朱 敏, 謝立強(qiáng), 劉智榮, 包文歧, 徐才華
(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)
近年來, MEMS(Micro-electro mechanical systems)技術(shù)一直持續(xù)高速發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用。聲表面波(Surface acoustic wave,SAW)器件作為一類重要的MEMS器件,以其結(jié)構(gòu)簡單、頻率特性好、敏感性強(qiáng)以及可無源無線工作等諸多優(yōu)點被大量研究和應(yīng)用[1-3]。當(dāng)前SAW器件應(yīng)用范圍已經(jīng)由傳統(tǒng)的濾波器、振蕩器等信號處理型器件拓展到傳感器、執(zhí)行器等多種功能器件,可實現(xiàn)對溫濕度[4-5]、壓力[6]、氣體[7]等的感測,可實現(xiàn)對微流體的驅(qū)動控制[8],甚至可實現(xiàn)SAW馬達(dá)[9]。SAW器件主要采用石英、鈮酸鋰等壓電單晶體或者鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷作為基底材料,該類壓電基底材料均勻性好,機(jī)電耦合系數(shù)大,聲表面波傳播損耗小。然而,獲得高純度壓電單晶體的代價很高,切片拋光定向等工藝較為繁瑣,其機(jī)電耦合系數(shù)與溫度穩(wěn)定性一般難以調(diào)和。壓電陶瓷在一致性、溫度穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性等方面存在的固有問題,使其較難獲得高性能。因此,在硅、金剛石等襯底上沉積多層壓電薄膜和介質(zhì)薄膜的SAW器件成為一個較好的解決方案。在襯底上通過制備多層膜結(jié)構(gòu)的方式制備SAW器件,非常有利于對器件性能的調(diào)控,如選用不同襯底和不同膜厚可以調(diào)控SAW的相速度,引入不同特性膜層可以相互補(bǔ)償溫度系數(shù),從而提高器件的溫度穩(wěn)定性。復(fù)合膜結(jié)構(gòu)還利于實現(xiàn)對特定傳感器的設(shè)計。
國內(nèi)外學(xué)者開展復(fù)合膜結(jié)構(gòu)SAW器件的研究有很多。在理論方面,Jin等[10]利用三維有限元方法分析了ZnO/金剛石上瑞利波和勒夫波的激發(fā)條件與振型模態(tài)。Luo等[11]利用有限元方法對IDT/(110)ZnO/SiO2/Si結(jié)構(gòu)水平剪切波進(jìn)行了分析,當(dāng)hZnO/λ=0.2,hSiO2/λ=0.1時,機(jī)電耦合系數(shù)取得最大值為3.37%,TCF值接近于0,為-0.1×10-6/℃。王艷等[12]利用有限元方法研究SiO2薄膜的引入對ZnO/IDT/Si結(jié)構(gòu)中瑞利波特性的影響,結(jié)果表明,雙層SiO2薄膜的引入可以提高器件的相速度、機(jī)電耦合系數(shù)以及實現(xiàn)溫度補(bǔ)償。在實驗方面,Lu等[13]制作了ZnO/SiO2/SiC結(jié)構(gòu)的單端口諧振器,當(dāng)hZnO/λ=0.2,hSiO2/λ=0.55時,測得器件頻率達(dá)到5 GHz以及TCF為0.7×10-6/℃。Su等[14]通過嵌入式電極和SiO2導(dǎo)波層,制作了SiO2/ZnO/(IDT+SiO2)/Al2O3結(jié)構(gòu)的SAW器件,可以實現(xiàn)小的相速度vp、大的機(jī)電耦合系數(shù)k2和接近于零的頻率溫度系數(shù)(TCF)。陳穎慧等[15]通過射頻磁控濺射法將ZnO薄膜沉積在Si、金剛石襯底上,研究了襯底的不同、氬氧比和退火溫度等因素對ZnO薄膜質(zhì)量的影響。
本文針對ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件開展相關(guān)理論分析與有限元仿真工作,分析SAW器件激發(fā)的瑞利波特性,如諧振頻率、相速度以及機(jī)電耦合系數(shù)等并通過實驗驗證,討論SAW器件的特性,為復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)的SAW器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。SAW器件基本結(jié)構(gòu)由壓電襯底和金屬電極組成。金屬電極包括叉指換能器和反射柵兩種,其中叉指換能器(Interdigital transducers,IDT)由兩組周期分布、交替排列的梳指狀金屬電極組成,每組電極通過匯流條進(jìn)行連接。叉指換能器的功能是在SAW器件的壓電薄膜表面激勵和檢測SAW,從而實現(xiàn)電信號與SAW信號之間的相互轉(zhuǎn)換。反射柵由周期性的金屬電極組成的陣列結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)對所經(jīng)過的聲表面波進(jìn)行反射和透射。
圖1 ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件結(jié)構(gòu)圖
在壓電基底上存在著聲場和電場的相互耦合,研究聲表面波的傳播特性就需要考慮運(yùn)動方程和麥克斯韋電磁方程,這兩個方程通過壓電方程耦合得到壓電材料的耦合方程[16]
(1)
本文利用COMSOL有限元仿真軟件對復(fù)合膜結(jié)構(gòu)SAW器件進(jìn)行建模以及對式(1)進(jìn)行求解,根據(jù)仿真分析得到的諧振頻率,計算得到該器件的聲表面波速度。
利用COMSOL對ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件進(jìn)行建模,所建的三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。IDT選用均勻叉指換能器,λ為聲波波長,w為孔徑長度。利用周期性邊界條件,將沉積在ZnO薄膜上IDT電極簡化為一對電極組成的周期型結(jié)構(gòu),并且在仿真過程中忽略IDT的質(zhì)量和勁度系數(shù)對器件的影響。與二維模型不同的是,三維模型建模時需要考慮IDT孔徑w的長度,使其更為貼近SAW器件的實際情況。定義器件在水平剪切方向z與傳播方向x的尺寸比例系數(shù)Q為[17]
式中:Q值一般在0.5~5之間。本文N取值為1,Q取值為1,則w=λ。
圖2 IDT/ZnO/SiO2/Si復(fù)合SAW器件模型
SAW器件模型的基本參數(shù)如表1所示,其中p為叉指電極中心距離,a為叉指電極寬度,h為叉指電極高度。
表1 SAW器件三維簡化模型參數(shù)
由于聲表面波能量主要集中壓電薄膜表面以下1~2波長范圍內(nèi),而且隨著襯底深度的增加,其振動幅度急劇衰減至0,所以在仿真模型中將襯底厚度設(shè)置為3λ即可。在Si襯底和ZnO壓電薄膜之間沉積一層SiO2薄膜可以改善ZnO薄膜的生長質(zhì)量以及提高SAW器件的溫度穩(wěn)定性。當(dāng)ZnO薄膜厚度與SiO2薄膜厚度比值為2∶1時,SAW器件的頻率溫度系數(shù)TCF接近于0[11]?;诖?,仿真模型中的SiO2薄膜設(shè)置為0.15 μm,ZnO薄膜厚度為0.3 μm,Si襯底厚度為24 μm。
模型建好之后,從COMSOL 軟件材料庫中添加材料,并根據(jù)實際情況對材料屬性進(jìn)行修改。所使用Al、ZnO、SiO2以及Si材料參數(shù)如表2所示[14,18]。
模型邊界條件設(shè)定如下:仿真模型下表面設(shè)為固定約束,此時其電學(xué)邊界條件為零電荷。仿真模型前后面、左右面分別設(shè)置一組周期性邊界條件,用來規(guī)定兩側(cè)的電勢和位移是相等的。金屬電極上表面作為等電位區(qū)域,只需給其下表面使用邊界條件即可,左側(cè)終端的邊界設(shè)為電接地,右側(cè)終端的邊界接1 V電壓。其余的邊界條件在默認(rèn)情況下分別是結(jié)構(gòu)邊界中的自由邊界和電學(xué)邊界的零電荷邊界。
表2 仿真所用的材料參數(shù)
為了便于控制網(wǎng)格大小,使用的是用戶控制網(wǎng)格,將網(wǎng)格的大小設(shè)置為沿著模型厚度方向從下到上依次遞減。劃分的網(wǎng)格大小不宜過大或者過小,網(wǎng)格過大導(dǎo)致仿真精度不夠,而網(wǎng)絡(luò)過小致使計算量過大,仿真時間過長。選擇合適的網(wǎng)格大小既可以獲得較好的仿真精度又可以提高仿真效率。通過添加特征頻率研究、頻域研究來求解器件的諧振頻率、反諧振頻率以及計算在一個或多個頻率下的諧波激勵響應(yīng)。圖3為特征頻率研究下的IDT/ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件振型圖,其諧振頻率和反諧振頻率分別為554.81 MHz和557.63 MHz。有反諧振頻率與諧振頻率的存在,是由于壓電薄膜表面IDT金屬電極的電極效應(yīng)所引起的[14]。
圖3 SAW器件振型圖
由圖3可以看出,SAW的振動形式是在近表面以橢圓軌跡運(yùn)動,而且振動位移沿厚度方向迅速減小,說明聲表面波的能量主要集中在壓電薄膜表面附近,這一點符合瑞利波的傳播特性。其表面振動位移隨著頻率變化的關(guān)系如圖4所示,當(dāng)SAW器件的頻率達(dá)到諧振頻率時,其激發(fā)的振動位移達(dá)到最大,此時的電聲轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到最大,器件的性能最佳。
圖5為頻域研究下得到的導(dǎo)納-頻率曲線圖,可以看出當(dāng)Y11值取最大值即阻抗值最小時,此時對應(yīng)的頻率為諧振頻率fr,器件的插入損耗最小;當(dāng)Y11值取最小值即阻抗最大時,此時對應(yīng)的頻率為反諧振頻率far,器件的插入損耗最大。
圖4 位移-頻率特性
圖5 導(dǎo)納-頻率特性
SAW器件的聲表面波速度vp以及機(jī)電耦合系數(shù)k2計算公式分別為
(2)
(3)
式中:λ為SAW器件的波長,fr為諧振頻率,far為反諧振頻率。由此計算得到SAW器件的聲表面波速度vp為4 449.76 m/s,機(jī)電耦合系數(shù)k2為1.24%。
基于前期仿真工作所確定的器件參數(shù),通過實驗制備了與仿真模型結(jié)構(gòu)相同的單端口SAW器件。同時為了分析反射柵在聲表面波傳播過程中的作用,制作一組單個IDT器件進(jìn)行對比分析。器件參數(shù)具體如下:叉指電極和反射柵電極對數(shù)均為80對,電極寬度均為2 μm,電極中心距離均為4 μm,電極厚度均為150 nm,聲孔徑為2 000 μm,IDT與第一條反射柵電極之間的距離為3 000 μm。ZnO薄膜作為該SAW器件中最重要的部分,制備ZnO薄膜相較于制備其他壓電薄膜材料,更容易獲得單晶薄膜和擇優(yōu)取向薄膜。由于ZnO薄膜的(002)晶面自由能最低,所以在各類襯底上沉積ZnO薄膜都會趨向(002)晶面擇優(yōu)生長,所沉積的薄膜可作為壓電薄膜使用。本文制備ZnO 薄膜的方法采用電子束蒸發(fā)鍍膜。
實驗選擇的襯底是N100型硅片,首先將硅片經(jīng)過有機(jī)清洗和干法清洗兩道工序后,采用英國牛津儀器OXFORD 100型設(shè)備在Si襯底上使用PECVD法制備厚度為0.15 μm的SiO2薄膜,之后采用沈陽科儀的電子束蒸發(fā)設(shè)備先后制備厚度為0.3 μm的ZnO薄膜。采用Lift-off工藝來制備金屬電極,即在光刻膠圖形上制備金屬圖層,然后通過剝離工藝將掩膜版上的電極圖形轉(zhuǎn)移到ZnO薄膜上。光刻之前,采用HMDS(六甲基二硅氮烷) 對襯底表面進(jìn)行預(yù)處理,增強(qiáng)光刻膠與其表面的粘附性,方便后續(xù)工藝的進(jìn)行。SAW器件制作工藝流程圖如圖6所示。經(jīng)過上述工藝流程后,再通過劃片、裸片檢查、粘片、引線鍵合以及封裝之后就可得到單個完整SAW器件。
圖6 SAW器件制作流程圖
圖7(a,b)分別是試制的SAW器件及光學(xué)顯微鏡下的IDT細(xì)節(jié)圖。為了使其避免受到外界環(huán)境的影響,對SAW器件進(jìn)行了簡易封裝。由圖7可以看出,SAW器件整體結(jié)構(gòu)完好,未出現(xiàn)叉指短路、斷路等現(xiàn)象,所制器件的波長為8.03 μm,叉指寬度為1.98 μm,分別與器件設(shè)計值8.0和2.0 μm基本一致。
圖7 試制SAW器件圖
采用安捷倫E5063A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量帶有反射柵的SAW器件的S參數(shù),通過SMA接口線將SAW器件與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接后測試S11參數(shù),得到如圖8所示的頻率響應(yīng)曲線。由圖可看出,SAW器件的諧振頻率為553.26 MHz,插入損耗為-13.6 dB,相位為-70°。由此計算得到該SAW器件的聲表面波速度vp為4 426.08 m/s。進(jìn)一步分析得該速度主要受到Si襯底、ZnO薄膜和SiO2薄膜三者共同影響,由于ZnO薄膜和SiO2薄膜的厚度h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于器件的波長λ,使得聲表面波的能量更多集中在Si襯底上,所以Si襯底對聲表面波速度的影響最大,其次是ZnO薄膜,最后是SiO2薄膜。但隨著ZnO膜的厚度增加,聲表面波的能量逐漸集中在ZnO薄膜中,聲表面波速度逐漸接近ZnO薄膜在理想條件下的相速度。通過與仿真結(jié)果對比分析得,兩者的諧振頻率和聲速是非常接近的,說明了仿真與實驗具有較好的一致性。
在對帶有反射柵的SAW器件分析完后,再對單個IDT的SAW器件進(jìn)行分析,S11參數(shù)測試結(jié)果對比圖如圖9所示。測試得到的無反射柵結(jié)構(gòu)的SAW器件的諧振頻域為553.21 MHz,插入損耗為-21.7 dB。由圖9可以看出,有無反射柵的兩種結(jié)構(gòu)SAW器件的諧振頻率是非常接近的,帶有反射柵的SAW器件比無反射柵的SAW器件在諧振頻率處的S11增大了8.1 dB,說明反射柵的存在增強(qiáng)了回波信號,驗證了反射柵的反射特性。
圖8 頻率響應(yīng)特性
圖9 器件S11測試結(jié)果對比圖
本文通過理論與3D-FEM對ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲表面波器件進(jìn)行了建模與分析,得到所建立的SAW器件的諧振頻率以及相應(yīng)的頻率特性曲線。借助于仿真工作所確定的器件結(jié)構(gòu)參數(shù),然后通過實驗制作了與仿真模型參數(shù)相同的單端口SAW器件,對比兩者結(jié)果,具有較好的一致性。此外還對有無反射柵結(jié)構(gòu)的SAW器件進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,兩種結(jié)構(gòu)的SAW器件的諧振頻率是非常接近的,帶有反射柵的SAW器件比無反射柵的SAW器件在諧振頻率處的S11增大了8.1 dB,驗證了反射柵的反射特性。