声表面波器件的模拟与仿真

1、 天津理工大学硕士学位论文声表面波器件的模拟与仿真姓名：朱树众申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：杨保和201112 模型、多层膜结构的频散效应、声表面波器件的有限元仿真等内容。其主要工作包括：曲线。此外，我们还详细介绍了和鷒材料常数的计算。声表面波有限元多层膜克里斯托夫方程谐振器 曲甌 現印甧 舯隔緎 甧川譽肛髑痵叮哕餷舭锄籹鷇縨，籹；仔觚， 第一章绪论和波长小十万倍，这对实现电子器件的小型化很有利；和可靠性：要无线频谱宽度更大和通信频段更高。声表面波器件因具有宽带大、通带选择性良好、世纪年代前，广范采用金属外壳封装形式的声表面波器件，后来，为了降低 第一章绪论声表面波的发展概况及仿

2、真技术研究现状系统。声表面波识别系统也在此阶段问世。研究。浙江大学的朱大中教授等在年提出退飞砻娌骷】，在年人主要从事金刚石多层膜结构的声表面波器件的研究，这些年来在这方面取得了不小的成就长度，纳丛诖怪庇诓嬷傅缂姆较蚍渖砻娌璊。热擞暝函数模型基础上提出了脉冲响应模型。又指的几何结 第一章绪论和能量存储效应。该模型用体声波的梅森刃缏防疵枋鯯器件，将繁扒鷗将其用来分析声表面岢鯬矩阵模型，该模型是耦合模模型的系数矩阵形式。通过周期格林函数，可以求解出周期栅阵中的电荷分布和电流，还可以分析周期栅阵中置的电学量和力学量。这也是有限元一边界元法的核心【思想。踟盚步杓鳥对周期栅阵的解决办法与广义格林函数的方法

3、， 第一章绪论表面波器件的零频率带宽进行了分析，后来又对传统等效电路模型引入相速度频散因果更加相符。选题的依据及研究内容制作高频声表面波器件，有两个方向努力：一，发展更加先进的半导体平面工艺，制作多层膜结构具有频散效应，器件性能受膜厚的响应较大，因此，对多层膜结构声表 第一章绪沦面波器件的精确仿真模型进行研究具有重大意义。本文主要围绕声表面波谐振器展开，有关的仿真也主要以谐振器为主。本论文主要完成工作如下：有良好的频率选择性。在第四章，我们建立了鷒多层膜的克里斯托夫 第二章声表丽波的基本仿真模恻第二章声表面波的基本仿真模型母一条义捂电檄口杂酶玫缦咴荡那幽毅户辐射源采捕述，因此，中心在颉緁一互怠

4、万【焕糒二翌兰，砌笛胁钒隡卜半弦 箩竺竺三竺：等笔幽工尝置与的电极极性有对应关厂厚姑骵衒万】厂窆磊等硼钪惫鄣姆治瞿汀龀逑煊偷幕舅枷胧牵篒的一”万等效电路模型 第二二章声表面波的基本仿真模型一一一图募绯植真实场灰宄共线场一一一一 第：二章声表面波的荩本仿真模刑嘉厶慧去一个周期的等效电路 第：章声表面波的基本仿真模删声学端图瓦考丢；并联的三端口网络来描述，如图所示，其网络方程为：阱綸立元素，可表示为：】海艺。、！骸，籏，。其独立矩阵元的表达式为：誓低驴辔等参数，但是计算量通常很大，在纳狡德矢浇保綴】导纳矩阵元可以进一步 第一：章卢表面波的基本仿真模耻!一。一。丧三击仃秒篢一卜一÷图似涫保

5、琁等效电路厶专巧一专州电学端的输入导纳：国，綥雚 珏一删卣笫且桓宰木卣螅荂模型的系数矩阵【袸看作一个三端口图腜矩阵模塑腜矩阵为：阱巨曼，掌公式中：派騭 第二章声表面波的基本仿真模型騭本章小结在本章中，我们详细介绍了声表面波唯象模型。脉冲响应模型是声表面波钪惫鄣姆治瞿汀的脉冲响应与其几何结构有了声学端的入射波和反射波及电学端的电流和电压。 声表面波谐振器谐振型骷械丝诤退丝诹街植煌嘈汀单端口谐振器在两个反射较高怠。，。一阜哑十 吃其中：血：延迟路径距离，此参数会影响到谐振腔内的驻波参数；：等效空腔长度；单端口谐振器的等效电路【】如图所示：单端口声表面波谐振器的等效电路其中：好慷訧的电容； 其中：厶

6、痚；·栅的反射系数。等效串联电感为：砉志 觥猒：一簟图声表面波双端口谐振器的基本结构其中：换能器的叉指对数；翰嬷傅缂n矶龋笮N澹设计双端口谐振器必须遵守一些一般设计原则，这些原则包括：等叉指间距、等叉指宽度的芄挥行丶鯯。当反射栅的叉指问距与、反射栅之间的距离在设计保匦肼惴瓷湔罅兄涞木嗬胧蔷牛的整数倍，以保证反射的声要保证在铣鱿中痴褡澹瑃须满足： 蛔詈耐干渖疃萀。为：三#痾二二一图双端口声表面波谐振器的等效电路其中的浮蚝蚭可以通过公式一、公式、公式来计算。 电极传输矩阵，表示所有叉指电极的声学和电气的相关参数；的丌路反射栅的声波传输等效矩阵；的叉指换能器之问、叉指换能器与反射栅之问的延

7、迟距离传输矩阵【，】略啼甂形一一栅声波以矩阵的形式可以表示为：其中，【课幸姆瓷湔渚卣螅梢酝ü凸来表示：融鼬，卜其中：盯蛞缓 场舙·觥觥觥鰋一般可以把叉指电极视为一个三端口网络，由两个声学端和一个电学端组成，如图荆浯渚卣蟆緍】可用下式来表示：啦一狪岛一。一其中，珥，匆为电学端的输入、输出的大小。当缂F媸允保瑂；当为偶表面波振幅，另一个表示牡缪涑觥衷冢颐强梢越氲趂参考电平的声波方程表示为：【形一。】緁：俊距夭房冢 簟叩【屯，】，阂籡为输出耦合行矩阵。因此，】可以详细表示为：其中：阑。 簦丝二鱼其中，人澹，狪的个数而非对数，R欢訧的等效电容，狪下，声辐射电导和声辐射电纳吃可表示为

8、：纠吣雔其中： 【縚【儿砬】【】【或】【】【】【】图双端口卢表面波谐振器 掘術码王互图双端口卢表面波谐振器示意图可将声表面波双端口谐振器简化为方框图来表示，如图所示。【】、【】为两声表面波双端口谐振器必须满足边界条件以及输入输出阻抗才能得频率响应。由公【】：¨【呢】尽】由于没有外界的声波入射到金属反射栅，即【】没有向左输入的声波，【】没有向右输入的声波，因此金属栅的边界条件为：嵋【彬】【】【岛】【】【】哆】瘄【嵫】 本章小结声表面波谐振器有单端口和双端口两种类型。双端口谐振器比单端口谐振器更能有 第四章 材料常数的计算用的晶片通常经过了旋转切割，其坐标选取与晶体坐标系有所不同。因此，

9、必须先对鷒多层膜的传播坐标系 班少贗口三口三吃吒口吒菼旋转一定尤拉角度冢浚后得到。在这里，口为绕岬男=嵌龋荤课H苰轴的旋 图尤拉角与坐标变换介电常数变换关系式为：占：其中，>遄晗碌慕榈绯肌PR欢壤嵌秒，缈，后在新坐标下的介电常数，梢酝ü来求得，为逆矩阵。其中：“ 蔿【觥的材料常数痬 旬质龄密度鷒的材料常数介电常数驠介电常数痬质量密度质量密度一 图鷒多层膜坐标系嗖隳目死锼雇蟹黶疏方程及边界条件这两个系统方程。这两个系统方程相互影响、相互耦合够成了声表面波的波动方程一克表多层膜的边界条件电学边界条件当在毛的边界为开路在屯瓦在五当在屯的边界为开路 第四章和锄嗖隳钠瞪澎在苁当在屯的边界

10、为短路在毛在屯鷒多层膜结构的频散效应我们将一般解公式带入波动方程公式西现办以其中：砭巳巳 将筒牧铣牍汕蟮冒烁，用吃表示，。再将既代口；，于将玩和卵代入公式和公式中，可以得到波动方程解如下：吩瓢涂”沈腩粀苢啊痚巍胛政硪弧琭气猠四其中： 第四章和多层膜的频散效麻经推导可得：漆汝眅昕政逡粀”其中：刀对于薄膜材料时为园胛尴耷蛭；刘 第四章和多层膜的频敞效麻¨当吨辍政粀式可以表述为：缈一挑丝甄互比品灾唬琫诸褚粀中：置。气，。穑气裕口气，既。诶气，琸气，口气，琸矩阵元素口根数目一般表面波口，吩心，啦压电波 琄，墨，对于鷒而言，由于不具有压电性，其黶行矩阵如式所示：篕，嚎凇件幽吩苢毋政珐褚粀 五。

11、厚狗跏岛肽腩一五，苀七呐渐而驧五刊岷瓯跃汝逡粀其中：公式次嗖隳目死锼雇蟹方程。州溉浓剖当在恐B芳醋杂杀砻媸保瘛！。：和瓦。如下所示：也。篟，吃。琑。 【丁】，一口搿慨妒贰¨叫川乩。：憾海浩鞫辏海嚣：诔鯬峨口地妒为了得到非零系数解，【日】的行列式必须为零，即。求的解，即可得到波数后等澳癜斐嘶鲇胂嗨，之问的关系，即频散效应，如图。 图鷒多层膜结构的频散效应本章小结、鷒在传播坐标系下材料常数与鷒在晶体坐标系下材料常数有所不同，必须要旋转一定角度进行换算得到，在本章中，我们详细们介绍解此矩阵，可以得到鷒多层膜结构的频散效应曲线。 第氍章声表面波器瑋：的有限元仿真第五章声表面波器件的有限元仿真

12、在本章中，我们对声表面波器件有限元仿真进行了研究。利用软件分析了压电晶体和鷒多层膜结构声表面波谐振器。在本章中，我们重点对谐振器的特征频率和频率响应进行了分析。通过特征频率分析，可以观察到声表面波的传播特性和衰减特性，也可以计算表面波的相速度和机电祸合系数，还可以导纳。输入导纳的分析，对设计无线声表面波器件的阻抗匹配有重要的意义。声表面波的周期边界条件如下式所示：其中：噼嘲荷砻娌奈灰疲晃：声表面波的电势；相位传播常数；五：声表面波的波长。吼一“ 第无章声表面波器琭：的有限元仿真还恪!。、痩表压电品体边界条件边界条件机械边界条件机械边界条件表在中压电晶体边界条件 电位能电位移的法线方向分量。表谐

13、振器的儿何尺寸用岬的仿真厚度，有两个原因：一，声表面波在波长内衰减掉，在下面的特征频率分析中，我们会观察到；二，既要确保仿真精确性又要减少仿真计算量、减少仿真时间的需要。在中，声表面波仿真的一般步骤为：建模向导：在微机电系统模块下的结构力学模块中选择压电平面应力。如果是模态分析，选择特征频率分析；若是谐响应分析，就选择频率响应分析。几何建模：根据表完成几何建模。 第五章卢表面波器什的限元仿寅输入和叉指电极的材料常数。在中有六采用映射网络单元格完成模型网格的划分。进行频率响应分析。 一一邑一一 一一一图单端口谐振器的对称模态表面图表面：总位移。：【！ 第无章声表面波器件的有限元仿真鸪。畂柏卜一图

14、单端口谐振器的对称模态等位图西埔胡。妒图单端口谐振器的反对称模态表面图 第五章声表面波器件的有限元仿真锋位：总位咎图一 第再章卢表面波器仆的有限元仿真在频率响应分析中，主要对器件的输入导纳进行分析。输入导纳可以通过公式来提取。；：八；丑啪庙厂； 第五章卢表面波器唬琹：的有限元仿真的材料常数：弹性刚度常数：胃疧 多层膜结构谐振器的有限元仿真囊纛鬻鬻熊谐振器的儿何结构会刚石在所有材料中具有最高的声表面波相速，是设计和制作高频声表面波器件的理想选择。但是金刚石不具有压电性，当用来制作声表面波器件时，必须在其上溅射一层压电薄膜，完成声表面波的激发和接收。但这种多层膜结构具有频散效应，对压电薄膜的厚度非

15、常敏感，膜厚办与波数后乘积砌的不同，声表面波的相速亦不相同，这使得多层膜结构声表面波器件具有设计复杂和制作难度大的特点。在本论文中，采用荆，担癿来设置多层膜结构的几何尺 第无章卢表面波器瑋：的有限元仿真机械边界条件电学边界条件电位能表縉 图灿单端口谐振器的对称模态表面图 第瓦章卢表面波器什的有限元仿真一】鷒单端口谐振器的对称模态等位图阤“表面：总位咎【·】一图一 第五章声表面波器件的有限元仿真。善薯卯鲥毋巡类爽剩八八一图删赿单端口谐振器的输入导纳 第五章卢表面波器什的有限元仿真一茸图鷒舣端口谐振器的反对称模态表面图一卜一卜叫卜一鹚图 第升章卢表面波器什的有限元仿真本章小结比，谐振频率

16、更高，更适合设计高频器件。 第八章全文总结及展望第六章全文总结及展望但是到目前为止，声表面波器件的设计多是通过经验公式或唯象模型来完成。唯象鷒的频散效应。我们建立多层膜的克罩斯托夫虢矩阵，通过求解使的行列式为展望在未来的工作中，我们还需要完成以下工作：阵类型的判别；克旱斯托夫毹矩阵的创建；克里斯托夫阤矩阵的求解。口实验测试，为早日实现高频多层膜结构声表面波器件的产业化做好准备。 【坷钪页希砻娌际醯挠谩綣】系统一逃氲缱蛹际酰【苛跷幕裕痴裥臀拊次尴遱压力传感器结构研究【浚厍欤褐厍烊搜獾纾篒：样学院，緀：韎弘 叽碝姐鷗，啪，【】甋甋瓹蚐猚瓵荆謉禹眕荆锄綣】舰琹琒 縑甈撕阨仰鮟琹：續綣】慷遝【】甐肌琂瓾琈瓵锄鹊倾餷【浚隆疎【】林基明表面波和砻娌谥芷谡裾笾械拇ú匦匝芯俊