PMN-PT复合结构的光学与自对准单电极驱动的研究
引言：在微机电系统（MEMS）中实现的旋转感测和定时应用的发展，通过利用静电和压电换能实现更高的频率，体声波（BAW）对应物优于弯曲模式谐振形状。
在1–30 MHz范围内，BAW陀螺仪和定时基准、压电和静电MEMS具有相似的转换效率。尽管当被智能地设计时，静电换能允许电极和谐振器之间对于各种BAW模式的自对准，但是对于需要电极图案化的BAW模式的压电换能，不对准是不可避免的。
共振模式耦合是通过采用[011]PMN–铂的独特性质实现的，其中面内压电系数具有相反的符号。制造单端口圆盘传感器，进行射频反射测量，证明在1–30 MHz范围内的复合模式系列形状。
由于轮廓模式体声波谐振器能够克服弯曲模式谐振器的限制（例如低Q和低谐振频率）用于从RF滤波器到陀螺仪的各种应用领域。
在诸如氮化铝（AlN）或铅锆钛酸盐（PZT）的传统压电MEMS材料中，当盘形谐振器被设计成具有如图所示的未形成图案的电极时，具有相同符号耦合的相反应变方向导致在整个顶面上求和时净电荷几乎为零。
因此，复合模式组（n> 1）已被证明在RF滤波器中是有用的和陀螺仪。电极的未对准引起寄生模式的激发，该寄生模式非常接近频域中的目标模式，或者引起不期望的平面外分量。
单晶[011]cPMN-铂薄膜样品（20毫米× 21毫米，约6微米厚）通过在薄膜和硅基底之间施加环氧树脂而附着在硅基底上。
谐振器的制造从湿法蚀刻PMN-铂膜开始，以获得到底部电极铂层的电通路，其中Pt层在10% HCl酸蚀刻中充当自然蚀刻停止层。
使用剥离在同一光刻步骤中沉积顶部电极图案以及探针测试焊盘和布线金属。顶部金属层被蒸发为Ti/Au （10纳米/100纳米），其中10纳米厚的Ti层被用作粘附层。
谐振器本体与侧系绳一起在同一光刻步骤中被限定，消除了可能的锚到谐振器本体的未对准，该未对准会导致更多的寄生模式或通过锚的更显著的机械损耗。使用离子铣削实现谐振器体的各向异性蚀刻，直到薄膜下面的硅层完全暴露。
与传统的离子铣削不同，开发了一种新的“凿子”（改变入射束角度以进行侧壁蚀刻和研磨）方法，并对其进行了详细描述。蚀刻步骤被分成改变离子束入射角的循环，使得可以限定垂直的和无残留物的侧壁。
S11在适当的校准基板上遵循标准的短路开路和负载（SOL）校准协议后，使用信号接地（GSG）探针和网络分析仪进行测量。样品线焊到一个扇出PCB上，允许同轴连接器连接用于LDV测量的激励，LDV测量使用Polytec MSA-100-3D进行。
使用光致抗蚀剂图案来实施表面改性，以使得能够利用来自顶部电极表面的激光的增强的漫反射来进行横向位移检测，否则由于顶部电极表面的光滑度，其仅提供镜面反射。
为了研究感兴趣的模式的横向致动及其频率操作，使用COMSOL压电模块对圆盘谐振器进行有限元分析（FEA）建模。采用[011]PMN-铂的材料特性d31和d32相反的符号，实现了一个简化的COMSOL模型。
通过RF测量获得的共振频率的实验值使用LDV来验证，因为检测到的模式形状及其频率与在RF数据中观察到的骤降一致。由于与共振体尺寸相比，侧系链的影响变得不太显著，计算数据和实验数据之间的一致性更大。
在LDV测量期间，笛卡尔网格（与数据点的极坐标分布相反）用于扫描谐振器的顶面，以便在数据点之间建立相等的间距，并消除任何可能的空间混叠和圆形扫描空间的几何偏差。
结论：利用[011]取向单晶PMN–铂独特的面内各向异性，使用自对准单电极在压电圆盘谐振器上实现了切向和复合模式族谐振形状的横向驱动。
同样重要的是，所获得的切向模式的旋转速率值及其对所施加信号幅度的线性依赖性表明，切向模式本身可以用作陀螺仪的现场比例因子校准的微速率表。因此，该技术为内置初级校准级的BAW MEMS陀螺仪提供了关键构建模块。
参考文献：
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