Analysis of thin-film solidly mounted resonators for applications in harsh environments

Abstract

(English) The sensing industry is constantly growing due to its demand in fields that require critical and essential information (data environment) for human safeness and quality of life. In recent years, designers, researchers and engineers have paid especial attention in at least three important characteristics in order to obtain reliable devices. These characteristics are: costs reduction, miniaturization for electronic integration compatibility (IC) and sensitivity. A promising technology that has the capacity to meet these requirements is the electroacoustic one. This technology is primary based on the propagation of surface acoustic waves (SAWs) and bulk acoustic waves (BAWs) in a piezoelectric material. For the last years, these devices have been studied and tested in different sensing applications such as gas detectors (gravimetric sensors), temperature monitoring and thin film growth. They have been tested in different fields such as automotive industry, food preservation and thin film deposition, and they have proved excellent performance. Moreover, these applications are special because the collected data occurs in harsh environments. Therefore, the required technology must possess special characteristics to meet these requirements under such environmental conditions. One more time, electroacoustic devices have showed good performance on this type of environments and conditions. BAW devices are an excellent solution to overcome the requirements needed due to their high resolution, straightforward fabrication process, high sensitivity, low costs, low size and compatibility with the IC technology. Specifically, the Solidly Mounted Resonator (SMR) configuration based on AlN is one of the best option since it has been widely studied. This configuration is well-known for its applications in Radio Frequency communication systems. Furthermore, it has demonstrated excellent performance and high quality factors in various sensing applications, even at high temperatures up to 1000°C. Additionally, it has exhibited spurious-free resonances. This characteristic is especially important in sensing applications as the presence of spurious modes can distort the sensor behavior and modify the results i.e., in mass detectors these spurious modes might affect the series frequency resonance, which is directly related with the change of the detected mass. Although this technology has been tested and showed excellent performance at high temperatures, there is a lack of studies in applications at very low or cryogenic temperatures. In this research work, we present results based on specific designs and simulations, considering the aforementioned requirements, such as temperature and pressure variations, as well as spurious-free resonances. This thesis introduces two significant novelties: the investigation conducted at low temperatures, which remains an essential area of research, on the other side, we include the examination of geometry and topology as potential contributors to the presence of spurious resonances. Additionally, we experimentally validate our models by means of data extracted from fabricated SMRs, which are based on the c-axis oriented AlN piezoelectric material. In order to carry out our simulations, we have paid careful attention to the well-known one-dimensional Mason’s model and Butterworth-Van Dyke (BVD), which are based on the physical properties of materials and equivalent electrical circuit, respectively. We have modified and updated these models to analyze the presence of a new resonator coupled with the main resonance frequency (2.5 GHz). In addition, we have put an enormous attention in the quality factor (Q), frequency resonances and effective piezoelectric coupling factor (keff2) behavior as a function of temperature. We carried out simulations and compared them with measurements from -160 °C up to 422°C.

(Español) La industria del desarrollo de sensores está creciendo constantemente debido a su alta demanda en sectores donde se requiere información crítica y esencial para el bienestar y la calidad de vida de los seres humanos (información del medio ambiente). En los últimos años, ingenieros e investigadores han dedicado mucho tiempo en la investigación de este campo, principalmente en tres principales características que son intrínsecas del diseño de sensores. Estas características son las siguientes: la reducción de costos, la miniaturización para la integración y compatibilidad en circuitos eléctricos y la sensibilidad. Una tecnología prometedora que cumple con los requisitos mencionados es la tecnología que está basada en dispositivos electro acústicos. El principio de operación de esta tecnología está descrito por la forma en que se propagan las ondas acústicas atreves de un piezoeléctrico. Existen dos formas principales las cuales son: SAWs and BAWs. Durante las últimas décadas del siglo pasado y en el reciente se han investigado este tipo de dispositivos electro-acústicos y han sido probados en diferentes aplicaciones, por ejemplo, en el censado de masa (sensores gravimétricos), detectores de temperatura, detectores de gases y en el monitoreo del crecimiento de películas delgadas entre otros. Estas aplicaciones han sido implementadas en industrias como: la automotriz, preservación de alimentos y crecimiento de películas delgadas y en todos los campos han demostrado excelente desempeño. Además, en este tipo de aplicaciones la recogida de datos es especial porque habitualmente tiene que ser en ambientes hostiles. Por tanto, esta tecnología tiene que cumplir ciertos requerimientos y condiciones para desempeñar un buen papel en estos medios. Según las últimas investigaciones esta tecnología ha demostrado buenos resultados en dichos ambientes. Para solventar los requerimientos mencionados en dispositivos de censado para ambientes hostiles. Los sensores electro acústicos basados en tecnologías de película delgada (BAWs) son una excelente opción debido a sus excelentes capacidades, tales como: alta resolución, procesos de fabricación sencillos, alta sensibilidad, bajo coste de producción, tamaños reducidos y su compatibilidad para integrarse en circuitos eléctricos. Especialmente, la configuración SMR-AlN, debido a que han sido muy estudiados en todo el mundo y son muy conocidos debido a que se han usado bastante en aplicaciones sistemas de comunicaciones de Radio Frecuencia. Además, recientemente se han diseñado y probado en aplicaciones de censado a muy altas temperaturas (1000°C), y han mostrado excelente desempeño, altos valores del factor de calidad y la ausencia de resonancias espurias. Esta última característica, es muy importantes en aplicaciones de censado debido a que estas resonancias pueden modificar la respuesta de los sensores y afectando directamente los resultados leídos. Por ejemplo, en detectores de masa estas resonancias espurias han probado que pueden afectar la respuesta de la frecuencia de resonancia principal del sensor, esta frecuencia está directamente relacionada con las lecturas de los valores de masa leídos. Aunque esta tecnología ha demostrado excelentes resultados para altas temperaturas existe un déficit de estudios a temperaturas criogénicas. En esta tesis, presentamos los resultados de nuestros modelos propuestos para diseñar SMRs, tomando en cuenta su geometría, configuración, materiales y condiciones ambientales tales como temperatura y presión atmosférica, además de que no haya resonancias espurias. Esta tesis introduce dos nuevas contribuciones en el diseño de SMRs: la investigación del comportamiento de los resonadores a muy bajas temperaturas debido a que aún hay bastante trabajo por hacer en este campo, por otro lado, el estudio de la geometría y la topología como posibles fuentes de resonancias espuerias.