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薄膜体声波谐振器振动频率分析

柳建松  
【摘要】:无线通讯终端的多功能化对射频器件提出了微型化、高频率、高性能、低功耗、低成本等技术要求。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonators, FBAR)技术是近年来随着加工工艺技术水平的提高和现代无线通讯技术发展,尤其是随着个人无线通信技术的快速发展而出现的新一代射频器件技术,具有与电路兼容性良好、体积小并且频率相对较高等优良特点。 由于薄膜体声波谐振器技术复杂性以及对性能良好的产品的需求,在加工薄膜体声波谐振器之前对薄膜体声波谐振器进行全面分析以确定材料厚度、振动频率以及电路参数就显得非常自然且有必要。基于薄膜体声波谐振器的层状结构,我们完全可以将其简化为一维无限大层状薄膜板结构。这样,我们就可以对其厚度拉伸和厚度剪切这两个主要工作模态振动频率进行分析。通过给定层状薄膜板的材料常数和厚度,我们可以从频率方程中求解出其振动频率。通过这样的分析得到的计算结果不但与实验测量值相吻合,而且为进一步的分析奠定了基础。将计算公式拓展到考虑压电薄膜的压电效应后,电场就被加入到了原有的分析之中。这样,一方面我们可以分析压电薄膜的压电性质对厚度拉伸和剪切振动频率影响,另一方面也为我们计算电路参数做好了铺垫。 在计算电路参数分析中,材料粘性的引入使得我们利用前期分析结果来计算电路参数成为可能。处理材料粘性的一般办法是将粘性项作为虚数部分插入到本构关系中,从而使得原来的弹性常数转变成了复弹性常数。这样我们就可以在不改变运动方程形式的情况下对电路参数进行计算。目前仍没有合适的方法得到谐振器中常用材料的粘性值,所以我们事先做了假定,在此基础上再计算谐振器中电路参数。之后,我们再将得到的电路参数值与实测的电路参数进行比较最终找到合适的粘性值。 我们所提供的理论方法可以使谐振器设计者和加工者在产品设计初期就可以估算薄膜厚度和电路参数以设计出合适的振动频率,从而达到最优化设计的目的。当然,我们建立的薄膜体声波谐振器分析方法为进一步的有限元分析打下了坚实基础。


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