声表面波(SAW)是一种沿固体表面传播的弹性波,它一般是通过制作在压电基片表面的叉指电极(IDT)激发,其能量集中在压电基片表面传播。通过不同的结构设计,SAW器件可分为延迟线、滤波器、震荡器及传感器等。SAW在基片中的声速、机电耦合系数等传播特性是进行SAW器件设计的根本依据,是影响SAW器件性能的最重要参数。

传统的SAW器件的基片采用单晶压电材料,其相应的基础性的SAW传播特性已较成熟,基于单晶基片的SAW器件也已广泛应用。随着MEMS技术的快速发展,基于复合膜结构的SAW器件逐渐成为人们关注的热点。复合膜结构是指在硅等非压电基片上沉寂压电薄膜、温度补偿薄膜等的多层复合膜结构,金刚石/氮化铝/二氧化硅(Diamond/AlN/SiO2)结构是其中的典型代表。在复合膜结构上制作叉指电极便形成了复合膜结构SAW器件,与传统的单晶基片SAW器件相比,它具有高声速、高频率、大耐受功率及易集成等优点。

对于复合膜结构中SAW传播特性的研究可采用理论分析或有限元仿真。理论分析方法方面,1990年,Adler提出了传递矩阵法(TMM)[1],2002年,Rokhlin和Wang Lugen提出了刚度矩阵法(SMM)[2,3]和递归渐近法(RAM)[4,5,6],它们需要求解每层材料中的声波传输方程,计算过程较繁琐。有限元仿真主要通过有限元软件进行建模仿真,具有使用简便、结构直观的优点,常用的仿真软件有ANSYS、COMSOL、ANSOFT等,其中COMSOL软件具有开放的架构、专业的计算模型库和丰富的后处理功能,使用便捷。

因此,本文基于COMSOL软件,以Diamond/AlN/SiO2复合膜结构为研究对象,建立有限元分析模型,仿真研究结构参数对复合膜中SAW传播特性的影响,研究结果可为复合膜结构SAW器件的设计提供重要依据。

SAW通过压电基底表面的IDT激发并传播,其基本结构是压电基片和IDT。在IDT上施加交变激励电压,压电基片在交变电场的作用下通过逆压电效应产生频率与激励信号一致的弹性波。图1为Diamond/AlN/SiO2复合膜SAW器件基本结构,由于IDT具有严格的周期性,故弹性波在压电基片中的传播和分布也具有严格的周期性,单个结构周期中的SAW传播特性能代表整个基片中的传播特性。在IDT孔径足够大、不考虑汇流条反射的情况下,可认为声场分布在y方向上是不变的。因此,建立了如图2所示的SAW器件二维简化模型,在保证仿真精度的基础上减小了计算量,节省了计算时间。

图2为x方向上不考虑y方向影响、长度为一个波长的单个周期模型,其中设置波长λ为4μm、Al电极宽度为0.25λ、Al电极中心距为0.5λ、Diamond层厚60μm。为了研究AlN膜、SiO2膜和Al电极的厚度对SAW传播特性的影响,在试验中设置AlN膜的厚度为0.1λ~1.0λ、SiO2膜的厚度为0~0.1λ、Al电极厚0.025λ~0.1λ。设置模型上边界条件为自由边界条件,下边界为固定边界条件,左、右边界调节为一对周期性边界条件。根据实际工艺条件,AlN薄膜通常为c轴垂直基片择优生长的多晶薄膜,因此,AlN薄膜的压电系数矩阵、刚度矩阵按照c轴垂直基片择优生长方向进行设置。

本文首先通过模态分析和频率响应分析得出其频率特性,再根据频率特性计算传播特性。

频率特性分析主要包括模态分析和频率响应分析。模态分析是分析机械结构的固有振动特征,每个模态具有特定的频率、阻尼比和振型。频率响应分析是在模态分析的基础上,通过设置电学边界条件的给IDT施加激励电信号,分析模型在不同荷载激励下的稳态响应,得出模型在不同频率下的响应强度曲线。

图3为AlN膜厚0.45λ、SiO2膜厚0.1λ、Al电极厚0.025λ时,Diamond/AlN/SiO2复合膜结构的频率响应曲线。由图可看出,零阶、一阶和二阶SAW附近杂波干扰少,频率分别为1.512Hz、2.302Hz和2.546GHz,对应的振型如图4所示。由图可见,各阶SAW振型均为表椭圆振动,零阶SAW振动能量束缚在表面附近,一阶SAW较少的振动能量向基底泄露,二阶SAW较多的振动能量向基底泄露。

SAW的相速度、机电耦合系数(k2)同压电层膜厚与SAW波长的比值(膜厚波长比(h/λ))有关,SAW的相速度和k2随h/λ变化的曲线称为色散曲线。通过2.1节的仿真可得出不同h/λ条件下的频率响应曲线,进一步计算可得相速度色散曲线和k2色散曲线。图5、6分别为SiO2膜厚0.1λ、Al电极厚0.025λ时,不同AlN膜厚的Diamond/AlN/SiO2结构中零阶、一阶、二阶SAW的相速度色散曲线和k2色散曲线。SAW相速度主要受Diamond基底、AlN膜和SiO2膜共同决定,Diamond基底中声速最高、AlN次之、SiO2最小。

由图5可看出,由于零阶SAW振动能量集中在表面附近,当h/λ很小时,其振动能量能穿透到Diamond基底中,相速度主要受Diamond基底和SiO2膜影响,随着增加AlN膜的厚度,振动能量在Diamond基底中的穿透深度减小,AlN膜声速对相速度影响加大;当h/λ≈1时,振动能量集中在AlN膜和SiO2膜中,相速度主要受AlN膜声速和SiO2声速影响。一、二阶SAW相速度曲线与零阶SAW具有类似的变化趋势,曲线上每个斜率急剧变化的区域代表了振动能量在Diamond/AlN/SiO2结构各层中的分布跳变,由于各个波振型的不同和振动能量向基底内的穿透深度的不同,振动能量分布跳变点在轴上分布的位置存在差异。

由图6可看出,Diamond/AlN/SiO2结构中一阶SAW在h/λ≈0.8时,k2≈1.5%;二阶SAW在0.35<h/λ<0.55内,k2≈1.1%;而零阶SAW的k2很小,很难利用其进行器件设计。可见一、二阶SAW在Diamond/AlN/SiO2结构中具有较高的利用价值,鉴于一阶SAW的k2值更高,所以本文后续将以一阶SAW为对象,研究SiO2膜厚和Al电极膜厚对其传播特性的影响。

SiO2膜常被制作在SAW器件表面,作为表面保护层和温度补偿层,SiO2膜厚是影响SAW器件性能的重要参数。图7为AlN膜厚0.45λ、Al电极厚0.025λ时,不同SiO2膜厚的Diamond/AlN/SiO2结构中一阶SAW的相速度色散曲线。由图可看出,SiO2膜厚越大,一阶SAW的相速度越小,h/λ越小,SiO2膜厚对一阶SAW相速度影响越大。

图8为AlN膜厚0.45λ、SiO2膜厚0.1λ、Al电极厚0.025λ时,不同SiO2膜厚的Diamond/AlN/SiO2结构中一阶SAW的k2色散曲线。由图可看出,在0.2<h/λ<0.6范围内,SiO2膜厚越大,一阶SAW的k2越小;在0.7<h/λ<1.0范围内,SiO2膜厚越大,一阶SAW的k2越大。可见,在不同的h/λ范围内,SiO2膜厚对一阶SAW传播特性会产生不同趋势的影响。

在传统的单晶基片SAW器件设计中,电极膜厚是一个重要参数,它主要影响器件的插损及机电耦合系数。因此,本文将研究Al电极膜厚对Diamond/AlN/SiO2结构中一阶SAW的影响。图9、10分别为AlN膜厚0.45λ、SiO2膜厚0.05λ时,不同Al电极膜厚的Diamond/AlN/SiO2结构中一阶SAW的相速度色散曲线和k2色散曲线。由图9、10可看出,Al电极膜厚越大,一阶SAW的k2越大;对于Al电极膜厚一定的情况,k2在h/λ=0.4~0.8范围内取得较大的值,而一阶SAW相速度在h/λ=0.4~0.8范围内受Al电极膜厚的影响不大。可见,适当增加电极厚度能有效提高一阶SAW的k2。

本文利用COMSOL软件建立了Diamond/AlN/SiO2复合膜结构的二维简化模型并进行了模态分析和频率响应分析,进一步计算出复合膜结构中零阶、一阶和二阶SAW的相速度和机电耦合系数色散曲线。研究了SiO2膜厚和Al电极膜厚对一阶SAW传播特性的影响,发现SiO2膜厚对一阶SAW传播特性在不同的h/λ范围内产生不同趋势的影响,适当增加电极厚度能有效提高一阶SAW机电耦合系数。