謝易微 許紹俊
摘 要: 隨著信息技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展,通訊設備中需要處理的信號頻段和信號量也在不斷增加。而聲表面波(SAW)器件不僅具有優(yōu)異的信號傳感、信號延時以及信號濾波功能,還具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、成本低、適于大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點,因此廣泛應用于通訊設備。本文設計了一個單端SAW器件,并使用COMSOL Multiphysics軟件對其進行有限元仿真分析,仿真發(fā)現(xiàn),器件的反諧振頻率為反諧振頻率為190.79MHz,諧振頻率為190.84MHz。
關鍵詞: SAW;COMSOL;有限元分析
隨著科技的發(fā)展,通訊系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅局限于手機、信號基站。隨著社會即將進入萬物互聯(lián)的時代,各種工業(yè)設備、常用家具、汽車等也會裝入信號終端,并且隨著5G技術(shù)的日益成熟,這些終端需要進行處理的信號頻段也越來越多,為了更加完好地處理信號,就需要對接收或者發(fā)射信號的準確的掌控。而處理信號每一個頻段,一般需要至少兩個性能優(yōu)異的濾波器,而隨著通訊技術(shù)的發(fā)展,信號網(wǎng)絡支持的頻段將會變得更多。頻段的上升使得濾波器的需求也越大,目前,濾波器占據(jù)著射頻前段市場最大的市場。濾波器主要有兩種類型,分別是聲表面波SAW器件[1]和體表面波BAW器件[2]。BAW器件往往設計及制作工藝復雜,而SAW器件結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、成本低、適于大規(guī)模生產(chǎn),廣泛應用于通訊設備中。2020年2月18日,高通公司推出Qualcomm ultraSAW濾波器技術(shù),器件在600MHz到2.7GHz范圍內(nèi)皆可完美發(fā)揮濾波性能。同時,這項濾波器技術(shù)的品質(zhì)因數(shù)高達5000,具有極其低的壓電損耗,能夠維持個位數(shù)的溫度漂移??梢?,SAW器件已經(jīng)成為研究的重點。
1 單端SAW器件的設計
SAW換能器主要依靠聲信號和電信號的相互轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)一定的功能,SAW換能器主要由叉指電極和反射柵構(gòu)成。單端SAW器件是諧振型SAW器件,主要擁有一個端口,這個端口通入一定頻率的信號,在叉指電極下方的壓電層由于逆壓電效應會產(chǎn)生振動,振動的信號向兩邊擴散,而反射柵的主要作用是將振動反射回端口。單端SAW換能器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖中各種參數(shù)的含義具體介紹如下:參數(shù)a指的是叉指電極中單個叉指的寬度;參數(shù)c指的是叉指的間距,a與c的比值稱為金屬化比率η;參數(shù)d指的是叉指電極距離邊緣的長度;參數(shù)e指的是反射柵中單個反射柵的寬度;參數(shù)W指的是聲孔徑,各個叉指相對的區(qū)域長度;參數(shù)da指的是叉指電極叉指電極總寬度;參數(shù)dc指的是聲表面波能量透射的深度,為振幅衰減為1/e時傳播的距離;參數(shù)de指的是諧振腔的有效距離;參數(shù)dg指的是叉指電極和反射柵的距離;參數(shù)df指的是反射柵的寬度。
參數(shù)設計時,均勻叉指的結(jié)構(gòu)較為簡單,因此選擇均勻叉指結(jié)構(gòu)。此時波長參數(shù)是a與c和的2倍,在考慮到光刻儀器的精度等原因,將參數(shù)a、c設置為8μm;參數(shù)d和參數(shù)e對器件性能影響不大,考慮到器件尺寸,設置為8μm;反射柵對數(shù)太少則不能將振動很好地反射,加上器件因素的考慮,設置為100對;聲孔徑在75~90倍波長時,擁有50歐姆的聲阻抗[3],將其設置為80倍波長;叉指對數(shù)會影響器件的帶寬和輻射功率,設置為80對叉指電極;不合理的dg值會導致反射柵無法精確反射振動波;dg的參數(shù)值應滿足:
dg=(n- 1 2 ) λ 2? ?(1)
dg越長,很顯然振動傳到反射柵的時間也會增加,雙端的SAW換能器正是利用這點,因此常用于延遲線的應用。因為設計的是單端的SAW換能器,器件的主要表征為諧振頻率,可以不用將器件尺寸設計特別大。這里選擇n=2,即叉指和反射柵的距離為3/4倍波長。結(jié)構(gòu)設計后,可以使用掩膜版進行圖形光刻,光刻后在壓電層上制備電極,最后進行電極剝離,既可得到單端SAW器件。SAW器件除了單端器件,還有主要運用于延遲線運用的雙端SAW器件,以及更為復雜的多端SAW器件,在叉指電極設計上,根據(jù)實際的應用情況,叉指電極還可以設計成具有屏蔽電極、假指、變跡叉指等形狀。
2 單端SAW器件的有限元仿真
單端SAW器件具有大量重復單元,并且反射柵不影響器件的諧振頻率。仿真時可以選取最小重復單元進行仿真。并且單端的SAW器件產(chǎn)生的振動波形從側(cè)面上看是一致的,因此可以將3維的重復性區(qū)域轉(zhuǎn)化成2維,仿真時可以減少一定計算量,提高效率。本文仿真的SAW整體結(jié)構(gòu)為:襯底是藍寶石;電極層是Mo金屬;壓電層是AlN薄膜。建模時,底層藍寶石區(qū)域厚度相對于電極厚度很大,在仿真時將其厚度設置94μm;Mo電極的厚度為200nm;AlN薄膜厚度為1.8μm;叉指電極寬度8μm。叉指電極距離邊界距離為4μm。使用COMSOL軟件的建模圖如圖2所示:
建模之后,設置相應的邊界條件,主要邊界條件設置為:在模型側(cè)面設置周期性邊界條件,在模型底部設置固定約束邊界條件,壓電層與Mo電極的接觸線設置為零電荷。接著在模型左上方壓電層與叉指的接觸線施加1V的電壓,在模型右上方壓電層與叉指的接觸線設置為接地。然后對模型進行網(wǎng)格剖分,這是有限元分析中重要的一步,因為有限元分析的主要思想是將求解的區(qū)域分割成很多個區(qū)域,每一個小區(qū)域假定一個近似的簡單解,通過邊界條件逐步推導滿足整個區(qū)域的解。網(wǎng)格剖分使用自由三角形網(wǎng)格,對Mo電極和壓電材料層使用“極細化”的尺寸要求,對藍寶石層使用“較細化”的尺寸要求。接著可對其進行有限元分析。仿真得到的結(jié)果如圖3所示:
圖a是瑞利波反對稱模式的振型圖,其頻率190.79MHz為反諧振頻率f1,圖b是瑞利波對稱模式的振型圖,其頻率19084MHz為諧振頻率f0,可以通過公式2得出器件的有效聲波傳播速度為6106.08m/s。
v= λ(f0+f1) 2? ?(2)
3 結(jié)語
本文主要介紹了單端SAW器件的主要的結(jié)構(gòu),并根據(jù)此結(jié)構(gòu),設計了一個單端SAW器件,最后對器件進行有限元仿真分析。研究發(fā)現(xiàn)這樣設計的SAW器件反諧振頻率為190.79MHz, 諧振頻率為190.84MHz,器件的有效聲速為6106.08m/s。本文設計的SAW換能器器件是結(jié)構(gòu)相對簡單的單端諧振SAW換能器,而在實際的應用中,為了滿足各個頻段以及適應特殊的應用領域,往往需要設計更加復雜的SAW換能器器件,而在器件的實際應用中,僅僅依靠以諧振頻率為主的仿真是不夠的,還可以仿真器件其他的電學性能、與其他器件的耦合等情況。
參考文獻:
[1]唐敏,肖雪.SAW濾波器的市場前景及發(fā)展趨勢[J].今日電子,2000(10):31-32.
[2]R.Aigner.基于CMOS工藝的高性能射頻濾波器:體聲波濾波器(BAW)[J].世界電子元器件,2003(5):38-41.
[3]陳菁菁.高頻金剛石多層薄膜結(jié)構(gòu)聲表面波濾波器的設計和研制[D].北京:清華大學,2004,46.