Abstract
本研究專注於設計與分析不同的超高頻AlN-SOI FBAR共振器，並且透過切趾法(apodization)降低共振器的能量損失。在本研究中亦設計了不同多邊形以及不規則形狀之FBAR共振器，並且針對在絕緣體上之複合薄膜壓電材料(Thin-film Piezoelectric on Silicon, TPoS)之行為進行詳細的探討。 本研究所設計之AlN SOI MEMS-CMOS元件是透過InvenSense Inc.的平台所製作。為了達到精準的時脈基準並應用在商用電子產品中，其共振器需要有足夠高的品質因子以及機電耦合係數，因此本論文透過COMSOL模擬比較不同FBAR設計下之能量分布。本研究所設計之共振器的操作頻率約在3GHz而其機電耦合係數為2.5%。在論文中亦詳述在量測時使用到晶片上所設計之測試元件進行校準以及de-embedding。由於共振器操作於GHz的範圍，因此適合應用於無線射頻微機電系統中或者是當經過除法器到MHz的範圍時可以使用為時脈基準。為了實現低功率的射頻振盪器設計，通常會希望共振器擁有高品質因子，亦即所消耗的功率會受到在共振頻時的阻抗影響，而本論文中所設計共振器之品質因子約為2000。相較於SAW共振器，FBAR形式之共振器有著更好的功率負載能力。 在本研究中透過高頻專用之PCB板，並使用RF NPN BJT當作放大器配合研究中設計之FBAR以實現Pierce振盪器。透過Agilent’s ADS電路模擬三種不同電路設計，從模擬中可以發現其振盪頻率為所設計之3GHz。 在研究中亦著力於Lithium Tantalate共振器，並且利用其非等向性的特性取得對溫度最不敏感的切面。從不同操作模態中可以發現以軸向伸展模態的共振器而言，當材料軸轉向於Euler角度(90⁰, 41⁰, 60⁰)時可以觀察到約為零的頻率溫度係數(Temperature Coefficient of Frequency, TCF)以及2.67%的最大頻寬。由於在此條件下頻率漂移將會為最低，因此共振器將適合使用於商用電子元件中之時脈基準。