压电微机电谐振器

作者: [美] 哈梅特·布格拉著

出版社: 机械工业出版社

出版时间: 2020-01

ISBN: 9787111637639

定价: 119.00

装帧: 平装

开本: 16开

纸张: 胶版纸

页数: 351页

分类: 工程技术

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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
内容简介:
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。
作者简介:
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:
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

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