基于IDTs电极分层布局结构的瑞利波器件特性研究_袁宇鑫 (1).pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 5-3 0 基金项目:江苏省研究生科研创新计划(KY C X 2 1_0 7 1 1);南京邮电大学基金资助项目(NY 2 1 3 0 3 8)作者简介:袁宇鑫(1 9 9 8-),男,江苏省南通市人,硕士生,主要从事声表面波器件的研究。通信作者:王艳(1 9 8 0-),女,山东省高密市人,副教授,主要从事压电薄膜材料与相关声学器件的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 1 1-0 7D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 0 3基于I D T s电极分层布局结构的瑞利波器件特性研究袁宇鑫,武庆鹏,孙 立,孙科学,王 艳(南京邮电大学 电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院,江苏 南京2 1 0 0 0 9)摘 要:现代科技的发展对高频声表面波(S AW)器件的需求不断增加,对其工作频率也提出了更高的要求。为了提高S AW器件的频率,该文构建了一种I D T s电极分层布局的器件模型,即I D T s/A l N/I D T s/R-s a p p h i r e结构,并采用有限元法分析其声学性能,包括导纳、相速度、机电耦合系数等。结果表明,I D T s/A l N/I D T s/R-s a p p h i r e结构可激发出瑞利波,且当A l N压电薄膜厚度hA l N=0.4(为器件周期),水平中心距Pb=4m时,其工作频率为6 9 2MH z,传统的I D T s/A l N/R-s a p p h i r e结构器件提高了近1倍(3 5 6MH z),而此时机电耦合系数K2为0.3%,比传统结构高。另外,通过优化I D T s电极的结构参数可进一步改善、调制瑞利波器件的性能。当I D T s的上层铜电极和下层铝电极厚度之比h=1.2,Pb=4m,hA l N/=0.5时,瑞利波器件的谐振频率为6 5 7.9 MH z,K2=1.2 7%;当Pb=6m时,瑞利波的工作频率为4 6 1MH z,机电耦合系数达到最大(K2m a x=1.3 4%),较传统I D T s单层布局结构瑞利波器件分别提升了3 0%和3 0 0%。结果表明,I D T s电极分层布局结构不仅可有效地提高S AW器件的工作频率和机电耦合系数,也可以降低高频S AW器件的制备难度。关键词:声表面波;叉指换能器;有限元分析;机电耦合系数;瑞利波中图分类号:T N 6 5;O 4 2 6 文献标志码:A S t u d yo nC h a r a c t e r i s t i c so fR a y l e i g hW a v eD e v i c e sw i t hL a y e r e dL a y o u tS t r u c t u r eo f I D T sE l e c t r o d eY U A NY u x i n,WUQ i n g p e n g,S U NL i,S U NK e x u e,WA N GY a n(C o l l e g eo fE l e c t r o n i ca n dO p t i c a lE n g i n e e r i n g&C o l l e g eo fF l e x i b l eE l e c t r o n i c s(F u t u r eT e c h n o l o g y),N a n j i n gU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s,N a n j i n g2 1 0 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g yh a s i n c r e a s e dt h ed e m a n d s f o rh i g h-f r e q u e n c ys u r f a c ea c o u s t i cw a v e(S AW)d e v i c e s,a n dh a sp l a c e dh i g h e rr e q u i r e m e n t so nt h e i ro p e r a t i n gf r e q u e n c i e s.I no r d e rt oi n c r e a s et h ef r e q u e n c yo fS AWd e v i c e s,ad e v i c em o d e lw i t h l a y e r e d l a y o u t o f I D T s e l e c t r o d e s i s e s t a b l i s h e d,t h a t i s,I D T s/A l N/I D T s/R-s a p p h i r es t r u c t u r e.T h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i su s e d t oa n a l y z e i t s a c o u s t i cp e r f o r m a n c e,i n c l u d i n g t h e a d-m i t t a n c e,p h a s ev e l o c i t y,e l e c t r o-m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n t,e t c.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eR a y l e i g hw a v e sc a nb ee x c i t e d i nt h eI D T s/A l N/I D T s/R-s a p p h i r es t r u c t u r e,a n dw h e nhA l N=0.4,t h eh o r i z o n t a lc e n t e rd i s t a n c ePb=4m,t h eo p e r a t i n g f r e q u e n c yo f t h ed e v i c e i s 6 9 2MH z,w h i c h i sn e a r l yo n e t i m eh i g h e r t h a n t h a t o f t h e t r a d i-t i o n a l d e v i c ew i t hI D T s/A l N/R-s a p p h i r es t r u c t u r e(3 5 6MH z),a n dt h ee l e c t r o-m e c h a n i cc o u p l i n gc o e f f i c i e n tK2i s0.3%,w h i c hi sa l s oi m p r o v e dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l s t r u c t u r e.I na d d i t i o n,t h ep e r f o r m a n c e so fR a y l e i g hw a v ed e v i c ec a nb e f u r t h e r i m p r o v e da n dm o d u l a t e db yo p t i m i z i n g t h e e l e c t r o d e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so f I D T s.W h e nt h e t h i c k n e s s r a t i o(h)o f u p p e r c o p p e r e l e c t r o d e t o l o w e r a l u m i n u me l e c t r o d e o f I D T s i s 1.2,a n dPb=4m,hA l N/=0.5,t h er e s o n a n t f r e q u e n c yo f6 5 7.9 MH za n dK2o f1.2 7%a r eo b t a i n e df o rt h eR a y l e i g hw a v ed e v i c e;a n dw h e nPb=6m,t h eo p e r a t i n gf r e q u e n c yo f t h eR a y l e i g hw a v ea n dt h em a x i m u me l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gc o e f f i-c i e n tK2m a xa r e 4 6 1MH z a n d1.3 4%,r e s p e c t i v e l y,w h i c ha r e 3 0%a n d3 0 0%h i g h e r t h a n t h a t o f t h e t r a d i t i o n a lR a y-l e i g hw a v ed e v i c ew i t hs i n g l e l a y e r e d l a y o u t s t r u c t u r e o f I D T s e l e c t r o d e,r e s p e c t i v e l y.F r o mt h e a b o v e-m e n t i o n e dr e-s u l t s,i t c a nb e s e e n t h a t t h e l a y e r e d l a y o u t s t r u c t u r eo f I D T s c a nn o t o n l ye f f e c t i v e l y i m p r o v e t h eo p e r a t i n g f r e q u e n-c ya n de l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gc o e f f i c i e n to fS AWd e v i c e s,b u ta l s or e d u c et h ef a b r i c a t i o nd i f f i c u l t yo fh i g hf r e-q u e n c yS AWd e v i c e s.K e yw o r d s:s u r f a c ea c o u s t i cw a v e(S AW);i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r(I D T);f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s;e l e c t r o-m e-c h a n i c a l c o u p l i n gc o e f f i c i e n t;R a y l e i g hw a v e 0 引言声表面波(S AW)器件具有低损耗、小体积、实时信号处理能力强等特性,广泛应用于无线通信、射频标签、传感检测、量子通信、医疗保健等领域1-5,是现代信息系统的重要组成元件。随着5 G的发展与应用,