微质量检测领域的快速发展对传感器件的灵敏度提出更高的要求。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)因为具有高灵敏度、体积小、高谐振频率、低功耗、与CMOS集成等优点,引起了广泛的关注。其可以制成低成本、易于批量生产、可实时测量的微质量传感器,已经在气体和生物分子探测等领域显示出广阔的应用前景。虽然传统FBAR器件的主要优点就是其相对较高的质量灵敏度,但面对大多数生物分子相互作用分析应用所提出的超高灵敏度(100pg/cm2)要求,传统的FBAR仍然难以满足。特别是在样品量小,目标浓度低的环境中,吸附在传感器表面的生物分子很少且难以区分。最近提出的减小压电薄膜厚度和质量放大等方法存在工艺复杂、成本高和不利于批量生产等问题。本文中提出在FBAR的上电极表面增加微柱阵列,形成耦合共振系统的质量灵敏性提升方案。利用耦合共振效应,增大FBAR的谐振频率变化,进而提高FBAR的质量灵敏度。这种结构创新一方面增加了 FBAR的接触面积和吸附空间,另一方面具有成本较低和易于操作的优势。论文内容主要包括以下三点:1.首先叙述FBAR器件的工作原理、基本结构,以及工作模式。然后以传统纵波模式FBAR为研究对象,根据固体的声学特性和声波传输特性,推导出弹性波波动方程,并研究压电材料的基本特性和耦合波方程。最后构建二自由度力学模型,依据机械振动原理和运动定律,在理论上分析耦合共振系统的可行性。2.构建传统FBAR的理论模型,利用有限元方法对FBAR的电极和压电薄膜进行优化仿真。通过对照比较,分别探究电极的材料与厚度、压电薄膜的材料与厚度对器件性能的影响。发现在器件结构相同的情况下,电极材料为金时,器件的品质因数较高,说明能量损耗较小;谐振频率变化与电极厚度之间呈现线性关系;压电薄膜为氮化铝时,器件的品质因数达到1053;品质因数随着压电薄膜厚度的增加而下降。3.利用有限元方法对微柱阵列的结构参数进行优化。设计多组对照实验,分析微柱高度、微柱直径和微柱间隔对器件性能的影响。结果表明:微柱高度对谐振频率影响较大,进而提高FBAR器件的质量灵敏度,这证明由FBAR器件和微柱阵列构成耦合共振系统是可行的。微柱直径过大时,由于受到寄生波的影响,器件的品质因数会发生下降。微柱间隔对器件的谐振频率和品质因数影响较小。当微柱高度为0.114 μm,微柱直径为5 μm,微柱间隔为1.3 μm时,FBAR器件的质量灵敏度可以达到5.295 KHz.cm2/ng。与传统的FBAR相比,本文设计的传感器质量灵敏度高,检测极限低,可以更好的检测气体和生物分子。仿真实验表明:为FBAR的电极和压电薄膜选择合适的材料和厚度,可以增大器件的谐振频率变化,进而改善器件性能。通过优化微柱阵列的结构参数,利用耦合共振效应提高器件的质量灵敏度,为FBAR器件制造提供合理的设计方案。基于微柱结构的FBAR器件在微质量检测领域具有应用的潜力。