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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。

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

哈梅特·布格拉（Harmeet Bhugra），就职于美国IDT公司，领导了世界 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。

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编辑推荐

本书作者领导了世界 压电MEMS时间传感器件的研发工作，是该领域知名专家。他领导主编的本书，系统总结介绍了近几年压电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，并接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。

压电MEMS谐振器具有更小、更经济、更高性能的品质，在商用化方面极具潜力。

前言

原书前言

本书意在向相关领域工程师、科研人员和研究生等广大读者朋友介绍压电式微机电系统(MEMS)谐振器，也希望能对该领域未来的研究工作起到一点启发作用，带动该领域市场的创新创业。

MEMS制造工艺方法上的进步已经改变了声学谐振器领域。历史上，压电材料几乎一直是市场上所有机械谐振器的主力军。石英晶体和陶瓷谐振器的使用十分广泛，如在振荡器、滤波器、物理和重力传感器、送话器（俗称麦克风）和超声换能器中都能看到它们的身影。上述器件从它们大约100年前问世至今，一直在不断更新换代和微型化。然而，这些压电声学器件都依赖体材料，因此很难与集成电路(IC)领域的先进制造工艺相集成。微加工技术在微机械谐振器制造中的应用，为在硅片上搭建上亿个声学元件提供了可能，从而成为足以颠覆现有市场动向的超低成本制造方法。MEMS谐振器已经受到工业界的广泛的关注，并且其中一些产品已经成功商业化。由几家创业公司研制的硅基谐振器，已经在计时产品领域售出数百万个。压电微机电谐振器，主要是体声波(BAW)谐振器(本书第8、16章会介绍)在射频滤波器的应用方面卖出了数十亿美元。

历史上，采用薄膜压电材料制造MEMS器件经历过一段相对 折的过程。许多IC领域的工程师过去都把压电材料看作异类。很多早期被用来制作压电MEMS的材料，如氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)，都和传统半导体制造设备不兼容。直到如氮化铝(见第1章)等新材料的出现，才扭转了这一不利局面，并让人们对使用压电材料制作MEMS器件产生了浓厚的兴趣。在近年的MEMS国际会议上，能够看到有越来越多令人印象深刻的文章是基于压电材料的微纳机电器件。许多工厂也已经接受了在它们的生产线上使用压电材料，使用锆钛酸铅（PZT）和氮化铝(AlN)的产品也实现了商业化。类似的，在声学谐振器领域，MEMS研究人员已经开发出多种新型微型压电谐振器，并认为它们足以改变射频(RF)通信和换能传感领域。这些正在进行中的创新实例包括几乎可以在任何手机中都能找到的薄膜体声学谐振器(FBAR)，以及若干初创公司正在商业化的微型轮廓模式谐振器、压电式微型送话器（俗称麦克风）和超声换能器等。

作者相信，该领域正处于历史的转折点上，一个能看见压电MEMS谐振器的发展喷涌而出的转折点上，体积更小、成本更低、性能更出色的压电MEMS谐振器将不断涌现，其会因商用价值而代替现有的产品。此外，在大型衬底上制造这些微机电器件并在大型系统中将其互连的能力，将标志着集成微机电电路的巨大发展，集成微机电电路和芯片将改变现有的通信和传感范式。举例来讲，监测拥堵电磁波谱的超低功耗RF传感器节点和提升互联网数据容量的频率灵敏型RF前端都能成为现实。这一切都要感谢在压电MEMS谐振器领域所有研究人员的不懈努力。

本书论述了制作压电MEMS谐振器所需的材料和器件十分精彩的发展过程，提供了这些器件的商业化过程中必须克服的技术困难的直接案例。本书第Ⅰ部分论述了一些在研究领域内制作MEMS谐振器时 广泛使用的压电材料。这一部分内容聚焦于较为成熟的材料，如氮化铝（AlN，Muralt，第1章)和锆钛酸铅（PZT，Polcawich和Pulskamp，第2章)；同时也讨论了一些新兴材料，如氮化镓(GaN, Rais-Zadeh和Weinstein，第3章)、铌酸锂(LN，Gong，第4章)。GaN和LN这两种材料代表了将“异类”的材料引入硅片上的不同发展趋势。GaN不仅是一种成熟的电子材料，还有在大型硅衬底均一薄膜上同时制造微机电谐振器的能力，这给RF和传感的应用场景开发紧密集成微系统提供新的机会。硅片上键合单晶LN薄膜是一种新兴技术的代表。它利用了体材料的独特性质，并将其转移到硅基板上，从而具有了物理气相沉积（PVD)薄膜无法实现的全新特性。第9章描述了一个类似的制作工艺，使用石英薄膜制作剪切模MEMS谐振器。第Ⅱ部分集中讨论了根据不同的谐振腔振动模式分类的几种谐振器。决定谐振器性能的主要参数——品质因数(Q)和机电耦合，会在Abdolvand撰写的第5章介绍。用于低频应用的挠性谐振器，如超声波换能器，会在Horsley撰写的第6章介绍。之后要介绍的是高频谐振器，详细介绍了轮廓模式谐振器(Rinaldi，第7章)、厚度模式谐振器(Hashimoto，第8章)和剪切模式谐振器(Chang，第9章)。每章都描述了这些谐振器的运动本构方程，并带领读者推导其电学等效模型。每章也描述了这些种类器件应用的实例，以展示这些谐振器能够达到的性能水平。第10章和第11章讨论了压电MEMS谐振器更加先进的设计概念。在第10章，Pan介绍了温度补偿型压电谐振器，它们能够在工业温度的范围内进行工作。在第11章，Kamon介绍了用于压电谐振器响应的有限元建模法，着重讨论了有关Q和非线性的建模困难。第Ⅲ部分讨论了更为实际的问题，涉及压电MEMS谐振器的设计(Tabrizian，第12章)、测试和评估。之后，介绍了工业和学术观点，并提供了很少有文献介绍的关于MEMS谐振器测试和评估要求的详细内容(见第13章Gubser关于可靠性和品质评估的内容和第14章Pai关于大规模测试和校准的内容)。 后，第Ⅳ部分介绍了压电MEMS谐振器的商业化道路的两个实例：第15章，Kuypers介绍了压电MEMS谐振器在计时市场上商业化时，学