聲表面波器件的模擬與仿真

1、 天津理工大學(xué)碩士學(xué)位論文聲表面波器件的模擬與仿真姓名：朱樹眾申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：物理電子學(xué)指導(dǎo)教師：楊保和201112 模型、多層膜結(jié)構(gòu)的頻散效應(yīng)、聲表面波器件的有限元仿真等內(nèi)容。其主要工作包括：曲線。此外，我們還詳細(xì)介紹了和鷒材料常數(shù)的計算。聲表面波有限元多層膜克里斯托夫方程諧振器 曲甌 現(xiàn)印甧 舯隔緎 甧川譽(yù)肛髑痵叮噦餷舭鋤籹鷇縨，籹；仔觚， 第一章緒論和波長小十萬倍，這對實現(xiàn)電子器件的小型化很有利；和可靠性：要無線頻譜寬度更大和通信頻段更高。聲表面波器件因具有寬帶大、通帶選擇性良好、世紀(jì)年代前，廣范采用金屬外殼封裝形式的聲表面波器件，后來，為了降低 第一章緒論聲表面波的發(fā)展概況及仿

2、真技術(shù)研究現(xiàn)狀系統(tǒng)。聲表面波識別系統(tǒng)也在此階段問世。研究。浙江大學(xué)的朱大中教授等在年提出退飛礱娌骷】，在年人主要從事金剛石多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件的研究，這些年來在這方面取得了不小的成就長度，納叢詿怪庇誆嬤傅緙姆較蚍瀋礱娌璊。熱擻暝函數(shù)模型基礎(chǔ)上提出了脈沖響應(yīng)模型。又指的幾何結(jié) 第一章緒論和能量存儲效應(yīng)。該模型用體聲波的梅森刃緶防疵枋鯯器件，將繁扒鷗將其用來分析聲表面岢鯬矩陣模型，該模型是耦合模模型的系數(shù)矩陣形式。通過周期格林函數(shù)，可以求解出周期柵陣中的電荷分布和電流，還可以分析周期柵陣中置的電學(xué)量和力學(xué)量。這也是有限元一邊界元法的核心【思想。踟盚步杓鳥對周期柵陣的解決辦法與廣義格林函數(shù)的方法

3、， 第一章緒論表面波器件的零頻率帶寬進(jìn)行了分析，后來又對傳統(tǒng)等效電路模型引入相速度頻散因果更加相符。選題的依據(jù)及研究內(nèi)容制作高頻聲表面波器件，有兩個方向努力：一，發(fā)展更加先進(jìn)的半導(dǎo)體平面工藝，制作多層膜結(jié)構(gòu)具有頻散效應(yīng)，器件性能受膜厚的響應(yīng)較大，因此，對多層膜結(jié)構(gòu)聲表 第一章緒淪面波器件的精確仿真模型進(jìn)行研究具有重大意義。本文主要圍繞聲表面波諧振器展開，有關(guān)的仿真也主要以諧振器為主。本論文主要完成工作如下：有良好的頻率選擇性。在第四章，我們建立了鷒多層膜的克里斯托夫 第二章聲表麗波的基本仿真模惻第二章聲表面波的基本仿真模型母一條義捂電檄口雜酶玫縵咴蕩那幽毅戶輻射源采捕述，因此，中心在頡緁一互怠

4、萬【煥糒二翌蘭，砌笛脅釩隡卜半弦 籮竺竺三竺：等筆幽工嘗置與的電極極性有對應(yīng)關(guān)廠厚姑骵衒萬】廠窆磊等硼鈧憊鄣姆治瞿汀齔逑煊偷幕舅枷朧牽篒的一”萬等效電路模型 第二二章聲表面波的基本仿真模型一一一圖募緋植真實場灰宄共線場一一一一 第：二章聲表面波的藎本仿真模刑嘉厶慧去一個周期的等效電路 第：章聲表面波的基本仿真模刪聲學(xué)端圖瓦考丟；并聯(lián)的三端口網(wǎng)絡(luò)來描述，如圖所示，其網(wǎng)絡(luò)方程為：阱綸立元素，可表示為：】海藝。、！骸，籏，。其獨立矩陣元的表達(dá)式為：誓低驢轡等參數(shù)，但是計算量通常很大，在納狡德矢澆保綴】導(dǎo)納矩陣元可以進(jìn)一步 第一：章盧表面波的基本仿真模恥!一。一。喪三擊仃秒篢一卜一÷圖似涫保

5、琁等效電路厶專巧一專州電學(xué)端的輸入導(dǎo)納：國，綥雚 玨一刪卣笫且桓宰木卣螅荂模型的系數(shù)矩陣【袸看作一個三端口圖腜矩陣模塑腜矩陣為：阱巨曼，掌公式中：派騭 第二章聲表面波的基本仿真模型騭本章小結(jié)在本章中，我們詳細(xì)介紹了聲表面波唯象模型。脈沖響應(yīng)模型是聲表面波鈧憊鄣姆治瞿汀的脈沖響應(yīng)與其幾何結(jié)構(gòu)有了聲學(xué)端的入射波和反射波及電學(xué)端的電流和電壓。 聲表面波諧振器諧振型骷械絲諍退絲諏街植煌嘈汀單端口諧振器在兩個反射較高怠。，。一阜啞十 吃其中：血：延遲路徑距離，此參數(shù)會影響到諧振腔內(nèi)的駐波參數(shù)；：等效空腔長度；單端口諧振器的等效電路【】如圖所示：單端口聲表面波諧振器的等效電路其中：好慷訧的電容； 其中：厶

6、痚；·柵的反射系數(shù)。等效串聯(lián)電感為：砉志 觥猒：一簟圖聲表面波雙端口諧振器的基本結(jié)構(gòu)其中：換能器的叉指對數(shù)；翰嬤傅緙n磯齲笮N澹設(shè)計雙端口諧振器必須遵守一些一般設(shè)計原則，這些原則包括：等叉指間距、等叉指寬度的芄揮行丶鯯。當(dāng)反射柵的叉指問距與、反射柵之間的距離在設(shè)計保匭肼惴瓷湔罅兄淶木嗬朧薔牛的整數(shù)倍，以保證反射的聲要保證在銑魷中癡褡?，t須滿足： 蛔詈耐干瀋疃萀。為：三#痾二二一圖雙端口聲表面波諧振器的等效電路其中的浮蠔蚭可以通過公式一、公式、公式來計算。 電極傳輸矩陣，表示所有叉指電極的聲學(xué)和電氣的相關(guān)參數(shù)；的丌路反射柵的聲波傳輸?shù)刃Ь仃?；的叉指換能器之問、叉指換能器與反射柵之問的延

7、遲距離傳輸矩陣【，】略啼甂形一一柵聲波以矩陣的形式可以表示為：其中，【課幸姆瓷湔渚卣螅梢醞ü凸來表示：融鼬，卜其中：盯蛞緩 場舙·觥觥觥鰋一般可以把叉指電極視為一個三端口網(wǎng)絡(luò)，由兩個聲學(xué)端和一個電學(xué)端組成，如圖荊浯渚卣蟆緍】可用下式來表示：啦一狪島一。一其中，珥，匆為電學(xué)端的輸入、輸出的大小。當(dāng)緙F媸允?，s；當(dāng)為偶表面波振幅，另一個表示牡繆涑觥衷冢頤強(qiáng)梢越氳趂參考電平的聲波方程表示為：【形一。】緁：俊距夭房冢 簟叩【屯，】，閡籡為輸出耦合行矩陣。因此，】可以詳細(xì)表示為：其中：闌。 簦絲二魚其中，人澹，狪的個數(shù)而非對數(shù)，R歡訧的等效電容，狪下，聲輻射電導(dǎo)和聲輻射電納吃可表示為

8、：糾吣雔其中： 【縚【兒砬】【】【或】【】【】【】圖雙端口盧表面波諧振器 掘術(shù)碼王互圖雙端口盧表面波諧振器示意圖可將聲表面波雙端口諧振器簡化為方框圖來表示，如圖所示?！尽?、【】為兩聲表面波雙端口諧振器必須滿足邊界條件以及輸入輸出阻抗才能得頻率響應(yīng)。由公【】：¨【呢】盡】由于沒有外界的聲波入射到金屬反射柵，即【】沒有向左輸入的聲波，【】沒有向右輸入的聲波，因此金屬柵的邊界條件為：嵋【彬】【】【島】【】【】哆】瘄【嵫】 本章小結(jié)聲表面波諧振器有單端口和雙端口兩種類型。雙端口諧振器比單端口諧振器更能有 第四章 材料常數(shù)的計算用的晶片通常經(jīng)過了旋轉(zhuǎn)切割，其坐標(biāo)選取與晶體坐標(biāo)系有所不同。因此，

9、必須先對鷒多層膜的傳播坐標(biāo)系 班少贗口三口三吃吒口吒菼旋轉(zhuǎn)一定尤拉角度?？：蟮玫?。在這里，口為繞岬男=嵌齲葷課H苰軸的旋 圖尤拉角與坐標(biāo)變換介電常數(shù)變換關(guān)系式為：占：其中，>遄晗碌慕櫚緋肌PR歡壤嵌秒，緲，后在新坐標(biāo)下的介電常數(shù)，梢醞ü來求得，為逆矩陣。其中：“ 蔿【觥的材料常數(shù)痬 旬質(zhì)齡密度鷒的材料常數(shù)介電常數(shù)驠介電常數(shù)痬質(zhì)量密度質(zhì)量密度一 圖鷒多層膜坐標(biāo)系嗖隳目死鎪雇蟹黶疏方程及邊界條件這兩個系統(tǒng)方程。這兩個系統(tǒng)方程相互影響、相互耦合夠成了聲表面波的波動方程一克表多層膜的邊界條件電學(xué)邊界條件當(dāng)在毛的邊界為開路在屯瓦在五當(dāng)在屯的邊界為開路 第四章和鋤嗖隳鈉瞪澎在蓯當(dāng)在屯的邊界

10、為短路在毛在屯鷒多層膜結(jié)構(gòu)的頻散效應(yīng)我們將一般解公式帶入波動方程公式西現(xiàn)辦以其中：砭巳巳 將筒牧銑牘汕蟮冒爍，用吃表示，。再將既代口；，于將玩和卵代入公式和公式中，可以得到波動方程解如下：吩瓢涂”沈腩粀苢啊痚巍胛政硪弧琭氣猠四其中： 第四章和多層膜的頻散效麻經(jīng)推導(dǎo)可得：漆汝眅昕政逡粀”其中：刀對于薄膜材料時為園胛尷耷蛭；劉 第四章和多層膜的頻敞效麻¨當(dāng)噸輟政粀式可以表述為：緲一挑絲甄互比品災(zāi)唬琫諸褚粀中：置。氣，。穡氣?？跉?，既。誒氣，琸氣，口氣，琸矩陣元素口根數(shù)目一般表面波口，吩心，啦壓電波 琄，墨，對于鷒而言，由于不具有壓電性，其黶行矩陣如式所示：篕，嚎凇件幽吩苢毋政琺褚粀 五。

11、厚狗跏島肽腩一五，苀七吶漸而驧五刊岷甌躍汝逡粀其中：公式次嗖隳目死鎪雇蟹方程。州溉濃剖當(dāng)在恐B芳醋雜殺礱媸保瘛！。：和瓦。如下所示：也。篟，吃?，R。 【丁】，一口搿慨妒貳¨叫川乩。：憾海浩鞫輳海囂：誄鯬峨口地妒為了得到非零系數(shù)解，【日】的行列式必須為零，即。求的解，即可得到波數(shù)后等澳癜斐嘶鲇胂嗨，之問的關(guān)系，即頻散效應(yīng)，如圖。 圖鷒多層膜結(jié)構(gòu)的頻散效應(yīng)本章小結(jié)、鷒在傳播坐標(biāo)系下材料常數(shù)與鷒在晶體坐標(biāo)系下材料常數(shù)有所不同，必須要旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行換算得到，在本章中，我們詳細(xì)們介紹解此矩陣，可以得到鷒多層膜結(jié)構(gòu)的頻散效應(yīng)曲線。 第氍章聲表面波器瑋：的有限元仿真第五章聲表面波器件的有限元仿真

12、在本章中，我們對聲表面波器件有限元仿真進(jìn)行了研究。利用軟件分析了壓電晶體和鷒多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波諧振器。在本章中，我們重點對諧振器的特征頻率和頻率響應(yīng)進(jìn)行了分析。通過特征頻率分析，可以觀察到聲表面波的傳播特性和衰減特性，也可以計算表面波的相速度和機(jī)電禍合系數(shù)，還可以導(dǎo)納。輸入導(dǎo)納的分析，對設(shè)計無線聲表面波器件的阻抗匹配有重要的意義。聲表面波的周期邊界條件如下式所示：其中：噼嘲荷礱娌奈灰疲晃：聲表面波的電勢；相位傳播常數(shù)；五：聲表面波的波長。吼一“ 第無章聲表面波器琭：的有限元仿真還恪!。、痩表壓電品體邊界條件邊界條件機(jī)械邊界條件機(jī)械邊界條件表在中壓電晶體邊界條件 電位能電位移的法線方向分量。表諧

13、振器的兒何尺寸用岬的仿真厚度，有兩個原因：一，聲表面波在波長內(nèi)衰減掉，在下面的特征頻率分析中，我們會觀察到；二，既要確保仿真精確性又要減少仿真計算量、減少仿真時間的需要。在中，聲表面波仿真的一般步驟為：建模向?qū)В涸谖C(jī)電系統(tǒng)模塊下的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊中選擇壓電平面應(yīng)力。如果是模態(tài)分析，選擇特征頻率分析；若是諧響應(yīng)分析，就選擇頻率響應(yīng)分析。幾何建模：根據(jù)表完成幾何建模。 第五章盧表面波器什的限元仿寅輸入和叉指電極的材料常數(shù)。在中有六采用映射網(wǎng)絡(luò)單元格完成模型網(wǎng)格的劃分。進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。 一一邑一一 一一一圖單端口諧振器的對稱模態(tài)表面圖表面：總位移。：【！ 第無章聲表面波器件的有限元仿真鴣。畂柏卜一圖

14、單端口諧振器的對稱模態(tài)等位圖西埔胡。妒圖單端口諧振器的反對稱模態(tài)表面圖 第五章聲表面波器件的有限元仿真鋒位：總位咎圖一 第再章盧表面波器仆的有限元仿真在頻率響應(yīng)分析中，主要對器件的輸入導(dǎo)納進(jìn)行分析。輸入導(dǎo)納可以通過公式來提取。；：八；丑啪廟廠； 第五章盧表面波器?，l：的有限元仿真的材料常數(shù)：彈性剛度常數(shù)：胃疧 多層膜結(jié)構(gòu)諧振器的有限元仿真囊纛鬻鬻熊諧振器的兒何結(jié)構(gòu)會剛石在所有材料中具有最高的聲表面波相速，是設(shè)計和制作高頻聲表面波器件的理想選擇。但是金剛石不具有壓電性，當(dāng)用來制作聲表面波器件時，必須在其上濺射一層壓電薄膜，完成聲表面波的激發(fā)和接收。但這種多層膜結(jié)構(gòu)具有頻散效應(yīng)，對壓電薄膜的厚度非

15、常敏感，膜厚辦與波數(shù)后乘積砌的不同，聲表面波的相速亦不相同，這使得多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件具有設(shè)計復(fù)雜和制作難度大的特點。在本論文中，采用荊，擔(dān)癿來設(shè)置多層膜結(jié)構(gòu)的幾何尺 第無章盧表面波器瑋：的有限元仿真機(jī)械邊界條件電學(xué)邊界條件電位能表縉 圖燦單端口諧振器的對稱模態(tài)表面圖 第瓦章盧表面波器什的有限元仿真一】鷒單端口諧振器的對稱模態(tài)等位圖阤“表面：總位咎【·】一圖一 第五章聲表面波器件的有限元仿真。善薯卯鰣毋巡類爽剩八八一圖刪赿單端口諧振器的輸入導(dǎo)納 第五章盧表面波器什的有限元仿真一茸圖鷒艤端口諧振器的反對稱模態(tài)表面圖一卜一卜叫卜一鶿圖 第升章盧表面波器什的有限元仿真本章小結(jié)比，諧振頻率

16、更高，更適合設(shè)計高頻器件。 第八章全文總結(jié)及展望第六章全文總結(jié)及展望但是到目前為止，聲表面波器件的設(shè)計多是通過經(jīng)驗公式或唯象模型來完成。唯象鷒的頻散效應(yīng)。我們建立多層膜的克罩斯托夫虢矩陣，通過求解使的行列式為展望在未來的工作中，我們還需要完成以下工作：陣類型的判別；克旱斯托夫毹矩陣的創(chuàng)建；克里斯托夫阤矩陣的求解?？趯嶒灉y試，為早日實現(xiàn)高頻多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件的產(chǎn)業(yè)化做好準(zhǔn)備。 【坷鈧頁希礱娌際醯撓謾綣】系統(tǒng)一逃氳繾蛹際酰【苛蹺幕裕癡裥臀拊次尷遱壓力傳感器結(jié)構(gòu)研究【浚厙歟褐厙烊搜獾紓篒：樣學(xué)院，緀：韎弘 嘰碝姐鷗，啪，【】甋甋瓹蚐猚瓵荊謉禹眕荊鋤綣】艦琹琒 縑甈撕阨仰鮟琹：續(xù)綣】慷遝【】甐肌琂瓾琈瓵鋤鵲傾餷【浚隆疎【】林基明表面波和礱娌謚芷謖裾籩械拇ú匭匝芯俊