Integration of RF MEMS resonators and phononic crystals for high frequency applications with frequency-selective heat management and efficient power handling

Abstract

We report a radio frequency micro electromechanical system (RFMEMS) device integrated with phononic crystals (PnC) that provide a Lamb-wave resonator with frequency-selective heat management, power handling capability, and more efficient electromechanical coupling at ultra high frequency (UHF) and low microwave bands. The integrated device is fabricated in a silicon-on-insulator (SOI) aluminum nitride (AlN) platform and boosts thermal performance by 40%, power handling by 3 dB, and coupling coefficient by three times. Design approach is scalable to higher frequencies.

A review of elastic plate wave metamaterials

“…GHz 频段的声波在射频微波元器件领域已经得到了广泛的应用，其中最为人们所熟知的是 手机中的声学滤波器。同频率下，弹性波的波长比电磁波要小约 10 5 倍 [85] 。因此采用弹性波进行 信号处理相较于电磁波而言可以极大地减小器件尺寸，为微型、低损耗、无源射频微波器件的发 展提供了基础。随着高速计算电路的发展，大部分微型模拟电子信号处理设备已经被数字数据处 理系统所取代，但如果想只通过数字信号来获取几公里外发来的高频微弱信号，必须消耗大量的 电能，这对于便携式设备的续航将提出巨大的挑战。因此，现代数据传输电路仍然依赖由微型声 谐振器组成的模拟带通滤波器。并且，随着 5G 的发展，射频频谱变得越来越碎片化，此类滤波 器的需求量仍在不断增加。 在 GHz 频率实现宽带隙声子晶体具有极大的价值与挑战。伴随着新材料新工艺的进步，人 们在该领域已实现多个重要突破。例如在 100 GHz-1 THz 频段一维声子晶体中观察到带隙 [86] 。 二维高频声子晶体的研究起点是 2005 年 Gorishnyy 等人 [87] 的工作，他们在环氧树脂上制备了填 充率高达 39%的三角晶格声子晶体，并在 2 GHz 区域观测到带隙。2007 年 Olsson 等人 [88] 等人 [90] 制备了二氧化硅/氮化铝膜声子晶体板：通过在声子晶体板上刻蚀出具有正方形晶格的圆 柱形孔阵列，获得了 600 MHz 到 950 MHz 的板波禁带(带宽 45%)。Kuo 等人 [91] 在氮化铝薄膜中 利用最小特征尺寸仅为 750 nm 的"X"形空气孔阵列将带隙拓展到了 GHz 频率范围， 获得了从 850 MHz 到 1.2 GHz 的板波禁带(带宽 34%)。Soliman 等人 [92] 将具有正方形晶格的钨散射体置于 1.15 μm 厚的硅膜上，获得了 1 GHz 到 1.8 GHz 的板波禁带(带宽 57%)。 在高频、大带宽板波声子晶体研究发展的同时，人们开始期望将其实际应用于射频通讯系统 的性能提升，一个具有代表性的研究范例是用于提升谐振器的性能 [93] 。近期，基于铌酸锂、氮 化铝等材料的板波谐振器受到了产业界的高度关注。对比传统的声表面波谐振器，板波谐振器从 根本上抑制了声波向基底的辐射，从而较大程度地提升了谐振器的品质因子。同时，板波较声表 面波而言具有更多的模式，在同样的电极线宽下，可以实现器件更高的工作频率。对于板波谐振 器而言，由于固态板边缘与空气界面的声阻抗失配已经可以实现较为完美的声学反射器，因此采 用声子晶体带隙代替反射并不能提升器件的品质因子。不过，由于悬浮的薄板必须采用锚栓与衬 底进行连接，而锚栓会带来声泄露 [94] ，使用声子晶体代替传统的锚栓可以有效减少此类泄露。 2011 年，Sorenso 等人 [95] 提出使用带隙落在谐振器谐振频率的环形结构声子晶体取代通常直接支 撑谐振器的锚栓以限制谐振器中声泄露，将谐振器品质因子从 1400 提升到 2550。采用类似的声 子晶体结构，Qin 等人 [96] 将所制备谐振器的品质因子从 2660 增加到 6250，如图 7(b)。然而，这 种环形结构声子晶体容易对谐振器带来不需要的寄生模式。Wu 等人 [97] 通过使用葫芦状结构声子 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1310 晶体代替传统锚栓，在获得谐振器品质因子提升的同时，成功抑制了寄生模式。Jansen 等人 [98] 深入研究了谐振器品质因子与锚栓结构长度的关系。 然而， Tu [99] 证明了在采用声子晶体减少锚栓损耗的同时， 会将热弹性阻尼提高一个数量级。 在板波谐振器中，这种阻尼的增加将取代锚栓损耗成为谐振器的主要损耗来源。不过这也为板波 声子晶体提供了一个明确的附加价值：散热。Campanella 等人 [100] 将传统的基于 "固体板-空气" 界面的板波谐振器优化为基于 "固体板-声子晶体"界面的谐振器。当对器件施加较大的输入功率 时，后者的温度升高比前者显著降低，展现了良好的温度-频率稳定性。相比传统谐振器边界处 固体突然转变为空气，多孔板波声子晶体在提供器件支撑的同时提供了额外的散热路径。如果工 作频率的稳定性是器件的主要需求，那么声子晶体支撑结构便具有其独特的价值。 图 7 声子晶体在微声电子器件中的应用。(a)微带隙器件的 SEM 图像。图中左边为 SiO 2 基体中铝包 覆钨棒的近距离扫描电镜(右边为氮化铝换能器的近距离扫描电镜) [88] ； (b)(上图)由声子晶体作锚栓的谐振器 品质因子为 6250；(下图)由直绳作锚栓的谐振器品质因子为 2660 [96] ；(c)不带声子晶体的谐振器及其近红外 热表征 [100] ；(d)带声子晶体的谐振器及其近红外热表征 [100] 。 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1310 Figure 7 Application of phononic crystals in microacoustic electronic devices. (a) SEM image of microband gap device.…”

“…(a) SEM image of microband gap device. Close-range scanning electron microscope of aluminum-coated tungsten rod in SiO 2 matrix on the left (close-range scanning electron microscope of aluminum-nitride transducer on the right) [88] ; (b) (top) the quality factor of the resonator with phononic crystal as anchor is 6250; (bottom) the quality factor of the resonator with straight chain as anchor is 2660 [96] ; (c) resonators without phononic crystals and their near infrared thermal characterization [100] ; (d) resonators with phononic crystals and their near infrared thermal characterization [100] . [101] 。 2009 年，Gonella 等人 [102] 提出了声学带隙和压电能量收集之间的联动机制，如 图 8(a)。利用 声子晶体获得弹性波的频率带隙，由此产生的弹性波局域化能够在特定区域产生较大应变，这对 于能量收集而言至关重要。鉴于目前低频下能量转换机制的效率相对较低，这些设备通常设计在 1 kHz 以上工作。 为了设计更低频的能量收集装置， 人们开始利用声子晶体中的点缺陷及谐振腔， Wu 等人 [103] 在具有点缺陷的声子晶体板上使用聚偏二氟乙烯薄膜收集声能。Carrara 等人 [104] 进行 了一项综合研究，提出了几种基于声子晶体的能量收集方法，例如抛物面声反射镜、点缺陷和声 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1310 漏斗，并将其与无声子晶体的空白对照组进行了对比，结果显示这几种方法对于能量收集性能均 有明显提升。Lv 等人 [105] 理论研究了一种利用点缺陷声子晶体与压电晶体耦合的能量收集器并进 行了实验验证，该研究结果表明，基于声子晶体的能量收集器较以往的能量收集装置有更高的效 率。声子晶体的另一个优点是可以提供多个紧密的带隙，因而可以在一个较宽的频率范围内收集 能量。然而，一个主要限制是带隙的中心频率取决于声子晶体的晶格常数，晶格常数越大，中心 频率越低。考虑到器件微型化的需求，这限制了基于声子晶体的能量收集器在低频范围的应用 [28] 。 Zhang [106] 提出一种由四个卷曲折叠梁将方形块连接到基体上的超材料结构。 该结构在 250 Hz 以下存在 15 个带隙， 且振动能量集中在折叠梁上， 通过在梁上贴附压电材料便可实现能量收集。 该系统在谐振频率下，最大值输出电压约为 5 mV。Ahmed [101] 提出一种能够在 3 kHz 以下采集能 量的亚波长结构超材料，如图 8(c)。在对该结构进行数值分析和实验验证后，进一步设计了一种 具有多单元复合的宽带能量收集器。该装置能够采集约 0.2 kHz 至 1.5 kHz 之间的能量(输出功率 约 10∼90 μW)。此外，Ahmed 等人 [107] 提出当单个结构单元中存在多个局域共振模式时，可以通 过适当的载荷条件和压电材料的放置方式实现宽频能量收集。 值得关注的是，环境中的波往往分布在较宽的频率范围内，但对于超材料，一但稍微远离共 振频率， 其能量收集效率就会急剧降低。 因此拓宽基于超材料的能量收集带宽具有较大的挑战性。 非线性系统具有较宽的频带范围，可以提高能量采集的有效性。在机械和力学领域针对能量收集 的非线性研究较多， 例如 Mann [108] 提出了一种利用磁恢复力来悬浮振荡中心磁体的非线性能量收 集装置。非线性超材料很早就引起了人们的关注 [109,110] ，但直至近年，人们才将非线性系统引入 超材料能量收集领域，以解决线性材料带隙过窄的问题。Bukhari [111] 研究了波在由非线性链和多 个非线性局域谐振子组成的超材料中传播的特性， 揭示了这些非线性单元对材料行波特征和能带 结构的影响。Lu 等人 [112] 通过在球形磁腔中植入带线圈的滚动球来实现具有周期性阵列的非线性 能量收集超材料，如图 8(d)，实现能量收集的同时还使其具有很好减振能力。未来，非线性系统 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1310 与超材料的深度融合将是能量收集领域的重点方向之一。 利用超材料将环境中不同频率的波分离到不同的空间位置，然后再分别对其进行收集，即彩 虹捕获 [113] ，也是宽频能量收集的有效策略之一。Tian [114] 在板波声子晶体中将不同频率的导波能 量分别集中在不同的位置实现了超声导波的彩虹捕获，如图 8(f)。当然，近些年来拓扑概念的引 入也加快了板波能量收集领域的发展，Wen 等人 [115] 利用板波声子晶体中 Kekulé扭曲实现的拓扑 零维谐振腔来进行具体有传输鲁棒性的能量收集。该方案的能量收集功率较裸板提升了 30 倍。 图 8 板波超材料在能量收集中的应用。(a)能量收集示意图 [102] ；(b)内部结构…”

Multi-sensitive temperature sensor platforms using aluminum nitride MEMS resonators

“…This SOI platform features the planarization of the bottom Mo and AlN, and the patterning of AlN, so as to provide planar devices with AlN only on the device areas. This planar topology enables the integration of composite devices that require co-planar acoustic wave propagation to maximize efficiency, like phononic-crystal-based acoustic reflectors for MEMS applications [22].…”