《10 GHz - 30 GHz 高性能壓電MEMS諧振式質量感測器研究》是依託天津大學，由張孟倫擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：10 GHz - 30 GHz 高性能壓電MEMS諧振式質量感測器研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張孟倫
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於MEMS 和壓電薄膜技術的薄膜體聲波諧振（FBAR）微質量感測器因體積小、靈敏度高、解析度高，受到越來越多的關注。在已有研究的基礎上本課題提出研究極高頻率（諧振頻率大於10GHz, 最高可達30 GHz）FBAR 微質量感測器，以期大幅提升感測器最小可探測質量。隨著 FBAR 頻率的升高，FBAR諧振器Q值下降、寄生諧振模式增強等問題將影響FBAR質量感測器性能。本項目力圖從理論和實驗兩方面對極高頻 FBAR 諧振器展開研究，包括：高質量超薄壓電薄膜的成膜工藝研究；二階諧振模式在極高頻FBAR諧振器中的套用；極高頻FBAR寄生模式及能量損耗機理分析；聲子束縛結構對抑制FBAR寄生模式、提高諧振器Q值的作用。本項目力圖將現有的FBAR質量感測器的絕對最小可探測質量降低2到3個數量級。FBAR質量感測器探測精度的提高以及感測器尺寸的進一步減小將大大拓寬其在化學和生物單分子檢測中的套用。
結題摘要
薄膜體聲波諧振器（FBAR）是一種微米/亞微米尺度的聲學諧振器，具有小體積、高品質因數、低成本等優勢，利用其質量負載效應可以實現高靈敏度的微小質量檢測，常作為質量感測器的核心器件。由於FBAR質量感測器的靈敏度與其諧振頻率成正比，提高FBAR的諧振頻率有利於最佳化感測器的最小可探測質量。因此，本課題提出了具有極高頻率（諧振頻率大於10GHz, 最高可達30 GHz）的FBAR微質量感測器，並從理論和實驗兩方面對其展開深入研究。通過構建FBAR的電學模型設計了10 GHz FBAR的層疊結構，並仿真了FBAR質量感測器的靈敏度與諧振頻率的關係。研究了高質量超薄（百nm級）壓電薄膜的成膜工藝，並針對小尺寸諧振器預埋犧牲層不易去除的問題，提出了採用氟化氙乾法刻蝕矽襯底形成反射腔的方法，從而加工出具有較高性能的10 GHz FBAR器件。採用分子層自組裝技術研究了10 GHz FBAR的靈敏度特性，相比常規頻率FBAR，其靈敏度大幅提高。進一步研究了10 GHz FBAR在易揮發有機氣體低濃度檢測中的套用，當有機氣體氣壓比為0.01時，諧振器仍然具有百kHz級的電學回響，體現出極高頻FBAR質量感測器高靈敏度的優勢。此外，本項目提出了一種新型液體感測器結構，採用電極連線傳輸線作為檢測區域，從而避免將FBAR浸入液體中，有利於提高感測器在液體環境中的檢測靈敏度。本項目加工製造出的極高頻FBAR微質量感測器能夠大幅最佳化檢測極限，滿足化學、生物、環境等領域對微小質量檢測的需求。
