柔性氮化铝薄膜高频谐振器:柔性无线电子设备的关键突破

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本文主要探讨了柔性结构化高频薄膜体声谐振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator, FBAR)在柔性无线电子设备领域的突破性进展。随着柔性电子技术的发展,传统的硬质半导体器件已无法满足日益增长的对轻便、可穿戴和可变形电子产品的需求。柔性电子设备,如二极管、晶体管、传感器和射频无源元件,如天线和电感器,已经成为现代科技中的关键组件。然而,高性能的RF谐振器在实现这种灵活性方面仍然存在挑战。 在这项研究中,研究人员提出了一种创新设计的超柔FBAR,采用压电薄膜氮化铝(AlN)作为声波驱动介质,将其集成在柔性聚酰亚胺基板上。这一设计特别之处在于采用了表面叉指式电极配置,使得剪切波和纵波都能有效激发。通过扩展厚度模式,他们成功制造出一个工作频率高达5.2325 GHz的柔性谐振器,这个频率对于无线通信至关重要。 值得注意的是,即使在弯曲状态以及经历反复弯曲和展平的操作后,这种柔性谐振器仍能保持其完整的功能性能。这表明其具有出色的机械稳定性,这对于实际应用中的耐用性和可靠性至关重要。由于其优异的性能和适应性,这种柔性高频谐振器有望成为未来柔性无线电子设备的核心组成部分,极大地拓宽了柔性电子设备的应用领域,包括但不限于可穿戴设备、电子皮肤、植入式医疗设备以及各种传感器。 研究者们强调,这一成果不仅解决了高性能RF谐振器的制造难题,也为实现真正的柔性无线通信铺平了道路。随着技术的进一步发展,柔性FBAR可能会推动电子设备向更轻、更小、更灵活的方向演进,开启全新的电子产品设计可能性。 总结来说,这篇论文提供了关于如何利用先进的材料和设计理念制造高性能、适应性强的柔性FBAR的重要信息,它标志着柔性电子技术在射频领域的重大进步,将为未来的无线通信设备打开新的设计空间。

总结一下下面这段话“目前的薄膜封装材料以氧化物薄膜为主,金属与氧原子在分子结构中存在稳定的二元键,导致其宏观具有较高的杨氏模量,通常认为致密的氧化物薄膜在柔韧性方面会表现不佳,即随着薄膜的密度和厚度的增加,薄膜将更趋于刚性化。这一难题一直困扰着柔性薄膜封装的研究,阻碍了可穿戴设备的实用化。美国布朗大学Lambert Ben Freund教授早在上世纪90年代在《Dynamic Fracture Mechanics 》(1990,Cambridge University Press)一书中提出了“利用薄膜内部缺陷,通过调控薄膜的组分和结构,可以获得致密弹性体”的设想,但限于当时实验手段,具有“弹性的致密氧化物”仍未能实现。申请人团队在2022年发表在Soft matter期刊的工作,证实了Freund教授的设想,利用预弯折方法消除薄膜内部残余应力,从而增强薄膜机械性能,证明了消除原子层沉积薄膜存在的内部缺陷是提升柔韧性的关键因素。但是预弯折方法需要采用模具对衬底进行固定,在规模化生产中这种方法很难实际应用。利用原子层沉积多步短脉冲可以调制同层组分的工作,给予我们很大的启发。本项目中我们大胆提出了“组分剪裁工艺”。通过前体分压的调整和衬底表面反应饱和度的匹配,利用长链前体空间位阻效应的自限性质引入短链前体组分,实现了在原子水平上在层内对薄膜组分的原位控制,将提高薄膜的致密性同时改善薄膜的柔韧性。建立薄膜水汽透过率性能和弯折后应力分布的物理模型,最终将实现0.5mm绕度弯折半径的薄膜封装,为可穿戴电子产品的超柔性薄膜封装技术奠定科学基础。”

2023-02-20 上传