薄膜体声波传感器的有限元仿真与分析_马晓鑫 1
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第
３９
卷 第
６
期 压
电
与
声
光
Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．６
２０１７
年
１２
月
ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ
＆ ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ
Ｄｅｃ．２０１７
收稿日期
：
２０１７
－
０２
－
１３
基金项目
：
国家自然科学基金资助项目
（
５１６７５４９３
）
作者简介
：
马晓鑫
（
１９９２
－
），
男
，
山西太原人
，
硕士生
，
主要从事薄膜体声波传感器的研究
。
Ｅ
－
ｍａｉｌ
：
ｂｉｌｌ
＿
ｂｂ
＿
ｈａｎｋｓ
＠
ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
。
通信作
者
：
苏淑靖
（
１９７１
－
），
副教授
，
博士
，
主要从事测试系统集成
、
感知与探测的研究
。
Ｅ
－
ｍａｉｌ
：
ｓｕｓｈｕ
ｊ
ｉｎ
ｇ
＠
ｎｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ
。
文章编号
：
１００４
－
２４７４
（
２０１７
）
０６
－
０８００
－
０５
薄膜体声波传感器的有限元仿真与分析
马晓鑫
１
，
２
，
苏淑靖
１
，
２
，
耿子惠
３
，
吴永盛
１
，
２
（
１．
中北大学 电子测试技术重点实验室
，
山西 太原
０３００５１
；
２．
中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室
，
山西 太原
０３００５１
；
３．
四川大学 电气信息学院
，
四川 成都
６１００６５
）
摘
要
：
薄膜体声波滤波器
（
ＦＢＡＲ
）
传感器的性能受结构和材料特性的影响很大
。
该文利用
ＣＯＭＳＯＬ
Ｍｕｌ
－
ｔｉ
ｐ
ｈ
ｙ
ｓｉｃｓ
有限元仿真软件
，
建立了
ＦＢＡＲ
传感器的二维
、
三维有限元结构模型
。
用氮化铝和氧化锌材料作为压电
薄膜对建立的模型做了固体力学和静电学仿真分析
，
得到了
ＦＢＡＲ
传感器的谐振频率
、
导纳特性曲线和谐振频率
处的位移分布情况
。
通过分析发现氮化铝压电薄膜阻抗特性曲线更平滑
，
而氧化锌压电薄膜存在明显的寄生谐振
峰的问题
。
针对氧化锌压电薄膜存在的寄生谐振峰进行了优化
，
仿真分析了电极边长尺寸和电极厚度对寄生谐振
的影响
，
实现了对寄生谐振峰的有效抑制
。
关键词
：
薄膜体声波滤波器
；
传感器
；
有限元仿真
；
谐振频率
；
ＣＯＭＳＯＬ
Ｍｕｌｔｉ
ｐ
ｈ
ｙ
ｓｉｃｓ
中图分类号
：
ＴＮ３８４
文献标识码
：
Ａ
Ｆｉｎｉｔｅ
Ｅｌｅｍｅｎｔ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ａｎｄ
Ａｎａｌ
ｙ
ｓｉｓ
ｏｆ
Ｔｈｉｎ
Ｆｉｌｍ
Ｂｕｌｋ
Ａｃｏｕｓｔｉｃ
Ｓｅｎｓｏｒ
ＭＡ
Ｘｉａｏｘｉｎ
１
，
２
，
ＳＵ
Ｓｈｕ
ｊ
ｉｎ
ｇ
１
，
２
，
ＧＥＮＧ
Ｚｉｈｕｉ
３
，
ＷＵ
Ｙｏｎ
ｇ
ｓｈｅｎ
ｇ
１
，
２
（
１．Ｋｅ
ｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒ
ｙ
ｆｏｒ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
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，
Ｎｏｒｔｈ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
ｏｆ
Ｃｈｉｎａ
，
Ｔａｉ
ｙ
ｕａｎ
０３００５１
，
Ｃｈｉｎａ
；
２．Ｋｅ
ｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒ
ｙ
ｏｆ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
Ｓｃｉｅｎｃｅ
＆ Ｄ
ｙ
ｎａｍｉｃ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｏｆ
Ｍｉｎｉｓｔｒ
ｙ
ｏｆ
Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ
，
Ｎｏｒｔｈ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
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Ｃｈｉｎａ
，
Ｔａｉ
ｙ
ｕａｎ
０３００５１
，
Ｃｈｉｎａ
；
３．Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
ａｎｄ
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
，
Ｓｉｃｈｕａｎ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
，
Ｃｈｅｎ
ｇ
ｄｕ
６１００６５
，
Ｃｈｉｎａ
）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
：
Ｔｈｅ
ｐ
ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｏｆ
ｔｈｅ
ｔｈｉｎ
ｆｉｌｍ
ｂｕｌｋ
ａｃｏｕｓｔｉｃ
（
ＦＢＡＲ
）
ｓｅｎｓｏｒ
ｉｓ
ｇ
ｒｅａｔｌ
ｙ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ
ｂ
ｙ
ｔｈｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ
ｍａｔｅｒｉａｌ
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ｒｏ
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ｅｒｔｉｅｓ．Ｉｎ
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ａ
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ｅｒ
，
ｔｈｅ
ｆｉｎｉｔｅ
ｅｌｅｍｅｎｔ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｏｆ
ＣＯＭＳＯＬ
Ｍｕｌｔｉ
ｐ
ｈ
ｙ
ｓｉｃｓ
ｉｓ
ｕｓｅｄ
ｔｏ
ｅｓｔａｂｌｉｓｈ
ｔｈｅ
２Ｄａｎｄ
３Ｄｆｉｎｉｔｅ
ｅｌｅｍｅｎｔ
ｍｏｄｅｌ
ｏｆ
ＦＢＡＲ
ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ
ｓｏｌｉｄ
ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
ａｎｄ
ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ａ
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ｎａｌ
ｙ
ｓｉｓ
ａｒｅ
ｃａｒｒｉｅｄ
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ｂ
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ｔｈｅ
ａｌｕｍｉｎｕｍ
ｎｉｔｒｉｄｅ
ａｎｄ
Ｚｉｎｃ
Ｏｘｉｄｅ
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ｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
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ｆｉｌｍ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
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ｍｏｄｅｌ
，
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ｔｈｅ
ｄｉｓ
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ｌａｃｅｍｅｎｔ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
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ｔｈｅ
ｒｅｓｏｎａｎｔ
ｆｒｅ
ｑ
ｕｅｎｃ
ｙ
，
ｔｈｅ
ａｄｍｉｔｔａｎｃｅ
ｃｕｒｖｅ
ａｎｄ
ｔｈｅ
ｒｅｓｏｎａｎｔ
ｆｒｅ
ｑ
ｕｅｎｃ
ｙ
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ＦＢＡＲ
ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｒｏｕ
ｇ
ｈ
ｔｈｅ
ａｎａｌ
ｙ
ｓｉｓ
，
ｉｔ
ｉｓ
ｆｏｕｎｄ
ｔｈａｔ
ｔｈｅ
ｉｍ
ｐ
ｅｄａｎｃｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｃｕｒｖｅ
ｏｆ
ＡｌＮ
ｔｈｉｎ
ｆｉｌｍ
ｉｓ
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ｒｅｓｏｎａｎｔ
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ｙ
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ｈｅｒ
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Ｏｘｉｄｅ
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ｉｅｚｏｅｌｅｃ
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ｆｉｌｍ．Ｔｈｅ
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ｒｅｓｏｎａｎｃｅ
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Ｏｘｉｄｅ
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，
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ｒｅｓｓｉｏｎ
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ｉｓ
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ｒｏｖｉｄｅｓ
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ｒｅｌｉａｂｌｅ
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ｂａｓｉｓ
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ａ
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ｌｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｔｈｉｎ
ｆｉｌｍ
ｂｕｌｋ
ａｃｏｕｓｔｉｃ
ｓｅｎｓｏｒ．
Ｋｅ
ｙ
ｗｏｒｄｓ
：
ＦＢＡＲ
；
ｓｅｎｓｏｒ
；
ＦＥＭ
；
ｒｅｓｏｎａｎｔ
ｆｒｅ
ｑ
ｕｅｎｃ
ｙ
；
ＣＯＭＳＯＬ
Ｍｕｌｔｉ
ｐ
ｈ
ｙ
ｓｉｃｓ
０
引言
随着薄膜与微纳制造技术的快速发展
，
薄膜体
声波滤波器
（
ＦＢＡＲ
）
在通信领域获得了广泛的商业
应 用
。
相 对 于 传 统 的 介 质 谐 振 器 及 声 表 面 波
（
ＳＡＷ
）
器件而言
，
ＦＢＡＲ
具有相对体 积小
，
插入损
耗低
，
工作频率高
，
品质因数高等优点
，
被认为是新
一代无线通信系统和超微量生化检测领域内最具发
展前景的器件之一
［
１
］
。
ＦＢＡＲ
传感器可得到很高的分辨率和灵敏度
，
且通过测量
ＦＢＡＲ
传感器的谐振频率便可知待测
物理量大小
，
具有易于得到测量结果的优点
。
另外
，
ＦＢＡＲ
传感器能够兼容集成电路工艺
，
可以在同一
芯片中集成传感模块与读出电路模块
，
从而能实现
在恶劣环境中的传感测量或应用于无线传感网络系
统中
［
２
－
３
］
。
目前
，
国 内 外 对
ＦＢＡＲ
传 感 器 的 研 究 日 益 增
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