ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Исследование влияния иммобилизации чувствительного слоя на электрические характеристики тонкопленочного ОАВ-резонатора от конструкционных параметров

Н.М. Жилин1,2,3, Т.Н. Улаева1,2,3, Н.А. Чириков1,2, В.Н. Щекатурова3, А.Н. Кузнецов1,2

1 Омский научный центр СО РАН (Институт радиофизики и физической электроники), Омск, Россия
2 Омский научно-исследовательский институт приборостроения, Омск, Россия
3 Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, Омск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.1 УДК 621.372.4 EDN OLVKRN

Аннотация

В работе исследовано влияние чувствительного слоя на электрические характеристики тонкопленочного ОАВ-резонатора с брэгговским отражателем на основе 6 пар слоев молибдена-титана (Mo-Ti) и ОАВ-резонатора с брэгговским отражателем на основе трех пар слоев молибдена-алюминия и одной пары молибдена-диоксида кремния (Al-Mo-SiO2). В качестве чувствительного материала использовался позитивный фоторезист, нанесенный капельным методом. Показано, что резонаторы с брэгговским отражателем Al-Mo-SiO2 сохраняют частотные параметры и добротность практически без изменений, в то время как структуры с брэгговским отражателем Mo-Ti демонстрируют сдвиг резонансных частот, уменьшение резонансного промежутка и рост добротности. Изменения частотных характеристик подтверждают влияние остаточных напряжений и граничных условий на работу устройств. Результаты подтверждают необходимость выбора материалов брэгговского отражателя для повышения чувствительности и перспективность применения ОАВ-резонаторов в составе микроэлектронных газовых сенсоров.

  • объемная акустическая волна
  • брэгговский отражатель
  • тонкопленочный резонатор
  • сенсор
  • иммобилизация
  • чувствительный слой
Abstract (in English)

Investigation of the influence of sensitive layer immobilization on the electrical characteristics of a thin-film BAW resonator as determined by structural parameters

The impact of a deposited sensing layer on the electrical characteristics of thin-film bulk acoustic wave (BAW) resonators with two Bragg reflector designs is examined: (i) six Mo-Ti quarter-wave pairs and (ii) a hybrid reflector of three Mo-Al pairs plus one Mo-SiO2 pair. A positive photoresist FP-383 served as the sensing material and was applied by drop-casting. Resonators employing the Mo-Al-SiO2 reflector maintain their frequency response and quality factor with negligible change, whereas Mo-Ti reflectors exhibit resonance-frequency shifts, a reduced resonant bandwidth and an increased quality factor. These behaviors point to the governing roles of residual stress and boundary conditions in device performance. The results highlight the need for careful reflector-material selection to enhance sensitivity and indicate strong potential for integrating BAW resonators into microelectronic gas sensors.

Для цитирования

Жилин Н.М., Улаева Т.Н., Чириков Н.А., Щекатурова В.Н., Кузнецов А.Н. Исследование влияния иммобилизации чувствительного слоя на электрические характеристики тонкопленочного ОАВ-резонатора от конструкционных параметров // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.1

Литература

  1. Carmona-Cejas J. M. et al. AlN-based solid mounted resonators functionalized with WO3 films for NO detection //Sensors and Actuators A: Physical. - 2025. - Т. 386. - С. 116355. https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.116355
  2. Esfahani S. et al. Indoor Air Quality CO2 Thermally Modulated SMR Sensor //Proceedings. - MDPI, 2024. - Т. 97. - №. 1. - С. 143. https://doi.org/10.3390/proceedings2024097143
  3. Pareek D. et al. Bulk acoustic wave resonators for sensing applications: A review //Sensors and Actuators A: Physical. - 2024. - Т. 378. - С. 115839. https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115839
  4. Wang Z. et al. Investigation of sorptive interactions between volatile organic compounds and supramolecules at dynamic oscillation using bulk acoustic wave resonator virtual sensor arrays //Microsystems & Nanoengineering. - 2024. - Т. 10. - №. 1. - С. 99. https://doi.org/10.1038/s41378-024-00729-x
  5. Liu Y. et al. Materials, design, and characteristics of bulk acoustic wave resonator: A review // Micromachines. - 2020. - Т. 11. - №. 7. - С. 630. https://doi.org/10.3390/mi11070630
  6. Liang X. et al. Mechanically driven solidly mounted resonator-based nanoelectromechanical systems magnetoelectric antennas //Advanced Engineering Materials. - 2023. - Т. 25. - №. 21. - С. 2300425. https://doi.org/10.1002/adem.202300425
  7. Bai X. et al. The thin film bulk acoustic wave resonator based on single-crystalline 43○ Y-cut lithium niobate thin films //Aip Advances. - 2020. - Т. 10. - №. 7. https://doi.org/10.1063/1.5143550
  8. Richter D. et al.Integrated high temperature gas sensor system based on bulk acoustic wave resonators //Sensors and Actuators B: Chemical. - 2006. - Т. 118. - №. 1-2. - С. 466-471. https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.04.041
  9. Zhao Y. et al. Advances in micro-and nano-scale resonant mass-sensitive gas sensors: Mechanisms, materials, functionalization and applications //Sensors and Actuators B: Chemical. - 2025. - С. 137415. https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.137415
  10. Zhang Y. et al. Film bulk acoustic resonators (FBARs) as biosensors: A review //Biosensors and Bioelectronics. - 2018. - Т. 116. - С. 1-15. https://doi.org/10.1016/j.bios.2018.05.028
  11. Oprea A., Weimar U. Gas sensors based on mass-sensitive transducers. Part 2: Improving the sensors towards practical application //Analytical and Bioanalytical Chemistry. - 2020. - Т. 412. - №. 25. - С. 6707-6776. https://doi.org/10.1007/s00216-020-02627-3
  12. Nordström M. et al. SU-8 cantilevers for bio/chemical sensing; fabrication, characterisation and development of novel read-out methods //Sensors. - 2008. - Т. 8. - №. 3. - С. 1595-1612. https://doi.org/10.3390/s8031595
  13. Berger C. M., Henderson C. L. The effect of humidity on water sorption in photoresist polymer thin films //Polymer. - 2003. - Т. 44. - №. 7. - С. 2101-2108. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(03)00079-X
  14. Memon M. M. et al. Surface acoustic wave humidity sensor: A review //Micromachines. - 2023. - Т. 14. - №. 5. - С. 945. https://doi.org/10.3390/mi14050945
  15. Xuan W. et al. A film bulk acoustic resonator oscillator based humidity sensor with graphene oxide as the sensitive layer //Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2017. - Т. 27. - №. 5. - С. 055017. https://doi.org/10.1088/1361-6439/aa654e
  16. Torgash T. N. et al. Investigation of Temperature Effect on Electrical Characteristics of Solidly Mounted Resonator //2022 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). - IEEE, 2022. - С. 1-4. https://doi.org/10.1109/WECONF55058.2022.9803482
  17. Улаева Т.Н. и др. / Влияние конструктивных параметров Брэгговских отражателей на температурные зависимости резонансных характеристик микроэлектронных ОАВ-резонаторов с пьезоэлектрическим слоем из нитрида алюминия // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2024. - Т. 18, № 11. - С. 4-13. https://doi.org/10.36724/2072-8735-2024-18-11-4-13
  18. Ulaeva T. N. et al. A Study of a Temperature Effect on Characteristics of a Solidly Mounted Resonator Based on AlN, Al, Mo and Ti Thin Films //2024 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). - IEEE, 2024. - С. 1-5. https://www.doi.org/10.1109/WECONF61770.2024.10564673
  19. Zhu Y. et al. Polyimide-based high-performance film bulk acoustic resonator humidity sensor and its application in real-time human respiration monitoring //Micromachines. - 2022. - Т. 13. - №. 5. - С. 758. https://doi.org/10.3390/mi13050758
  20. Wang L. et al. Multi-DoF AlN-on-SOI BAW MEMS resonators with coated ZIF-8 for gas sensing application //Microsystems & Nanoengineering. - 2025. - Т. 11. - №. 1. - С. 69. https://doi.org/10.1038/s41378-025-00917-3