：2013-12-20FBAR温度传感器研究Research of FBAR temperature sensor摘要近年来，微机电制造技术的发展使得薄膜体声波谐振器(FBAR)获得了广泛的商业应用。一方面，FBAR在移动通信领域扮演着重要角色，由于FBAR射频器件具有体积小、工作频率高、插入损耗小、功率容量大等优点，FBAR振荡器、滤波器、双工器已经广泛应用于移动通信领域。另一方面，FBAR在传感器领域也发展迅速，FBAR传感器的高灵敏度和高可靠性引起了人们的广泛研究兴趣。虽然FBAR传感器的发展仍然处于实验室研究阶段，但随着对其研究的不断深入，相信不久的将来，它将会被广泛应用于很多领域。AbstractRecent years, with the significant development of the MEMS fabrication, film bulk acoustic resonator (FBAR) has obtained an extensive business application. On one hand, FBAR plays an important role in mobile communication area. Because of these excellent properties of small size, high frequency, low insert-loss, high power capacity of the FBAR RF devices, the oscillators, filters, duplexers made of FBAR have been used extensively in mobile communication area. On the other hand, FBAR sensors are developing rapidly. Researchers are becoming more interested in FBAR sensors with very high sensitivity and reliability. It is believed that FBAR sensors will make a wide application in the not long future.1绪论现代信息技术促使人类社会进入了信息化时代。信息获取、信息传输、信息处理是信息技术的基础，而传感器技术、通信技术、计算机技术分别构成了信息技术系统的感官、神经和大脑，传感器技术在其中显得尤为重要。传感器技术的水平直接影响检测控制系统和信息系统的技术水平，具有促进传统产业和行业的技术跳跃式进步的作用。目前，传感器已经应用于人们生活的方方面面，可以说，掌握了核心传感器技术，就意味着站在了科技发展的制高点。1.1传感器基础传感器是测试测量系统发展的产物，而测试测量系统则是伴随着人类社会的进步而发展起来的。早期的测试测量系统通常都是依靠机械构造实现测量的目的，但是，随着社会的进步，科学技术日新月异，人们对测量数据的要求越来越复杂，对测量的精度要求也越来越高，机械构造的测量已经不能满足人们的要求。电子技术的出现促使古老的测量系统进入了传感器的时代。传感器技术是现代工业技术的重要标志之一。那么，什么是传感器呢?根据国家标准GB7665-87的定义，传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置1。从广义的角度来说，传感器也可以这样来定义:一种能把特定的信息(如物理量、化学量、生物量等)按固定的规律转换成某种可用信号并能输出的器件或者装置。从狭义的角度来说，传感器是把非电量信息转换为电量信号输出的器件2。无论如何，传感器最重要的两个组成部分是:敏感元件与转换元件3。传感器的组成框图如图1-1所示:图1-1传感器组成框图传感器技术是构成现代信息技术的三大支柱之一，人们在利用信息的过程中，首先必须要获取信息，然后才能对信息加以利用。传感器就是获取信息的主要手段和途径，传感器就像人体的感觉器官，可以把各种非电量转换为电量，从而实现电量的电测技术。在信息技术持续快速发展的今天，传感器技术不仅对现代化科学技术、现代化农业及工业自动化的发展起到基础和支柱的作用，没有传感器也就没有人类现代化的生活和条件，传感器技术已经受到世界各国的高度重视，已经成为科学技术和国民经济发展水平的标志之一。1.2 FBAR传感器目前，FBAR已在移动通信领域获得了广泛的商业应用，但由于其本身具有优良的特性，其在传感器领域的应用正引起人们广泛的研究兴趣。FBAR的传感器原理很简单，就是FBAR的谐振频率受到待测量物理量的影响而发生变化，通过测量FBAR的谐振频率便可得知待测量物理量的大小。研究较多的FBAR传感器是FBAR微质量传感器，根据Sauerbrey方程可知，FBAR谐振频率的变化与其加载的微小质量呈线性关系4。由于FBAR谐振频率高，所以FBAR微质量传感器具有很高的灵敏度。国内外对FBAR微质量传感器的研究日益增多。图1-2 典型的FBAR传感器2 FBAR的工作原理21 FBAR基础FBAR即薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator)的英文简写是一种利用体声波工作的电声器件，首先由Lakin和Wang在1981年提出5。理想的FBAR的结构6如图1-1所示:图2-1 理想FBAR结构图理想的FBAR主要由三部分组成:上电极、压电薄膜、下电极。当有一交变电压信号施加于FBAR的上下金属电极上时，由于逆压电效应，压电层内便会产生体声波，体声波在上下电极间传播，在电极与空气的交界面处被反射，此时，又由于压电效应，上下电极便会产生一个射频信号。若压电层的厚度d是恰好是体声波半波长的基数倍，则体声波在上下电极间形成驻波，此时，FBAR上下电极间的射频信号最强，阻抗最小，即FBAR发生串联谐振。FBAR的电学阻抗特性曲线如下图所示，其有两个谐振频率:并联谐振频率fp和串联谐振频率fs7。FBAR的电学阻抗特性曲线如图1-2所示。图2-2 FBAR的电学阻抗特性曲线2.2 FBAR的典型结构理想的FBAR是电极一压电层一电极的三明治结构，激发出来的体声波在电极与空气的交界面得到很好的反射，从而使体声波限制在FBAR的压电层中8。一般来说，有两种方法来形成FBAR的声学反射层:一是使FBAR的下电极部分与空气接触，空气具有很高的声学阻抗，通过空气反射体声波;二是采用布拉格反射层的方法形成声学反射层。布拉格反射层由多层厚度为四分之一波长的高低声学阻抗层交替形成，通常采用W与Si02作为高低声学阻抗层。根据声学反射层的设计结构的不同，产生了三种主流的FBAR结构，它们分别是:体硅刻蚀型、空气隙型和固态装备型。各结构如下图所示9：图2-3体硅刻蚀型FBAR图2-4 空气隙型FBAR图2-5 固态装配型FBAR3 FBAR温度传感器原理3.1 FBAR的温度频率系数我们通常所说的FBAR的谐振频率一般是指FBAR在室温时的基波谐振频当然这种说法并不严谨，因为FBAR的谐振频率是随外界的温度变化而变化的，这也是为什么FBAR可以用来作为温度传感的原因。那么，为什么FBAR的谐振频率会随着外界的温度变化而生变化呢?假设一个近似理想的FBAR如图3-1所示:图3-1近似理想的FBAR中声波的传播假设压电薄膜的厚度为d，体声波在压电薄膜中传播的速度为va，波长为，在忽略上下电极厚度的情况下，FBAR发生串联谐振的条件是: d=(2n+1)2而声波波长与频率fs存在如下关系:=1fsa根据以上两个公式我们可以得到FBAR的串联谐振频率关与体声波在压电薄膜中得传播速度va之间的关系式:fs=(2n+1)c2d在一定的温度范围内，当温度T升高时，在忽略热膨胀导致压电材料密度发生变化的情况下，压电材料的杨氏模c随着温度T的升高而减小，从而导致fs减小。这就是FBAR温度传感的原理。但是，随之也出现了两个问题，即fs与T之间是否是线性关系以及在什么温度区间内与T之间呈线性关系，这两个方面是目前FBAR温度传感器的研究焦点。3.2 FBAR常用的温度补偿方法 由上一节的讨论可知，FBAR的谐振频率随温度升高而减小，因此，在将FBAR非温传感器(如压力、红外线、紫外线等)时，FBAR的谐振频率不可避免地会受到温度的影响，从而使得测量结果产生误差，为了减小这种误差，必须消弱温度对FEAR谐振频率额影响，即对FBAR进行温度补偿。 目前，最常用的温度补偿方法是通过在FBAR的压电薄膜中放置一层Si02以，由于Si02的杨氏模量随温度的升高而增大，故Si02具有正的温度系数(约+85ppm ) 10。为了实现薄膜体声波谐振的温度补偿，需要利用一些材料的固有属性，即该材料必须具有正的温度系数，如Si02或者与其相似的材料。为了实现温度补偿，一方面可以通过合理调的厚度，另一方面必须合理布置该材料在FBAR中的位置，综合利用这两种方法，将会获得很好的温度补偿效果，一般采用的补偿方法如图3-3所示10，其中3-3 ( a)采用在FBAR的压电薄膜内部植入Si02层进行温度补偿;而3-3 ( b)则是以作为支撑层来实现FBAR的温度补偿，当然这种法对FBAR的不同次谐波的补偿力度不尽相同11。图3-2 Si02层温度补偿结构若采用Si02作为FBAR的支撑层，则该Si02也可以有效地减小FBAR的TCF。采用植入Si022层的方法固然可以减小FBAR的TCF，但其也有负面影响，主要是植入的Si02层会不具有压电特性，从而会使FBAR的有效机电藕合系数减小，从而减小FBAR的Q值。还有一种常用的温度补偿方法是将FBAR与一个温度敏感电容并联12，如图3-4所示:温度升高时，Cs将会减小，从而可以将FBAR的TCF提高约40ppm/。由于A1N薄膜的TCF约为-25ppm/，因此该方法对压电薄膜为A1N的FBAR具有很好的温度补偿效果。图3-3温度敏感电容补偿结构4 FBAR传感器的研究意义及发展现状4.1 FBAR温度传感器的研究意义 温度是最基本的物理量之一，温度传感器是最早开发且应用最广的一类传感器。无论是在日常生活中，还是在工业生产领域，温度传感器都被广泛使用，尤其是在工业测控领域，精确的温度传感器是实现精确控制的基础。 温度传感器的种类很多，如热敏电阻温度传感器、热电偶温度传感、红外线温度传感器等，每种温度传感器都有其自身的优点。FBAR温度传感器与传统的温度传感器相比，最大的优点是高灵敏度和高分辨率，而且通过频率的形式表现出来，受电磁干扰等影响较小。对FBAR温度传感器的研究，不仅拓展了FBAR在传感器领域的应用，而且促进了对FBAR温度敏感机理、FBAR温度补偿等课题的探索，对于未来FBAR的广泛使用具有重要的现实意义。4.2 FBAR温度传感器的发展现状 FBAR在传感器领域具有巨大的应用潜力，但是目前对FBAR温度传感器的研究报道仍然不是很多。众所周知，FBAR的谐振频率随温度的升高而减小，因此，FBAR用在传感器时，必须尽量减小温度对FBAR频率特性的影响。故而，目前学术界对FBAR温度特性的研究很大一部分主要集中于如何减小FBAR的温度系数，对FBAR温度传感器的研究成果并不是很多。FBAR温度传感器的现状研究主要集中在测量FBAR的谐振频率随温度的变化特性以及这种保持这种变化特性的温度范围。对于一个性能理想的FBAR温度传感器来说，谐振频率与温度之间必须具有良好的线性和重复性。2004年，G D.Mansfeld等人提出在液体环境下使用FBAR传感温度的概念13，研究了-10 -45之间FBAR谐振频率的变化，实验数据表明FBAR的谐振频率随温度升高而线性减小，在实验上证实了FBAR温度传感器的可行性；2005年，Hongyu Yu等人研究了结构为Al/Zn0/Al/Si02的FBAR的温度频率特性14，实验结果证明:在20-110的温度范围内，该FBAR的谐振频率与温度具有很好的线性关系；2007年，Kuan-Hsun CHID等人研究了高性能的FBAR温度与压力传感器15,其研究成果表明:在10 -80的温度范围内，FBAR的温度频率具有很好的线性度，并指出此FBAR温度传感器的TCF为-25.2ppm/。参考文献1刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计与应用.长沙:国防科技大学出版社，2004:19-22.2潘雪涛，温秀兰.传感器原理与检测技术.北京:国防工业出版社，2011:16-18.3周真，苑惠娟.传感器原理与应用.北京:清华大学出版社，,2011:12-19.5樊尚春.现代传感技术.北京:北京航空航天大学出版社，2011:26-29.6 A. 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