声表面波和声表面波器件的概况.ppt

声表面波和声表面波器件的概况 I 及其COM模型 II 向26所同志学习 为我国的声表面波事业共同努力 I 声表面波和声表面波器件的概况 简要历史回顾模型要求二十世纪九十年代以后的要求 1 提高频率 2 低损耗单相单向换能器 SPUDT 3 小尺寸 I 声表面波和声表面波器件的概况 RSPUDT双迹RSPUDTRecursiveZ 迹滤波器TaperedRSPUDT谐振器SPUDT和谐振器的根本区别器件的模型和模拟 IICOM模型 COM模型的基本假设COM模型的基本方程COM模型的参量COM模型方程的解无源情况下齐次方程的通解由COM方程得到的色散曲线求解短路栅格对波的反射和透射 IICOM模型 短路栅格的反射系数和透射系数禁带的讨论开路栅格阵的讨论有源情况下非齐次方程的解有源情况下非齐次方程的特解有源情况下非齐次方程的全解换能器的激发 IICOM模型 指间多次反射效应对双向性换能器激发的影响换能器的单向性COM模型的参量及参量提取COM模型的P矩阵表示 简要历史回顾 二十世纪六 七十年代的需求雷达 脉冲压缩保密通讯 编码及解压缩射频振荡器电子对抗 扫频二十世纪九十年代和二十一世纪的需求滤波器 辨识标签 传感器 模型要求 二十世纪六 八十年代脉冲响应模型 二阶效应修正特点 损耗与带内波纹相关 来自双向性 器件图形尺寸与脉冲响应 频率响应相关 二十世纪九十年代以后的要求 低损耗小尺寸高频率解决途径 将指间多次反射效应从弱的二阶效应变为强的主要作用机制模型 脉冲响应模型要相应地变为COM模型或等效电路模型 1 提高频率 新波动模式YZ LiNbO3上漏纵波在适当的电极厚度 金属化比下耦合强传播损耗小 YZ LiNbO3上漏纵波谐振器 谐振器参量 压电体材料 YZ LiNbO3电极材料 铝换能器和栅格周期 2 132微米电极厚度 8 x波长 17微米电极宽度 0 7微米换能器指条数 301反射栅指条数 20 x2 电磁影响 频率进入千兆赫频段 电磁分布参量 电磁直通等因素不可忽略 设计中建立声和电磁的混合模型是很重要的 2 低损耗 单相单向换能器 中频谐振器 RF 中频RF 双工器 特别强调低损耗 功率承受能力中频 线性相位 带外抑制 单相单向换能器 SPUDT 单向每周期多指条如电极宽度控制 EWC 线条细 不宜用于RF天然单向性换能器的有限长度导致有限单向性调谐匹配引入匹配损耗 非单向损耗 SPUDT结构 SPUDT结构示例 SPUDT结构分析 换能中心和反射中心 SPUDT结构分析 两个方向反射的干涉叠加 SPUDT换能器的加权 常用加权 切趾 抽指切趾 引入切趾损耗抽指 不适用于宽带拓朴加权 利用不同几何结构 可以得到不同的a SPUDT换能器的拓朴加权 SPUDT换能器的拓朴加权的结果优点 k值更高 1 8 5 相位差保证可以得到宽带5 8 缺点 线条更细 只适用于中频与一般SPUDT一样 形状因子和旁瓣不够好 RSPUDT结构 RSPUDT结构示意 3 小尺寸 小的形状因子要求长的脉冲响应为了加长SPUDT的脉冲响应 在换能器内部造成部分振荡 即RSPUDT 一部分叉指的单向性是反向的 正向的部分多于反向的部分 换能器总体而言仍是单向的 单位长度的平均单向性减弱 带宽减小 换取脉冲响应增长 形状因子变好 双迹RSPUDT 双迹RSPUDT 利用双迹来增加变量增加灵活性 但无模型可利用 关系复杂 只能用多变量优化用于CDMA RecursiveZ 迹滤波器 TaperedRSPUDT 谐振器 用谐振器构成滤波器 双端对或多端对梯状滤波器或阻抗元滤波器 SPUDT和谐振器的根本区别 换能器之间紧密联系或相互基本独立源内阻对输出阻抗的影响或负载对输入阻抗的影响外加调谐匹配电路与否谐振器损耗小谐振器阻带抑制差 谐振器的致命缺点 谐振腔的长度决定了多个共振峰的间距 长度越长间距越远 保持反射栅和换能器同步是改进性能的重要措施 简单单模谐振器的带宽很窄 要求宽带时采用多模耦合 最常用的是双模谐振器 DMS DMS的最新发展是EPCOS的专利 EPCOS专利 DMS结构示意图 EPCOS专利 DMS结构的周期变化 EPCOS专利 EPCOS专利 器件的模型和模拟 P矩阵级联 速度快 不精确计算用的COM参量由周期格林函数计算确定有限指条的格林函数模拟 慢 精确实际设计中两者结合起来进行优化 设计优化和精确模拟的重要性 SAW器件市场竞争激烈 设计优化和模型创新保证竞争获胜 精确模拟减小实验上的反复试验大大降低设计成本 IICOM模型 COM模型的基本假设 周期性微扰只存在左右两方向的波R x 和S x R和S之间通过周期性微扰互相耦合电极之间外加电压u 汇流条上有电流i x U和i通过压电基体的反压电作用激发R和SR和S也通过基体的压电作用与U和i相互作用一切相互作用都是线性的 COM模型的基本方程 可有三种形式 COM模型的基本方程 假设 COM模型的基本方程 假设 COM模型的参量 COM模型是唯象模型 参量要由其他方法决定COM模型共四个参量 k k a Ck 未被栅格扰动前的传播常数非色散传播 与频率成正比 COM模型的参量 k k 单位长度栅格阵的互耦合系数kp k p 每周期长度栅格阵的反射系数不同方向的互耦合系数互为共轭a a 单位长度换能器的换能强度ap a p 每周期长度换能器的所激发声波幅度不同方向的换能系数互为共轭 COM模型的参量 C 单位长度 在传播方向 栅格的 单位长度的孔径 静态电容 COM模型方程的解 第一步 求无源情况下齐次方程的通解 即令u 0 第二步 求有源情况下非齐次方程的特解 通解 无源情况下齐次方程的通解 令u 0代入COM方程 COM模型的基本方程 COM模型的基本方程 由COM方程得到的色散曲线 求解短路栅格对波的反射和透射 出射波写作入射波的函数 短路栅格的反射系数和透射系数 右方入射的反射系数和透射系数左方入射的反射系数和透射系数 反射系数幅度曲线 反射系数相位曲线 反射系数的相位 栅格阵的等效反射面 反射系数相位曲线在禁带内为倾斜直线斜率决定于k的绝对值意味着反射相当于在栅格阵内有一等效反射面 反射面的位置决定于直线的斜率 即决定于k的绝对值分析谐振器时有用 禁带的讨论 反射系数的带宽禁带内和禁带外的区分标志为D为虚数或实数在禁带内 波数k恒等于k0 波长恒等于周期p 但传播有衰减或增大 波入射到周期栅格阵后 在栅格阵内前向波指数衰减 同时多次反射形成反向波 反向波指数增大 两者振幅相等 合起来形成驻波 如果栅格较厚 波无法穿透 故称禁带 禁带的讨论 禁带的宽度禁带内群速度为0 无能量向前传播 开路栅格阵的讨论 COM方程 开路栅格阵的讨论 开路栅格阵和短路栅格阵的中心频率之间的差为 开路栅格的中心频率高 开路栅格阵的禁带宽度为如果a和k都是实数 则短路栅格的禁带上边缘和开路栅格的禁带下边缘相重合 k设为负数 否则两者的禁带互有交错 精确计算的色散曲线 YZLiNbO3的色散曲线 精确计算的色散曲线 YZLiNbO3的相速度 精确计算的色散曲线 YXLiTaO3的色散曲线 一周期三指条示意图 一周期三指条结构 一周期三指条色散曲线 一周期三指条色散曲线 有源情况下非齐次方程的解 先求特解再求通解 有源情况下非齐次方程的特解 齐次方程特解假设非齐次方程特解 有源情况下非齐次方程的特解 代入COM模型的基本方程 有源情况下非齐次方程的特解 得到 有源情况下非齐次方程的特解 设 有源情况下非齐次方程的特解 解得 有源情况下非齐次方程的特解 得到特解 有源情况下非齐次方程的全解 全解是特解加通解 换能器的激发 设无声波入射 用以下方程作为边界条件代入对均匀换能器求解激发输出和 均匀换能器的激发 指间多次反射效应对双向性换能器激发的影响 与没有指间多次反射效应的响应作比较 峰值增大 峰值处频率下移 设k为负 频率响应变得不对称 旁瓣影响不大 指对数愈多 畸变愈严重 指间多次反射效应对双向性换能器激发的影响 换能器的单向性 两个方向输出之比在中心频率处该比值当a与k的相位角差45度时达到最大 即单向性最大 换能器的单向性 当k和a的相位差为时 两个方向所激发声振幅之比为 不加权SPUDT滤波器的理论曲线 不加权SPUDT滤波器的实验曲线 正向 不加权SPUDT滤波器的实验曲线 反向 COM参量和COM参量的提取 大量的研究 最主要 实验提取 用专门设计的测试结构的电性能来提取 优点是对器件直接感兴趣的就是其电性能 缺点是成本贵 化时间 而且工艺误差影响参量精度 理论计算 有限元或格林函数法 九十年代大力发展 大公司必备 COM参量和COM参量的提取 实验测试结构IEEEUltrasonicsSymposiumProc 1239 1993 格林函数法提取COM参量 周期格林函数法求谐波导纳由谐波导纳求得色散曲线由色散曲线找到禁带边缘处的频率fh fl中心频率k的相位由禁带边缘波腹 波节的位置决定 格林函数法提取COM参量 在禁带边缘处 D 0 衰减为零 得到声振动分布为R S 格林函数法提取COM参量 在阻带上边缘阻带下边缘波腹 波节的位置决定了k的相位 格林函数法提取COM参量 可以得到在低频下求得电极上的电荷分布s 再求得其基波成分 可得到 为归一化后的无量纲参数由电荷分布也很容易获得C 格林函数法提取COM参量 除以上参量 还有衰减系数gg的单位为neper 波长 gp 或dB 微米 g 其间的转换关系为以上参量提取仅限于瑞利波 漏波的COM参量更为复杂 有些问题尚未很好解决 COM模型的P矩阵表示 COM模型实际应用时经常利用P矩阵来计算理论预期使用时首先要获得相应的COM参量 然后用矩阵级联计算 COM模型的P矩阵表示 P矩阵的定义I是矩阵的输入电流 P矩阵元 N条指均匀栅格阵的P矩阵元为 P矩阵元 P矩阵元为 P矩阵的级联 两个矩阵PA和PB相级联 得矩阵P的矩阵元 P矩阵的级联 两个矩阵PA和PB相级联 得矩阵P的矩阵元 P矩阵和Y矩阵的转换 P矩阵和Y矩阵的转换 P矩阵和Y矩阵的转换 P矩阵和Y矩阵的转换 P矩阵和A矩阵的转换 已知P矩阵 求A矩阵 耦合模式模型的局限性 唯象 近似 周期性唯象 需要先知道COM参量才能使用近似 在禁带附近成立准周期性或非周期性的误差周期性微扰的共性只有两个相向传播的波参与相互作用 宽带情形 如果不发生体波辐射 对于宽带 可以对实际的速度变化进行修正 准周期或非周期情形 引入误差恰当分割单元 拓扑加权滤波器示例 例1128LiNbO325周期带宽2 1 理论损耗1 33dB 拓扑加权滤波器示例 例1理论响应 拓扑加权滤波器示例 例1实验响应损耗3dB带宽2 9 带外32 3dB 拓扑加权滤波器示例 例2128LiNbO317周期带宽4 7 理论损耗2 6dB 拓扑加权滤波器示例 例2理论响应 拓扑加权滤波器示例 例2实验响应损耗4dB带宽4 6 带外32dB 拓扑加权滤波器示例 例3128LiNbO325周期带宽6 6 理论损耗3 84dB带外抑制41 6dB 拓扑加权滤波器示例 例3实验响应损耗5 0dB带宽5 5 带外抑制35 8dB 拓扑加权滤波器示例 例4色散换能器128LiNbO317周期带宽11 4 理论损耗6 34dB带外抑制46 8dB40dB带宽23 9 拓扑加权滤波器的设计过程 五个自变量决定COM参量 拓扑加权滤波器的设计过程 加权 a的变化固定a 优化最大w 并满足相位差 求得关系w是最小指宽 关系 关系 优化滤波器加权 决定目标函数 由插损 带宽 带外抑制 形状因子及相位非线性等因素加权组合成目标变量 优化结构求得最佳结构 体波散射的影响 体波散射有截止频率频率在截止频率以下时表面上存储能量 没有体波辐射 造成中心频率移动 中心频率的移动可以包含在给定的k值中 适用于一般瑞利波 频率在截止频率以上时辐射体波 体波辐射引起衰减 且随频率而变 COM模型的简单改进 引入传播衰减g 例如 由材料损耗引起 COM模型的改进 栅格阵散射的个性是周期性散射不仅导致表面波的反射 还造成体波散射 这不在COM模型假设之内 当体波辐射的频域很接近于禁带 钽酸锂上漏波 或在禁带内 石英上STW 体波参与相互作用 COM模型前提不满足 这时深度方向