Love模聲表面波傳感器特性研究

金嘉未，陳 晨，孔 梅

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，吉林 長春130000）

引言

表面聲波（SAW）器件以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電視、手機(jī)、信號(hào)處理和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域。研究和使用了幾種類型的聲表面波，包括瑞利波、剪切水平（SH）波、樂甫波和蘭姆波[1]。瑞利波是最早被研究和廣泛應(yīng)用的聲表面波模式。但當(dāng)其用于液體環(huán)境檢測時(shí)，由于瑞利波具有較大的垂直位移分量，從而容易形成縱波造成聲波信號(hào)損嚴(yán)重，因此很大程度降低了傳感器的靈敏度[2]。而由于水平剪切表面聲波不存在垂直位移分量，不會(huì)與液體產(chǎn)生耦合，即不會(huì)存在聲波能量向液體環(huán)境輻射損失的現(xiàn)象，因此在液體環(huán)境檢測中，Love波聲表面波傳感器對表面的擾動(dòng)非常敏感，非常適用于液體環(huán)境上的檢測[3]。

文章利用有限元軟件設(shè)計(jì)出Love模聲表面?zhèn)鞲衅鳎捎萌S有限元方法模擬了聲表面波在IDT/ZnO/SiO2/金剛石和IDT/AlN/SiO2/金剛石結(jié)構(gòu)的傳播特性，詳細(xì)地分析了兩種結(jié)構(gòu)中樂甫波的相速度，機(jī)電耦合系數(shù)和頻率溫度系數(shù)，從而得出了結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)。

1 Love模聲表面波傳感器三維建模

圖1是建立的三維模型。其中，器件的波長為4μm，氧化鋅的厚度為0.8μm，電極高度0.1μm，電極寬度1μm，金剛石厚度20μm，二氧化硅厚度1μm。邊界條件中，ΓL1，ΓL2，ΓL3，ΓR1，ΓR2，ΓR3為周期性邊界條件；Γ1（Γ2，Γ3）的機(jī)械邊界條件為自由，連續(xù)，電學(xué)邊界條件為零電荷，連續(xù)；Γ4的機(jī)械邊界條件為固定約束，電學(xué)邊界條件為接地。依據(jù)模型的周期性劃分網(wǎng)格，采用系統(tǒng)的三角形網(wǎng)格。

2 不同結(jié)構(gòu)Love模聲表面波傳感器特性分析

2.1 模態(tài)分析

為了準(zhǔn)確研究樂甫波傳播特性，圖2顯示了IDT/ZnO/SiO2/金剛石結(jié)構(gòu)樂甫波正反對稱模式的位移場。由圖中可以看出在樂甫波基階模態(tài)上，y方向上的位移分量Uy都遠(yuǎn)大于在x和z方向上的位移分量Ux和Uz，且隨著深度的增加，Uy迅速減小，當(dāng)深度大于1.25λ時(shí)，Uy減小到零。說明其聲波能量主要集中在器件表面，這也符合Love波的位移特性。

圖2 正反對稱模態(tài)

2.2 不同結(jié)構(gòu)Love波相速度特性分析

圖1 IDT/ZnO/SiO2/金剛石三維模型

聲表面波相速度（Phase velocity，vp）的計(jì)算公式為:v=f0*λ，其中λ為聲表面波的波長，是由IDT的指條寬度和指間距離決定的，f0是聲表面波器件的中心頻率。兩種結(jié)構(gòu)上相速度隨hsio2/λ的變化曲線如圖3所示。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)上相速度隨hsio2/λ的變化曲線

從圖3中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)都隨著SiO2厚度的增加，相速度都迅速遞減最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)hsio2一定時(shí)，都隨著壓電薄膜厚度的增加，相速度逐漸減少。通過比較圖3（a），（b）兩圖可知IDT/AlN/SiO2/金剛石這種結(jié)構(gòu)中的相速度較大。且由圖3（b）可以看出在IDT/AlN/SiO2/金剛石結(jié)構(gòu)中，當(dāng)hsio2/λ＞0.18后，隨著hAlN/λ的增大，其相速度的變化相對于IDT/ZnO/SiO2/金剛石結(jié)構(gòu)較緩慢。

2.3 不同結(jié)構(gòu)SAW器件機(jī)電耦合系數(shù)特性分析

機(jī)電耦合系數(shù)采用最常用的方法“速度差法”，公式[4]為:

其中vf為聲波在自由表面的相速度，vm為金屬化表面的相速度。兩種結(jié)構(gòu)上機(jī)電耦合系數(shù)隨hsio2/λ的變化曲線如圖4所示。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)上機(jī)電耦合系數(shù)隨hsio2/λ的變化曲線

從圖4中可以看到，兩種結(jié)構(gòu)都隨著SiO2厚度的增加，機(jī)電耦合系數(shù)都迅速遞減最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)hsio2一定時(shí)，都隨著壓電薄膜厚度的增加，機(jī)電耦合系數(shù)逐漸減少。通過比較圖4（a），（b）兩圖可知IDT/AlN/SiO2/金剛石這種結(jié)構(gòu)中的機(jī)電耦合系數(shù)較大。

2.4 不同結(jié)構(gòu)SAW器件頻率溫度特性分析

延遲溫度系數(shù)是表征SAW器件溫度穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，可由如上公式[5]求得:

其中V15、V25和V35分別是SAW在15℃、25℃和35℃時(shí)自由表面的相速度，α為襯底材料沿傳播方向的熱膨脹系數(shù)。兩種結(jié)構(gòu)上SAW器件TCF隨hsio2/λ的變化曲線如圖5所示。

圖5 兩種結(jié)構(gòu)上SAW器件TCF隨hsio2/λ的變化曲線

圖5（a）是IDTs/ZnO/SiO2/金剛石結(jié)構(gòu)SAW器件TCF特性。從圖可以看到，在hzno/λ=0.1、0.2、0.3時(shí)，隨著SiO2厚度增加，其TCF一直變小，最后趨于穩(wěn)定。在hzno/λ=0.05時(shí)，隨著SiO2厚度增加，其TCF先變小，在某個(gè)厚度上TCF值接近0，之后開始增加最后趨于穩(wěn)定。圖5（b）是IDTs/AlN/SiO2/金剛石結(jié)構(gòu)SAW器件TCF特性。從圖可以看到，在hzno/λ=0.05時(shí)，隨著SiO2厚度增加，其TCF一直變大，最后趨于穩(wěn)定。在hAlN/λ=0.1、0.2、0.3時(shí)，隨著SiO2厚度增加，其TCF先變小，在某個(gè)厚度上TCF值接近0，之后開始增加最后趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文采用三維有限元方法模擬了金剛石襯底和壓電薄膜層狀結(jié)構(gòu)中樂甫波的傳播特性。通過對兩種結(jié)構(gòu)樂甫波的相速度，機(jī)電耦合系數(shù)和頻率溫度系數(shù)分析，設(shè)計(jì)出了兩種結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)。在IDT/ZnO/SiO2/金剛石結(jié)構(gòu)中，當(dāng)hsio2/λ=0.15和hzno/λ=0.05時(shí)，Love波的TCF為零，伴隨的k2仍較高，為15.3%，相速度為4905.2m/s。在IDT/AlN/SiO2/金剛石結(jié)構(gòu)中，當(dāng)hsio2/λ=0.21和hzno/λ=0.1時(shí)，Love波的TCF為零，伴隨的k2仍較高，為9.8%，相速度為6382.4m/s。結(jié)合高的機(jī)電耦合系數(shù)和接近零的頻率溫度系數(shù)，這使得Love模SAW在液體高靈敏度傳感器中有潛在的應(yīng)用。