跨層叉指換能器對復合膜SAW器件影響的研究*

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

叉指換能器(interdigital transducer,IDT)是一對交錯排列在壓電材料表面的梳狀金屬電極，主要用于激發聲表面波(surface acoustic wave,SAW)[1,2]。SAW器件的工作頻率與IDT叉指指條寬度相關，叉指越細，器件工作頻率越高，近些年，加工高分辨的叉指電極成為制備高頻SAW器件的重要方式之一[3]。但是，由于光學衍射極限的存在，傳統的光刻加工工藝已經難以滿足高頻SAW器件高分辨、低成本、非標準硅基襯底的制備要求[4]。

面向高頻SAW器件的設計與制備，除了減小器件工作波長外，還可以通過提高其相速度的辦法來實現。常規壓電材料的相速度普遍不高，但是隨著材料科學的發展，復合膜結構襯底材料成為發展高頻SAW器件的另一重要方式[5]。

本文利用復合膜襯底結構的多層狀特點，將原本處于同一平面內的不同極性叉指電極進行跨層布局，以期通過縮小相鄰電極之間的水平間距的辦法，達到提高SAW器件工作頻率的目的。

1 多層結構中的SAW分析

如圖1所示，用于制作SAW器件的層狀結構一般以硅作為襯底，它的作用是使結構更加牢固，材料成本也更低。襯底往上依次是金剛石基體層、壓電層以及電極層。

圖1 SAW層狀結構

(1)

假設電勢Φ(0)的表達式為

(2)

利用壓電彈性體的基本方程可以計算出相應的應力分量以及電位移分量

(3)

(4)

應力和電位移應同時滿足運動方程和壓電方程

(5)

(6)

式中β和c為兩個未知數，如果給定一個波速c的值，則該方程就成為β的八次方程，由它可以解出β的八個根。由于SAW是沿著固體表面傳播的，在固體內距表面足夠深處質點位移應該為零，所以，取β實部為正的四個根。

為使假設的位移以及通過位移求得的應力等量能夠同時滿足波動方程和邊界條件，將這些量寫成線性組合的形式

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)～式(10)為半無限大彈性基體中位移、電勢、應力和電位移的線性組合的表達式。

對于壓電層的位移、電勢、應力和電位移量的推導與基體層一樣，主要區別在于由于壓電薄膜材料的各向異性，所以，在公式的推導過程中取i，j=1,2,3,4,5,6，r=1,2,3,4,5,6,7,8。這樣即求得了層狀結構中各層的位移、電勢、應力和電位移的線性組合表達式。對于壓電介質中傳播的SAW，還應同時滿足機械邊界條件和電學邊界條件。

2 仿真模型與細節分析

本文利用COMSOL-Multiphysics 5.6軟件，采用有限元法對采用跨層IDT的復合膜SAW器件結構進行理論研究。具體結構形式如圖2所示。復合膜SAW器件采用雙周期仿真模型，兩側具有周期性邊界條件，各層材料及名稱依次為Al電極/128°Y-X LiNbO3壓電薄膜層/Diamond薄膜層(Cu電極)/Si(100)襯底。第一層電極作為信號輸入端口分布在LiNbO3薄膜層之上，第二層電極作為接地端嵌在Diamond薄膜層內，事實上，這兩層IDT的電極極性是可以互換的。極性不同的兩種電極同一邊界之間的橫向距離為G11，同性電極之間的間距為G22，每個IDT的寬度為d，SAW的波長λ為

λ=2×G11

(11)

圖2 具有跨層IDT布局的復合膜SAW器件模型

這種IDT的跨層布局形式會在激勵過程中給器件帶來一個垂直方向的電場，將會在激活SAW的同時激活體波。如果不對其進行控制，它將會在整個結構內傳播，造成能量的耗散，影響信號質量。為了消除這一影響，本文采用兩層厚度與材料均不相同的IDT叉指電極來抑制體波的產生。初始結構尺寸及使用材料見表1所示。文獻[6]給出了128°Y-X LiNbO3的材料參數。

表1 仿真模型結構尺寸

3 仿真結果分析

本文首先通過模態分析和頻率響應分析得出復合膜SAW器件的頻率特性，然后利用參數化掃描功能分析各層膜厚度對SAW傳播的影響，并且計算出機電耦合系數k2，最后分析跨層IDT間距G11與G22的改變對SAW器件的影響。

3.1 頻率特性分析

頻率分析主要包含兩部分，一是對機械結構的固有振動特征進行模態分析；二是在模態分析的基礎上通過設置電學邊界條件給IDT施加激勵信號，分析模型在不同激勵下的穩態響應，得出模型在不同頻率下的響應強度曲線，也稱為導納曲線。

圖3為初始結構條件下的導納曲線圖，圖中插圖為對應的特征頻率fa=2.97 GHz以及反特征頻率fr=3.0 GHz下的SAW器件振型圖。

圖3 導納曲線

3.2 薄膜厚度分析

單晶壓電襯底結構的SAW器件，SAW在傳播過程中若忽略由襯底表面粗糙度造成的漫反射則無需研究色散對其SAW傳播的影響。但對于復合膜SAW器件，SAW將會從一種材料中傳播到另一種材料中，這就導致色散現象的發生，所以在這一小節中通過對hdia和hLiNbO3兩個膜厚參數進行色散分析。圖4為LiNbO3膜hLiNbO3處于0.2～0.8 μm范圍內且Diamond膜厚hdia也處于0.2～0.8 μm范圍內時，復合膜SAW器件特征頻率與反特征頻率變化曲線。從仿真結果可以發現，當hdia一定時，隨著hLiNbO3的增大，特征頻率與反特征頻率明顯下降，這是因為隨著hLiNbO3的增大，SAW將更多的在LiNbO3薄膜層內傳播，多層薄膜的耦合優勢被削弱。而當hLiNbO3一定時，隨著hdia的增加，特征頻率與反特征頻率明顯的升高，這是因為Diamond具有更高的聲速，所以隨著Diamond薄膜厚度的增加，SAW更多的表現出在Diamond中傳播的特性，但是這種升高的趨勢隨著Diamond薄膜厚度的增加逐步放緩。

圖4 膜厚不同對復合膜SAW器件特征頻率的影響曲線圖

除此之外，當hLiNbO3小于0.4 μm且hdia大于0.4 μm時，SAW無法被激發，而當hLiNbO3小于0.4 μm且hdia小于0.4 μm時，SAW又可以被激發出來。這是因為SAW直接穿透了兩層薄膜材料，在三種材料中共同傳播，但是由于色散現象更為嚴重，造成能量的大幅度損耗，特征頻率與反特征頻率有所下降。

3.3 機電耦合系數k2

機電耦合系數k2表示壓電體機械能與電能的耦合程度，是衡量壓電材料壓電性強弱的重要物理量。基于有限元模擬，機電耦合系數k2可以根據式(12)中所示的正反特征頻率之間的相對間隔來定義[7]

(12)

利用式(12)與3.2節中的特征頻率與反特征頻率數據可以計算得到不同薄膜厚度情況下的k2曲線，如圖5所示。k2隨薄膜層厚度不同而變化的整體趨勢與頻率的變化趨勢基本相同，只有當hLiNbO3小于0.4 μm且hdia小于0.4 μm時，k2的變化趨勢明顯區別于其他情況，主要原因是三種材料的相互耦合導致的，且當hLiNbO3為0.3 μm，hdia為0.3 μm時，k2出現極大值0.617。

圖5 機電耦合系數k2曲線

3.4 跨層IDT間距G11,G22

本文提出的跨層IDT結構是在一種理想的狀態。例如，在初始結構條件下，G11的值為0.35 μm，G22的值為0.75 μm。但是在實際制備過程中，G11,G22往往會是一個范圍值，在本文將探討不同的G11,G22對跨層IDT產生的影響。

如圖6(a)所示，當G11從0.35μm減小到0時，特征頻率從2.965 GHz升高到2.977 GHz，反特征頻率從3.001 GHz下降到2.989 GHz。當G11為0時，正負IDT在襯底平面上的投影完全重合。由此可知，當跨層IDT正負電極投影重合時，復合膜SAW器件依然可以激發出SAW，若使用相同數量的IDT電極對數，采用跨層IDT可以大幅度縮小SAW器件的結構尺寸。如圖6(b)所示，當G22從0.75 μm減小到0.4 μm時，特征頻率從2.977 GHz升高到2.990 GHz，反特征頻率從2.989 GHz升高到2.991 GHz。

圖6 電極間距變化對特征頻率的影響

4 結束語

本文提出了一種適用于復合膜SAW器件的跨層IDT布局。與平層IDT相比，跨層IDT異性電極之間的相對距離可以非常小，甚至可以在垂直方向上完全重疊布置，極大地縮小了相鄰異性電極之間的間隙，在不提高現有光刻技術極限的情況下，可以將現有的復合膜SAW器件結構減小到一個新的層次上。除此之外，相鄰電極間距的減小的同時SAW器件的波長尺寸也相應的減小，達到了提高SAW器件特征頻率的目的。未來，可以根據不同的性能要求設計不同薄膜材料的復合膜SAW器件和跨層IDT布局形式，并基于此類設計制作測試器件，以驗證其真實性能。