俄羅斯莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(MIPT)超硬度和新型碳材料技術(shù)研究所(TISNCM)聯(lián)合西伯利亞聯(lián)邦大學(xué),通過(guò)在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)諧振器中采用金剛石單晶體作襯底,速度超過(guò)20GHz,品質(zhì)因數(shù)(Q)超過(guò)2000,創(chuàng)造微波領(lǐng)域的一項(xiàng)新世界記錄。
理論依據(jù)
MIPT發(fā)現(xiàn),在金剛石中的能量衰減在1GHz之后呈線性頻率依賴關(guān)系,而在其他晶體中則呈現(xiàn)平方依賴關(guān)系。即意味著,與其他晶體相比,1GHz之后金剛石中的能量損失緩慢增長(zhǎng),因此金剛石是一個(gè)適用于高頻電子的理想襯底。
技術(shù)細(xì)節(jié)
據(jù)MIPT的研究人員表示,其他高性能表面和體聲波(SAW/BAW)諧振器的研究采用的是生長(zhǎng)速率較慢的化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝。帶來(lái)的結(jié)果是,金剛石形成薄膜的過(guò)程冗長(zhǎng);內(nèi)部存在多個(gè)不平衡的應(yīng)力;器件頻率不超過(guò)10GHz,品質(zhì)因數(shù)也較低。
MIPT研究出了高壓高溫(HPHT)淀積工藝,通過(guò)精細(xì)調(diào)整該工藝,可以更快的速度生長(zhǎng)出幾乎由純碳合成的單晶體金剛石,具備更完美的晶格屬性,內(nèi)部應(yīng)力也最?。唤又ㄟ^(guò)采用兩層金屬(鋁和鉬)+壓電材料的三明治襯底結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高頻率和品質(zhì)因數(shù);最后通過(guò)調(diào)整金剛石基器件的所有參數(shù),如厚度、寬度、電極材料等,可使器件工作在數(shù)十GHz,同時(shí)保持較高的品質(zhì)因數(shù)。
性能驗(yàn)證
MIPT所研究的高泛音體聲諧振器中,所有參數(shù)都主要由襯底材料所決定。使用HPHT金剛石代替石英、甚至CVD金剛石,可使器件有更高頻率、具有更高品質(zhì)因數(shù)和更少的內(nèi)部損失。在此前的試驗(yàn)中,MIPT已經(jīng)研制出了多個(gè)基于金剛石襯底的MEMS諧振器,驗(yàn)證其工作頻率超過(guò)20GHz。
意義
此次研制出的高性能MEMS諧振器不僅可用于產(chǎn)生高速時(shí)鐘信號(hào),還可作為生物傳感用超靈敏SAW/BAW諧振器,能夠檢測(cè)附近單個(gè)細(xì)菌和其他納米量級(jí)的毒性藥劑。
下一步工作
在達(dá)到現(xiàn)有工作速度的同時(shí),研究團(tuán)隊(duì)注意到在主泛音區(qū)存在一些假的尖峰,研究人員目前將其解釋和分類為L(zhǎng)amb形波(在平面表面?zhèn)鞑サ膹椓Σǎ┖腕w波,如下圖所示。下一步,研究人員計(jì)劃充分利用新型鋁-scan-dium-氮壓電薄膜,以壓制Lamb波所帶來(lái)的偽峰。
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