功能材料设计报告书
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一、前言
压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形[1]。
利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件和滤波器中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以及各种形式的滤波器等。其中，薄膜体声波谐振器(FBAR)[2]作为一种工作频率高、温度系数小、功率容量大、损耗低、抗干扰好、体积小、成本低、可大批量生产的新兴射频滤波器，具有广阔的应用前景。相较于传统的声表面波滤波器
（SAW），体声波的传播速度比表面声波快很多，故其在高频应用中（1GHz-20GHz）已经显示出了绝对优势。而压电薄膜是FBAR 技术研制的关键，为了制备一种高效率、谐振频率可调的薄膜体声波谐振器，可通过对以下几种适用于FBAR 滤波器的压电材料进行比较如表1
综合表中各项参数可看出，BST 是比较适合做可调谐FBAR 滤波器的压电材料。故选用具有介电损耗小、Q 值高、压电性能强等优点的钛酸锶钡材料（BST）制备，可使薄膜体声波谐振器（FBAR ）技术快速发展。
钛酸锶钡薄膜（BST）有多种制备方法，主要有射频磁控溅射法、脉冲激光沉积法（ＰＬＤ）、金属有机物化学气相沉积法（ＭＯＣＶＤ）和溶胶-凝胶法等，在诸多制备方法中采用射频磁控溅射制备电介质薄膜是当前最为广泛的方
法之一，射频溅射和磁控溅射的优点同时体现在射频磁控溅射当中。该方法衬底温度较低、制备出薄膜的结晶性和铁电性好，但该方法在溅射过程中粒子的沉积速率较低，薄膜的成分和靶材有一定偏差，而且偏差的大小与工艺有关，因此对磁控溅射工艺参数的选择尤为重要。本文通过优化工艺条件在Pt/Si 衬底上制备出低损耗的BST 薄膜，然后用XRD，AFM，SEM 等表征方法分析薄膜的微结构与表面形貌，并研究其成膜时间、衬底温度、溅射功率、溅射气压等参数对薄膜的压电性能及介电性能的影响。
二、设计目的
为制出高效率、谐振频率可调的薄膜体声波谐振器（FBAR）选用钛酸锶钡（BST）压电薄膜材料。
三、设计原理
原理：薄膜体声波谐振器（FBAR） 采用电极-压电薄膜-电极（MIM）结构，利用压电薄膜的逆压电效应（电致伸缩效应）将输入的高频电信号转化为一定频率的声信号。根据驻波条件，当声波在压电薄膜中的传播距离正好等于半波长的奇数倍时就产生谐振，谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出具有特定频率的信号，这样就实现了电信号的滤波功能。
固有损耗以及声波在衬底中损耗的参数，因此在电极边界形成声波的全反射能有效提高Q值。为实现FBAR器件的声波全反射，其结构主要有两种：
一、在底电极下形成空气-固体交界面作为声波反射面；如图1所示，采用空气-金属交界面来限制声波传播，称为空腔声学隔离结构。
二、采用“声波镜”形成反射面来实现声波全反射射，称为反射层声学隔离结构。
空腔声学隔离结构的FBAR，它采用体微机械加工技术去掉部分衬底，形成边缘支撑悬空的膜结构，从而将声波限制于压电振荡层之内。 但衬底的大量移除会造成器件的机械性能降低，而且腐蚀厚度难以控制。
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