單端SAW器件設計及有限元仿真

謝易微 許紹俊

摘 要： 隨著信息技術和通訊技術的發展，通訊設備中需要處理的信號頻段和信號量也在不斷增加。而聲表面波（SAW）器件不僅具有優異的信號傳感、信號延時以及信號濾波功能，還具有結構簡單、尺寸小、成本低、適于大規模生產的優點，因此廣泛應用于通訊設備。本文設計了一個單端SAW器件，并使用COMSOL Multiphysics軟件對其進行有限元仿真分析，仿真發現，器件的反諧振頻率為反諧振頻率為190.79MHz，諧振頻率為190.84MHz。

關鍵詞： SAW;COMSOL;有限元分析

隨著科技的發展，通訊系統已經不僅僅局限于手機、信號基站。隨著社會即將進入萬物互聯的時代，各種工業設備、常用家具、汽車等也會裝入信號終端，并且隨著5G技術的日益成熟，這些終端需要進行處理的信號頻段也越來越多，為了更加完好地處理信號，就需要對接收或者發射信號的準確的掌控。而處理信號每一個頻段，一般需要至少兩個性能優異的濾波器，而隨著通訊技術的發展，信號網絡支持的頻段將會變得更多。頻段的上升使得濾波器的需求也越大，目前，濾波器占據著射頻前段市場最大的市場。濾波器主要有兩種類型，分別是聲表面波SAW器件[1]和體表面波BAW器件[2]。BAW器件往往設計及制作工藝復雜，而SAW器件結構簡單、尺寸小、成本低、適于大規模生產，廣泛應用于通訊設備中。2020年2月18日，高通公司推出Qualcomm ultraSAW濾波器技術，器件在600MHz到2.7GHz范圍內皆可完美發揮濾波性能。同時，這項濾波器技術的品質因數高達5000，具有極其低的壓電損耗，能夠維持個位數的溫度漂移。可見，SAW器件已經成為研究的重點。

1 單端SAW器件的設計

SAW換能器主要依靠聲信號和電信號的相互轉化來實現一定的功能，SAW換能器主要由叉指電極和反射柵構成。單端SAW器件是諧振型SAW器件，主要擁有一個端口，這個端口通入一定頻率的信號，在叉指電極下方的壓電層由于逆壓電效應會產生振動，振動的信號向兩邊擴散，而反射柵的主要作用是將振動反射回端口。單端SAW換能器的結構示意圖如圖1所示。

圖中各種參數的含義具體介紹如下：參數a指的是叉指電極中單個叉指的寬度;參數c指的是叉指的間距，a與c的比值稱為金屬化比率η;參數d指的是叉指電極距離邊緣的長度;參數e指的是反射柵中單個反射柵的寬度;參數W指的是聲孔徑，各個叉指相對的區域長度;參數da指的是叉指電極叉指電極總寬度;參數dc指的是聲表面波能量透射的深度，為振幅衰減為1/e時傳播的距離;參數de指的是諧振腔的有效距離;參數dg指的是叉指電極和反射柵的距離;參數df指的是反射柵的寬度。

參數設計時，均勻叉指的結構較為簡單，因此選擇均勻叉指結構。此時波長參數是a與c和的2倍，在考慮到光刻儀器的精度等原因，將參數a、c設置為8μm;參數d和參數e對器件性能影響不大，考慮到器件尺寸，設置為8μm;反射柵對數太少則不能將振動很好地反射，加上器件因素的考慮，設置為100對;聲孔徑在75～90倍波長時，擁有50歐姆的聲阻抗[3]，將其設置為80倍波長;叉指對數會影響器件的帶寬和輻射功率，設置為80對叉指電極;不合理的dg值會導致反射柵無法精確反射振動波;dg的參數值應滿足：

dg=（n- 1 2 ） λ 2? ?（1）

dg越長，很顯然振動傳到反射柵的時間也會增加，雙端的SAW換能器正是利用這點，因此常用于延遲線的應用。因為設計的是單端的SAW換能器，器件的主要表征為諧振頻率，可以不用將器件尺寸設計特別大。這里選擇n=2，即叉指和反射柵的距離為3/4倍波長。結構設計后，可以使用掩膜版進行圖形光刻，光刻后在壓電層上制備電極，最后進行電極剝離，既可得到單端SAW器件。SAW器件除了單端器件，還有主要運用于延遲線運用的雙端SAW器件，以及更為復雜的多端SAW器件，在叉指電極設計上，根據實際的應用情況，叉指電極還可以設計成具有屏蔽電極、假指、變跡叉指等形狀。

2 單端SAW器件的有限元仿真

單端SAW器件具有大量重復單元，并且反射柵不影響器件的諧振頻率。仿真時可以選取最小重復單元進行仿真。并且單端的SAW器件產生的振動波形從側面上看是一致的，因此可以將3維的重復性區域轉化成2維，仿真時可以減少一定計算量，提高效率。本文仿真的SAW整體結構為：襯底是藍寶石;電極層是Mo金屬;壓電層是AlN薄膜。建模時，底層藍寶石區域厚度相對于電極厚度很大，在仿真時將其厚度設置94μm;Mo電極的厚度為200nm;AlN薄膜厚度為1.8μm;叉指電極寬度8μm。叉指電極距離邊界距離為4μm。使用COMSOL軟件的建模圖如圖2所示：

建模之后，設置相應的邊界條件，主要邊界條件設置為：在模型側面設置周期性邊界條件，在模型底部設置固定約束邊界條件，壓電層與Mo電極的接觸線設置為零電荷。接著在模型左上方壓電層與叉指的接觸線施加1V的電壓，在模型右上方壓電層與叉指的接觸線設置為接地。然后對模型進行網格剖分，這是有限元分析中重要的一步，因為有限元分析的主要思想是將求解的區域分割成很多個區域，每一個小區域假定一個近似的簡單解，通過邊界條件逐步推導滿足整個區域的解。網格剖分使用自由三角形網格，對Mo電極和壓電材料層使用“極細化”的尺寸要求，對藍寶石層使用“較細化”的尺寸要求。接著可對其進行有限元分析。仿真得到的結果如圖3所示：

圖a是瑞利波反對稱模式的振型圖，其頻率190.79MHz為反諧振頻率f1，圖b是瑞利波對稱模式的振型圖，其頻率19084MHz為諧振頻率f0，可以通過公式2得出器件的有效聲波傳播速度為6106.08m/s。

v= λ（f0+f1） 2? ?（2）

3 結語

本文主要介紹了單端SAW器件的主要的結構，并根據此結構，設計了一個單端SAW器件，最后對器件進行有限元仿真分析。研究發現這樣設計的SAW器件反諧振頻率為190.79MHz， 諧振頻率為190.84MHz，器件的有效聲速為6106.08m/s。本文設計的SAW換能器器件是結構相對簡單的單端諧振SAW換能器，而在實際的應用中，為了滿足各個頻段以及適應特殊的應用領域，往往需要設計更加復雜的SAW換能器器件，而在器件的實際應用中，僅僅依靠以諧振頻率為主的仿真是不夠的，還可以仿真器件其他的電學性能、與其他器件的耦合等情況。

參考文獻：

[1]唐敏，肖雪.SAW濾波器的市場前景及發展趨勢[J].今日電子，2000（10）：31-32.

[2]R.Aigner.基于CMOS工藝的高性能射頻濾波器：體聲波濾波器（BAW）[J].世界電子元器件，2003（5）：38-41.

[3]陳菁菁.高頻金剛石多層薄膜結構聲表面波濾波器的設計和研制[D].北京：清華大學，2004，46.