基于压电/磁致伸缩层状复合薄膜的磁电声表面波谐振器的研究

摘要

本论文针对现阶段磁场传感器灵敏度不高、体积大等问题，提出基于磁电复合多层膜结构和声表面波结合的技术实现磁场探测的声表面波谐振器。本论文的声表面波谐振器是基于ScAlN/FeGa磁电复合多层膜结构，可以应用于直流或者低频磁场环境的探测。本论文的主要的研究内容有：
　　1、采用散射矩阵法和COMSOL Multiphysics两种方法分别计算了ScAlN/FeGa多层结构的传播特性，包括瑞利波的频散曲线和机电耦合系数以及截止杨氏模量。散射矩阵法计算结果表明ScAlN/FeGa多层结构在谐振频率和压电薄膜厚度的乘积f*hScAlN小于0.32GHZ·μm区间内声表面波波速的变化范围为2089m/s到2249m/s，机电耦合系数从0.2％增加至0.8%，然后又降低至0.02%。多层膜结构存在一个杨氏模量下限，低于截止杨氏模量，SAW不能激发，因此需将f*hScAlN的值限制在0.29GHZ·μm以下的区间。COMSOL仿真结果与散射矩阵方法得到的声表面波波速和机电耦合系数的结果一致，验证了计算的正确性。
　　2、采用射频磁控溅射镀膜制备了AlN薄膜，在此基础上使用贴片靶材制备Sc含量不同的ScAlN薄膜。详细研究了溅射工艺条件对于薄膜取向和表面形貌等的影响，得到制备高度c轴取向压电薄膜的最优条件。其中，AlN薄膜的摇摆曲线半高宽为5°，表面粗糙度为2.8nm；Sc含量为14.5%的ScAlN薄膜的摇摆曲线半高宽为3.6°，表面粗糙度为2.36nm。探索了Sc的掺杂量不同对于ScAlN薄膜的生长速率和晶体结构的影响。针对制备AlN和ScAlN过程中对于N2分压的需求量的显著差异，采用第一性原理计算了薄膜生长过程，提出了较为可信的解释。
　　3、为了制备SAW谐振器，首先对FeGa基片进行了抛光处理并测试其表面粗糙度。接着采用机械共振方法测试了退火之后的FeGa基片的巨杨氏模量效应和磁机耦合系数。在此基础上，研究了光刻叉指结构的工艺条件，采用光刻胶AZ5214在基片表面光刻制备叉指宽度为4μm的叉指电极，完成了磁电SAW谐振的制备。最后，采用矢量网络分析仪和微波探针台对单端口磁电SAW谐振器进行了测试,其中心频率为218MHz，即声表面波波速为3488m/s。ScAlN/FeGa多层结构的引入降低了制备工艺难度的同时，提高了器件的声表面波波速，为压电/磁致伸缩多层结构的SAW器件应用到实际中提供了可能性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 声表面波器件的国内外发展现状

1.3 本论文的研究内容和工作安排

第二章 压电薄膜的制备和分析方式

2.1 ScAlN薄膜

2.2 薄膜分析方式

2.3 压电薄膜的制备

2.4 本章总结

第三章 多层膜结构及声表面波谐振器的仿真和设计

3.1 概述

3.2 多层膜结构的理论计算方法

3.3 ScAlN/FeGa半无限基底的声表面波传播特性

3.4 声表面波谐振器的叉指结构

3.5 本章总结

第四章 声表面波谐振器的压电薄膜的实验条件研究

4.1 溅射工艺于AlN薄膜的影响

4.2 溅射工艺对ScAlN薄膜的影响

4.3 Sc含量不同对于ScAlN薄膜的影响

4.4 本章小结

第五章 磁电声表面波谐振器的制备和测试

5.1 制备流程和工艺

5.2 多层结构基片处理

5.3 叉指换能器的工艺探索

5.4 谐振器的测试结果分析

5.5 本章小结

第六章 结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

硕士期间所取得的研究成果