杂模抑制薄膜体声波谐振器的仿真分析.pdf
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1、第4 6卷 第2期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.22 0 2 4年4月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T OO P T I C SA p r.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-1 2-0 6 作者简介:罗恩雄(1 9 9 7-),男,贵州省黔南州人,硕士生。通信作者:马晋毅(1 9 7 1-),男,山西省左权市人,研究员,博士。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 2-0 1 5 9-0 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 4.0 2.
2、0 0 4杂模抑制薄膜体声波谐振器的仿真分析罗恩雄1,张必壮1,吴 坤1,马晋毅1,李思忍2(1.中国电科芯片技术研究院,重庆 4 0 1 3 3 2;2.柳州市计量技术测试研究所,广西 柳州 5 4 5 0 0 1)摘 要:该文研究了电极边界阶梯结构对薄膜体声波谐振器(F B A R)杂波的影响。采用有限元仿真法讨论了阶梯结构宽度尺寸对杂波的抑制效果,结合振型分析该结构能抑制声波能量的泄露,提高器件品质因数。为了进一步验证仿真结果,实验制备了F B A R器件。测试结果表明,当该阶梯结构凸起宽度为3 m,凹陷宽度为1.5 m时,谐振器杂波被有效抑制,反谐振频率处的品质因数约增大1 0 0。关
3、键词:薄膜体声波谐振器(F B A R);阶梯结构;杂模抑制;有限元中图分类号:T N 6 5 文献标识码:AS i m u l a t i o n A n a l y s i s o f a T h i n-F i l m B u l k A c o u s t i c-W a v e R e s o n a t o r f o r S p u r i o u s-M o d e S u p p r e s s i o nL U O E n x i o n g1,Z H A N G B i z h u a n g1,WU K u n1,MA J i n y i1,L I S i r e n2
4、(1.C E T C A c a d e m y o f C h i p s T e c h n o l o g y,C h o n g q i n g 4 0 1 3 3 2,C h i n a;2.L i u z h o u M e a s u r i n g T e c h n o l o g y T e s t i n g I n s t i t u t e,L i u z h o u 5 4 5 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i s s t u d y,t h e e f f e c t o f t h e e l e c t r o
5、 d e-b o u n d a r y s t e p s t r u c t u r e o n t h e s p u r i o u s m o d e o f t h i n-f i l m b u l k a c o u s t i c r e s o n a t o r s(F B A R s)i s i n v e s t i g a t e d.T h e f i n i t e-e l e m e n t s i m u l a t i o n m e t h o d i s u s e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c
6、 t o f t h e w i d t h d i m e n s i o n o f t h e s t e p s t r u c t u r e o n t h e s u p p r e s s i o n o f s p u r i o u s m o d e s.T h e s t e p s t r u c t u r e i s a n a-l y z e d i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e v i b r a t i o n p a t t e r n t o s u p p r e s s t h e l e a k a g
7、 e o f a c o u s t i c e n e r g y a n d t o i m p r o v e t h e q u a l i t y f a c t o r o f t h e d e v i c e.T o f u r t h e r v e r i f y t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s,F B A R d e v i c e s a r e e x p e r i m e n t a l l y p r e p a r e d.T h e r e-s u l t s s h o w t h a t w h e n t
8、 h e w i d t h o f t h e r a i s e d f r a m e i s 3 m a n d t h e w i d t h o f t h e r e c e s s e d f r a m e i s 1.5 m,t h e r e-s o n a t o r s p u r i o u s m o d e i s e f f e c t i v e l y s u p p r e s s e d a n d t h e q u a l i t y f a c t o r a t t h e a n t i-r e s o n a n c e f r e q u
9、 e n c y i s i n c r e a s e d b y a b o u t 1 0 0.K e y w o r d s:t h i n f i l m b u l k a c o u s t i c r e s o n a t o r s(F B A R);s t e p s t r u c t u r e;s p u r i o u s m o d e s u p p r e s s i o n;f i n i t e e l e-m e n t0 引言近年来,随着5 G技术的急速发展,基于声表面波(S AW)和体声波(B AW)的声学滤波器得到了快速发展1。薄膜体声波谐振器(
10、F B A R)滤波器作为B AW滤波器的常用结构,具有低的插入损耗、高的功率容量、适用于高频段和使用与CMO S工艺兼容的制备工艺2等优势,是目前唯一可与射频前端进行集成的滤波器3,使F B A R滤波器成为5 G技术中滤波器的有力竞争者。F B A R器件利用压电薄膜的压电特性,在电极两端施加交变电压激发出体声波,进而形成谐振达到选频的目的。F B A R在形成谐振时,除能激发主要的纵向振动模式外,还能引起其他多种振动模式,其中兰姆波模态对谐振器性能的影响最大。兰姆波形成的寄生谐振在主谐振曲线中出现尖锐的寄生谐振峰,增大器件的损耗。当利用F B A R谐振器构建滤波器结构时,该寄生谐振使得
11、滤波器通带内产生波纹,增大滤波器插入损耗。A.L i n k等4采用改变器件形状方法及C h i n-Y u C h a n g等5采用一种“准自由边界”条件对抑制寄生谐振进行了研究。本文在谐振器上电极边缘设置了一种阶梯结构的方式,通过C o m s o l软件仿真分析了该结构对压 电 与 声 光2 0 2 4年F B A R器件性能的影响,并进行了实验制备测试。结果表明,该结构有效地抑制了低于谐振器谐振频率的寄生振动,同时提高了反谐振频率(fp)处的品质因数(Q值),对改善谐振器性能具有潜在的应用价值。1 F B A R器件结构模型与仿真1.1 F B A R二维有限元模型图1为F B A
12、R器件结构。阶梯结构设置在上电极边缘处,与电极使用相同材料。为了更接近实际工艺制备出的器件结构,提高仿真的准确性,对上下电极进行了边缘倾角处理,同时在电极上表面进行调频层覆盖,形成了边界阶梯结构。设压电层材料采用A l N,底部衬底采用S i,上下电极材料采用M o,支撑层材料与调频层材料均采用A l N。衬底厚为5 m,空气腔高度为1 m,上下电极厚度分别为0.4 2 m、0.3 9 m,设上电极的横向尺寸为7 0 m,支撑层厚为0.0 6 m,调频层厚为0.1 5 m,压电层厚为0.3 5 m。阶梯结构中边界最外缘凸起厚度和紧邻的凹陷厚度相对于上电极分别增大了0.1 m和减小了0.0 2
13、m。设凸起结构宽分别为2.0 m、2.5 m、3.0 m,凹 陷 结 构 的 宽 分 别 为1.0 m、1.5 m、2.0 m,研究了不同凹凸宽度组合的阶梯尺寸对F B A R谐振性能的影响。图1 F B A R器件结构示意图1.2 F B A R仿真设计本文使用C o m s o l有限元仿真软件,对F B A R结构进行了固体力学与静电场两个物理场的求解分析。为了便于网格的构建和保证仿真结果的准确性,仿真采用映射网格,并对网格设置进行细化处理,网格自由度达到2 0万。在静电模块设置上电极的端口电压为1 V,下电极接地。最后完成模型的频域扫描研究。2 仿真结果分析为了研究不同阶梯尺寸对F B
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