俄羅斯打造鉆石MEMS諧振器 成功模擬超靈敏傳感器

　　根據(jù)莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(Moscow Institute of Physicsand Technology；MIPT)的研究人員解釋，這種較硅晶壓電更快的“聲波”諧振器已經(jīng)成功地模擬超靈敏的傳感器，突破微波領(lǐng)域的新紀錄。
　　　　
　　典型的壓電分層結(jié)構(gòu)
 　　MIPT超硬與新奇碳材料技術(shù)研究所(TISNCM)與西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)(Siberian Federal University)攜手共同實現(xiàn)的這一突破性進展——鉆石基板MEMS諧振器，能在超過20GHz速度的同時，維持超過2000的質(zhì)量因子(Q)。這一性能不僅可用于產(chǎn)生高速頻率信號，同時可打造超靈敏的表面與體聲波(SAW/BAW)諧振器，以實現(xiàn)可偵測鄰近單一細菌以及其他納米級毒物數(shù)量的生物傳感器。
　　
　　“許多研究均著眼于高頻SAW/BAW諧振器。有幾項報告都得到了極高頻率的結(jié)果，但其Q值卻相當?shù)停?rdquo;TISNCM研究人員Arseniy Telichko指出，“我們的鉆石組件可作業(yè)于數(shù)十GHz頻率，而且只需調(diào)整其參數(shù)，例如厚度、寬度與電極材料等，即可產(chǎn)生近單模細菌檢測的結(jié)果。”
　　
　　俄羅斯的研究人員表示，透過微調(diào)其高壓(HPHT)沈積制程，使其取得了較其他研究更優(yōu)越的性能。其他的研究人員多半采用生長緩慢的化學(xué)氣相沈積(CVD)工藝，而TISNCM所用的方法不僅更快，而且還能產(chǎn)生效果更完美的晶格。
　　
　　“重點在于其他作者通常使用以相對較慢的碳沉積技術(shù)打造CVD鉆石。鉆石晶體緩慢‘生長’，從而形成了一層薄膜。但這種CVD生長方式使得鉆石產(chǎn)生應(yīng)力——多種內(nèi)部力量在晶體中導(dǎo)致不均衡。”因此，Telichko指出，“透過HPHT，我們采用了幾乎純碳合成的單晶鉆石生長。因此，我們的鉆石事實上是一種單晶體，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力最小。所以，這種基于單晶鉆石的組件能在更高頻率下作業(yè)，具有更高的質(zhì)量因子，通常也較CVD鉆石更優(yōu)。”
　　
　　Telichko指出，利用其純結(jié)晶基板實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)應(yīng)用的關(guān)鍵在于將壓電材料層迭于兩金屬夾層(鋁和鉬)的基板上。因此，諧振器的結(jié)構(gòu)不僅可實現(xiàn)更高的頻率，同時還能同步實現(xiàn)更高的Q值。
　　
　　“在我們所研究的高泛音體聲波諧振器結(jié)構(gòu)中，所有的參數(shù)主要都是由基板材料所決定。利用HPHT鉆石取代石英或甚至CVD鉆石基板，可實現(xiàn)性能更好、更高Q值、更高作業(yè)頻率(高達20GHz)以及更低損耗的組件，”Telichko表示。“最近我們已能展示鉆石的衰減在1-GHz后可達到線性頻率相關(guān)性，而其他的晶體則仍是平方相關(guān)性。這表示，1-GHz后的鉆石衰減(能耗)較其他晶體更低，使鉆石成為高頻電子應(yīng)用的理想基板。”
　　
　　Telichko表示，MIPT曾經(jīng)在實驗研究中打造了許多鉆石諧振器，均可展現(xiàn)>20-GHz的作業(yè)能力，“是這一類組件寫下的最新世界紀錄。”然而，該研究團隊注意到在這一速度下會在泛音附近發(fā)生混波現(xiàn)象，這解釋了“蘭姆模式”(Lamb-mode)波形——取決于SAW/BAW平面運動的彈性波。
　　　　
　　為了使性能優(yōu)化，俄羅斯研究人員調(diào)整了蘭姆波(Lamb-wave)傳播方式。利用有限元素分析，可詳細分析這種聲波在分層壓電結(jié)構(gòu)中的傳播，以及繪制其相位速度曲線圖。
　　
　　未來，研究人員計劃利用其他新材料實現(xiàn)壓電薄膜，從而避免峰值混波導(dǎo)致的蘭姆波。

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