金刚石多层膜结构声表面波器件的有限元仿真

发布时间：2020-03-17 23:07

【摘要】：第五代移动通信系统(5G)将有更高的传输速率,会给人们的生活带来极大的便利。而射频声表面波(SAW)滤波器、双工器是5G无线通信的核心部件。5G将会采用3GHz以上频段,因此高频是SAW器件发展的重要方向。高频需要SAW器件的叉指线条往微细化方向发展或材料声速往更高的方向发展。线条微细化会造成器件的耐受功率性能迅速下降,因而提高SAW材料声速是主要的方法。金刚石在所有材料中声速最高,但金刚石本身没有压电性,因此需要在其表面覆盖一层压电薄膜。但是随着声表面波器件层数的增加,由单层演变到多层,增加了声表面波传播性能模拟计算的复杂度。传统的分析方法会变得复杂且精确度较低,而有限元法(FEM)可以提高模拟计算的精确度。在本文中,首先介绍了金刚石多层膜结构SAW器件的基本构造和工作原理,然后重点介绍了SAW器件的COM方程和使用有限元法计算SAW传播特性参数。针对压电薄膜/金刚石多层膜结构SAW器件,系统研究了不同取向的ZnO对ZnO/金刚石多层膜结构SAW激励方式和传播特性的影响。通过仿真得到,在瑞利波中(100)ZnO/金刚石结构激励的SAW相速度和机电耦合系数K~2较高。在乐甫波中ZnO/金刚石结构激励的最大机电耦合系数K~2达到4.26%,通过引入SiO_2层改善了ZnO/金刚石结构乐甫波的频率温度系数(TCF),使其TCF值接近于0。设计了一种((100)AlN/(100)ZnO)_N/金刚石周期性多层膜结构,在获取足够大的SAW机电耦合系数K~2的前提下,进一步提高了ZnO/金刚石结构的SAW相速度。研究了该结构中N=1和N=2时的Sezawa波传播特性和该结构中不同的电极位置对Sezawa波传播特性的影响(目前尚未见报道)。通过仿真发现,((100)AlN/(100)ZnO)_2/金刚石结构的SAW传播性能表现得更加优异。最后,在综合优化金刚石多层膜结构参数的基础上设计并仿真了IDT/(100)AlN/(100)ZnO)_2/金刚石结构SAW单端谐振器和延迟线,并考虑了电极反射的影响。通过仿真发现,电极厚度的增加会增大反射系数,对器件的S_(11)和S_(21)参数影响较大。因此,当SAW单端谐振器组成梯形结构滤波器时,可以选择较厚的电极h_(IDT)/λ≈9%,而当SAW延迟线作为滤波器时则需要选择较薄的电极h_(IDT)/λ≈1%。
【图文】：

第一章 绪论多层膜结构声表面波器件简介声表面波器件基本结构是在压电基底上利用半导体工艺制作加如图 1-1 所示。其基本工作原理是：在输入 IDT 上施加交流电于压电晶体的逆压电效应，压电晶体表面产生形变以声表面右两个方向进行传播。其中，沿着左边方向传播的 SAW 到达收掉。沿着右边方向传播的 SAW 传播到输出 IDT 上，，经过压成电信号输出，另一部分 SAW 继续向前传播到基片边缘处被便完成了电转声、声转电的转换过程[7]。

图 1-1 声表面波器件基本结构叉指换能器结构如图 1-2 所示，a 表示叉 波长或 IDT 周期)，P 表示不同极性相邻叉T 主要用于在压电基片表面激励和接收声相互转换，它具有声电转换效率高、设计表面波器件中[8]。随着声表面波技术的不越来越低，性能在不断提高[7,8]。因此，I基于 MATLAB 开发了一些基本结构的 Ie, GUI)，具体见附录 A。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN65

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本文编号：2587829