李志鹏， 孟 旭， 王博男， 张 超

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

声表面波(surface acoustic wave，SAW)器件在电子通信技术、微流体、传感器等领域内已经有着广泛的应用[1～6]。而且随着压电薄膜材料的研发与制备工艺的完善，一些学者开始致力于研究基于层状压电薄膜结构的具有高频、高机电耦合系数、高品质因数的SAW器件[7～11]。一般情况下，使用高声速的基底材料或者缩短SAW的波长可以有效提高SAW工作频率。但是，以上这些提高SAW器件频率的方法会受到材料本身声速的限制与制备工艺的制约。比如，传统的金属叉指换能器(interdigital transdu-cer，IDT)的布局处于同一压电沉底或压电薄膜层，由于受到制备工艺、高成本、高频所带来的机械振动及高温的影响，IDT的周期不能制备到很小的水平。

铌酸锂(LiNbO3)是近几年研究热度比较高的压电薄膜材料，因其可以激发出有较高相速度的SAW，更因其比其他压电薄膜具有更高的机电耦合系数而备受关注[12,13]。此外，LiNbO3也可以沉积在具有更高相速度的衬底材料上，比如金刚石或者碳化硅，所以，同样也是多层SAW器件的理想选择材料。

本文将在多层状SAW器件(IDT/LiNbO3/金刚石(diamond)/Si)的结构基础上将原本处于同一工作平面内布局的IDT进行错层布局处理，即将不同极性的电极布置在不同的材料表面，以期达到进一步提高SAW工作频率或缩小结构尺寸的目的。

1 仿真模型的搭建与结构细节

一般多层SAW器件结构由IDT(电极层)、压电薄膜层、增速层、基底层等组成，如图1(a)所示。叉指电极统一分布在压电薄膜层或增速薄膜层表面。SAW以驻波的形式在压电薄膜层与增速薄膜层中传播。本文将探讨具有错层分布的IDT结构，如图1(b)所示。将IDT的接地电极与信号输入电极分别设置在不同的材料层表面。具体的结构细节在图1(c)中进行了说明。

图1 仿真模型

两异性电极之间的间距为S1与S2，如果是均匀IDT，则有S1=S2，两同性电极之间的横向距离S3可以通过以下方程计算得到

S3=S1+d+S2

(1)

这些结构尺寸是缩小波长(λ)和增加SAW器件工作频率的关键

λ=S3+d

(2)

本文利用COMSOL-Multiphysics 5.6仿真软件，采用有限元方法对图1所示的两种结构进行了理论研究与对比分析。每一种结构本文都采用双周期的结构形式，如图2所示。两种结构形式除了同性电极所处不同薄膜层表面外，其余参数全部相同。

图2 仿真模型各结构参数示意

具体尺寸的初始值及边界条件列举于表1与表2中。IDT的电极极性可以互换的。

表1 仿真模型初始结构参数

表2 仿真模型的边界条件

由于压电材料具有各向异性，所以,不同的切型将会导致压电材料表现出不同的压电特性。根据参考文献[14]中所公示的128°YX-LiNbO3材料参数，在COMSOL中通过用户定义的方式，对压电材料的弹性矩阵、耦合矩阵、相对介电常数及密度进行设置，无需再对LiNbO3压电层进行坐标系变换操作。为了降低仿真软件的运算量，图1中的所有结构采用二维模型进行仿真研究。

2 仿真结果与分析

在仿真结果的研究方面，建立了三项研究内容：1)特征频率研究，主要研究在特定结构参数下SAW器件的正、反特征频；2)频域研究，针对研究内容1中的结构参数绘制SAW器件的导纳曲线；3)参数化扫描，扫描内容分别为hLN，hDIA,S1三个参数项，输出结果为SAW器件的正、反特征频率、电势、振型等。

为了明确IDT错层布局对SAW的影响，选择了3个SAW器件性能参数进行对比研究，分别是特征频率f,机电耦合系数K2以及导纳比AR。

特征频率f的定义为[15]

f=(f++f-)/2

(3)

式中f+为正特征频率，f-为反特征频率。

机电耦合系数K2的定义为[15]

K2≈2×(f+-f-)/f-×100%

(4)

导纳比AR的定义为[16]

AR=20lg |Y+/Y-|

(5)

式中Y+为正特征频率下的导纳，Y-为负特征频率下的导纳。

图3为初始结构参数下两种不同IDT布局的仿真结果，从中可以发现IDT错层布局与IDT同层布局相比，SAW器件的振型没有发生变化，二者的正特征频率f+均为1.01 GHz，反特征频率f-均为1.03G Hz，根据式(4)可以计算得知，机电耦合系数K2也未发生变化，只有导纳比AR从52降低到14，这并不是十分理想的结果。为此，还需要进一步研究将IDT错层布局的可行性。

图3 初始值仿真结果

SAW在石英等单晶体衬底中传播时不会发生色散现象，但是SAW在多层状压电结构中传播时，色散现象将无法避免的发生，这就需要研究薄膜层厚度(hLN，hDIA)的变化对SAW传播的影响。

图4(a)～(c)所示为在不同的LiNbO3薄膜层厚度条件下，两种结构特征频率f,机电耦合系数K2以及导纳比AR的变化关系。从中可以发现：随着LiNbO3薄膜层厚度的降低，两种结构的特征频率f有着显著的提升；K2保持在3.96～4.00之间，没有明显改变；IDT平层布局的AR有着相对较大的波动，而IDT错层的AR波动较小，但整体上仍然小于平层布局。

图4(d)～(f)所示为在不同的Diamond薄膜层厚度条件下，两种结构f、K2以及AR的变化关系。从中可以发现，随着Diamond薄膜厚度的增加，两种结构的f有着显著的提升;K2保持在3.994～3.998之间，没有明显改变；IDT平层布局的AR在40～50之间波动，IDT错层的AR在10～20之间波动，整体上仍然小于平层布局。

对于平层IDT，叉指电极为二维空间内布局，电极间距S1的可变范围极为有限，在参数扫描项中对S1的可变范围设定为+0.25λ(1 μm)～0。而对于错层IDT，叉指电极为三维空间内布局，电极间距S1的可变空间也就大了许多，在参数扫描项中对S1的可变范围设定为+0.25λ(1 μm)～-0.25λ(-1 μm)。当S1为-1 μm，正负电极在基底平面上的投影将完全重合。图4(h)～(g)所示为在不同的正负电极间距S1条件下，两种结构f、K2以及AR的变化关系。

图4 参数化扫描研究结果

当平层IDT布局的电极间距S1从1 μm变化到0 μm的过程中，f与K2会在一个小范围内产生轻微的波动，而AR将会大范围的下降，当S1减小到0.5 μm时，SAW器件将再也无法激发出SAW，SAW器件失去工作能力。

当错层IDT布局的电极间距S1从1 μm变化到-1 μm的过程中，f线性下降了0.03 GHz;K2经历了一个先下降后上升的过程，当S1为-0.4 μm时，K2达到最小值3.976;AR同样经历了一个先小幅度下降然后大幅度上升的过程，当S1减小到0.2 μm时，AR达到最小值15.9，后AR开始快速上升，当S1减小到-1 μm时，即正负电极在基底平面的投影完全重合时，AR达到最大值57.2，超过了平层IDT布局初始参数条件下的AR值52。

3 结 论

从仿真结果看，仅仅将IDT从平层布局转变为错层布局，SAW器件的特征频率、机电耦合系数相差无几，导纳比却有所下降，即使考虑了多层状压电结构对SAW传播的色散影响，仿真结果依然再次验证了以上结论。

但是IDT错层布局的最大优势是将IDT平层布局的叉指电极二维平面布局转化为三维立体空间布局，布置形式变得更加灵活，从仿真结果中可以清晰的看出，当正负电极在基底平面的投影完全重合时，SAW器件依然可以稳定激发出SAW，特征频率与机电耦合系数未出现明显变化，导纳比有显著提升。换言之，在不增加差指指条对数的前提下，采用IDT错层布局的SAW器件在保持性能不变的情况下，SAW器件体积可以缩小一倍；在不改变SAW器件尺寸的前提下，采用IDT错层布局的SAW器件也会更加容易实现特征频率的提高设计与制备。