多层膜集成结构体声波谐振器（英文版） [Multilayer Integrated Film Bulk Acoustic Resonators] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张亚非，陈达 著

图书标签:

• 声波谐振器
• FBAR
• 多层膜
• 集成结构
• 微机电系统
• MEMS
• 射频
• 传感器
• 材料科学
• 电子工程

出版社： 上海交通大学出版社

ISBN：9787313087362

版次：1

商品编码：11196037

包装：精装

外文名称：Multilayer Integrated Film Bulk Acoustic Resonators

开本：16开

出版时间：2012-12-01

用纸：胶版纸

页数：152

字数：214000

正文语种

内容简介

　　Multilayer Integrated Film Bulk Acoustic Resonators mainly introduces the theory， design， fabrication technology and application of a recently devel-oped new type of device， multilayer integrated film bulk acoustic resona-tors， at the micro and nano scale involving microelectronic devices， integrated arcuits， optical devices， sensors and actuators， acoustic resona-tors， micro-nano manufacturing， multilayer integration， device theory and design prinaples， etc. These devices can work at very high frequencies by using the newly developed theory， design， and fabrication technology ofnano and micro devices.
　　Readers in fields ofIC， electronic devices， sensors， materials， and films etc. will benefit from this book by learning the detailed fundamentals and potential applications of these advanced devices.
　　Prof. Yafei Zhang is the director of the Ministry of Education's Key Labora-tory for Tlhin Films and Microfabrication Technology， PRC; Dr. Da Chenwas a PhD student in Prof. Yafei Zhang's research group.

内页插图

目录

Chapter1 Introduction
1.1 RF Filters in GHz Wireless Applications
1.1.1 The Requirement of RF Filters
1.1.2 Types ofRF Filters .
1.2 Bulk Acoustic Wave （BAW） Resonator and Its Development
1.2. BAW Resonator
1.2.2 Micro Electromechanical Systems （MEMS） Applied in BAW
1.3 The Principle and Configurations ofFBAR
1.3.1 The Principle of FBAR
1.3.2 Typical FBAR Configurations
1.3.3 Current Status of FBAR Filters
1.4 The Application of FBAR in Mass Loading Sensors
1.4.1 Acoustic Resonant Mass Sensors
1.4.2 FBAR Mass Loading Sensors
1.5 Overview of the Chapters
References

Chapter2 Propagation of Acoustic Wave in Crystals
2.1 The Equation ofAcoustic Plane Wave
2.1.1 The Equation of Elastic Deformation
2.1.2 Christoffel Equation
2.2 Propagation of Plane Wave in Isotropic Medium
2.3 Propagation of Plane Wave in Anisotropic Medium
2.3.1 Dispersion Relation and Inverse Velocity Face
2.3.2 The Solution of Wave Equation in Cubic Crystal
2.4 Piezoelectrically Active Wave Propagation
2.5 The Plane Wave Propagating in Piezoelectric Hexagonal Crystal
References

Chapter 3 The Theory of FBAR
3.1 The Electric Impedance of the Ideal FBAR
3.1.1 The Analytic Expression of the Electric Impedance
3.1.2 The Resonance of FBAR
3.2 The Electric Impedance of the Compound FBAR
3.2.1 The Definition of the Acoustic Impedance
3.2.2 The Boundary Condition of Compound FBAR
3.3 The Loss and Performances of FBAR
3.4 The Equivalent Electromechanical Mode of FBAR
3.4.1 The Equivalent Mode of the Layers
3.4.2 The Universal Equivalent Mode of FBAR
3.4.3 The Equivalent Circuit Nears the Resonance of FBAR
3.5 The Calculated Influence of the Materials and Structure on the Device Performance
3.5.1 The Effects of the Electrode......
3.5.2 The Influences of' Supporting Layer and the Residue Silicon Layer
References

Chapter 4 The Deposition and Etching of AIN Film
4.1 Deposition of AIN Film by RF Magnetron Sputtering
4.1.1 Introduction
4.1.2 Experimental
4.1.3 The Effect of RF Power on the Film Texture
4.1.4 The Influence of Ambit Pressure and the Ratio of N2/Ar on the Film Structure
4.1.5 The Influence of the Substrate Temperature on the Film Texture
4.1.6 The Microstructure and Chemical Component
4.2 The Scructural Characreristics of AIN Films Deposited on Diff'erent Eleccrodes
4.3 Dry Etching of AIN Films Using Fluoride Plasma
4.3.1 The Dry Etching of AIN Films..
4.3.2 Experimental
4.3.3 The Etching Rate
4.3.4 The Morphologies
4.3.5 The Etching Mechanism.
4.4 The Wet Etching of AIN
4.4.1 The Wet Etching Process
4.4.2 Experimental
4.4.3 The Influence of the Film Texture
4.4.4 The Effects of Crystal Quality
References

Chapter 5 The FBAR with Membrane Structure
Chapter 6 Solidly Mounted Acoustic Resonator
Chapter 7 The Applications of FBAR in RF Filters
Chapter 8 The FBAR Excited by Lateral Filed
Chapter 9 High Sensitive Sensors Based on FBAR
Index

精彩书摘

　　The reasons above can lead to the nonlinearity of response when the HC-polymer is too thick. At the same time， the group applied the sensor in testing for DNA and protein molecules， whose sensitivity is about 2，500 times [23] higher than that of 20 MHz QCM.
　　 In Italy， Brederlow et al. [25] in the University of Roma made a similar experiment. They adopt AIN material to constitute the Bragg reflector of resonator whose Q value is as high as 500 in air. Through matching DNA， AIN material can adsorb certain substance with a preferential adsorption， and the response frequency drifts 10 kHz to mass adsorption of 1 ng/Um2.
　　 In the UAS， Zhang's group [14， 15， 21， 26， 27] in University of Southern California reported a FBAR sensor which can work in a lot ofliquid. The resonator structure they adopted is A1（0.2 Um） /2n0（1.8 Um）/AI（0.2 UM）/S13N4（0.6 UM，ffl）. Figure 9.5 shows the structure diagram and photos of testing and real object. The Q value of device is 250 in the air， but 15 in the water. After testing many kinds of
　　substances， the adsorption experiments show that the sensor can detect mass change of 10-8 g/cm2 when the FBAR resonance frequency is near 2 GHz. On the FBAR electrode they deposited a layer of Ti02 as adsorption function layer. When the device was put in K2C03 solution， OH- on function layer surface is instead by OK-， so the device can test the concentration of solution. The resonance frequency can drift 100 kHz [27] to the concentration of 10 mM. Using Au as adsorption layer of the FBAR sensor， it can also detect metal ions in solution. Demonstrated by experiments， the device can effectively detect Hg2+ ions with the solution concentration of 0.2 ppb-2 ppm [14]. Recently， the group also reported that the sensor can detect matching DNA sequences used by coating specific base-pairs [15] in FBAR.
　　 In addition， the FBAR working in shear wave mode is also applied in biochemical sensor. Because particle vibration direction of shear wave is perpendicular to the direction of propagation that is to the thickness direction of'the piezoelectric crystal， the direction of particle vibration is along the surface of crystal. So， in theory in liquid phase environment， loss of shear wave is zero. The traditional QCM is the quartz crystal cut by AT working in shear wave mode. In order to produce shear wave in the FBAR， generally there should be an angle between c axis of six-party crystal and the direction of driving electric field， to generate horizontal electric field component and stimulate the shear wave. At present， AIN and Zn0 FBAR sensors working in shear mode have been reported. Sweden's Wingqvist research group [16-18， 28， 29]developed the shear wave FBAR sensor of AIN material， and measured the changed relation between mass and resonant frequency in the liquids of different viscous coefficients. The c axis of AIN film tilts 30o， and the pictures of device structure and testing process is shown in Fig. 9.6. In University of Zurich in Switzerland， Weber et al. [30， 31] developed FBAR sensors in shear mode for testing antigen and antibody， using the Zn0 film whose c axis tilt 16o and ZnO/Pt as Bragg reflector.
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前言/序言

多层膜集成结构体声波谐振器：深入探索高性能微声器件的设计、制造与应用 引言 在现代电子设备日益微型化、功能集成化和性能提升的趋势下，声波谐振器作为实现滤波、传感、频率控制等核心功能的微机电器件，其重要性愈发凸显。尤其是在无线通信、物联网、医疗诊断等领域，对更高频率、更高品质因数（Q值）、更低功耗的声波谐振器需求激增。传统的单层或有限层数的声波谐振器在满足这些严苛要求时，往往面临结构复杂、性能瓶颈等挑战。多层膜集成结构体声波谐振器（Multilayer Integrated Film Bulk Acoustic Resonators, MIBARs）的出现，为突破这些限制提供了全新的解决方案。 本书并非直接介绍《多层膜集成结构体声波谐振器》这一特定著作的内容，而是将以此为题，深入剖析这一前沿技术领域。我们将从其基本原理出发，系统地探讨构成MIBARs的关键材料、精密的制造工艺，以及影响其性能的关键因素，并最终拓展至其在不同领域的广泛应用前景。本书旨在为从事微电子、声学、材料科学、通信工程等相关领域的科研人员、工程师以及相关专业学生提供一个全面、深入的学习平台，帮助他们理解MIBARs的核心技术，并激发在这一领域的创新研究。 第一章：多层膜集成结构体声波谐振器（MIBARs）的基本原理 本章将为读者建立对MIBARs的 foundational understanding。我们将从体声波谐振器（Bulk Acoustic Wave Resonators, BAWs）的基本工作原理入手，详细解释声波如何在压电材料中产生和传播，以及如何通过声学阻抗失配层实现能量的有效反射和驻波的形成，从而产生谐振。 在此基础上，我们将重点介绍MIBARs与传统BAWs的区别与优势。MIBARs的核心在于其多层膜结构的集成设计。我们将详细阐述这些薄膜层是如何通过精确的厚度和材料选择来优化声学阻抗匹配，从而实现更高的谐振频率、更窄的带宽以及更低的插入损耗。具体而言，我们将探讨： 压电效应与声波激励： 深入解析压电材料（如AlN、PZT等）在电场作用下产生机械应力，以及反之亦然的逆压电效应，这是驱动谐振器工作的基本机制。 声学阻抗匹配层： 详细讲解声学阻抗匹配层（例如，通过堆叠不同材料的薄膜，如Mo/AlN/Mo）的作用，如何通过指数级或类指数级的阻抗变化，最大化声波在设备内的反射效率，减少能量损耗。 谐振频率与品质因数（Q值）： 分析多层结构如何影响谐振腔的有效声学长度，从而精确控制谐振频率。同时，探讨不同材料和结构设计如何降低声波的衰减，提高Q值，这是衡量谐振器性能的关键指标。 工作模式与高阶模式抑制： 介绍MIBARs的主要工作模式（例如，纵向厚度伸缩模式），以及如何通过结构设计抑制不期望的高阶谐振模式，确保设备在目标频率上的纯净工作。 串联与并联结构： 简要介绍MIBARs在电路中的等效模型，以及串联谐振器（SMR）和并联谐振器（PMR）的配置方式，为后续应用章节奠定基础。 第二章：MIBARs的关键材料选择与特性 材料是决定MIBARs性能的基石。本章将深入探讨构成MIBARs的关键材料，并分析它们的物理、化学及压电特性对谐振器性能的影响。 压电材料： 氮化铝（AlN）： 作为一种广泛应用于BAWs的压电材料，AlN具有高声速、良好的温度稳定性、以及易于薄膜沉积等优点。我们将讨论C轴取向AlN薄膜的制备技术，以及其晶体质量、缺陷密度对压电系数和Q值的影响。 锆钛酸铅（PZT）： PZT材料具有更高的压电系数，理论上可实现更高的性能。然而，PZT的制备工艺相对复杂，且可能存在居里温度较低、与CMOS工艺兼容性差等问题。我们将对比AlN和PZT在MIBARs应用中的优劣。 新型压电材料： 简要介绍一些正在研究中的新型压电材料，如KNN（钾钠铌酸盐）基陶瓷、高熵合金等，以及它们在提升MIBARs性能方面的潜力。 电极材料： 钼（Mo）： Mo是常用的底电极和顶电极材料，因其良好的声学匹配性、导电性和耐腐蚀性。我们将讨论Mo层的厚度、表面形貌对声波反射和电极损耗的影响。 其他电极材料： 介绍如铝（Al）、钨（W）等其他电极材料，以及它们在特定应用场景下的适用性。 声学匹配层材料： 钨（W）、钽（Ta）、氮化硅（SiN）等： 这些材料因其不同的声学阻抗，可以与压电层进行有效的声学匹配。我们将探讨如何通过多层堆叠不同材料来构建优化的声学阻抗梯度，以实现卓越的声波反射性能。 封装材料： 真空封装与气氛封装： 探讨封装材料（如SiN、SiO2、聚合物等）对MIBARs性能（尤其是Q值）的影响，以及真空封装和气氛封装技术的选择。 第三章：MIBARs的制造工艺与挑战 MIBARs的实现依赖于高精度的薄膜沉积、图形化以及集成技术。本章将系统阐述MIBARs的典型制造流程，并重点分析其中遇到的关键技术挑战。 薄膜沉积技术： 溅射（Sputtering）： 详细介绍射频（RF）磁控溅射、脉冲磁控溅射（PMS）等在AlN、Mo等材料沉积中的应用，以及如何通过优化工艺参数（如溅射功率、气体压力、基板温度）来获得高质量、高C轴取向的AlN薄膜。 脉冲激光沉积（PLD）： 讨论PLD在制备高质量压电薄膜方面的潜力。 原子层沉积（ALD）： 介绍ALD在制备超薄、均匀薄膜方面的优势。 图形化技术： 光刻（Photolithography）： 介绍标准光刻技术在定义谐振器结构中的作用，以及如何通过优化光刻工艺来获得高分辨率的图形。 电子束光刻（EBL）： 讨论EBL在实现更高频率、更小尺寸MIBARs时的应用。 刻蚀技术： 干法刻蚀（Dry Etching）： 重点介绍反应离子刻蚀（RIE）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP-RIE）等在刻蚀压电材料、金属层等方面的应用，以及如何控制刻蚀速率、选择性和侧壁形貌。 湿法刻蚀（Wet Etching）： 简要介绍湿法刻蚀的应用场景。 叠层与集成技术： 多层结构的精确堆叠： 探讨如何通过重复的沉积、光刻和刻蚀步骤，实现多层膜的精确对准和集成，避免层间缺陷和漏电。 互连与封装： 介绍如何通过金属化层实现MIBARs与其他电路的互连，以及封装技术在保护器件、提高可靠性方面的作用。 制造中的挑战与控制： 薄膜应力控制： 讨论薄膜内的应力如何影响谐振器的性能，以及如何通过工艺调整来控制应力。 界面控制： 强调各层界面质量对声波传播和电学特性的关键影响。 良率与可靠性： 分析影响MIBARs制造良率的关键因素，以及如何通过工艺优化和质量控制来提高器件的长期可靠性。 第四章：MIBARs的性能表征与优化 精确的性能表征是理解MIBARs工作机制、指导设计优化和评估器件质量的重要环节。本章将介绍MIBARs的常用性能表征方法，并探讨基于表征结果的优化策略。 电学性能表征： 矢量网络分析仪（VNA）： 介绍使用VNA测量S参数，从而获取谐振频率、插入损耗、回波损耗、阻抗匹配等关键电学参数。 阻抗分析仪： 用于更详细地分析谐振器的阻抗特性。 等效电路参数提取： 解释如何从测量数据中提取串联电阻、电感、电容（Rs, Ls, Cs）和并联电导、电感、电容（Gp, Lp, Cp），并分析这些参数的物理意义。 声学性能表征： 扫描声学显微镜（SAM）： 用于可视化声波在器件内部的分布，检测缺陷和声波泄漏。 显微红外成像： 用于测量器件的温度分布，间接反映声波损耗。 性能影响因素分析： 材料特性对Q值的影响： 详细分析材料的声损耗、电损耗、缺陷等如何影响Q值。 结构设计对频率、带宽的影响： 探讨薄膜厚度、电极尺寸、器件形状等参数如何决定谐振频率和工作带宽。 工艺参数对性能的耦合效应： 分析沉积温度、刻蚀参数等如何影响薄膜质量和器件性能。 性能优化策略： 仿真与建模： 介绍使用有限元分析（FEA）等工具进行仿真设计，预测器件性能，并指导结构和材料优化。 实验设计（DOE）： 利用DOE方法系统地研究工艺参数对性能的影响，找到最佳工艺窗口。 反馈与迭代： 强调从性能表征结果反馈到设计和制造过程的迭代优化循环。 第五章： MIBARs的应用领域与发展前景 MIBARs以其优越的性能，正在渗透到众多高科技领域，并展现出巨大的发展潜力。本章将重点介绍MIBARs在不同领域的应用，并展望其未来的发展趋势。 无线通信系统： 射频滤波器： MIBARs能够提供极高的Q值和优异的频率选择性，非常适合用于手机、基站等无线通信设备的射频前端滤波器，实现对不同频段信号的精确分离，提高通信质量和数据传输速率。 双工器（Duplexers）： 介绍MIBARs如何集成设计成双工器，实现发射和接收信号的共用天线，进一步减小器件尺寸，提高集成度。 低功耗应用： 强调MIBARs在低功耗通信模块中的优势，满足物联网设备对电池续航的需求。 传感器应用： 气体传感器： 基于MIBARs的质量敏感性，通过在谐振器表面吸附特定气体分子，引起谐振频率的变化，从而实现高灵敏度的气体检测。 生物传感器： 类似地，MIBARs也可用于检测生物分子，在医疗诊断、环境监测等领域具有广阔前景。 压力和应力传感器： MIBARs对外界压力和应力变化敏感，可用于高精度传感器的开发。 频率控制元件： 高精度时钟振荡器： MIBARs的高Q值能够提供极低的相位噪声，是构建高精度时钟振荡器的理想选择。 频率合成器： 在需要精确频率生成的应用中，MIBARs可作为关键的频率参考。 其他新兴应用： 微流控器件： 探索MIBARs在微流控芯片中的驱动和检测应用。 能量收集： 潜在应用于将机械能转化为电能的能量收集设备。 未来发展趋势： 更高频率与更高Q值： 探索更先进的材料、结构设计和制造技术，以突破现有性能瓶颈。 多功能集成： 实现MIBARs与CMOS逻辑电路、MEMS器件等的高度集成，构建更复杂的系统级芯片（SoC）。 新型封装技术： 发展能够充分发挥MIBARs性能的先进封装技术。 智能化与自校准： 探索MIBARs的智能化控制和自校准技术。 结论 多层膜集成结构体声波谐振器（MIBARs）作为一项代表性的微声器件技术，在不断推动电子设备性能边界的同时，也为相关领域的科学研究和技术创新提供了无限可能。本书通过对其基本原理、关键材料、制造工艺、性能表征及应用前景的系统性探讨，旨在构建一个全面而深入的学习框架。我们相信，随着技术的不断进步和研究的深入，MIBARs将在未来的科技发展中扮演越来越重要的角色，为各行各业带来革命性的变革。

评分☆☆☆☆☆

刚拿到这本《多层膜集成结构体声波谐振器》的英文版，我就被它那种厚重而扎实的学术氛围所吸引。它并非那种轻松易读的科普读物，而是直指核心技术问题的深度著作。 我特别关注书中是否对新型压电材料的引入以及其在多层膜结构中的应用进行了深入的探讨。如今，压电材料的性能直接决定了声波谐振器的效率和工作频率，因此，书中关于不同压电材料（如AlN，PZT等）的特性分析，以及在特定多层膜结构中如何优化其性能，将是我阅读的重点。 同时，“集成结构体”这个概念也勾起了我的兴趣。这是否意味着书中会介绍如何将这些声波谐振器与其他电子元件，例如电容、电感、甚至逻辑电路，集成在一个芯片上？这种高度集成化的设计，无疑会带来更高的器件密度和更低的功耗，对于未来的移动通信和物联网设备来说，是至关重要的发展方向。我很期待书中能提供相关的设计思路、仿真模型以及实际的制造工艺流程。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本《多层膜集成结构体声波谐振器》（英文版），第一感觉就是它的内容肯定非常硬核。封面的设计就非常专业，没有多余的花哨，直接点明了主题，让人一眼就能看出这是一本技术含量很高的书籍。 我一直对声波谐振器在通信领域的发展趋势非常关注，特别是FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）技术，因为它在小型化、高性能化方面有着巨大的潜力。这本书的标题中明确提到了“多层膜集成结构体”，这让我联想到其中可能涉及到的复杂的材料科学、器件物理以及制造工艺。我非常期待书中能够详细讲解不同材料层（比如压电层、电极层、缓冲层等）的特性，以及它们如何通过精妙的结构设计，实现对声波传播的精确控制，从而获得高Q值和高频率选择性。 此外，“集成”这个词也暗示了书中可能涵盖了器件的集成化设计，比如如何将这些谐振器与其他微电子器件（如开关、滤波器等）集成在同一芯片上，以构建更复杂的射频前端模块。这对于 miniaturization 和提高系统效率至关重要，也是当前微电子行业的一个重要发展方向。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，拿到这本《多层膜集成结构体声波谐振器》的英文原版，内心是既兴奋又有些许沉重的。兴奋的是，能够直接接触到第一手、最原汁原味的学术研究成果，不必担心翻译过程中可能出现的理解偏差或信息损失；沉重的是，我深知这类专业性极强的书籍，其内容的深度和广度往往需要投入大量的时间和精力去消化吸收。 从我初步翻阅的几页来看，这本书的文字风格偏向于严谨的学术论述，充斥着大量的技术术语和复杂的公式推导。这对于我这样一名已经有一定行业经验的工程师来说，无疑是一种挑战，也是一种乐趣。我非常好奇书中在多层膜结构的材料选择、层厚控制、界面设计等方面，是否提供了详细的实验数据和理论模型支持。同时，我也关注书中是否对这类谐振器在不同应用场景下的性能表现进行了深入的分析，例如在高速通信、物联网设备等领域，其能够带来的技术优势。

评分☆☆☆☆☆

这本《多层膜集成结构体声波谐振器》的英文版，[Multilayer Integrated Film Bulk Acoustic Resonators]，实在是一本令人眼前一亮的书籍。从封面设计到内容排版，都散发出一种严谨而专业的学术气息，让人立刻对书中即将呈现的技术细节充满了好奇。虽然我还没有来得及深入研读其核心内容，但仅仅从其标题和序言的风格来看，我就能感受到作者们在这一特定领域深厚的积累和对前沿研究的精准把握。 多层膜结构在声波谐振器领域的应用，本身就是一个充满挑战和创新潜力的方向，而“集成”二字更是预示着作者们可能在器件的微型化、多功能化以及与其他电子元件的兼容性方面进行了深入的探索。我尤其期待书中能阐述清楚不同材料层之间如何协同作用，以实现最优化的声波传播和能量转换，以及在制造过程中可能遇到的关键技术难题和相应的解决方案。对于我这样一名对微机电系统（MEMS）技术以及射频（RF）器件感兴趣的研究人员来说，这本书无疑提供了一个宝贵的学习和交流平台，能够帮助我拓宽视野，理解最新的技术趋势。

评分☆☆☆☆☆

这本书，《多层膜集成结构体声波谐振器》（英文版），在我看来，是一部关于微观世界中声音传播与能量控制的精妙论述。它的封面虽然朴素，却有一种不容置疑的专业感，仿佛预示着里面蕴含着关于声学、材料学和电子工程交叉领域的深邃见解。 我个人一直对声波谐振器在精密测量和高效滤波方面的应用充满好奇，而“多层膜集成结构体”这一描述，让我联想到的是一种高度精细化的工程设计。我非常想知道，书中是如何详细阐述不同材料层之间的界面匹配问题，以及如何通过精确控制这些层的厚度和组成，来达到特定频率的声波谐振，并且保持信号的纯净度。 “集成”这个词，更是让我对这本书的价值倍感期待。它是否深入探讨了如何将这些声波谐振器与更广泛的电子系统进行无缝整合？例如，在微型传感器、高性能滤波器，甚至更复杂的射频收发模块中，它们扮演着怎样的角色，又带来了哪些技术上的突破？我希望书中能够提供具体的案例分析和技术实现路径，让我能够更直观地理解这些复杂结构体在实际应用中的威力。