微型FBAR器件性能优化设计.pdf
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1、第4 6卷 第1期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.12 0 2 4年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SF e b.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-0 9-2 2 基金项目:浙江省自然科学基金(L Y 2 1 F 0 4 0 0 0 1)作者简介:周晓伟(1 9 9 7-),男,浙江省温州市人,硕士生。通信作者:吴秀山(1 9 7 4-),男,教授,硕士生导师,博士。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 1-0 0 0 6-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s
2、 s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 1.0 0 2微型F B A R器件性能优化设计周晓伟1,2,吴秀山2,孙 坚1,徐红伟1(1.中国计量大学 机电工程学院,浙江 杭州 3 1 0 0 1 8;2.浙江水利水电学院 电气工程学院,浙江 杭州 3 1 0 0 1 8)摘 要:利用有限元仿真软件建立了薄膜体声波谐振器模型,研究了不同谐振面积(3 6 0 01 0 0 0 0 m2)条件下,电极形状(矩形、梯形、圆形和正五边形)及变迹角(3 0、3 6、4 0 和4 5)对寄生谐振的影响,得到史密斯阻抗曲线和不圆度值,讨论了阶梯负载结构对横向声波泄露的抑制作用。仿真结果表
3、明,电极形状为非正五边形,变迹角为4 0 时,对寄生谐振的抑制效果最好;在谐振面积为3 6 0 0 m2时,其不圆度为6.4 5%,与谐振面积为1 0 0 0 0 m2时矩形电极相当。设计的电极阶梯负载结构提升了并联谐振点处的品质因数,当电极横向尺寸为6 0 m时,二阶电极负载结构的品质因数为1 3 7 8,比无电极负载结构的品质因数高1 0.0 7%。关键词:薄膜体声波谐振器;有限元仿真;谐振面积;寄生谐振;品质因数中图分类号:T N 7 5 1.2 文献标识码:A P e r f o r m a n c e O p t i m i z a t i o n D e s i g n o f M
4、 i n i a t u r e F B A RZ H O U X i a o w e i1,2,WU X i u s h a n2,S U N J i a n1,X U H o n g w e i1(1.C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,C h i n a J i l i a n g U n i v e r s i t y,H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8,C h i n a;2.C o l l e g e o f E l e c t
5、 r i c a l E n g i n e e r i n g,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f W a t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r,H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:U s i n g f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s o f t w a r e,t h e f i l m b u l k a c o u s t i c r e
6、 s o n a t o r(F B A R)m o d e l w a s e s t a b-l i s h e d.T h e s t u d y f o c u s e d o n i n v e s t i g a t i n g t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t e l e c t r o d e s h a p e s(r e c t a n g u l a r,t r a p e z o i d a l,c i r c u-l a r,a n d r e g u l a r p e n t a g o n a l)a n d a
7、 p o d i z a t i o n a n g l e s(3 0,3 6,4 0,a n d 4 5)o n p a r a s i t i c r e s o n a n c e s u n d e r d i f f e r e n t r e s o n a n t a r e a s(3 6 0 0-1 0 0 0 0 m2).T h e s m i t h i m p e d a n c e c u r v e s a n d n o n-c i r c u l a r i t y v a l u e s w e r e o b t a i n e d.T h e s t u
8、 d y a l s o e x p l o r e d t h e s u p p r e s s i o n e f f e c t s o f s t e p p e d l o a d s t r u c t u r e s o n l a t e r a l a c o u s t i c w a v e l e a k a g e.T h e s i m u l a-t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e n o n-r e g u l a r p e n t a g o n a l e l e c t r o d e s h a p
9、 e w i t h a a p o d i z a t i o n a n g l e o f 4 0 e x h i b i t s t h e b e s t s u p p r e s s i o n e f f e c t o n p a r a s i t i c r e s o n a n c e s.F o r t h e r e s o n a n t a r e a o f 3 6 0 0 m2,i t s n o n-c i r c u l a r i t y v a l u e i s 6.4 5%,w h i c h i s c o m p a r a b l e t
10、 o t h e r e c t a n g u l a r e l e c t r o d e a t a r e s o n a n t a r e a o f 1 0 0 0 0 m2.T h e d e s i g n e d s t e p p e d l o a d s t r u c-t u r e s i g n i f i c a n t l y e n h a n c e s t h e q u a l i t y f a c t o r a t t h e p a r a l l e l r e s o n a n c e p o i n t.W i t h a l a
11、t e r a l d i m e n s i o n o f 6 0 m,t h e s e c o n d-o r d e r e l e c t r o d e l o a d s t r u c t u r e a c h i e v e s a q u a l i t y f a c t o r o f 1 3 7 8,w h i c h i s 1 0.0 7%h i g h e r t h a n t h a t o f t h e s t r u c t u r e w i t h o u t e l e c t r o d e l o a d.K e y w o r d s:
12、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(F B A R);f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n;r e s o n a n t a r e a;p a r a s i t i c r e s o n a n c e;q u a l i t y f a c t o r 0 引言随着现代通信技术迈入5 G甚至6 G时代,其网络传输速率和数据承载能力获得极大提升,但由于开放的通讯频段增多,工作频率较高,导致移动通讯终端对射频滤波器数量和性能的需求增加1。目前每部移动通信终端的射频滤波器数
13、量已超过6 0个。随着技术的不断发展,射频滤波器的数量将超过1 0 0个,这对移动通讯终端内部空间的利用提出了新的挑战2。薄膜体声波谐振器(F B A R)构成的滤波器具有高工作频率、微型化、集成化和低功耗等优点,且 其 制 备 工 艺 与C OM S工 艺 相 兼 容,因 此,F B A R成为5 G通讯系统的核心元件3。为了应对移动通讯终端内部紧张的空间以及射频前端元器件数量需求日趋增长的矛盾,F B A R器件必须小型化,同时在串联谐振频率(fs)和并联谐振频率(fp)处要求F B A R器件具有更高的品质因数(Q),以实现滤波器的高选择性和低插损。除膜层厚度影响外,F B A R的性能
14、主要还受谐振面积的影响。欧姆损耗导致品质因数Qs在fs处降低,而横向声波泄露导致品质因数Qp在fp处降低。减小F B A R器件尺寸,欧姆损耗降低,有助于提升Qs,但 会 降 低Qp,影 响 滤 波 器 的 带 内 性能4。因此,在进行F B A R微型化研究与设计时,提高器件的Qp是重要指标之一。常用的F B A R研 究 与 设 计 方 法 主 要 是 基 于MB V D和M a s o n等一维模型,但一维模型仅考虑了声波的纵向传播,未考虑横向声波对器件的影响,而三维有限元模型可全面表征F B A R的电学特性,为F B A R器 件 的 研 究 和 设 计 提 供 了 更 准 确 的参
15、考5。本文首先基于C o m s o l M u l t i p h y s i c s仿真环境建立了F B A R器件有限元模型,研究其在谐振面积为3 6 0 01 0 0 0 0 m2条件下,不同电极形状、电极变迹角度及边缘阶梯负载对F B A R谐振特性的影响。通过优化设计确保在不降低Q值的条件下,进一步实现F B A R的微型化,这为器件的优化设计提供了参考方案。1 F B A R的仿真建模1.1 F B A R有限元模型图1为F B A R器件模型示意图。各个膜层选用的材料和物理参数如表1所示,材料属性如表2所示。图1 F B A R器件模型示意图表1 F B A R器件模型参数膜层
16、材料厚度/m顶电极M o0.1 5压电层A l N0.5底电极M o0.2支撑层/温补层S i O20.3 3 表2 F B A R器件材料属性参数材料密度/(k gm-3)杨氏模量/G P a泊松比纵波声速/(ms-1)声学损耗/(d Bm-1)A l N5 6 0 03 9 40.2 51 0 4 0 08 0 0Z n O5 6 8 03 5 00.3 96 3 4 02 5 0 0M o1 0 2 0 03 1 20.3 16 2 1 35 0 0S i2 3 2 91 5 00.2 76 2 5 3/S i O22 2 0 07 00.1 73 1 6 0/仿真实验中选用压电物理场模
17、块,采用自由四面体网格划分方法,网格精度选择为“常规”。在F B A R模型 两侧边缘1 0 m处设置完 美 匹 配 层(PML),以模拟实际器件中声波远距离传输过程中的衰减情况。机械阻尼设置为0.0 0 1,阻尼类型为各向同性损耗因子,介电损耗因子为0.0 16。静电场的力学边界条件为顶电极施加电压1 V,底电极接地7。1.2 F B A R性能指标1.2.1 有效机电耦合系数有效机电耦合系数(k2e f f)用于表征压电器件中电能和机械能的转换能力,也间接量化了F B A R的带宽8,有k2e f f=24fp-fsfp (1)k2e f f主要受压电材料特性(压电耦合系数)的影响,同时也
18、与谐振器的设计与工艺有关。1.2.2 品质因数品质因数用于表征压电器件存储的能量与1个周期中损失能量的比率,是谐振器损耗的衡量指标之一9,即:Qs,p=fs,p(d/d)m a g(S1 1)1-m a g(S1 1)2(2)式中:d/d为群延时;m a g(S1 1)为参数S1 1的幅值。Q值越高,谐振器能量损耗越低,则滤波器截止特性越好。1.2.3 不圆度值为了量化F B A R器件频率响应时的寄生波纹,将史密斯阻抗圆图上各点(u,v)拟合成一个圆,进行不圆度(N C)分析,得到NC值。在史密斯圆图中确定一个中心点(uc,vc),计算曲线上各点(u,v)到中心点(uc,vc)的距离r的均方
19、差和均值,二者的比值即为不圆度(NC)值1 0:NC=(r)R1 0 0%(3)式中:(r)为r的均方差,r=(u-uc)2+(v-vc)2;R为r的平均值。2 谐振面积对F B A R谐振特性的影响为了研究在不同谐振面积下,F B A R电极形状对寄生谐振的影响,首先建立了F B A R三维有限元模型,F B A R各膜层参数和材料见表1。谐振面积分别 设 置 为3 6 0 0 m2、4 9 0 0 m2、6 4 0 0 m2、7 第1期 周晓伟等:微型F B A R器件性能优化设计8 1 0 0 m2和1 0 0 0 0 m2,电极形状设置为矩形、圆形、不规则四边形和正五边形。仿真得到史密
20、斯阻抗曲线和NC值如图2、3所示。图2 不同电极形状史密斯阻抗示意图 图3 不同电极形状及谐振面积NC值由图2、3可知,从电极形状上看,矩形受寄生谐振模态的影响最显著,其他电极形状的寄生强度均有不同程度地降低,而正五边形寄生谐振的强度最小。与矩形相比,由于正五边形任意两边不平行,横向声波经过多次反射,传输路径增加,从而削弱了寄生谐振。而随着谐振面积的减小,史密斯阻抗曲线出现了更强的寄生谐振,NC值随之增加,说明面积的减少使声波传输路径变短,增强了横向杂散模式。当谐振面积减少到3 6 0 0 m2,电极形状为矩形时,性能恶化最严重,NC值为8.9 1%;电极形状为五边形时,性能恶化程度最低,NC
21、值为7.3 2%,这与谐振面积为8 1 0 0 m2,电极形状为矩形时的NC值(7.2 8%)相当。3 不同变迹角对F B A R器件谐振特性的影响横向声波传播至电极边界时会发生多次反射,最终返回至边界的某一点。若增加声波传输路径中相同反射点的数量,则寄生谐振的强度也随之增加。设计不规则电极形状能更大程度地改善寄生谐振带来的性能恶化。因此,建立F B A R器件有限元模型,以正五边形的一个内角定义为变迹角,研究对F B A R寄生谐振的影响,如图4所示。F B A R各膜 层 参 数 和 材 料 见 表1,设 置 谐 振 面 积 为3 6 0 0 m2,分别为3 0、3 6、4 0 和4 5,
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