李志鵬， 孟 旭， 王博男， 張 超

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

聲表面波(surface acoustic wave，SAW)器件在電子通信技術(shù)、微流體、傳感器等領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用[1～6]。而且隨著壓電薄膜材料的研發(fā)與制備工藝的完善，一些學(xué)者開(kāi)始致力于研究基于層狀壓電薄膜結(jié)構(gòu)的具有高頻、高機(jī)電耦合系數(shù)、高品質(zhì)因數(shù)的SAW器件[7～11]。一般情況下，使用高聲速的基底材料或者縮短SAW的波長(zhǎng)可以有效提高SAW工作頻率。但是，以上這些提高SAW器件頻率的方法會(huì)受到材料本身聲速的限制與制備工藝的制約。比如，傳統(tǒng)的金屬叉指換能器(interdigital transdu-cer，IDT)的布局處于同一壓電沉底或壓電薄膜層，由于受到制備工藝、高成本、高頻所帶來(lái)的機(jī)械振動(dòng)及高溫的影響，IDT的周期不能制備到很小的水平。

鈮酸鋰(LiNbO3)是近幾年研究熱度比較高的壓電薄膜材料，因其可以激發(fā)出有較高相速度的SAW，更因其比其他壓電薄膜具有更高的機(jī)電耦合系數(shù)而備受關(guān)注[12,13]。此外，LiNbO3也可以沉積在具有更高相速度的襯底材料上，比如金剛石或者碳化硅，所以，同樣也是多層SAW器件的理想選擇材料。

本文將在多層狀SAW器件(IDT/LiNbO3/金剛石(diamond)/Si)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將原本處于同一工作平面內(nèi)布局的IDT進(jìn)行錯(cuò)層布局處理，即將不同極性的電極布置在不同的材料表面，以期達(dá)到進(jìn)一步提高SAW工作頻率或縮小結(jié)構(gòu)尺寸的目的。

1 仿真模型的搭建與結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

一般多層SAW器件結(jié)構(gòu)由IDT(電極層)、壓電薄膜層、增速層、基底層等組成，如圖1(a)所示。叉指電極統(tǒng)一分布在壓電薄膜層或增速薄膜層表面。SAW以駐波的形式在壓電薄膜層與增速薄膜層中傳播。本文將探討具有錯(cuò)層分布的IDT結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。將IDT的接地電極與信號(hào)輸入電極分別設(shè)置在不同的材料層表面。具體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在圖1(c)中進(jìn)行了說(shuō)明。

圖1 仿真模型

兩異性電極之間的間距為S1與S2，如果是均勻IDT，則有S1=S2，兩同性電極之間的橫向距離S3可以通過(guò)以下方程計(jì)算得到

S3=S1+d+S2

(1)

這些結(jié)構(gòu)尺寸是縮小波長(zhǎng)(λ)和增加SAW器件工作頻率的關(guān)鍵

λ=S3+d

(2)

本文利用COMSOL-Multiphysics 5.6仿真軟件，采用有限元方法對(duì)圖1所示的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論研究與對(duì)比分析。每一種結(jié)構(gòu)本文都采用雙周期的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。兩種結(jié)構(gòu)形式除了同性電極所處不同薄膜層表面外，其余參數(shù)全部相同。

圖2 仿真模型各結(jié)構(gòu)參數(shù)示意

具體尺寸的初始值及邊界條件列舉于表1與表2中。IDT的電極極性可以互換的。

表1 仿真模型初始結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 仿真模型的邊界條件

由于壓電材料具有各向異性，所以,不同的切型將會(huì)導(dǎo)致壓電材料表現(xiàn)出不同的壓電特性。根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]中所公示的128°YX-LiNbO3材料參數(shù)，在COMSOL中通過(guò)用戶定義的方式，對(duì)壓電材料的彈性矩陣、耦合矩陣、相對(duì)介電常數(shù)及密度進(jìn)行設(shè)置，無(wú)需再對(duì)LiNbO3壓電層進(jìn)行坐標(biāo)系變換操作。為了降低仿真軟件的運(yùn)算量，圖1中的所有結(jié)構(gòu)采用二維模型進(jìn)行仿真研究。

2 仿真結(jié)果與分析

在仿真結(jié)果的研究方面，建立了三項(xiàng)研究?jī)?nèi)容：1)特征頻率研究，主要研究在特定結(jié)構(gòu)參數(shù)下SAW器件的正、反特征頻；2)頻域研究，針對(duì)研究?jī)?nèi)容1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)繪制SAW器件的導(dǎo)納曲線；3)參數(shù)化掃描，掃描內(nèi)容分別為hLN，hDIA,S1三個(gè)參數(shù)項(xiàng)，輸出結(jié)果為SAW器件的正、反特征頻率、電勢(shì)、振型等。

為了明確IDT錯(cuò)層布局對(duì)SAW的影響，選擇了3個(gè)SAW器件性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，分別是特征頻率f,機(jī)電耦合系數(shù)K2以及導(dǎo)納比AR。

特征頻率f的定義為[15]

f=(f++f-)/2

(3)

式中f+為正特征頻率，f-為反特征頻率。

機(jī)電耦合系數(shù)K2的定義為[15]

K2≈2×(f+-f-)/f-×100%

(4)

導(dǎo)納比AR的定義為[16]

AR=20lg |Y+/Y-|

(5)

式中Y+為正特征頻率下的導(dǎo)納，Y-為負(fù)特征頻率下的導(dǎo)納。

圖3為初始結(jié)構(gòu)參數(shù)下兩種不同IDT布局的仿真結(jié)果，從中可以發(fā)現(xiàn)IDT錯(cuò)層布局與IDT同層布局相比，SAW器件的振型沒(méi)有發(fā)生變化，二者的正特征頻率f+均為1.01 GHz，反特征頻率f-均為1.03G Hz，根據(jù)式(4)可以計(jì)算得知，機(jī)電耦合系數(shù)K2也未發(fā)生變化，只有導(dǎo)納比AR從52降低到14，這并不是十分理想的結(jié)果。為此，還需要進(jìn)一步研究將IDT錯(cuò)層布局的可行性。

圖3 初始值仿真結(jié)果

SAW在石英等單晶體襯底中傳播時(shí)不會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象，但是SAW在多層狀壓電結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，色散現(xiàn)象將無(wú)法避免的發(fā)生，這就需要研究薄膜層厚度(hLN，hDIA)的變化對(duì)SAW傳播的影響。

圖4(a)～(c)所示為在不同的LiNbO3薄膜層厚度條件下，兩種結(jié)構(gòu)特征頻率f,機(jī)電耦合系數(shù)K2以及導(dǎo)納比AR的變化關(guān)系。從中可以發(fā)現(xiàn)：隨著LiNbO3薄膜層厚度的降低，兩種結(jié)構(gòu)的特征頻率f有著顯著的提升；K2保持在3.96～4.00之間，沒(méi)有明顯改變；IDT平層布局的AR有著相對(duì)較大的波動(dòng)，而IDT錯(cuò)層的AR波動(dòng)較小，但整體上仍然小于平層布局。

圖4(d)～(f)所示為在不同的Diamond薄膜層厚度條件下，兩種結(jié)構(gòu)f、K2以及AR的變化關(guān)系。從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著Diamond薄膜厚度的增加，兩種結(jié)構(gòu)的f有著顯著的提升;K2保持在3.994～3.998之間，沒(méi)有明顯改變；IDT平層布局的AR在40～50之間波動(dòng)，IDT錯(cuò)層的AR在10～20之間波動(dòng)，整體上仍然小于平層布局。

對(duì)于平層IDT，叉指電極為二維空間內(nèi)布局，電極間距S1的可變范圍極為有限，在參數(shù)掃描項(xiàng)中對(duì)S1的可變范圍設(shè)定為+0.25λ(1 μm)～0。而對(duì)于錯(cuò)層IDT，叉指電極為三維空間內(nèi)布局，電極間距S1的可變空間也就大了許多，在參數(shù)掃描項(xiàng)中對(duì)S1的可變范圍設(shè)定為+0.25λ(1 μm)～-0.25λ(-1 μm)。當(dāng)S1為-1 μm，正負(fù)電極在基底平面上的投影將完全重合。圖4(h)～(g)所示為在不同的正負(fù)電極間距S1條件下，兩種結(jié)構(gòu)f、K2以及AR的變化關(guān)系。

圖4 參數(shù)化掃描研究結(jié)果

當(dāng)平層IDT布局的電極間距S1從1 μm變化到0 μm的過(guò)程中，f與K2會(huì)在一個(gè)小范圍內(nèi)產(chǎn)生輕微的波動(dòng)，而AR將會(huì)大范圍的下降，當(dāng)S1減小到0.5 μm時(shí)，SAW器件將再也無(wú)法激發(fā)出SAW，SAW器件失去工作能力。

當(dāng)錯(cuò)層IDT布局的電極間距S1從1 μm變化到-1 μm的過(guò)程中，f線性下降了0.03 GHz;K2經(jīng)歷了一個(gè)先下降后上升的過(guò)程，當(dāng)S1為-0.4 μm時(shí)，K2達(dá)到最小值3.976;AR同樣經(jīng)歷了一個(gè)先小幅度下降然后大幅度上升的過(guò)程，當(dāng)S1減小到0.2 μm時(shí)，AR達(dá)到最小值15.9，后AR開(kāi)始快速上升，當(dāng)S1減小到-1 μm時(shí)，即正負(fù)電極在基底平面的投影完全重合時(shí)，AR達(dá)到最大值57.2，超過(guò)了平層IDT布局初始參數(shù)條件下的AR值52。

3 結(jié) 論

從仿真結(jié)果看，僅僅將IDT從平層布局轉(zhuǎn)變?yōu)殄e(cuò)層布局，SAW器件的特征頻率、機(jī)電耦合系數(shù)相差無(wú)幾，導(dǎo)納比卻有所下降，即使考慮了多層狀壓電結(jié)構(gòu)對(duì)SAW傳播的色散影響，仿真結(jié)果依然再次驗(yàn)證了以上結(jié)論。

但是IDT錯(cuò)層布局的最大優(yōu)勢(shì)是將IDT平層布局的叉指電極二維平面布局轉(zhuǎn)化為三維立體空間布局，布置形式變得更加靈活，從仿真結(jié)果中可以清晰的看出，當(dāng)正負(fù)電極在基底平面的投影完全重合時(shí)，SAW器件依然可以穩(wěn)定激發(fā)出SAW，特征頻率與機(jī)電耦合系數(shù)未出現(xiàn)明顯變化，導(dǎo)納比有顯著提升。換言之，在不增加差指指條對(duì)數(shù)的前提下，采用IDT錯(cuò)層布局的SAW器件在保持性能不變的情況下，SAW器件體積可以縮小一倍；在不改變SAW器件尺寸的前提下，采用IDT錯(cuò)層布局的SAW器件也會(huì)更加容易實(shí)現(xiàn)特征頻率的提高設(shè)計(jì)與制備。