俄罗斯MIPT研制出金刚石MEMS谐振器,创造新世界纪录
2016-06-06 07:29:05 来源:麦姆斯咨询 评论:0 点击:
俄罗斯莫斯科物理技术学院(MIPT)超硬度和新型碳材料技术研究所(TISNCM)联合西伯利亚联邦大学,通过在微机电系统(MEMS)谐振器中采用金刚石单晶体作衬底,速度超过20GHz,品质因数(Q)超过2000,创造微波领域的一项新世界记录。
理论依据
MIPT发现,在金刚石中的能量衰减在1GHz之后呈线性频率依赖关系,而在其他晶体中则呈现平方依赖关系。即意味着,与其他晶体相比,1GHz之后金刚石中的能量损失缓慢增长,因此金刚石是一个适用于高频电子的理想衬底。
技术细节
据MIPT的研究人员表示,其他高性能表面和体声波(SAW/BAW)谐振器的研究采用的是生长速率较慢的化学气相淀积(CVD)工艺。带来的结果是,金刚石形成薄膜的过程冗长;内部存在多个不平衡的应力;器件频率不超过10GHz,品质因数也较低。
MIPT研究出了高压高温(HPHT)淀积工艺,通过精细调整该工艺,可以更快的速度生长出几乎由纯碳合成的单晶体金刚石,具备更完美的晶格属性,内部应力也最小;接着通过采用两层金属(铝和钼)+压电材料的三明治衬底结构,进一步提高频率和品质因数;最后通过调整金刚石基器件的所有参数,如厚度、宽度、电极材料等,可使器件工作在数十GHz,同时保持较高的品质因数。
性能验证
MIPT所研究的高泛音体声谐振器中,所有参数都主要由衬底材料所决定。使用HPHT金刚石代替石英、甚至CVD金刚石,可使器件有更高频率、具有更高品质因数和更少的内部损失。在此前的试验中,MIPT已经研制出了多个基于金刚石衬底的MEMS谐振器,验证其工作频率超过20GHz。
意义
此次研制出的高性能MEMS谐振器不仅可用于产生高速时钟信号,还可作为生物传感用超灵敏SAW/BAW谐振器,能够检测附近单个细菌和其他纳米量级的毒性药剂。
下一步工作
在达到现有工作速度的同时,研究团队注意到在主泛音区存在一些假的尖峰,研究人员目前将其解释和分类为Lamb形波(在平面表面传播的弹力波)和体波,如下图所示。下一步,研究人员计划充分利用新型铝-scan-dium-氮压电薄膜,以压制Lamb波所带来的伪峰。
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