多層SAW器件叉指換能器錯層布局研究*

李志鵬， 孟 旭， 王博男， 張 超

(東北林業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

聲表面波(surface acoustic wave，SAW)器件在電子通信技術、微流體、傳感器等領域內已經有著廣泛的應用[1～6]。而且隨著壓電薄膜材料的研發與制備工藝的完善，一些學者開始致力于研究基于層狀壓電薄膜結構的具有高頻、高機電耦合系數、高品質因數的SAW器件[7～11]。一般情況下，使用高聲速的基底材料或者縮短SAW的波長可以有效提高SAW工作頻率。但是，以上這些提高SAW器件頻率的方法會受到材料本身聲速的限制與制備工藝的制約。比如，傳統的金屬叉指換能器(interdigital transdu-cer，IDT)的布局處于同一壓電沉底或壓電薄膜層，由于受到制備工藝、高成本、高頻所帶來的機械振動及高溫的影響，IDT的周期不能制備到很小的水平。

鈮酸鋰(LiNbO3)是近幾年研究熱度比較高的壓電薄膜材料，因其可以激發出有較高相速度的SAW，更因其比其他壓電薄膜具有更高的機電耦合系數而備受關注[12,13]。此外，LiNbO3也可以沉積在具有更高相速度的襯底材料上，比如金剛石或者碳化硅，所以，同樣也是多層SAW器件的理想選擇材料。

本文將在多層狀SAW器件(IDT/LiNbO3/金剛石(diamond)/Si)的結構基礎上將原本處于同一工作平面內布局的IDT進行錯層布局處理，即將不同極性的電極布置在不同的材料表面，以期達到進一步提高SAW工作頻率或縮小結構尺寸的目的。

1 仿真模型的搭建與結構細節

一般多層SAW器件結構由IDT(電極層)、壓電薄膜層、增速層、基底層等組成，如圖1(a)所示。叉指電極統一分布在壓電薄膜層或增速薄膜層表面。SAW以駐波的形式在壓電薄膜層與增速薄膜層中傳播。本文將探討具有錯層分布的IDT結構，如圖1(b)所示。將IDT的接地電極與信號輸入電極分別設置在不同的材料層表面。具體的結構細節在圖1(c)中進行了說明。

圖1 仿真模型

兩異性電極之間的間距為S1與S2，如果是均勻IDT，則有S1=S2，兩同性電極之間的橫向距離S3可以通過以下方程計算得到

S3=S1+d+S2

(1)

這些結構尺寸是縮小波長(λ)和增加SAW器件工作頻率的關鍵

λ=S3+d

(2)

本文利用COMSOL-Multiphysics 5.6仿真軟件，采用有限元方法對圖1所示的兩種結構進行了理論研究與對比分析。每一種結構本文都采用雙周期的結構形式，如圖2所示。兩種結構形式除了同性電極所處不同薄膜層表面外，其余參數全部相同。

圖2 仿真模型各結構參數示意

具體尺寸的初始值及邊界條件列舉于表1與表2中。IDT的電極極性可以互換的。

表1 仿真模型初始結構參數

表2 仿真模型的邊界條件

由于壓電材料具有各向異性，所以,不同的切型將會導致壓電材料表現出不同的壓電特性。根據參考文獻[14]中所公示的128°YX-LiNbO3材料參數，在COMSOL中通過用戶定義的方式，對壓電材料的彈性矩陣、耦合矩陣、相對介電常數及密度進行設置，無需再對LiNbO3壓電層進行坐標系變換操作。為了降低仿真軟件的運算量，圖1中的所有結構采用二維模型進行仿真研究。

2 仿真結果與分析

在仿真結果的研究方面，建立了三項研究內容：1)特征頻率研究，主要研究在特定結構參數下SAW器件的正、反特征頻；2)頻域研究，針對研究內容1中的結構參數繪制SAW器件的導納曲線；3)參數化掃描，掃描內容分別為hLN，hDIA,S1三個參數項，輸出結果為SAW器件的正、反特征頻率、電勢、振型等。

為了明確IDT錯層布局對SAW的影響，選擇了3個SAW器件性能參數進行對比研究，分別是特征頻率f,機電耦合系數K2以及導納比AR。

特征頻率f的定義為[15]

f=(f++f-)/2

(3)

式中f+為正特征頻率，f-為反特征頻率。

機電耦合系數K2的定義為[15]

K2≈2×(f+-f-)/f-×100%

(4)

導納比AR的定義為[16]

AR=20lg |Y+/Y-|

(5)

式中Y+為正特征頻率下的導納，Y-為負特征頻率下的導納。

圖3為初始結構參數下兩種不同IDT布局的仿真結果，從中可以發現IDT錯層布局與IDT同層布局相比，SAW器件的振型沒有發生變化，二者的正特征頻率f+均為1.01 GHz，反特征頻率f-均為1.03G Hz，根據式(4)可以計算得知，機電耦合系數K2也未發生變化，只有導納比AR從52降低到14，這并不是十分理想的結果。為此，還需要進一步研究將IDT錯層布局的可行性。

圖3 初始值仿真結果

SAW在石英等單晶體襯底中傳播時不會發生色散現象，但是SAW在多層狀壓電結構中傳播時，色散現象將無法避免的發生，這就需要研究薄膜層厚度(hLN，hDIA)的變化對SAW傳播的影響。

圖4(a)～(c)所示為在不同的LiNbO3薄膜層厚度條件下，兩種結構特征頻率f,機電耦合系數K2以及導納比AR的變化關系。從中可以發現：隨著LiNbO3薄膜層厚度的降低，兩種結構的特征頻率f有著顯著的提升；K2保持在3.96～4.00之間，沒有明顯改變；IDT平層布局的AR有著相對較大的波動，而IDT錯層的AR波動較小，但整體上仍然小于平層布局。

圖4(d)～(f)所示為在不同的Diamond薄膜層厚度條件下，兩種結構f、K2以及AR的變化關系。從中可以發現，隨著Diamond薄膜厚度的增加，兩種結構的f有著顯著的提升;K2保持在3.994～3.998之間，沒有明顯改變；IDT平層布局的AR在40～50之間波動，IDT錯層的AR在10～20之間波動，整體上仍然小于平層布局。

對于平層IDT，叉指電極為二維空間內布局，電極間距S1的可變范圍極為有限，在參數掃描項中對S1的可變范圍設定為+0.25λ(1 μm)～0。而對于錯層IDT，叉指電極為三維空間內布局，電極間距S1的可變空間也就大了許多，在參數掃描項中對S1的可變范圍設定為+0.25λ(1 μm)～-0.25λ(-1 μm)。當S1為-1 μm，正負電極在基底平面上的投影將完全重合。圖4(h)～(g)所示為在不同的正負電極間距S1條件下，兩種結構f、K2以及AR的變化關系。

圖4 參數化掃描研究結果

當平層IDT布局的電極間距S1從1 μm變化到0 μm的過程中，f與K2會在一個小范圍內產生輕微的波動，而AR將會大范圍的下降，當S1減小到0.5 μm時，SAW器件將再也無法激發出SAW，SAW器件失去工作能力。

當錯層IDT布局的電極間距S1從1 μm變化到-1 μm的過程中，f線性下降了0.03 GHz;K2經歷了一個先下降后上升的過程，當S1為-0.4 μm時，K2達到最小值3.976;AR同樣經歷了一個先小幅度下降然后大幅度上升的過程，當S1減小到0.2 μm時，AR達到最小值15.9，后AR開始快速上升，當S1減小到-1 μm時，即正負電極在基底平面的投影完全重合時，AR達到最大值57.2，超過了平層IDT布局初始參數條件下的AR值52。

3 結 論

從仿真結果看，僅僅將IDT從平層布局轉變為錯層布局，SAW器件的特征頻率、機電耦合系數相差無幾，導納比卻有所下降，即使考慮了多層狀壓電結構對SAW傳播的色散影響，仿真結果依然再次驗證了以上結論。

但是IDT錯層布局的最大優勢是將IDT平層布局的叉指電極二維平面布局轉化為三維立體空間布局，布置形式變得更加靈活，從仿真結果中可以清晰的看出，當正負電極在基底平面的投影完全重合時，SAW器件依然可以穩定激發出SAW，特征頻率與機電耦合系數未出現明顯變化，導納比有顯著提升。換言之，在不增加差指指條對數的前提下，采用IDT錯層布局的SAW器件在保持性能不變的情況下，SAW器件體積可以縮小一倍；在不改變SAW器件尺寸的前提下，采用IDT錯層布局的SAW器件也會更加容易實現特征頻率的提高設計與制備。