压电微机电谐振器

　　本书主要介绍压电MEMS谐振器的各种制作材料、工艺、参数、特性、测试和评估方法等，并针对相关器件商业化难题进行了讨论，给出了两个成功案例。 本书共16章，包含4部分内容：第Ⅰ部分介绍了科研环境下广泛使用的MEMS谐振器压电材料；第Ⅱ部分介绍了相关谐振器的种类和特色；第Ⅲ部分介绍了压电MEMS谐振器的较为先进的设计理念以及建模、测试和评估方法；第Ⅳ部分介绍了压电MEMS谐振器的商业化问题，给出了相关案例。 本书面向致力于从事压电MEMS谐振器研究的工程师和科研人员，也可以作为相关专业师生的参考用书。

　　哈梅特·布格拉（Harmeet Bhugra），就职于美国IDT公司，领导了世界第一款压电MEMS时间传感器件的研发工作。他拥有二十余项美国专利，发表了多篇学术论文，并进行了多次关于MEMS的演讲。 吉安卢卡·皮亚扎（Gianluca Piazza）教授，就职于美国卡内基梅隆大学电气与计算机工程系，负责压电MEMS的研究工作。

目录
译者序
原书前言
作者名单
第Ⅰ部分MEMS谐振器压电材料
第1章AlN薄膜的基本性质与制造工艺3
1.1简介3
1.2反应磁控溅射沉积法制备AlN薄膜8
1.2.1用于c轴织构化的压电薄膜的生长工艺8
1.2.2衬底表面粗糙度的影响:薄膜生长与厚度的关系15
1.2.3其他生长问题:氧杂质和再生问题17
1.3性质和表征19
1.3.1从头计算法的研究26
1.4AlN-ScN合金薄膜26
参考文献28
第2章PZT在微纳机电系统中的应用32
2.1PZT压电薄膜32
2.1.1沉积工艺32
2.1.2刻蚀工艺38
2.1.3器件设计问题41
2.1.4基于PZT的谐振器件44
2.1.5小结55
致谢56
参考文献56
第3章GaN在微纳机电系统中的应用61
3.1简介61
3.1.1简史61
3.1.2GaN技术61
3.1.3GaN的优势63
3.2GaN谐振器的换能原理64
3.2.1无源压电转换64
3.2.2压阻换能67
3.2.3GaN谐振体晶体管69
3.3应用73
3.3.1基于GaN的物理谐振传感器73
3.3.2基于GaN的频率合成器和计时器75
3.4对未来的展望76
参考文献79
第4章LiNbO3材料在微纳机电谐振器中的应用84
4.1LiNbO3材料和薄膜的发展历史85
4.2LiNbO3的材料特性87
4.3LiNbO3薄膜的体声波振动模态89
4.4LiNbO3薄膜的微加工
工艺95
4.5LiNbO3器件的设计和性能101
4.6LiNbO3器件的讨论和未来的应用105
参考文献107
第Ⅱ部分压电MEMS谐振器的设计
第5章压电MEMS谐振器中的品质因数与耦合115
5.1简介115
5.2品质因数115
5.2.1损耗的来源116
5.2.2有关损耗的讨论122
5.3耦合因数123
5.3.1压电耦合因数123
5.3.2有效机电耦合因数124
5.3.3耦合因数的讨论125
5.4优值（FOM）与小结126
参考文献126
第6章挠性压电谐振器131
6.1简介131
6.2层压板力学131
6.2.1固有频率132
6.2.2薄膜压电系数133
6.3能量法振动分析134
6.4一维谐振器135
6.4.1双端固支梁分析136
6.4.2固有频率138
6.4.3双端口谐振器138
6.5二维谐振器140
6.5.1方形板141
6.5.2圆形板142
6.5.3示例——多振动模态的耦合预测145
参考文献146
第7章横向振动压电MEMS谐振器148
7.1简介148
7.2工作原理148
7.3材料153
7.4频率缩放155
7.5制造技术156
7.6原型器件示例157
参考文献165
第8章BAW压电谐振器171
8.1简介171
8.2BVD模型171
8.3Mason等效电路176
8.4谐振器结构178
8.5材料选择180
8.6横向波传播181
8.7小结184
参考文献184
第9章剪切压电MEMS谐振器186
9.1MEMS谐振器的介绍186
9.2压电剪切模式187
9.3压电厚度剪切原理188
9.4石英晶体的切割角191
9.5器件尺寸对频率的影响192
9.6厚度剪切模式的仿真192
9.7温度对谐振频率的影响193
9.8等效电路196
9.9厚度剪切器件的制造197
9.10原型器件示例199
9.11未来的发展203
9.12小结203
参考文献203
第10章压电微谐振器的温度补偿205
10.1简介205
10.2谐振频率的温度灵敏度205
10.3无源补偿技术206
10.3.1基于谐振器组成设计的补偿方法206
10.3.2基于材料特性的补偿方法209
10.3.3其他无源补偿技术211
10.4有源补偿技术212
参考文献215
第11章计算建模的挑战217
11.1简介217
11.2计算频率响应所面临的挑战218
11.2.1动机218
11.2.2频率响应计算220
11.3能量损耗机制建模224
11.3.1锚损耗225
11.3.2热弹性耗散227
11.3.3流体阻尼229
11.4静态和动态非线性231
11.4.1残余应力231
11.4.2源自高功率的非线性232
11.5小结233
致谢234
参考文献234
第Ⅲ部分压电MEMS谐振器的制造工艺和可靠性
第12章实现压电MEMS谐振器
的制造工艺流程239
12.1简介239
12.2AlN压电材料的沉积240
12.3纯压电谐振器的制造工艺流程243
12.4衬底上压电谐振器的制造工艺流程244
12.5MEMS谐振器三维转换的侧壁AlN工艺246
12.6具有集成HEMT读出功能的AlGaN/GaN谐振器的制造工艺流程249
参考文献250
第13章可靠性与质量评估（稳定性与封装）253
13.1谐振器需求的发展253
13.2频率控制器件的挑战：器件寿命和关键性应用254
13.3评估规则的制定254
13.4IC和机电器件的挑战255
13.5频率控制器件的前景255
13.6美国军方标准256
13.7JEDEC标准256
13.8其他标准257
13.9工艺与生产监控258
13.10频率控制产品的其他规范258
13.10.1对温度变化的反应259
13.10.2扰动259
13.10.3电源噪声敏感度259
13.10.4系统注入噪声259
13.10.5低频漂移259
13.10.6长期老化261
13.10.7EMI辐射261
13.11对未来的展望261
13.11.1器件尺寸261
13.11.2器件电源电压和功率261
13.11.3器件成本262
13.11.4自检测262
第14章大批量测试与校准263
14.1生产测试的目的264
14.2生产测试的考虑因素265
14.3测试策略的形成265
14.4剔除方法266
14.4.1电学剔除方式266
14.4.2视觉剔除方式270
14.5测试和剔除分析流程273
14.6在测试执行中的考虑274
14.6.1缺陷编码系统274
14.6.2测试程序的接口设计275
14.6.3标定探针的设置275
14.6.4数据处理与自动化275
14.7测试时间的缩减276
14.7.1多站点测试276
14.7.2测试程序的优化276
14.7.3硬件或软件277
14.7.4数据文件格式277
14.8校准277
14.9小结278
参考文献278
第Ⅳ部分实际应用
第15章用于移动设备的高频振荡器281
15.1了解移动设备中时钟需求的多样性283
15.2声学器件的重要性285
15.2.1谐振器Q值的重要性285
15.2.2目前阻碍使用集成电路解决方案来提供时钟和频率的原因285
15.3振荡器中的相位噪声286
15.4Sand 9压电MEMS谐振器的发展历史290
15.4.1早期原型290
15.4.2使用芯片级封装压电MEMS谐振器VC-TCXO294
15.4.3125MHz VC-TCXO的压电MEMS概念298
15.5集成MEMS谐振器308
15.5.1集成蜂窝收发器310
15.6成果311
15.7了解商用的MEMS时钟314
15.8MEMS蜂窝时钟器件的商用案例315
15.9现状317
15.9.1MEMS时钟革命何时发生318
15.9.2如何用LLQ模拟Xtal 318
15.10MEMS时钟的价值319
15.11小结319
致谢320
参考文献321
第16章用于移动通信的BAW滤波器和双工器324
16.1简介324
16.2BAW简史324
16.3用于智能手机的滤波器的类型326
16.4尺寸和性能的发展328
16.5插入损耗330
16.6端口的阻抗和匹配331
16.7抑制和隔离335
16.8功率承受和可靠性337
16.9温度效应338
16.10群延时340
16.11滤波器和双工器的线性度340
16.12封装和RF模块的集成341
16.13滤波器的设计方法342
16.14LTE载波聚合解决方案345
参考文献346
后记——关于压电微机电谐振器重要参数的讨论347
参考文献351