薄膜体声波传感器的有限元仿真与分析_马晓鑫 1

薄膜体声波传感器（FBAR）是一种基于薄膜体声波谐振器技术的传感器，它利用声波的共振特性来实现传感功能。FBAR传感器具有体积小、响应速度快、灵敏度高等优点，因此在无线通信、传感检测等领域得到了广泛的应用。然而，FBAR传感器的性能很大程度上依赖于其结构和材料特性，这就要求对其设计和材料选择进行精细的优化，以满足不同应用场景的性能要求。 在进行FBAR传感器的研究和开发过程中，使用COMSOL Multiphysics这类有限元仿真软件进行建模和仿真分析，成为了一个不可或缺的步骤。通过在计算机上创建FBAR传感器的二维和三维模型，研究人员能够模拟实际工作情况，观察在不同频率下的声波共振行为，以及电极和压电薄膜材料在力学和静电学作用下的响应。这一过程不仅可以帮助研究者对传感器的性能进行预测，还能在传感器制造之前，对可能出现的问题进行优化。 本文选择了氮化铝和氧化锌作为压电薄膜材料进行了深入研究。氮化铝作为压电材料因其良好的机电耦合性能而被广泛使用，其阻抗特性曲线相对平滑，这意味着它能够在较宽的频带范围内维持稳定的谐振特性。而氧化锌虽然成本较低，但在仿真分析中发现存在寄生谐振峰的问题，这会影响FBAR传感器的性能。寄生谐振峰是指除主谐振峰外的其他频率成分的响应峰值，它们会在传感器的工作频率附近产生干扰，降低传感器的信噪比和检测精度。 为了抑制氧化锌压电薄膜中的寄生谐振峰，本文采用了仿真分析的方式，对电极的尺寸和厚度进行了调整，探索了它们对寄生谐振峰的影响。通过优化电极设计，可以有效地控制寄生谐振峰的产生，提高传感器的性能。这一发现对于指导实际生产中的工艺选择和结构设计具有重要的参考价值。 基于COMSOL Multiphysics的有限元仿真分析不仅有助于预测FBAR传感器的性能，还能够揭示传感器工作原理的物理本质。通过仿真，可以详细地看到在谐振频率处压电薄膜的位移分布情况，以及导纳特性曲线的变化。这对于理解FBAR传感器的动态响应特性，以及进一步的结构优化具有重要指导意义。 总结来说，本文通过有限元仿真分析了FBAR传感器在不同压电薄膜材料和结构设计下的性能表现，并对存在的寄生谐振峰问题提出了优化方案。这些研究成果不仅加深了对FBAR传感器工作原理的理解，而且为实际应用中的可靠性提高和性能优化提供了科学依据。随着仿真技术的不断进步，未来对FBAR传感器的性能预测和设计优化将更加精确，为传感器技术的发展和应用领域拓展提供了坚实的技术支持。