单端SAW器件设计及有限元仿真

谢易微 许绍俊

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、信号基站。随着社会即将进入万物互联的时代，各种工业设备、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[1]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。

1 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。

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c指的是叉指的间距，a与c的比值称为金属化比率η;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dc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dg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。

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c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8μm;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8μm;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[3]，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dg值会导致反射栅无法精确反射振动波;dg的参数值应满足：

dg=（n- 1 2 ） λ 2   （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器件除了單端器件，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AlN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94μm;Mo电极的厚度为200nm;AlN薄膜厚度为1.8μm;叉指电极宽度8μm。叉指电极距离边界距离为4μm。使用COMSOL软件的建模图如图2所示：

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分，这是有限元分析中重要的一步，因为有限元分析的主要思想是将求解的区域分割成很多个区域，每一个小区域假定一个近似的简单解，通过边界条件逐步推导满足整个区域的解。网格剖分使用自由三角形网格，对Mo电极和压电材料层使用“极细化”的尺寸要求，对蓝宝石层使用“较细化”的尺寸要求。接着可对其进行有限元分析。仿真得到的结果如图3所示：

图a是瑞利波反对称模式的振型图，其频率190.79MHz为反谐振频率f1，图b是瑞利波对称模式的振型图，其频率19084MHz为谐振频率f0，可以通过公式2得出器件的有效声波传播速度为6106.08m/s。

v= λ（f0+f1） 2   （2）

3 结语

本文主要介绍了单端SAW器件的主要的结构，并根据此结构，设计了一个单端SAW器件，最后对器件进行有限元仿真分析。研究发现这样设计的SAW器件反谐振频率为190.79MHz， 谐振频率为190.84MHz，器件的有效声速为6106.08m/s。本文设计的SAW换能器器件是结构相对简单的单端谐振SAW换能器，而在实际的应用中，为了满足各个频段以及适应特殊的应用领域，往往需要设计更加复杂的SAW换能器器件，而在器件的实际应用中，仅仅依靠以谐振频率为主的仿真是不够的，还可以仿真器件其他的电学性能、与其他器件的耦合等情况。

参考文献：

[1]唐敏，肖雪.SAW滤波器的市场前景及发展趋势[J].今日电子，2000（10）：31-32.

[2]R.Aigner.基于CMOS工艺的高性能射频滤波器：体声波滤波器（BAW）[J].世界电子元器件，2003（5）：38-41.

[3]陈菁菁.高频金刚石多层薄膜结构声表面波滤波器的设计和研制[D].北京：清华大学，2004，46.