根據莫斯科物理技術學院(Moscow Institute of Physics and Technology;MIPT)的研究人員解釋,這種較矽晶壓電更快的「聲波」諧振器已經成功地模擬超靈敏的感測器,突破微波領域的新紀錄。

MIPT超硬與新奇碳材料技術研究所(TISNCM)與西伯利亞聯邦大學(Siberian Federal University)攜手共同實現的這一突破性進展——鑽石基板MEMS諧振器,能在超過20GHz速度的同時,維持超過2000的品質因子(Q)。這一性能不僅可用於產生高速時脈訊號,同時可打造超靈敏的表面與體聲波(SAW/BAW)諧振器,以實現可偵測鄰近單一細菌以及其他奈米級毒物數量的生物感測器。

「許多研究均著眼於高頻SAW/BAW諧振器。有幾項報告都得到了極高頻率的結果,但其Q值卻相當低,」TISNCM研究人員Arseniy Telichko 指出,「我們的鑽石元件可作業於數十GHz頻率,而且只需調整其參數,例如厚度、寬度與電極材料等,即可產生近單模細菌檢測的結果。」

俄羅斯的研究人員表示,透過微調其高壓(HPHT)沈積製程,使其取得了較其他研究更優越的性能。其他的研究人員多半採用生長緩慢的化學氣相沈積(CVD)製程,而TISNCM所用的方法不僅更快,而且還能產生效果更完美的晶格。

「重點在於其他作者通常使用以相對較慢的碳沈積技術打造CVD鑽石。鑽石晶體緩慢『生長』,從而形成了一層薄膜。但這種CVD生長方式使得鑽石產生應力——多種內部力量在晶體中導致不均衡。」因此,Telichko指出,「透過HPHT,我們採用了幾乎純碳合成的單晶鑽石生長。因此,我們的鑽石事實上是一種單晶體,結構內部應力最小。所以,這種基於單晶鑽石的元件能在更高頻率下作業,具有更高的品質因子,通常也較CVD鑽石更優。」

Telichko指出,利用其純結晶基板實現更優質應用的關鍵在於將壓電材料層疊於兩金屬夾層(鋁和鉬)的基板上。因此,諧振器的結構不僅可實現更高的頻率,同時還能同步實現更高的Q值。

「在我們所研究的高泛音體聲波諧振器結構中,所有的參數主要都是由基板材料所決定。利用HPHT鑽石取代石英或甚至CVD鑽石基板,可實現性能更好、更高Q值、更高作業頻率(高達20GHz)以及更低損耗的元件,」Telichko表示。「最近我們已能展示鑽石的衰減在1-GHz後可達到線性頻率相關性,而其他的晶體則仍是平方相關性。這表示,1-GHz後的鑽石衰減(能耗)較其他晶體更低,使鑽石成為高頻電子應用的理想基板。」

Telichko表示,MIPT曾經在實驗研究中打造了許多鑽石諧振器,均可展現>20-GHz的作業能力,「是這一類元件寫下的最新世界紀錄。」然而,該研究團隊注意到在這一速度下會在泛音附近發生混波現象,這解釋了「蘭姆模式」(Lamb-mode)波形——取決於SAW/BAW平面運動的彈性波。

20160603_diamond_NT01 典型的壓電分層結構,可實現聲波傳播 來源:MIPT

為了使性能最佳化,俄羅斯研究人員調整了蘭姆波(Lamb-wave)傳播方式。利用有限元素分析,可詳細分析這種聲波在分層壓電結構中的傳播,以及繪製其相位速度曲線圖。

未來,研究人員計劃利用其他新材料實現壓電薄膜,從而避免峰值混波導致的蘭姆波。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Russian Make Diamond MEMS Resonators,by R. Colin Johnson)