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单端SAW器件设计及有限元仿真

科技风2020年8月电子信息

DOA10.19392/jki.1671-7341.202023074单端SAW器件设计及有限元仿真

科学发展观的基本内涵

谢易微1许绍俊2

1.电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室四川成都610054；

2.丿川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院四川成都610051

摘要：随着信息技术和通讯技术的发展，通讯设备中需要处理的信号频段和信号量也在不断增加。而声表面波（SAW）器件不仅具有优异的信号传感、信号延时以及信号滤波功能，还具有结构简单、尺寸小、成本低、适于大规模生产的优点，因此广泛应用

于通讯设备。本文设计了一个单端SAW器件，并使用COMSOL Multiphysics软件对其进行有限元仿真分析，仿真发现，器件的反谐振频率为反谐振频率为190.79MHz，谐振频率为190.84MHz。

关键词:SAW；COMSOL；有限元分析

随着科技的发展，通讯系统已经不仅仅局限于手机、信号。随着社会即将进入万物互联的时代，各p2p传输

种工业设备、常用家具、汽车等也会装入信号终端，并且随着5G技术的日益成熟，这些终端需要进行处理的信号频段也越来越多，为了更加完好地处理信号，就需要对接收或者发射信号的准确的掌控。而处理信号每一个频段，一般需要至少两个性能优异的滤波器，而随着通讯技术的发展，信号网络支持的频段将会变得更多。频段的上升使得滤波器的需求也越大，目前，滤波器占据着射频前段市场最大的市场。滤波器主要有两种类型，分别是声表面波SAW器件⑴和体表面波BAW器件（2）。BAW器件往往设计及制作工艺复杂，而SAW器件结构简单、尺寸小、成本低、适于大规模生产，广泛应用于通讯设备中。2020年2月18日，高通公司推出Qualcomm ultraSAW滤波器技术，器件在600MHz到2.7GHz范围内皆可完美发挥滤波性能。同时，这项滤波器技术的品质因数高达5000，具有极其低的压电损耗，能够维持个位数的温度漂移。可见,SAW器件已经成为研究的重点。

单端SAW器件的设计

SAW换能器主要依靠声信号和电信号的相互转化来实现一定的功能,SAW换能器主要由叉指电极和反射栅构成。单端SAW器件是谐振型SAW器件，主要拥有一个端口，这个端口通入一定频率的信号，在叉指电极下方的压电层由于逆压电效应会产生振动，振动的信号向两边扩散，而反射栅的主要作用是将振动反射回端口。单端SAW换能器的结构示意图如图1所示。

从生活中学习写作da d f

图1单端SAW换能器结构示意图

沈阳大学李曼图中各种参数的含义具体介绍如下：参数a指的是叉指电极中单个叉指的宽度；参数o指的是叉指的间距,a与o的比值称为金属化比率+参数d指的是叉指电极距离边缘的长度；参数e指的是反射栅中单个反射栅的宽度；参数W指的是声孔径，各个叉指相对的区域长度；参数da指的是叉指电极叉指电极总宽度；参数do指的是声表面波能量透射的深度，为振幅衰减为1/e时传播的距离；参数de指的是谐振腔的有效距离；参数d g指的是叉指电极和反射栅的距离；参数df指的是反射栅的宽度。纯化水微生物限度

参数设计时，均匀叉指的结构较为简单，因此选择均匀叉指结构。此时波长参数是a与o和的2倍，在考虑到光刻仪器的精度等原因，将参数a、c设置为8#＞；参数d和参数e对器件性能影响不大，考虑到器件尺寸，设置为8#＞；反射栅对数太少则不能将振动很好地反射，加上器件因素的考虑，设置为100对；声孔径在75~90倍波长时，拥有50欧姆的声阻抗⑶，将其设置为80倍波长；叉指对数会影响器件的带宽和辐射功率，设置为80对叉指电极；不合理的d g值会导致反射栅无法精确反射振动波;dg的参数值应满足：顽皮豆豆

—（%+）¥（1）dg越长，很显然振动传到反射栅的时间也会增加，双端的SAW换能器正是利用这点，因此常用于延迟线的应用。因为设计的是单端的SAW换能器，器件的主要表征为谐振频率，可以不用将器件尺寸设计特别大。这里选择n=2，即叉指和反射栅的距离为3/4倍波长。结构设计后，可以

使用掩膜版进行图形光刻，光刻后在压电层上制备电极，最后进行电极剥离，既可得到单端SAW器件。SAW器件除了单端器件，还有主要运用于延迟线运用的双端SAW器件，以及更为复杂的多端SAW器件，在叉指电极设计上，根据实际的应用情况，叉指电极还可以设计成具有屏蔽电极、假指、变迹叉指等形状。

2单端SAW器件的有限元仿真

单端SAW器件具有大量重复单元，并且反射栅不影响器件的谐振频率。仿真时可以选取最小重复单元进行仿真。并且单端的SAW器件产生的振动波形从侧面上看是一致的，因此可以将3维的重复性区域转化成2维，仿真时可以减少一定计算量，提高效率。本文仿真的SAW整体结构为：衬底是蓝宝石；电极层是Mo金属；压电层是A1N薄膜。建模时，底层蓝宝石区域厚度相对于电极厚度很大，在仿真时将其厚度设置94#m；Mo电极的厚度为200nm;A1N薄膜厚度为1.8#m；叉指电极宽度8#＞。叉指电极距离边界距离为4#＞。使用COMSOL 软件的建模图如图2所示：

图2建模图形

建模之后，设置相应的边界条件，主要边界条件设置为：在模型侧面设置周期性边界条件，在模型底部设置固定约束边界条件，压电层与Mo电极的接触线设置为零电荷。接着在模型左上方压电层与叉指的接触线施加1V的电压，在模型右上方压电层与叉指的接触线设置为接地。然后对模型进行网格剖

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