电极对高次谐波体声波谐振器中心频率的影响 汤亮(可编辑)电极对高次谐波体声波谐振器中心频率的影响 汤亮(可编辑)
电极对高次谐波体声波谐振器中心频率的影响 汤亮
电极对高次谐波体声波谐振器中心频率的影响汤 亮 郝震宏 乔东海(中国科学院声学研究所 北京 100080)Influence of Electrodes on the Central Frequency of HBARsLiang TANG Zhenhong HAO
Donghai QIAO(Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing,
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电极对高次谐波体声波谐振器中心频率的影响 汤亮(可编辑)
电极对高次谐波体声波谐振器中心频率的影响 汤亮
电极对高次谐波体声波谐振器中心频率的影响汤 亮 郝震宏 乔东海(中国科学院声学研究所 北京 100080)Influence of Electrodes on the Central Frequency of HBARsLiang TANG Zhenhong HAO
Donghai QIAO(Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing,
100080)引言在一些现代电子对抗设备(特别是机载设备)中需要具备频率捷变性的微波稳频源作为本机振荡源,同时还要求稳频源具有输出相位噪声低、体积小、重量轻以及工作频率高等性能。高次谐波体声波谐振器(High-overtone Bulk Acoustic Resonator-HBAR)具有工作频率高、Q值高以及体积小的特点,可以很好的满足此项需要。HBAR器件是一种采用压电薄膜体声波换能器和低损耗晶体谐振腔复合结构的器件,它能在微波频段提供多个高Q值的谐振点,其中心频率主要由压电薄膜体声波换能器的特性决定[1]。在体材料压电换能器中,电极对换能器特性的影响一般是可以忽略的,但是对于工作在高频的HBAR器件来讲,其尺寸小、压电薄膜较薄并且有效耦合系数低,这时电极对HBAR器件的影响就不能忽略。本文主要就电极对HBAR器件中心频率的影响进行一些分析,以求为实际设计HBAR器件提供一些参考。模型的建立及数值模拟分析2.1采用的模型描述一般HBAR器件主要包括顶电极、压电层、底电极和衬底谐振腔四层结构(图1),可以采用Mason模型(图2)来进行分析。假设、、和分别为顶电极、压电层、底电极和衬底的声阻抗;、、和 分别为顶电极、压电层、底电极和衬底的厚度;、、和分别为顶电极、压电层、底电极和衬底厚度方向纵波对应的波数。根据Mason等效电路得到的输入阻抗为[2]: (1)其中、,为静电容,为压电层厚度伸缩模式机电耦合系数;为角频率。有效耦合系数近似为。图1.HBAR结构图 图2.四层结构Mason等效电
路图2.2不同电极厚度对HBAR器件中心频率的影响 一般HBAR器件主要采用ZnO或AlN作为压电层材料,本文主要分析ZnO作为压电层的情况。我们选择2μm的ZnO作为压电层,300μm的熔融石英作为衬底,为了使ZnO具有较好的择优取向,一般底电极为金电极。我们分析了底电极固定为0.2μm厚的金电极,顶电极材料也是金电极,但厚度分别为0、情况。图3为三种HBAR器件输入阻抗与频率的关系,图4为三种HBAR器件有效耦合系数与谐振频率的关系。可以看到随着顶电极的增厚,HBAR器件的中心频率降低。三种器件的中心频率分别为1.1191GHz、21GHz,如果不考虑电极时的中心频率为1.44202GHz,可见电极
不同顶电极厚度HBAR器件的厚度对HBAR器件中心频率的影响是很大的。图3.
输入阻抗与频率关系 图4.不同顶电极厚度HBAR器件有效耦
HBAR合系数与谐振频率关系2.3不同电极材料对HBAR器件中心频率的影响 器件当用ZnO作压电层时,底电极一般用金材料,但顶电极既可以是金也可以是铝。我们选择2μm厚的ZnO作为压电层,300μm厚熔融石英作为衬底,底电极仍为0.2μm厚的金,但顶电极分别为0.2μm厚的金和铝的情况。如图5和图6,可以看到用铝作顶电极相对于用金作顶电极,HBAR器件的中心频率得到了提高。两种器件的中心频率7GHz,提高了将近200MHz。图5.不同顶电极材料HBAR器件输入阻抗与频率关系 图6.不同顶电极材料HBAR器件有效耦合系数与谐振频率关系小结本文主要就不同厚度的电极以及不同材料的电极对HBAR器件中心频率的影响进行了数值分析。结果
明电极对器件中心频率的影响是相当大的。相对于金电极,铝电极对器件中心频率的影响要小很多。参考文献[1] 徐帆、汪承灏、周育英、乔东海,“一种基于高次谐波声体波谐振器的新型微波稳频源”,超声电子学器件在电子对抗、雷达和军事通讯技术中的应用学术交流会论文集,P64.[2] Warren P.Mason, “Physical Acoustics Principles
and Methods”,P234-236.作者简介:汤 亮,男,2004年毕业于北京大学微电子学系,现为中国科学院声学所硕博连续研究生,研究方向为声学MEMS 。Email:
lshanbing@ 国家自然科学基金资助课题(90607012)
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