边缘负载FBAR谐振器有限元仿真分析_刘红斌.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 6-1 3 基金项目:广东省重点领域研发计划基金资助项目(N o.2 0 1 9 B 0 1 0 1 2 9 0 0 1)作者简介:刘红斌(1 9 9 7-),男,湖南省衡阳市人,硕士生,主要从事薄膜体声波滤波器制备与研究工作。通信作者:李国强,博士,教授。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 2 1-0 5D 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 5边缘负载F B A R谐振器有限元仿真分析刘红斌1,张铁林1,胡 晗1,衣新燕1,2,李国强1,2(1.华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室,广东 广州5 1 0 6 4 0;2.广州市艾佛光通科技有限公司,广东 广州5 1 0 7 0 0)摘 要:外部激励施加于薄膜体声波谐振器(F B A R)时会激发纵向与横向剪切的振动,引发能量损耗,为了减少寄生谐振,降低F B A R器件的工作损耗,提高器件的品质因数,故需要抑制横向剪切振动。该文采用有限元仿真法讨论了顶电极边缘负载参数对F B A R器件横向寄生的影响,并通过C OM S O L仿真软件实现且制备了结构完整的谐振器。测试结果表明,负载结构可有效提升器件品质因数约1 0%。关键词:薄膜体声波谐振器;边缘负载;有限元仿真;寄生中图分类号:T N 7 1 3;T N 6 0 3 文献标志码:A F i n i t eE l e m e n t S i m u l a t i o nA n a l y s i so fE d g eL o a dF B A RR e s o n a t o r sL I UH o n g b i n1,Z H A N GT i e l i n1,H UH a n1,Y IX i n y a n1,2,L IG u o q i a n g1,2(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fL u m i n e s c e n tM a t e r i a l sa n dD e v i c e s,S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u a n g z h o u5 1 0 6 4 0,C h i n a;2.T h eG u a n g z h o uA i f oL i g h tC o mm u n i c a t i o nT e c h n o l o g yC o.,L t d,G u a n g z h o u5 1 0 7 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:W h e n t h e e x t e r n a l e x c i t a t i o n i s a p p l i e dt o t h e t h i n f i l mb u l ka c o u s t i c r e s o n a t o r(F B A R),t h e l o n g i t u d i-n a l a n dt r a n s v e r s es h e a rv i b r a t i o nw i l lb ee x c i t e d,r e s u l t i n gi ne n e r g yl o s s.I no r d e rt or e d u c ep a r a s i t i cr e s o n a n c e,r e d u c et h ew o r k i n g l o s so fF B A Rd e v i c ea n d i m p r o v e t h eq u a l i t y f a c t o ro f t h ed e v i c e,i t i sn e c e s s a r y t os u p p r e s s t h et r a n s v e r s es h e a rv i b r a t i o n.I nt h i sp a p e r,t h e i n f l u e n c eo f t h et o pe l e c t r o d ee d g e l o a dp a r a m e t e r so nt h et r a n s v e r s ep a r a s i t i c so fF B A Rd e v i c e i s i n v e s t i g a t e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n di m p l e m e n t e db yt h eC OM S O Ls i m u l a t i o ns o f t w a r e,a n dt h er e s o n a t o rw i t hc o m p l e t es t r u c t u r e i sp r e p a r e d.I t i st e s t e dt h a t t h e l o a ds t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l y i m p r o v e t h eq u a l i t yf a c t o ro f t h ed e v i c eb ya b o u t 1 0%.K e yw o r d s:F B A R;e d g e l o a d;f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n;p a r a s i t i c s 0 引言薄膜体声波谐振器(F B A R)是利用压电薄膜的压电特性,在电极两端施加交变电压,因存在压电效应,使得压电材料发生机械振动,进而激励出体声波。当体声波传输到电极界面时,经电极外相当于全反射层的空气将声波反射回来,从而将体声波限制在两电极之间产生振荡。当声学传输路径的长度等于声波半波长的奇数倍时,正好形成驻波振荡,此频率下的声波损耗最小,并由逆压电效应将压电薄膜的机械能转换为电能。谐振器在特定频率下工作时的电能与机械能转换效率最高,故能使特定频率的交变电流通过1。F B A R中除激发纵向振动外,还会引起多种寄生振动模式,其中以瑞利-兰姆(简称R L)波模态的影响最大2。R L波是由纵向振动和横向剪切振动叠加形成的振动模态。在F B A R的平板结构中(X,Y方向无限大,Z方向厚度有限),当施加外部激励时会出现剪切和纵向模态,剪切和纵波在一个与频率相关的角度下会发生叠加,叠加的振动将在平板上、下界面中连续反射,并形成谐振。这种谐振会使谐振曲线出现大量的寄生峰,增大了F B A R器件的能量损耗,致使品质因数降低。本文通过C OM S O L软件提取了F B A R谐振器的寄生波长,设计了顶电极的边缘负载层,并分析了其对F B A R谐振器性能的影响。1 F B A R器件设计及建模A D S软件是仿真F B A R器件最常用的软件,但基于A D S的M a s o n模型仿真,其未考虑寄生效应的影响3;基于A D S的MB V D模型则需要不断地对实际器件进行测试,提取参数并进行拟合,工艺复杂且频段通用性低4;而借助C OM S O L软件5可以实现对F B A R器件寄生效应的模拟。为了研究边缘负载层对F B A R器件的影响,本文利用C OM S O L自带的材料库,依照如图1所示谐振器结构与表1中的相关参数,可在C OM S O L软件中构建F B A R谐振器的二维仿真模型。图1 F B A R器件结构图表1 F B A R器件中各材料属性参数值参数A l NM oS i3N4S i杨氏模量/G P a3 9 43 1 22 5 01 5 0泊松比0.2 50.3 10.2 30.2 7声学损耗/(d Bm-1)8 0 05 0 0/介损系数21 0-3/密度/(k gm-3)56 0 01 02 8 032 7 020 0 0纵声波速/(ms-1)1 04 0 062 1 31 10 0 062 5 3特征声阻抗/1 07k g(m2s)-13.7 06.3 93.61.2 5 在二维模型中,F B A R器件的基本结构选用的是支撑层S i3N4/底电极M o/压电层A l N/顶电极M o的三明治结构。为了将器件的中心谐振频率设定为23 0 024 0 0MH z,各膜层的厚度依次选定为1 0 0n m、2 0 0n m、12 0 0n m、2 0 0n m,同时将顶电极横向尺寸固定为5 0m。由于F B A R的上、下表面边界均为空气,声波振动能量不会泄露;而在电极边缘,由于R L振动模态的存在,部分声波能量向电极四周传播,当声波到达电极侧面后会有部分泄露到衬底,故需对电极边界进行合理设计,达到将R L振动模态约束在电极内部,避免能量泄露的目的。通过不断调整负 载层的尺 寸以探 究 边 缘 负 载 层 对F B A R谐振性能的影响。上述尺寸的F B A R二维模型建立后,为保证仿真中的准确性,本文选择使用极细化划分二维模型的网格。这是因为在不考虑时间的情况下,网格自由度越大,仿真结果越精确,网格剖分示意图如图2所示。图2 二维模型网格剖分图2 仿真结果的分析为了提取横向剪切波的相关参数,在F B A R结构中沿纵向截取一个窄截面,随后在C OM S O L软件中利用F l o q u e t周期性边界条件,将截取部分延展到无限远处,精细化划分网格M e s h并仿真器件的色散关系,仿真结果如图3所示。图中存在4种模式(S 0、S 1、A 0、A 1)的R L波,S 0、S 1为对称模态,A 0、A 1为反对称模式6。根据观测,波长=2/k7(其中k为波数),从而可以提取出不同频率处的R L波长,并设计负载层。图3 F B A R器件色散曲线图根据色散图波长与频率的关系,构建了如图2(b)所示的二维F EM模型。各膜层纵向尺寸保持不变,顶电极横向尺寸仍设置为5 0m。为获得负载层横向尺寸对谐振性能的影响,将顶电极上边缘负载层的纵向尺寸固定为2 0n m,将色散关系中不同模态的波长叠加后以1m为步长,设置横向尺寸分别为1m、2m、3m、4m的4组实验,获得仿真结果如图4所示。由图4(a)可见,上下平移曲线后,随着负载层横向尺寸的增加,串联谐振点(fs)附近的波纹呈先减小后增大的趋势,这是由于负载22压 电 与 声 光2 0 2 3年 层的引入激发了新的寄生模态,进而引起输入导纳的变化;在并联谐振点(fp)处,增加宽度能在一定程度上改善波纹。由图4(b)可见,1m时,fp处阻抗最大,横向振动转换为纵向振动的效率最高,损耗最小。图4 不同宽度负载层仿真结果在以上基础上,保持F r a m e横向尺寸不变,固定为1m,改变F r a m e的纵向尺寸,设置2 0n m、4 0n m、6 0n m、8 0n m共4组进行仿真,结果如图5所示。由图可见,当F r a m e厚度为2 0n m时,波纹最小,阻抗最高,R L波抑制效果最好;随着厚度的增加,fp处将产生更剧烈的寄生,甚至会出现严重影响fp的次谐振峰。因此,在实际应用中需要严格控制边缘负载结构的纵、横向尺寸。图5 不同厚度负载层仿真结果由上述实验可知,当负载层的宽度为1m,厚度为2 0n m时,对谐振器中寄生效应的抑制较明显。图6为品质因数(Q)分布图。由图可见,负载层的添加使主谐振区外的品质因子降低,同时将主谐振区的品质因数从10 6 0提升至11 2