俄罗斯科学家打造钻石MEMS谐振器

2016-06-07 10:12:00
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        根据莫斯科物理技术学院(Moscow Institute of Physics and Technology;MIPT)的研究人员解释,这种较硅晶压电更快的“声波”、谐振器、已经成功地模拟超灵敏的、传感器,突破微波领域的新纪录。

        MIPT超硬与新奇碳材料技术研究所(TISNCM)与西伯利亚联邦大学(Siberian Federal University)携手共同实现的这一突破性进展——钻石基板MEMS谐振器,能在超过20GHz速度的同时,维持超过2000的质量因子(Q)。这一性能不仅可用于产生高速频率信号,同时可打造超灵敏的表面与体声波(SAW/BAW)谐振器,以实现可侦测邻近单一细菌以及其他纳米级毒物数量的生物传感器。

        “许多研究均着眼于高频SAW/BAW谐振器。有几项报告都得到了极高频率的结果,但其Q值却相当低,”TISNCM研究人员Arseniy Telichko 指出,“我们的钻石组件可作业于数十GHz频率,而且只需调整其参数,例如厚度、宽度与电极材料等,即可产生近单模细菌检测的结果。”

        俄罗斯的研究人员表示,透过微调其高压(HPHT)沈积制程,使其取得了较其他研究更优越的性能。其他的研究人员多半采用生长缓慢的化学气相沈积(CVD)工艺,而TISNCM所用的方法不仅更快,而且还能产生效果更完美的晶格。

        “重点在于其他作者通常使用以相对较慢的碳沉积技术打造CVD钻石。钻石晶体缓慢‘生长’,从而形成了一层薄膜。但这种CVD生长方式使得钻石产生 应力——多种内部力量在晶体中导致不均衡。”因此,Telichko指出,“透过HPHT,我们采用了几乎纯碳合成的单晶钻石生长。因此,我们的钻石事实 上是一种单晶体,结构内部应力最小。所以,这种基于单晶钻石的组件能在更高频率下作业,具有更高的质量因子,通常也较CVD钻石更优。”

        Telichko指出,利用其纯结晶基板实现更优质应用的关键在于将压电材料层迭于两金属夹层(铝和钼)的基板上。因此,谐振器的结构不仅可实现更高的频率,同时还能同步实现更高的Q值。

        “在我们所研究的高泛音体声波谐振器结构中,所有的参数主要都是由基板材料所决定。利用HPHT钻石取代石英或甚至CVD钻石基板,可实现性能更 好、更高Q值、更高作业频率(高达20GHz)以及更低损耗的组件,”Telichko表示。“最近我们已能展示钻石的衰减在1-GHz后可达到线性频率 相关性,而其他的晶体则仍是平方相关性。这表示,1-GHz后的钻石衰减(能耗)较其他晶体更低,使钻石成为高频电子应用的理想基板。”

        Telichko表示,MIPT曾经在实验研究中打造了许多钻石谐振器,均可展现>20-GHz的作业能力,“是这一类组件写下的最新世界纪录。”然而,该研究团队注意到在这一速度下会在泛音附近发生混波现象,这解释了“兰姆模式”(Lamb-mode)波形——取决于SAW/BAW平面运动 的弹性波。


典型的压电分层结构,可实现声波传播

Source:MIPT

        为了使性能优化,俄罗斯研究人员调整了兰姆波(Lamb-wave)传播方式。利用有限元素分析,可详细分析这种声波在分层压电结构中的传播,以及绘制其相位速度曲线图。

        未来,研究人员计划利用其他新材料实现压电薄膜,从而避免峰值混波导致的兰姆波。

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updated: 2020-09-30 00:30:37