基于薄膜体声波谐振器(FBAR)技术的无线传感集成系统研究

摘要

声波技术和基于声波技术的元器件已经广泛应用于通信领域、自动控制领域、传感测控领域等近70年的时间。
　　薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator,简称“FBAR”），是一种压电声波器件，以其极小的尺寸、功耗、成本，和极高的Q值、工作频率、灵敏度、分辨率、可承受功率容量，以及与CMOS集成电路工艺的兼容性，在不到二十年的时间里，占据了整个无线通讯场的应用领域。在传感器应用领域，单个FBAR或者FBAR阵列用于分子质量检测、生化检测（DNA检测、抗体抗原检测）、液体检测、气体检测、压力检测、形变检测、加速度和惯性检测、温度检测、紫外线检测、爆炸物检测等等领域。
　　本文《基于薄膜体声波谐振器(FBAR)技术的无线传感集成系统研究》是国家高技术研究发展计划（863计划）课题、国家自然科学基金课题的主要研究内容，在该项目支持下完成四种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统。
　　论文的工作成果和创新点主要包括:
　　1、完成了传感器部分的FBAR样片的获取，包括:超净间自行制备、外协英国剑桥大学制备，和对现有高Q值的FBAR产品进行分离获取;研究了FBAR的制备工艺技术和分离、测试技术。
　　2、研究了FBAR器件的温度特性补偿技术，提出并验证了一种新颖的基于FBAR的自适应阻抗近似匹配方法、进行温度补偿;并结合自动测试技术编写了“基于FBAR模型和阻抗近似匹配技术的FBAR自适应阻抗匹配虚拟仪器软件”，进行FBAR自适应阻抗近似匹配方法的实施，实现了FBAR的自动测试和自适应阻抗近似匹配，在同类文献中未见报导。
　　3、采用电流重利用交叉耦合结构，设计了一款芯片级低功耗、低相位噪声FBARCMOS振荡器，电压为900mV时功耗仅为1.8mW@1.878GHz，具有超低的相位噪声:-107dBc/Hz@10kHz及-135dBc/Hz@100kHz，整体FBARCMOS振荡器的FoM为-238dBc/Hz，在同类文献中是领先水平。
　　利用FBAR自适应阻抗近似匹配方法完成了FBAR振荡器的温度补偿，获得了谐振频率在1.8GHz以上、输出功率7dBm以上（功率温度系数0.43ppm）、相位噪声在-117dBc/Hz@100kHz及-139dBc/Hz@1MHz以下、整体FBAR振荡器的FoM优于-190的FBAR振荡器，在同类文献中的等同工艺FBAR振荡器中是领先水平。
　　4、设计和制作了基于FBAR振荡器的计数法频率读取电路系统，采用FPGA平台进行了仿真验证，完成了第一种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统。并基于SMIC（中芯国际）的0.18umCMOS工艺对基于FBAR振荡器的计数法频率读取电路系统进行了ASIC流片验证，读数精度达到1KHz，完成了第二种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统。
　　5、提出并研制了新颖的基于混频法和FBAR振荡器的的高精度四混频器结构的频率读取电路系统用于FBAR传感信号处理电路，读数精度达到1Hz，完成了第三种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统，在同类文献中未见报导。
　　提出和研制了新颖的基于FBAR频率读取电路系统的无线传感器网络节点电路射频前端的多级节能控制方法及装置，完成了第四种基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感集成系统，在同类文献中未见报导。

目录

声明

致谢

摘要

缩略词表

第一章 绪论

1．1 研究动机和研究意义

1．1．1 研究动机

1．1．2 研究意义

1．2 薄膜体声波谐振器的研究背景

1．2．1 薄膜体声波谐振器的发展起源

1．2．2 薄膜体声波谐振器的通信领域发展空间

1．3 基于薄膜体声波谐振器的振荡器研究背景

1．4 基于薄膜体声波谐振器的传感系统研究背景

1．4．1 FBAR质量传感器

1．4．2 FBAR压力传感器

1．4．3 FBAR惯性传感器(加速度传感器)

1．4．4 FBAR温度传感器

1．5 研究内容和论文结构

1．5．1 研究思路

1．5．2 技术路线

1．5．3 论文主要工作成果

1．5．4 论文主要创新点

1．5．5 论文的章节安排

1．6 本章小结

第二章 薄膜体声波谐振器的制备工艺和设计流片

2．1 薄膜体声波谐振器器件的自行制备

2．1．1 薄膜体声波谐振器制备工艺

2．1．2 薄膜体声波谐振器设计和参数仿真

2．1．3 薄膜体声波谐振器外协剑桥大学流片结果和测试

2．1．4 薄膜体声波谐振器自主流片结果和测试

2．2 薄膜体声波谐振器等效电路模型

2．2．1 基本等效电路模型

2．2．2 薄膜体声波谐振器的实际等效电路模型

2．2．3 基于MBVD模型的实际薄膜体声波谐振器的等效电路模型建立方法

2．3 基于HPMD-7904 FBAR双工器的单片薄膜体声波谐振器的分离

2．3．1 单片FBAR分离的原因

2．3．2 基于聚焦离子束切割的单片FBAR分离

2．3．3 分离单片FBAR的模型和仿真

2．3．4 分离单片FBAR的测试结果

2．4 本章小结

第三章 基于自适应阻抗近似匹配技术的高功率低相噪FBAR振荡器的研制

3．1 基于自适应阻抗近似匹配方法的FBAR温度补偿技术的硬件和虚拟仪器测试匹配软件的实现

3．1．1 FBAR温度实验

3．1．2 自适应阻抗近似匹配技术

3．1．3 FBAR自适应阻抗近似匹配技术的硬件实现和虚拟仪器测试匹配软件的实现

3．1．4 小结

3．2 基于CMOS工艺的低相位噪声FBAR振荡器的设计(基于仿真FBAR模型)

3．2．1 技术方案

3．2．2 仿真分析

3．2．3 优化方案

3．2．4 相位噪声

3．3 基于高Q值FBAR的高功率、低相位噪声振荡器(基于分离FBAR模型)

3．3．1 技术方案和系统仿真

3．3．2 实际电路设计和实测结果

3．3．3 FBAR振荡器温度特性

3．3．4 小结

3．4 基于阻抗近似匹配方法的FBAR振荡器温度补偿技术

3．4．1 FBAR振荡器温度补偿方法

3．4．2 FBAR振荡器温度补偿电路的仿真

3．4．3 FBAR振荡器温度补偿电路的实现

3．4．4 FBAR振荡器温度补偿电路的测试结果

3．4．5 小结

3．5 本章小结

第四章 基于薄膜体声波谐振器的无线传感器集成系统

4．1 FBAR射频传感电路技术和信号处理方法

4．1．1 双路差分测量方法

4．1．2 分频法结构

4．1．3 混频法结构

4．2 计数法的设计与实现——FPGA平台和ASIC平台

4．2．1 基于计数法的FBAR射频传感信号处理电路的设计

4．2．2 FBAR射频传感信号的计数法处理——基于FPGA平台的设计与实现

4．2．3 FBAR射频传感信号的计数法处理——基于自主流片的专用集成电路平台的设计与实现

4．3 混频法的设计与实现——高精度四混频器结构

4．3．1 方案优势

4．3．2 技术路线

4．3．3 电路仿真

4．3．4 实际电路设计与实现

4．3．5 实测结果

4．4 FBAR无线传感终端节点的多级节能控制技术

4．4．1 方案优势

4．4．2 技术路线

4．4．3 实际电路设计与实现

4．5 基于薄膜体声波谐振器的无线传感集成系统的设计与实现

4．5．1 基于FBAR技术的无线传感集成系统之一——FPGA平台的计数法模式的实现

4．5．2 基于FBAR技术的无线传感集成系统之二——ASIC平台的计数法模式的实现

4．5．3 基于FBAR技术的无线传感集成系统之三——四混频器结构的混频法模式的实现

4．5．4 基于FBAR技术的无线传感集成系统之四——低功耗四混频器结构的混频法模式的实现

4．6 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 论文的不足之处和进一步研究工作

参考文献

作者简历

作者在攻读博士学位期间所取得的科研成果