膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计
薄膜体声波谐振器微加速度计惯性力敏特性
第13卷 第2期太赫兹科学与电子信息学报Vo1.13，No.2 2015年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr.，2015 文章编号：2095-4980(2015)02-0337-05薄膜体声波谐振器微加速度计惯性力敏特性何婉婧1,2，高杨2,3*，李君儒1，黄振华1，蔡洵1(1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010；2.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳 621999；3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆 400044)摘 要：研究了由硅微质量块-悬臂梁惯性力敏结构和氮化铝(AlN)薄膜体声波谐振器(FBAR)检测元件集成的FBAR微加速度计表头的惯性力敏特性。
采用有限元(FEA)静力学仿真，得到惯性力载荷作用下硅微悬臂梁上的应力分布；选取最大应力值作为载荷，基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式，预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量；采用谐响应分析，预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。
分析得到：惯性力载荷作用下，FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移，灵敏度约为数kHz/g；其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。
关键词：微电子机械系统；薄膜体声波谐振器；微加速度计；力敏特性中图分类号：TN102；TB934文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201502.0337Inertial force sensing characteristics of Film Bulk Acoustic wave Resonatorsmicro-accelerometerHE Wanjing1,2，GAO Yang2,3*，LI Junru1，HUANG Zhenhua1，CAI Xun1(1.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China；2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China；3.National KeyLaboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)Abstract：The inertia force sensing characteristics of FBAR(Film Bulk Acoustic wave Resonators) micro- accelerometer sensor are studied, which integrates inertial force sensing structure of silicon micro mass-proof and cantilever beams with AlN(Aluminum Nitride) FBAR detecting elements. The stress distributionof silicon micro supporting beam under the inertia force loads are obtained by applying Finite-ElementAnalysis(FEA) static simulation. Then the maximum stress value is selected as load, the relationshipsbetween elastic coefficient and stress of wurtzite AlN are calculated according to the first principles.Therefore, the maximum variation of AlN elastic coefficient under the inertia force load can be predicted.Next, the micro-accelerometer frequency characteristics and the tendency of FBAR micro-accelerometerare predicated through the analysis of harmonic response. It is concluded that the resonance frequency ofFBAR micro-accelerometer shifts to a higher one under an inertial load, with a sensitivity about kHz/g;and there exists a good linearity in the acceleration increment-frequency shift characteristic curve.Key words：MEMS(Micro-E lectro Mechanical Systems)；Film Bulk Acoustic wave Resonators；micro-accelerometer；force sensing characteristics薄膜体声波谐振器(FBAR)传感器是近十几年发展起来的一种新型的传感技术，具有灵敏度高、准数字量输出、便于集成、工作频率高等特点。
MEMS加速度计
MEMS加速度计MEMS加速度计(电容式)——即加速度传感器天津⼤学电科MEMS PPT演⽰⽂稿以上⼤家看到的各种神奇功能的实现必不可少的便是我们今天的主题——微机械加速度计，（mems加速度计，电容式mems 加速度计！）历史实际上，加速度计早就已经出现在我们的⽣活中，1657年，某⼈就发明了这个依靠加速度计计量时间的摆钟。
到了⼆⼗世纪，各种原理的加速度计如⾬后春笋⼀般涌现，1928振弦式，1938电阻式，1943压电式，1960压阻式，1973压电式，1979电容式。
在前⾯同学的精辟分析后/后⾯将还有⼀组同学向⼤家集中讲解压阻式加速度计，我们主要给⼤家介绍的是电容式加速度计。
原理常见的微加速度计按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等；按照加⼯⼯艺⽅法⼜可以分为体硅⼯艺微加速度计和表⾯⼯艺微加速度计；按⼯作⽅法⼜可分为开环加速度计和闭环(静电⼒平衡式)加速度计两种关于电容我们都很熟悉，图（a）就是在电容的上下极板上下运动的时候电容会发⽣变化，图b就是极板左右移动的时候电容发⽣变化，图c就是当极板中间插有介质，介质运动时电容也会发⽣变化电容式微加速度计的基本原理，就是利⽤电容来检测加速度场中检测质量在惯性⼒作⽤下的微位移。
由于微位移将引起检测电容的变化，检测电容信号经过前置放⼤、信号调理后，以直流电压⽅式输出，从⽽间接实现对加速度的检测。
根据平⾏板电容的计算公式：。
，可以通过改变极板叠合⾯积A、极板间隙d或极板间介质的相对介电常数等参数来调节电容值的⼤⼩。
反过来，也可以根据检测电容的变化，确定引起电容变化原因，进⽽实现对某些物理量的检测。
电容检测⽅式有三种：变介电常数型、变⾯积型和变极板间隙型。
在微加速度计的设计时，考虑到易于实现集成，常采⽤变极板问隙型检测⽅式来检测加速度。
电容值和极板间隙不是线性关系，常常采⽤差动电容检测⽅式以解决线性问题差动检测电容由公共活动电极(常为检测质量)和两个固定电极形成：在满⾜Ad<⽬前主要有三种结构形式的变间隙电容式微加速度计，分别是“三明治"式、“扭摆式"式和梳齿式结构。
ZnO薄膜体声波谐振器性能分析和研制
影 响 。采 用 硅 体 刻 蚀 工 艺 在 硅 基 片 上 制 备 了 以 Ｚ Ｏ 薄 膜 为 压 电 膜 的薄 膜 体 声 波谐 振 器 ， 对 器件 的性 能 进 行 了 测 ｎ 并 试 。将 实 验 与 理 论 分 析 结 果 进 行 对 比 ， 现 实 验 器 件 的谐 振 频 率 与 理 论 值 一 致 ， 器 件 Ｑ值 却 比理 论 值 低 ， 一 步 发 但 进 的分 析 揭 示 了实 际 器件 Ｑ值 偏 低 的 原 因 。 关 键 词 ： 波 器 ； 工 器 ； 荡 器 ； 频 微 机 电 系 统 ； 膜 体 声 波 谐振 器 滤 双 振 射 薄
Ｋｅ ｒ ｓ：ｉｔ ｒ； ｐｌ ｅ ； ｓ ｉｌｔ ； ｙ ｗｏ ｄ ｆｌｅ ｄｕ ｅｘ ｒ ｏ ｃｌａ ｏｒ ＲＦ ＥＭ Ｓ； Ｍ ＦＢＡ Ｒ
快 速发 展 的无 线 通 讯 技术 （ 移 动通 讯 、 线 如 无
模 型对基 于 Ｆ ＡＲ 的梯 形 滤 波器 进 行 了分 析 ， Ｂ ］ 但
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第 ３ 卷第 ４ ０ 期
２０ ０ ８年 ８ 月
压
电
与
声
光
Ｖｏ１ Ｏ ＮＯ． ．３ ４
Ａｕ ｇ． ２０ ０８
ＰＩ ＯＥ ＥＺ ＬＥＣＴＥＣＴＲＩ ＣＳ ＆ ＡＣＯＵＳ ＴＯＯＰ ＣＳ ＴＩ
文章 编 号 ：０ ４ ２ ７ ２ ０ ） ４ ０ ８ — ３ １ ０ —４ ４（ ０ ８ ０ — ３ ７ ０
ｗｏ ｋｍｅｈ ｄ ｒ ｔ ｏ ．Ｔｈ ｔｅ ｕ ｔｏ ｆ ｈ ｃ ｕ ｔ ｄａｗａ ｌｏｔｋ ｎ ｉｔ ｃｏ ｎ ｏ ｅ ａｕ ｔ ｎ ｏ ＢＡＲ ａ ｅａｔｎ ａｉｎｏ ｅａ ｏ ｓｉ ｍｅ ｉ ｓａｓ ａ ｅ ｎ ｏａ ｃ ｕ ｔ ｒＱ ｖ ｌａ ｉ ．Ｓ ｍｅＦ ｔ ｃ ｆ ｏ ｓ ｍ—
一种谐振式微加速度计的设计
流、 、 光 热等 多个 能量 域 的相 互作 用 。随着 器件 特征 尺 寸缩 小至 微 米量 级 时 ， 与结 构 特 征 尺 寸 成 低 次 方 的力起 主导 作用 （ 静 电力 、 如 粘性 力 等） 将 导致 微 观 ，
ｔ ｆｍｉｒ —ｃ ｅｅｏ ｔｒｗａ ｂ ｕ ８ Ｈｚ ｇａ ｄ ｔｅｉｈ ｒｎ ｒ ｑ ｅ ｃ ｆｔ ｅｏ ｅａ ｉｇ ｍｏ ｅｗａ ２ ． ８ Ｈｚ ｙｏ ｃ ｏａ ｃ ｌｒ ｍｅｅ ｓａ ｏ ｔ１ ／ ｎ ｈ ｎ ｅ ｅ ｔｆｅ ｕ ｎ ｙｏ ｈ ｐ ｒｔｎ ｄ ｓ６ ５ ９ １ｋ ．
关键 词 ： 型 电子 机械 系 统 （ Ｅ ） 谐 振 ；加 速 度 计 ；仿 真 模 拟 微 Ｍ ＭＳ ；
中 图 分 类 号 ： ｌＤｅ ｉ ｎ ｏ ｓ ｎａ ｅ Ｔｙ ｃ ｌ ｒ ｍ ｅ ｅ Ｎｏ ｅ ｓｇ ｆ Ｒｅ ｏ ｎｃ ｐｅ Ａｃ ｅ ｅ ｏ ｔ ｒ
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第 ２卷第３ ８ 期
２０ 年６ Ｏ ６ 月
压
电
与
声
光
Ｖｏ ． ８ ＮＯ ３ １２ ．
ＰＩ Ｚ Ｅ ＯＥＩＥ ＣＴＥ ＣＴＲＩ ＡＣＯＵＳ ＣＳ ８ ＴＯＯＰＴＩ ＣＳ
Ｊ ｎ ２０ ｕ．０６
文章 编 号 ：０ ４２ ７ （ ０ ６ ０ —２ ４ ０ １ ０ —４４ ２０ ）３０ ９— ３
一
种 谐 振 式 微 加 速 度 计 的 设 计
郑 哜 庸
（ ． 阴 工 学 院 机 械 系 ，江 苏 淮 安 ２ ３０ ；． 京 航 空 航 天 大 学 机 电工 程 学 院 ．江 苏 南 京 ２ ０ １ ） ｉ淮 ２ ０ １ ２南 １ ０ ６
薄膜体声波谐振器(FBAR)技术及其应用
Ｋｅ ｏ ｄ ： ＡＲ；Ｑ－ ａｕ ； ｏ ｒ ｈ ｎ ｌ ｇ ｃ ｐ ｂ ｌ ｙ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｏ ｉ ｈ ｆ ｅ ｕ ｎ ｉｓ ；Ｃ—ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｙ ｗ ｒ ｓ ＦＢ ｖ ｌ ｅ ｐ ｗｅ ａ ｄ ｉ ａ ａ ｉ ｔ ；ａ ｐ ｉ ｔ ｆｈ ｇ ｒ ｑ ｅ ｃｅ Ｉ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｉ ｃ ｏ
ｐ ｏｗｅ ａ ｌｎｇ ｃ ｐａ ｌｔ ｎｄ ａ ｌｃ ｔｏｎ ｏ ｇ ｆｅ ｅ ｃｉｓ ｎｄ ｃ ｍ ｐａ ｉ ｉｉｙ ｒ ｈ ｎｄ ｉ ａ ｂｉｉｙ ａ ｐｐ ｉａ ｉ ｆ ｈｉ ｈ ｒ ｑｕ ｎ ｅ ａ ｏ ｔｂｌｔ ｗｉｈ Ｉ ｔ ｃ ｏ ｏ ． Ｔ ｈ ｃ ｎ ｔ Ｃ ｅ ｈｎ ｌ ｇｙ ｅｙ ａ ｂｅ ｕ ｅ ｄｖ ｎｔ ｇ ｏｕ ｌ ｎ ＲＦ ｙ ｔ ｍ ｐｅ ａ ｉ ｇ ｂｅ ｗｅ ｎ ｌ ｎｄ １ ＧＨ ｚ Ｔｈｅ ｒ ｘ ｃ ｅ ｏ ｒ ｐｌｃ ｒ ｄ ｔｏ ｌ ｓ ｄ ａ ａ ａ ｅ ｓｙ ｉ ｓ ｓ ｅ ｏ ｒ ｔｎ ｔ ｅ ａ ０ ． ｙ ａ ｅ ｅ ｐｅ ｔ ｄ ｔ ｅ ａ ｅ ｔ ａ ｉｉｎａ ＳＡＷ ｄ ｖｉｅ ｎｄ ｍ ｉｒ ｅ ｃ ｓ ａ ｃ ｏｗａ ｅ ａ ｉ ｅ ｃ ｓ ｎ ｔ ｕ ｕ ｅ ｗ ｉｅ ｅ ｓ ｃ ｍ ｍ ｕｎｉａｔｏ ｙｓ ｅ ． Ｔｈｉ ｐ ｐｅ ｒ ｓ ｎｔ ｎ ｏ ｒ ｖｅｃ ｒ ｍ ｃ ｄ ｖｉｅ ｉ ｈｅ ｆ ｔ ｒ ｒ ｌｓ ｏ ｃ ｉｎ ｓ ｔ ｍ ｓ ａ ｒ ｐ ｅ ｅ ｓ ａ ｖｅ — ｖｅ ｏｆｔ ｉｃ ｐ ｅ ｏ ｉｗ ｈｅ ｐｒｎ ｉ ｌ ｆ ＦＢＡ Ｒ ｅ ｈｎ ｏ ｎ ｉｓ ｎｅ ｄｅ ｌｐｍ ｅ ｔ ａ ａ ｐｌｃ ｔｏ ． Ｔｈｒ ｅ ｄｅ ｉｅ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓ ａ ｔ ｃ ｏｌｇｙ ａ ｄ ｔ ｗ ｖｅｏ ｎ ｎｄ ｐ ｉａ ｉｎｓ ｅ ｖｃ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｎｄ ｔ ｉ ｆ ｂｒｃ ｔｏｎ ｅ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ． Ａ ｉｆｄ ｓ ｕｓ ｏｎ ｏｆｔ ｕ ｕｒ ｔｅ ｄｓ ａ ｈａｌ ｎ ｓ ｏ ｈｅｒ ａ ｉａ ｉ ｓ ｗ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｂｒｅ ｉｃ ｓｉ ｈｅｆ ｔ ｅ ｒ ｎ ｎｄ ｃ ｌｅ ｇｅ ｆＦＢＡ Ｒ ｅ ｈｎ ｏ ｓ ａ ｓ ｔ ｃ ｏｌｇｙ ｉ ｌｏ ｄ ｓ ｒｂｅ ． ｅ ｃ ｉ ｄ
谐振式微加速度计[发明专利]
![谐振式微加速度计[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/73ac833fc1c708a1294a44b6.png)
专利名称：谐振式微加速度计
专利类型：发明专利
发明人：熊继军,张文栋,石云波,李丽华,王楷群申请号：CN200810055267.5
申请日：20080623
公开号：CN101303365A
公开日：
20081112
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及微机械电子技术领域，具体是一种高灵敏度的谐振式微加速度计。
解决了传统基于应力改变的谐振式加速度计的测量灵敏度易受内部残余应力等因素影响的问题，该加速度计包括玻璃基底、质量块、两双端固定音叉谐振器，两谐振器并列/排设置，且敏感电容侧相对，敏感电容包含若干个一侧极板经连接梁与音叉梁固定的平板电容，平板电容的另一侧极板经支撑连接梁整体固定；质量块设置于两谐振器之间，质量块与其两侧谐振器之间分别设置有一组对称的微杠杆，质量块两侧的微杠杆相对于质量块对称，微杠杆一端与质量块固定，另一端与平板电容的支撑连接梁固定。
本发明结构合理，体积小，灵敏度高，检测效果好，具有良好的发展前景。
申请人：中北大学
地址：030051 山西省太原市尖草坪区学院路3号
国籍：CN
代理机构：山西太原科卫专利事务所
代理人：朱源
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【CN110095633A】带有片上温控的微谐振式加速度计及微谐振装置【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910316453.8(22)申请日 2019.04.19(71)申请人 清华大学地址 100084 北京市海淀区清华园1号(72)发明人 方政翔 韩丰田 尹永刚 吴秋平 董景新 刘云峰 (74)专利代理机构 北京华进京联知识产权代理有限公司 11606代理人 熊曲 李旭亮(51)Int.Cl.G01P 15/097(2006.01)G01P 15/08(2006.01)G05D 23/19(2006.01)G05D 23/20(2006.01)(54)发明名称带有片上温控的微谐振式加速度计及微谐振装置(57)摘要本发明涉及微谐振系统技术领域，特别是涉及一种带有片上温控的微谐振式加速度计及微谐振装置。
该带有片上温控的微谐振式加速度计包括微谐振检测结构和加热结构，以及用于承载微谐振检测结构和加热结构的基底，加热结构沿微谐振检测结构的周向设置在微谐振检测结构周围的基底上。
本发明的带有片上温控的微谐振式加速度计，加热结构集成在基底上，通过控制加热结构加热，能够在谐振式加速度计结构内部实现温度的恒定控制，有效抑制环境温度变化对加速度计精度的影响，同时可避免使用体积大、功耗高的温度控制装置。
且采用包裹式的加热结构，加热结构分布在微谐振检测结构的四周，使得温度分布更均匀。
权利要求书2页 说明书7页 附图3页CN 110095633 A 2019.08.06C N 110095633A权 利 要 求 书1/2页CN 110095633 A1.一种带有片上温控的微谐振式加速度计，其特征在于，包括：微谐振检测结构和加热结构，以及用于承载所述微谐振检测结构和所述加热结构的基底，所述加热结构沿所述微谐振检测结构的周向设置在所述微谐振检测结构周围的所述基底上。
2.根据权利要求1所述的带有片上温控的微谐振式加速度计，其特征在于，所述加热结构包括第一加热梁、第二加热梁和第三加热梁，所述第一加热梁和所述第二加热梁关于所述第三加热梁对称，所述第一加热梁与所述第三加热梁围成第一框体，所述第二加热梁与所述第三加热梁围成第二框体，所述微谐振检测结构包括结构相同的第一检测体和第二检测体，所述第一检测体和所述第二检测体关于所述第三加热梁对称，所述第一检测体位于所述第一框体内侧，所述第二检测体位于所述第二框体内侧。
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膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计高杨;何婉婧;李君儒;黄振华;蔡洵【摘要】针对“FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁”结构悬臂梁厚度不足、“嵌入式FBAR”结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型“膜片上FBAR (FBAR-on-diaphragm)”结构的微加速度计.其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性.对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性.通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度.进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性.【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2015(023)002【总页数】8页(P262-269)【关键词】微电子机械系统;薄膜体声波谐振器;微加速度计;灵敏度【作者】高杨;何婉婧;李君儒;黄振华;蔡洵【作者单位】中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621010;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999【正文语种】中文【中图分类】TB934FBAR（薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonator）微加速度计是一种基于FBAR应力-谐振频率偏移特性的新型谐振式微加速度计，具有高灵敏度（Δf / gn在100 kHz/g量级[1]）、高稳定性（FBAR的温度稳定性[2]可达±10-5）、IC工艺兼容等优点，有望满足惯性导航与制导、重力测量、油气探测、振动监测等关键应用的需求。
其工作原理是：惯性力作用于检测质量，带动支撑检测质量的悬臂梁变形，使得集成在悬臂梁上的FBAR产生应力，导致FBAR谐振频率偏移；利用适当的射频电路或矢量网络分析仪[1]测量FBAR的谐振频率偏移，实现惯性加速度的读出或测量。
文献[1]提出了两种FBAR微加速度计表头结构：FBAR-梁（FBAR-beam）结构和嵌入式FBAR（embedded-FBAR）结构。
嵌入式FBAR结构的微加工工艺较为复杂。
对于FBAR-梁结构，兼顾性能和工艺性的设计会导致悬臂梁厚度不足，无法获得较大的量程。
为了解决这一问题，提出了一种新颖的FBAR（FBAR-ondiaphragm）型微加速度计；由SiO2/Si3N4双层复合薄膜构成弹性膜片，既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工，也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。
通过有限元分析计算了SiO2/Si3N4膜片上FBAR结构的机械灵敏度和工作频率，验证了该结构的可行性。
针对SiO2/Si3N4两层复合膜片与Al(顶电极)/AlN (压电层)/Pt(底电极)三层堆叠的FBAR构成的力-声-电多物理场耦合的集成化惯性力敏结构，建立了五层复合FBAR的Mason模型等效电路，用于分析其阻抗特性。
结合纤锌矿AlN（氮化铝）薄膜的应力-弹性系数关系的第一性原理计算结果，提出了一种粗略估计膜片上FBAR型微加速度计灵敏度的方法。
FBAR-梁结构的微加速度计[1]主要特点是FBAR既作为检测元件，也是微加速度计的悬臂梁，如图1(a)所示。
其工作原理是检测质量将惯性加速度信号转换为作用于FBAR叠层结构中压电层的应力，而FBAR作为应力调谐的电声谐振器，其谐振频率将随压电层的应力作用而发生偏移[3]。
由于FBAR-梁结构的微加速度计悬臂梁厚度不足，无法获得较大的量程。
在此基础上提出了添加FBAR支撑层的设想，添加的FBAR支撑层同时作为微加速度计的悬臂梁，这种FBAR微加速度计的表头结构可以称为“梁上FBAR（FBAR-on-beam）结构”。
该结构主要由两部分组成，第一部分是作为惯性力敏结构的检测质量-悬臂梁，检测质量将惯性加速度信号转换为梁上的应力，再通过梁与FBAR的机械耦合，转换为作用于FBAR叠层结构中压电层的应力。
第二部分是作为检测元件的FBAR，其谐振频率将随压电层的应力作用而发生偏移。
图1(a)中的FBAR-梁结构，采用Si DRIE（Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀）制备背腔。
DRIE刻蚀后背腔后残留的Si材料对FBAR的谐振特性有很大的影响，当Si的厚度大于1 μm时，FBAR会寄生多个谐振模式[3]。
采用射频仿真软件ADS分析，得到残留Si厚度为10 μm时FBAR的阻抗特性曲线，如图2(a)所示，存在多个寄生的谐振模式。
故DRIE制备背腔时，必须完全去除FBAR背腔的Si。
如果在梁上FBAR结构的微加速度计表头中采用Si作为悬臂梁，则需要对Si梁背面、FBAR谐振区下方的Si进行二次套刻，以确保FBAR的背腔没有残留的Si，这会显著增加器件的微加工工艺难度。
Si3N4具有高致密性、高介电常数、高绝缘强度等优良的物理性能及抗疲劳强度高、抗折断能力强等优良的机械性能，且较薄的Si3N4不会对FBAR谐振频率产生影响[3]。
因此，采用Si3N4制作梁上FBAR结构的微加速度计的悬臂梁是可行的。
但是，由于工艺条件的限制，硅片上生长的低应力Si3N4薄膜不可能太厚，如厚度只能达到500 nm，在背面Si DRIE时极易被过刻蚀损伤。
因此，Si3N4单层支撑结构在工艺上是难以实现的。
由于SiO2在Si DRIE工艺中具有自停止性，且对FBAR有温度补偿提高温度稳定性的作用[4]，因此采用SiO2/Si3N4双层复合膜作为FBAR支撑层。
在梁上FBAR结构的微加速度计表头中，该SiO2/Si3N4复合层也是悬臂梁的结构层，如图1(b)所示。
同时，较薄的SiO2/Si3N4复合层不会影响FBAR的阻抗特性。
采用ADS仿真分析500 nm厚Si3N4与500 nm厚SiO2双层复合膜支撑的FBAR，得到其阻抗特性曲线，如图2(b)所示，与图2(a)对比可知没有出现寄生的谐振模式。
然而，由于工艺条件的限制，硅片上生长的低应力SiO2薄膜同样不可能太厚，如厚度只能达到500 nm，难以提高加速度计的量程。
此外，制备这种梁上FBAR 结构时，悬臂梁及梁上FBAR的加工同样需要精确对准，器件的可制造性并非得到根本改善。
最终的解决方法是用弹性膜片替代悬臂梁，弹性膜片的材料为SiO2/Si3N4双层复合薄膜，由此提出了“膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)型微加速度计”的新方案。
由于SiO2/Si3N4双层复合薄膜的圆膜片可以直接制作在硅片上，且与圆柱体检测质量是同心的轴对称结构，与梁上FBAR结构的微加速度计相比，不用单独对SiO2和Si3N4进行刻蚀，制备工艺得以大大简化，且具有结构皮实、固有频率高等优点。
首先，对FBAR微加速度计表头的惯性力敏结构进行设计，采用SiO2/Si3N4膜片上FBAR结构，通过ANSYS仿真分析了SiO2/Si3N4膜片-Si检测质量结构的灵敏度与固有频率，验证了惯性力敏结构的可行性；其次，对FBAR微加速度计表头的检测元件FBAR进行设计，将SiO2/Si3N4双层复合膜片视为基本的三层堆叠FBAR的支撑层，采用Mason模型建立SiO2(支撑层1)/Si3N4(支撑层2)/Pt(底电极)/AlN(压电层)/Al(顶电极)五层复合FBAR的等效电路模型；通过高频电磁场仿真软件ADS，仿真分析了惯性加速度空载条件下FBAR的谐振频率，结合节3的分析，验证了膜片上FBAR型微加速度计表头用于惯性力检测的可行性。
2.1 膜片上FBAR结构设计微加速度计的重要性能参数包括量程、灵敏度及固有频率。
针对本文提出的SiO2/Si3N4圆膜片上FBAR结构，采用有限元静力学仿真得到惯性加速度空载和不同载荷下弹性膜片的应力分布，通过数据拟合得到SiO2/Si3N4圆膜片-Si检测质量结构的灵敏度；通过模态分析得到圆膜片-检测质量结构的前4阶固有频率与振型。
FBAR-梁结构，FBAR的电气导线可以在SiO2/Si3N4电介质薄膜上直接布局布线并引出，不再受悬臂梁结构的制约；更为有利的是，SiO2/Si3N4圆膜片图形是依靠Si圆片背面DRIE刻蚀形成的，SiO2/Si3N4膜层无需图形化，不存在FBAR-梁结构中悬臂梁释放的需求，因此显著简化了器件的制备工艺。
当固连在圆膜片背部的Si检测质量受到惯性力作用时，检测质量发生离面(off-plane)运动，在SiO2/Si3N4圆膜片上产生面内(in-plane)应力，使得集成在膜片上、工作于纵波模式FBAR中的AlN压电层同样承受面内应力，最终导致FBAR谐振频率发生应力致偏移。
2.1.1 结构灵敏度分析一个SiO2/Si3N4圆膜膜片上FBAR结构设计实例如图3所示，SiO2/Si3N4圆膜片与Si检测质量为同心圆布局，4个FBAR在圆膜片上中心对称分布。
由于将整个SiO2/Si3N4膜片作为FBAR的支撑层，相比一个膜片上FBAR结构设计实例的结构参数如图3所示。
对该实例进行静力学仿真分析，当100 g惯性加速度作用于Si检测质量时，沿Z轴方向的应力、位移分布结果如图4所示。
为了估计膜片上FBAR型微加速度计的谐振频率偏移量，选取弹性膜片上沿Z轴方向的最大应力作为FBAR中AlN压电层的应力载荷。
在0～100 g的惯性加速度量程内，对SiO2/Si3N4膜片-Si检测质量进行结构静力学仿真，得到膜片沿Z 轴方向的最大应力和位移，如表1所示。
Si3N4的断裂强度为6.9～7.9 GPa[6]，对照表1的最大应力值，膜片强度设计在安全范围内。
采用Matlab拟合表1中的和惯性加速度-最大位移数据，得到如图5所示曲线，说明：该膜片设计实例在0～100 g的量程内有线性优良的惯性加速度-应力和惯性加速度-位移特性；SiO2/Si3N4膜片-Si检测质量的结构灵敏度约为4.39×10-2μm/g，沿Z轴方向的应力变化率约为0.084 MPa/g。