功能材料設計報告書
功能材料設計報告書
一、前言
壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。1880年，法國物理學家P. 居里和J.居里兄弟發現，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現象被稱為壓電效應。隨即，居里兄弟又發現了逆壓電效應，即在外電場作用下壓電體會產生形變。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷。反之，壓電材料在電場中發生極化時，會因電荷中心的位移導致材料變形[1]。
利用壓電材料的這些特性可實現機械振動（聲波）和交流電的互相轉換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件和濾波器中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以及各種形式的濾波器等。其中，薄膜體聲波諧振器(FBAR)[2]作為一種工作頻率高、溫度系數小、功率容量大、損耗低、抗干擾好、體積小、成本低、可大批量生產的新興射頻濾波器，具有廣闊的應用前景。相較于傳統的聲表面波濾波器
（SAW），體聲波的傳播速度比表面聲波快很多，故其在高頻應用中（1GHz-20GHz）已經顯示出了絕對優勢。而壓電薄膜是FBAR 技術研制的關鍵，為了制備一種高效率、諧振頻率可調的薄膜體聲波諧振器，可通過對以下幾種適用于FBAR 濾波器的壓電材料進行比較如表1
綜合表中各項參數可看出，BST 是比較適合做可調諧FBAR 濾波器的壓電材料。故選用具有介電損耗小、Q 值高、壓電性能強等優點的鈦酸鍶鋇材料（BST）制備，可使薄膜體聲波諧振器（FBAR ）技術快速發展。
鈦酸鍶鋇薄膜（BST）有多種制備方法，主要有射頻磁控濺射法、脈沖激光沉積法（ＰＬＤ）、金屬有機物化學氣相沉積法（ＭＯＣＶＤ）和溶膠-凝膠法等，在諸多制備方法中采用射頻磁控濺射制備電介質薄膜是當前最為廣泛的方
法之一，射頻濺射和磁控濺射的優點同時體現在射頻磁控濺射當中。該方法襯底溫度較低、制備出薄膜的結晶性和鐵電性好，但該方法在濺射過程中粒子的沉積速率較低，薄膜的成分和靶材有一定偏差，而且偏差的大小與工藝有關，因此對磁控濺射工藝參數的選擇尤為重要。本文通過優化工藝條件在Pt/Si 襯底上制備出低損耗的BST 薄膜，然后用XRD，AFM，SEM 等表征方法分析薄膜的微結構與表面形貌，并研究其成膜時間、襯底溫度、濺射功率、濺射氣壓等參數對薄膜的壓電性能及介電性能的影響。
二、設計目的
為制出高效率、諧振頻率可調的薄膜體聲波諧振器（FBAR）選用鈦酸鍶鋇（BST）壓電薄膜材料。
三、設計原理
原理：薄膜體聲波諧振器（FBAR） 采用電極-壓電薄膜-電極（MIM）結構，利用壓電薄膜的逆壓電效應（電致伸縮效應）將輸入的高頻電信號轉化為一定頻率的聲信號。根據駐波條件，當聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好等于半波長的奇數倍時就產生諧振，諧振頻率處的聲波損耗最小，使得該頻率的聲信號能通過壓電薄膜層，而其他頻率的信號被阻斷，從而只在輸出端輸出具有特定頻率的信號，這樣就實現了電信號的濾波功能。
固有損耗以及聲波在襯底中損耗的參數，因此在電極邊界形成聲波的全反射能有效提高Q值。為實現FBAR器件的聲波全反射，其結構主要有兩種：
一、在底電極下形成空氣-固體交界面作為聲波反射面；如圖1所示，采用空氣-金屬交界面來限制聲波傳播，稱為空腔聲學隔離結構。
二、采用“聲波鏡”形成反射面來實現聲波全反射射，稱為反射層聲學隔離結構。
空腔聲學隔離結構的FBAR，它采用體微機械加工技術去掉部分襯底，形成邊緣支撐懸空的膜結構，從而將聲波限制于壓電振蕩層之內。 但襯底的大量移除會造成器件的機械性能降低，而且腐蝕厚度難以控制。
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