铌酸锂薄膜多层结构中声波性能研究

摘要

随着通信技术的快速增长，高频器件的发展十分迅猛。微纳米加工技术和压电薄膜技术的发展使高频器件的微型化成为可能。铌酸锂压电薄膜具有优异的声波特性，由铌酸锂压电薄膜与不同基底材料结合所形成的多层结构，已在制备高频宽带特性器件中广泛应用。本文以铌酸锂单晶薄膜多层结构的声波器件为研究对象，分析与研究了声表面波器件和体声波谐振器中的波传播特性。 通过仿真分析了铌酸锂单晶薄膜多层结构的声表面波器件，通过对模态和频率响应分析得到这种新型结构的声表面波器件的谐振频率大约为320MHz，机电耦合系数为2.55%。作为声表面波器件最重要的元件之一，叉指换能器的设计参数是影响器件性能的重要因素。研究分析了叉指换能器的不同电极厚度和金属化率下器件的谐振频率与相速度。研究表明：随着电极厚度和金属化率的增大，谐振频率与相速度同时降低。由此可见，电极厚度和金属化率是设计声表面波器件时需要着重考虑的因素。基于对声表面波器件的研究，本文仿真模拟了声表面波气体传感器的工作原理，聚异丁烯气敏膜在吸附空气中的二氯甲烷具有良好的频率-浓度特性，仿真得到传感器的频移量大约为1.412ppm/Hz。 随着无线通信技术对射频频率的要求越来越高，体声波谐振器因其用于通信应用的频率滤波器而具有非常大的研究价值。本文通过有限元仿真发现铌酸锂单晶薄膜多层结构的体声波谐振器在2~3GHz宽频范围内具有多模谐振特性，在2.535GHz左右达到谐振，品质因数可达2863，机电耦合系数为5%左右，具有高频，高品质因数和较高机电耦合系数的优点。顶电极不同尺寸、材料和有效电极面积对谐振器的谐振频率和频率响应均有影响。制备不同顶电极尺寸的谐振器经实验检测，与仿真得到的结果相近，影响趋势一致。

目录

声明

1绪论

1.1铌酸锂研究现状

1.2声波器件研究现状

1.2.1声表面波器件

1.2.2体声波谐振器

1.3本文研究内容

2压电薄膜材料基础与铌酸锂薄膜的制备

2.1压电性基础

2.1.1压电效应与逆压电效应

2.1.2压电方程

2.2压电薄膜材料

2.2.1氧化锌薄膜

2.2.2氮化铝薄膜

2.2.3铌酸锂单晶薄膜

2.3基于铌酸锂薄膜多层结构的制备

2.3.1晶体离子切片

2.3.2全晶圆片的制备

2.4本章小结

3声表面波器件理论与设计参数研究

3.1 SAW传播特性

3.2 SAW器件与工作原理

3.2.1 SAW器件基本原理

3.2.2压电多层结构SAW器件

3.3 SAW器件有限元仿真

3.3.1建模与仿真过程

3.3.2仿真结果分析

3.4 IDT结构设计参数分析

3.4.1 IDT基本理论

3.4.2 IDT参数变化对器件的影响

3.5本章小结

4气体传感器的有限元仿真

4.1声表面波气体传感器

4.1.1研究背景

4.1.2工作原理

4.2气体传感器的仿真过程

4.2.1模型建立

4.2.2参数化设置

4.3仿真结果分析

4.4本章小结

5体声波谐振器的仿真与测试

5.1 BAW谐振器原理与研究背景

5.2 BAW谐振器有限元仿真

5.3电极层对BAW器件的影响

5.3.1电极材料及厚度的影响

5.3.2电极有效面积的影响

5.4 BAW器件的制作与检测

5.4.1顶电极的制备

5.4.2测试器件的制备

5.4.3器件的检测

5.5本章小结

6总结

参考文献

在学研究成果

致谢