单晶薄膜体声波谐振器频率温度特性研究

采用离子注入剥离法转移制备了43°Y 切铌酸锂(LiNbO3,LN)单晶压电薄膜材料,以SiO2/Mo作为声反射结构制备了固态声反射型薄膜体声波器件。谐振器工作频率约为3 GHz,LN薄膜等效机电耦合系数达到14.15%。对谐振器的频率温度特性进行了表征,结果表明,尽管LN单晶的频率温度系数为(-70~-90)×10-6/℃,但由于声反射结构中包含有正温度系数的SiO2层,谐振器的频率温度系数降至-18×10-6/℃,这表明固态声反射结构能够有效抑制单晶LN薄膜的温漂,获得低频率温度系数的谐振器器件。     

LiNbO_3单晶薄膜体声波谐振器的研制

该文介绍了一种采用智能截割(Smart Cut~(TM))技术制备的单晶铌酸锂(LiNbO_3)薄膜体声波谐振器。采用COMSOL有限元仿真软件从材料和结构两方面对LiNbO_3薄膜体声波谐振器进行优化设计,以实现高机电耦合系数,并通过Smart Cut~(TM)工艺方法制备了高性能Z切-LiNbO_3单晶薄膜作为谐振器的压电层,最终得到LiNbO_3薄膜体声波谐振器的谐振频率为3 847.5 MHz,反谐振频率为3 986.25 MHz,插入损耗为1.81 dB,谐振器有效机电耦合系数达到8.3%。     

布喇格反射型宽带单晶薄膜体声波滤波器

该文研究了一种新型布喇格反射型薄膜体声波(BAW)滤波器的设计方法与制备技术。BAW器件选择机电耦合系数较大的Y43°-铌酸锂(Y43°-LN)单晶薄膜作为压电层材料,并以苯并环丁烯(BCB)作为晶圆键合层,采用离子注入剥离法将亚微米厚度的Y43°-LN单晶薄膜转移至具有布喇格反射层的衬底。BCB既作为键合层,也作为布喇格反射层的第一低声阻抗层,实现了单晶BAW滤波器的制备。设计并制备了三阶BAW滤波器,中心频率为2.93 GHz,绝对带宽和分数带宽分别为247 MHz和8.4%。结果表明,采用薄膜转移技术制备的高机电耦合系数LN单晶薄膜能够实现大带宽BAW滤波器的制备。     

薄膜体声波谐振器电极效应研究

运用传输线路法推导了薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)的输入阻抗公式.利用输入阻抗公式,研究了不同材料FBAR构成中电极材料和厚度对FBAR有效机电耦合系数的影响,FBAR最大有效机电耦合系数优化理论.由结论可知,FBAR的有效机电耦合系数随电极的厚度和密度变化明显,在低密度电极材料时,电极厚度增大明显降低了FBAR的有效机电耦合系数;同时,在电极厚度较厚时,电极密度越大越有利于获取高的有效机电耦合系数.所得结论,可应用于FBAR设计与优化中.     

SAW谐振器传播属性的有限元仿真

首先从理论上阐述了声表面波(SAW)谐振器传播属性的有限元分析(FEA)法;然后利用ANSYS软件,对ST切石英晶片的SAW谐振器进行模态分析和谐响应分析;最后处理仿真结果并得到结论:通过合成表面节点横向和纵向的模态位移得出SAW中质点的运动轨迹是椭圆,通过模态频率和对应的波长算出SAW在ST切石英晶片中的传播速度,通过分析纵向节点模态位移得出SAW的能量集中在距表面2个波长深度的范围内,通过幅频特性图得出谐振器在SAW频率处具有最大的频率响应。这些结论与理论基本一致,为设计SAW器件和研究SAW传感器提供了仿真依据。     

电极对薄膜体声波谐振器性能的影响

采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics仿真了三维结构的谐振器,探讨了不同的顶电极形状对谐振器性能的影响。有效机电耦合系数(k2teff)随电极-压电层厚度比增大而减小,其中电极形状为三角形的谐振器在厚度比为0.05时获得最大k2teff(5.73%)。品质因数Q值变化趋势与k2teff相反,由三角形电极在厚度比为0.25时,获得最大Q值为1 314。不同电极形状的谐振器的优值随电极-压电厚度比先增大后减小,最大值为65.4,由正方形电极在比值为0.15时获得。     

ErAlN/蓝宝石基SAW谐振器制备与性能研究

采用Er镶嵌靶,以射频(RF)反应磁控溅射法,在蓝宝石衬底上制备出了c轴取向的Er_(0.11)Al_(0.89)N_z压电薄膜。运用正交设计实验优化后,Er_(0.11)Al_(0.89)N_z薄膜的膜厚、表面粗糙度分别为1.20μm和1.0 nm,光学介电常数从4.19增大到4.29。Er_(0.11)Al_(0.89)N_z/蓝宝石基声表面波(SAW)谐振器的中心频率和品质因数Q值相较于纯AlN降低,有效机电耦合系数比AlN_z/蓝宝石基SAW谐振器提高了20%,达到1.80%。研究结果表明,Er掺杂AlN后晶格常数比值c/a基本保持不变,但晶体中离子键成分的上升使晶体结构软化,从而导致器件频率下降,有效机电耦合系数增加。     

边缘负载FBAR谐振器有限元仿真分析

外部激励施加于薄膜体声波谐振器(FBAR)时会激发纵向与横向剪切的振动,引发能量损耗,为了减少寄生谐振,降低FBAR器件的工作损耗,提高器件的品质因数,故需要抑制横向剪切振动。该文采用有限元仿真法讨论了顶电极边缘负载参数对FBAR器件横向寄生的影响,并通过COMSOL仿真软件实现且制备了结构完整的谐振器。测试结果表明,负载结构可有效提升器件品质因数约10%。     

薄膜体声波谐振器有限元仿真与设计

为了抑制薄膜体声波谐振器的寄生谐振,建立了薄膜体声波谐振器的二、三维有限元模型。通过频率响应仿真,分析了不同电极结构的谐振器在中心频率处的振动位移分布情况和频率响应曲线,评估了不同电极结构对谐振器寄生振动的影响,并完成谐振器电极结构的优化设计,实现了谐振器寄生振动抑制。根据仿真优化结果表明,设计并制作了工作频率在1.873GHz的薄膜体声波谐振器,谐振器插入损耗0.7dB,无明显寄生谐振,对设计进行了验证。     

1.8GHz AlN薄膜体声波谐振器的研制

提出了基于AlN压电薄膜多层结构的1.8 GHz射频薄膜体声波谐振器(FBAR),并进行了研究。采用修正后的MBVD等效电路模型对器件的谐振特性进行了分析和模拟。给出了采用半导体加工工艺制备器件的工艺流程,并实际制做谐振器样品,样品的测试结果:器件的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp分别为1.781和1.794 GHz,相应的有效机电耦合系数为1.8%;串联谐振频率处和并联谐振频率处的Q值分别为308和246。该谐振器样品实际尺寸为0.45 mm×0.21 mm×0.5 mm,可以用来制备高性能的滤波器、双工器和低相噪射频振荡器等。     

体声波谐振器质量负载等效电感的量化方法

体声波(BAW)谐振器受到质量负载时,谐振器的Butterworth Van Dyke(BVD)电路模型中会增加1个质量负载等效电感,为得到该电感与负载质量的量化关系,以便对BAW传感器进行系统行为仿真,该文提出了3D多物理场-等效电路仿真对比建模的方法。通过对比COMSOL Multiphysics软件的3D多物理场仿真结果与ADS的等效电路仿真结果得到质量负载等效电感和负载质量的量化关系。以一个薄膜体声波谐振器(FBAR)为例,介绍了该方法的详细过程,并得到案例中的量化关系为:质量负载等效电感每增加1nH,负载质量增加0.1ng。最后将该量化关系应用于基于Pierce振荡器的BAW传感器检测电路的系统级行为仿真。仿真结果表明,质量负载等效电感每增加1nH,振荡频率减小6 MHz,即振荡频率的变化情况与等效电路仿真结果相吻合,从而验证了该检测电路能用于BAW传感器的频率信号的检测。该量化方法同样适用于石英晶体微天平(QCM)。     

能陷理论与体波晶体谐振器寄生抑制

从高频声体波晶体振子厚度切变机械振动的波动方程入手。分析了寄生现象产生的主要原因，介绍了能陷理论及其在抑制寄生上的应用。最后指出了实际中减小晶体谐振器寄生的主要措施     

基于FEM的单颗磨粒切削光子晶体光纤端面仿真研究

光子晶体光纤端面研磨过程中存在着大量磨粒切削光纤包层的空气孔壁.将这一过程简化为单颗磨粒切削单孔壁,并应用有限元法(FEM)建立了数值仿真模型.分析了裂纹损伤产生的机理,以及不同切削深度和磨粒尖端半径对加工结果的影响.仿真结果表明:切削过程中,孔壁边缘容易出现沿圆周分布的崩塌区域;切削力和边缘崩塌区域随切削深度和磨粒尖端半径的增加而增加;该光子晶体光纤孔壁边缘无崩塌的最大切削深度约为20 nm.该方法对光子晶体光纤端面加工及耦合应用的研究具有重要意义.     

ZnO单晶声表面波谐振器传播特性的研究

基于有限元压电材料中表面波传播的有限元分析原理,利用有限元分析软件COMSOL对基于ZnO单晶材料的声表面波器件进行多物理域耦合建模与仿真,提取出了符合声表面波振型的对称模态变形图和反对称模态变形图。通过谐振频率分析,计算出了ZnO单晶的相速度和机电耦合系数;通过频率响应分析,得出谐振器输入导纳、阻抗与频率之间的关系图;最后讨论了叉指换能器的结构对谐振频率、反谐振频率的影响,得出输入、输出叉指换能器(IDT)的叉指电极对数越大,插入损耗值越大,信号衰减越小。     

用于射频滤波器的LN单晶薄膜XBAR的性能研究

基于铌酸锂(LN)薄膜的横向激发体声波谐振器(XBAR)能够兼具大机电耦合系数(K²)和高谐振频率(f)特性,有望满足5G应用的频段要求。然而,常规LN薄膜单层XBAR结构的温度稳定性较差,频率温度系数(TCF)较低。该文提出一种具有SiO₂温度补偿层的SiO₂/LN双层结构XBAR,并建立了精确分析层状结构XBAR的有限元模型。理论分析表明,该双层结构XBAR上激励的主模式是一阶反对称(A1)兰姆波。通过合理优化结构参数配置,能够获得高谐振频率(f～4.75 GHz)和大机电耦合系数(K²～8%),同时其温度稳定性也得到显著改善(TCF～-36.1×10^-6/℃),相较于单层XBAR结构提高了近70×10^-6/℃,这为研制温补型高频、大带宽声学滤波器提供了理论基础。     

K波段BAW器件技术研究

通过优化高频换能器设计、极薄压电薄膜制备等技术,试制出了K波段BAW延迟线样品。其工作中心频率为23.8 GHz,插入损耗为51.9 dB,带宽为1 122 MHz,延迟时间为299 ns,直通抑制为29 dB,3次渡越抑制为40 dB。     

回旋波整流器高频系统设计与粒子模拟研究

综述并分析了微波回旋波整流器的内在特殊规律.在此基础上,提出了等效电路与CST电磁仿真、PIC粒子模拟相结合的快速、实用的设计方法,较好地处理了注波互作用、腔体结构设计、阻抗匹配与互作用系统效率等问题.并利用这种方法设计了一种互作用系统,给出了粒子运动轨迹图与转换效率.所得结果可直接用于实际器件的结构设计.     

薄膜体声波谐振器的研究与仿真

随着5G通信技术的发展,射频前端器件趋向于集成化、微型化,使得薄膜体声波谐振器(FBAR)技术成为通信领域的研究热点之一。该文对FBAR谐振单元选择不同阶数的梯形级联方式,通过射频仿真软件ADS建立MBVD等效电路模型,实验仿真其性能参数输出曲线,设计出频带区间在工信部规划的5G通信频段(4.8～5.0 GHz)标准内的高频窄带滤波器。实验仿真结果表明,所设计的FBAR频带在4.849～4.987 GHz,增加FBAR单元的级联阶数可以提高带外抑制,其插入损耗很小,满足5G通信系统对滤波器的性能参数要求。     

高阶兰姆波MEMS声表面波谐振器仿真研究

以有限元法为基础,对高阶兰姆波型微机电系统(MEMS)声表面波谐振器进行了仿真。研究了压电材料及其厚度、Si基底厚度对高阶兰姆波声速的影响规律,结果表明,AlN压电薄膜器件的高阶兰姆波的声速比ZnO和LiNbO3器件更大。压电材料较薄时传播兰姆波,太厚时则传播瑞利波。高阶兰姆波的声速随着硅基底厚度增加而逐渐降低,并趋于一个稳定值。在此基础上,提出了在电极上方加载一层压电薄膜来提高兰姆波声速的器件结构,仿真结果表明,通过增加一层AlN薄膜,可提高高阶兰姆波的声速,进而提高器件的谐振频率。     

ZnO/GGG准2-2型单端口SAW谐振器初探

为降低制备ZnO/YIG用于研究声表面波(SAW)对自旋波的激励和传播特性的研究成本,采用射频磁控溅射技术在更低成本的钆镓石榴石(GGG)上沉积ZnO薄膜,对ZnO/GGG准2-2型单端口SAW谐振器进行初探。使用X线衍射(XRD)仪、原子力显微镜(AFM)以及扫描电镜(SEM)对薄膜的微观结构和形貌进行了表征和分析。结果表明,当在氧气流量4 cm~3/min、450℃下退火处理时,ZnO薄膜呈现出表面平滑、残余应力小及具有高度c轴择优取向等优点。经测试声表面波频率为201 MHz,对应相速度为3 216 m/s,机电耦合系数为0.22%,说明制备的ZnO薄膜在高频声表面波器件研究和应用方面具有潜力。