高次諧波體聲波諧振器的頻率修正方法研究

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0 引言

高次諧波體聲波諧振器(HBAR)是一種采用微制造工藝將壓電薄膜及其上、下電極沉積在低損耗的諧振腔之上形成的器件。由于基底厚度遠大于聲波波長，基于厚度振動的HBAR具有多模諧振頻譜特性；另外，由于實驗中采用的是低損耗基底，HBAR表現出具有較大的品質因數(Q)?；谶@些特點，HBAR已廣泛應用于頻率控制系統中,作多頻微波信號源[1]、低相位噪聲的微波信號源[2]及用作傳感器[3]。

1 HBAR的集總參數等效電路

HBAR的橫向尺寸遠大于聲波長，故其縱向振動可以采用一維Mason等效電路進行分析[4]，其機械端可簡化為復阻抗ZM(見圖1)。圖中，C0為諧振器的鉗制電容，N為機電轉化比。若考慮各層的機械損耗，在諧振頻率附近，ZM可等效為力順C、力質量L和力阻R串聯的形式[4-5](見圖1)。

圖1 厚度振動模式諧振器的等效電路

ZM(f0)=0

(1)

(2)

(3)

式中π為圓周率。

2 HBAR的頻率修正

該HBAR的諧振譜中第216和217階的諧振頻率與f0=3 GHz均有偏差，需減薄其基底或頂電極，或在基底下表面或頂電極上表面沉積薄膜進行頻率修正。

2.1 基底減薄或沉積薄膜的頻率修正

對于Au0.1 μm/ZnO0.5 μm/Au0.1 μm/Sapphire 4層結構的HBAR，其諧振頻率隨基底厚度(ds)的變化曲線如圖2所示。圖中，A和B是ds=400 μm時，HBAR諧振譜中距離f0=3 GHz最近的兩個諧振頻率點，其所對應的階數分別為216和217。O和O1為f0=3 GHz與諧振譜的交點，所對應的基底厚度分別為399.666 μm和401.525 μm。

圖2 ds變化對諧振頻率的影響

增加或減少ds均可使實驗HBAR的諧振頻率修正到f0=3 GHz，此時HBAR諧振頻率的變化曲線如圖2中粗實線BO1和AO所示。若采用研磨基底的方式，即減薄基底厚度進行頻率修正，則諧振頻率將沿著AO方向移動，當基底厚度減薄0.334 μm，其諧振頻率增加至f0=3 GHz。若在基底下表面沉積薄膜進行頻率修正，假設沉積的薄膜為Sapphire，即增加基底厚度，則諧振頻率將沿著BO1方向移動，沉積該薄膜厚為1.525 μm時，其諧振頻率減少至f0=3 GHz。

圖3 在圖2所示的頻率修正過程中，和QM隨ds的變化曲線

表1 在基底下表面沉積幾種薄膜進行頻率修正的對比

2.2 頂電極減薄或沉積薄膜的頻率修正

為了對實驗制備的HBAR進行頻率修正，除了采用第2.1節討論的減薄基底或在基底下表面沉積薄膜來實現外，也可以通過減薄頂電極或在頂電極上表面沉積薄膜的方式來實現。對于Au/ZnO0.5 μm/Au0.1 μm/Sapphire400 μm4層結構的HBAR，圖4為其諧振譜隨頂電極厚度的變化曲線。實驗制備的頂電極厚為0.1 μm的HBAR，其距離f0=3 GHz最近的兩個諧振頻率如圖4中A和B所示。圖中f0=3 GHz與諧振譜的交點所對應的頂電極厚分別為0.048 μm和0.565 μm，如圖4中O和O1所示。

圖4 頂電極厚度變化對諧振頻率的影響

與改變ds的情況類似，增加或減少頂電極厚度均可以使實驗HBAR的諧振頻率修正到f0=3 GHz，此時HBAR諧振頻率的變化如圖4中粗實線BO1和AO所示。研磨頂電極，即減薄頂電極厚度，則實驗HBAR諧振頻率將沿著AO方向移動，當頂電極厚度減薄0.052 μm，其諧振頻率增加至f0=3 GHz。若在頂電極上表面沉積Au薄膜，即增加頂電極厚度，則諧振頻率將沿著BO1方向移動，當沉積的Au薄膜厚為0.465 μm時，其諧振頻率減少至f0=3 GHz。

圖5 在圖4所示的頻率修正過程中，和QM隨頂電極厚度的變化曲線

表2 在頂電極上表面沉積幾種薄膜進行頻率修正的對比

3 結束語