基于壓電-磁致伸縮層狀復(fù)合薄膜的磁電聲表面波諧振器的研究.pdf

1、本論文針對(duì)現(xiàn)階段磁場傳感器靈敏度不高、體積大等問題，提出基于磁電復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)和聲表面波結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)磁場探測的聲表面波諧振器。本論文的聲表面波諧振器是基于ScAlN/FeGa磁電復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于直流或者低頻磁場環(huán)境的探測。本論文的主要的研究內(nèi)容有：
　　1、采用散射矩陣法和COMSOL Multiphysics兩種方法分別計(jì)算了ScAlN/FeGa多層結(jié)構(gòu)的傳播特性，包括瑞利波的頻散曲線和機(jī)電耦合系數(shù)以及截止楊氏模量。

2、散射矩陣法計(jì)算結(jié)果表明ScAlN/FeGa多層結(jié)構(gòu)在諧振頻率和壓電薄膜厚度的乘積f*hScAlN小于0.32GHZ·μm區(qū)間內(nèi)聲表面波波速的變化范圍為2089m/s到2249m/s，機(jī)電耦合系數(shù)從0.2％增加至0.8%，然后又降低至0.02%。多層膜結(jié)構(gòu)存在一個(gè)楊氏模量下限，低于截止楊氏模量，SAW不能激發(fā)，因此需將f*hScAlN的值限制在0.29GHZ·μm以下的區(qū)間。COMSOL仿真結(jié)果與散射矩陣方法得到的聲表面波波速和機(jī)電耦合系

3、數(shù)的結(jié)果一致，驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。
　　2、采用射頻磁控濺射鍍膜制備了AlN薄膜，在此基礎(chǔ)上使用貼片靶材制備Sc含量不同的ScAlN薄膜。詳細(xì)研究了濺射工藝條件對(duì)于薄膜取向和表面形貌等的影響，得到制備高度c軸取向壓電薄膜的最優(yōu)條件。其中，AlN薄膜的搖擺曲線半高寬為5°，表面粗糙度為2.8nm；Sc含量為14.5%的ScAlN薄膜的搖擺曲線半高寬為3.6°，表面粗糙度為2.36nm。探索了Sc的摻雜量不同對(duì)于ScAlN薄膜的生長速

4、率和晶體結(jié)構(gòu)的影響。針對(duì)制備AlN和ScAlN過程中對(duì)于N2分壓的需求量的顯著差異，采用第一性原理計(jì)算了薄膜生長過程，提出了較為可信的解釋。
　　3、為了制備SAW諧振器，首先對(duì)FeGa基片進(jìn)行了拋光處理并測試其表面粗糙度。接著采用機(jī)械共振方法測試了退火之后的FeGa基片的巨楊氏模量效應(yīng)和磁機(jī)耦合系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究了光刻叉指結(jié)構(gòu)的工藝條件，采用光刻膠AZ5214在基片表面光刻制備叉指寬度為4μm的叉指電極，完成了磁電SAW諧振