压电复合薄膜的SAW器件杂波抑制及仿真方法

针对任意复杂膜系结构压电复合薄膜声表面波(SAW)器件横向杂波抑制及精确快速仿真方法,从数学上严格分析推导了有限长结构分层级联理论和色散2D-COM模型,可精确快速地计算压电复合薄膜SAW器件传播方向及孔径方向结构对杂波模式的影响,并通过色散2D-COM模型对SAW器件杂波抑制进行综合分析。通过对41°Y-X LiNbO_(3)/SiO_(2)/Si_poly/Si(111)复合衬底SAW谐振器的优化设计与研制,结果表明,设计优化结果与实验结果吻合较好,验证了该方法的有效性和可行性。

声表面波滤波器温度敏感性仿真研究

针对不同温度场情况下任意复杂膜系结构和电路拓扑结构的声表面波(SAW)滤波器的温度敏感性精确计算问题,首先将温度场以热应力、热应变的方式耦合声/电本征方程并考虑封装模型的电磁因素,再结合分层级联算法和全波仿真技术,计算任意复杂膜系结构和电路拓扑结构的SAW滤波器的温度敏感性,实现不同温度作用下SAW滤波器频率响应曲线、频率温度系数(TCF)值、损耗、带宽及带外抑制等性能的综合分析。通过41°Y-X LiNbO_(3)/SiO_(2)/Si_poly/Si(111)复合衬底SAW滤波器的优化设计与研制,其设计优化结果与实验结果吻合较好,验证了该方法的有效性和可行性。

基于软件无线电方案无线无源SAW温度阅读器设计

目前谐振型声表面波(SAW)阅读器射频电路大多采取分立器件设计,针对系统整体工作频段受限,硬件设计繁琐的问题,该文提出了一种软件无线电方案。软件无线电系统主体由ZYNQ和AD9361组成,射频收发端口添加LNA、PA进行信号功率放大,使用射频开关隔离收发。通过发射步进频率5 kHz、带宽1 MHz扫频信号,并对回波进行频谱分析求取最大值,最终得到谐振频率。针对SAW传感器回波持续时间较短而导致FFT计算分辨率的不足,使用重复采集增加数据长度,将阅读器的分辨率提高到468.75 Hz。实验结果表明,该阅读器能够正确探测传感器温度变化。

基于IDT/ZnO/AlN/Diamond结构的混合SAW/BAW压力敏感元件特性研究

利用有限元方法分析了基于IDT/ZnO/AlN/Diamond不同结构混合SAW/BAW器件的声学特性,包括层状薄膜结构、ZnO薄膜刻蚀结构和填充结构。结果表明,当h_(ZnO)/λ=0.3、h_(AlN)/λ=0.5,且ZnO被完全刻蚀(d/h_(ZnO)=1)时,刻蚀结构混合SAW/BAW(准西沙瓦波)的机电耦合系数(K^(2))取得最大值6.54%,比层状结构(d/h_(ZnO)=0)提升了近一倍。刻蚀结构中,SiO_(2)和Diamond填充物的引入不仅提高了准西沙瓦波的K_(2),而且改善了其压力传感特性。当d/h_(ZnO)=1时,SiO_(2)和Diamond填充结构准西沙瓦波的压力频移分别为81.2 kHz/MPa和207.4 kHz/MPa,比刻蚀结构分别提高了58.7%和300%;同时,Diamond填充物的引入使准西沙瓦波的频率压力系数(PCF)达到最大值297×10^(-6)/MPa,比d/h_(ZnO)=0时提高了约30%。由此可知,通过引入不同的填充物可以开发不同的功能传感器,在压力、温度和气敏等传感领域将具有极大的应用前景。

具有片上电感的改进型梯形声表面波滤波器

针对小体积声表面波(SAW)滤波器性能受封装影响较大的问题,提出了一种新型SAW梯形滤波器电路拓扑结构。通过分析滤波器高频受封装影响造成的远端抑制上翘的现象,从电路结构出发,改变版图设计,实现了片上电感。采用传统梯形滤波器结构和利用纵向耦合双模谐振器型滤波器(DMS)特殊接地结构相结合的电路拓扑结构,有助于提高带外抑制和设计灵活性。在标准的42°Y-X钽酸锂(LiTaO_(3))基板上制作滤波器,通过仿真分析得到中心频率2580 MHz、带宽50 MHz、插入损耗小于2.5 dB的高阶梯形射频SAW滤波器的最优拓扑结构。测试结果表明,通过改变电路拓扑结构关键参数和引入新的传输零点,可改善在高频段内的带外抑制特性。

5种规格金刚石圆锯片的行波振动分析及优化

为降低金刚石圆锯片在石材切割时产生的锯切噪声,选取常规锯片、打孔锯片、切缝锯片以及在基体上开鼻型径向槽、开孔与夹层的5种典型金刚石圆锯片,利用Workbench软件对其模态、行波振动进行分析,研究其对行波振动的影响。结果表明:直径为180和230 mm的常规锯片出现行波共振,产生强烈噪声;直径为105、115和350 mm的常规锯片不出现行波共振。直径为180和230 mm的切缝锯片δ值偏大,有效避开了行波共振;直径为115和350 mm的切缝锯片δ值偏小,其降噪效果差;而直径为105 mm的夹层锯片δ值偏大,降噪效果好。5种直径锯片采用开鼻形径向槽、雨滴孔和阻尼夹层的设计方案,其δ值分别为8.13%、7.21%、6.01%、6.39%和7.00%,可进一步避开行波共振,其降噪效果更好。

调制声表面波驱动液滴的研究

研究旨在探究调制声表面波驱动下微液滴运动的规律。利用矩形波调制的正弦信号激励声表面波实现了对微液滴的定向驱动,通过拍摄并分析液滴运动影像获取了液滴的运动速度。对比了有调制的声表面波驱动与连续声表面波驱动的液滴运动之间的差异,结果表明使用调制后的声表面波,驱动效率高、液滴形状变化小的优势。测量了调制声表面波驱动下不同体积液滴的运动速度,研究表明,体积为3~4μL的液滴具有最快的驱动速度,这主要是由于体积为3~4μL的液滴对声能具有最佳的吸收效率。测量了液滴运动速度与驱动声表面波调制频率、占空比的关系,结合数值模拟解释了液滴的运动机理,说明了液滴驱动速率与调制信号的匹配关系,同时,最大速度对应的调制信号频率随体积先上升后下降,在体积为3.5μL处最高。当液滴体积为3.5μL、调制频率为40 Hz、占空比为70%时液滴驱动速度最大。通过对声表面波激励信号的调制,能够在高效驱动液滴的同时保持液滴形态相对稳定。在液滴微流控系统中,形状保持对液滴的输运和后续处理至关重要,因此调制声表面波驱动液滴的方法具有广阔的应用前景。

叉指电极结构传感器的研究及应用进展

叉指电极传感器以其结构简单、灵敏度高、稳定性好等独特优点成为众多领域的研究热点。本文详细论述了叉指电极的工作原理、指标参数、检测原理、制备工艺和分布结构等,探讨了近几年叉指电极结构传感器在医学、环境、生物等行业的应用现状,重点分析在监测环境因素、人体运动状态和声表面波(SAW)技术等方面的最新研究技术,最后对其发展前景、趋势和挑战进行了分析和展望。

离子束刻蚀技术在SAW滤波器频率修整上的应用

随着声表面波(SAW)滤波器的应用向高频、窄带方向延伸,在制造过程中准确地控制其中心频率及一致性变得越来越困难,需要对SAW滤波器的频率进行微调。重点介绍了一种在SAW滤波器上可实现目标频率修整的离子束刻蚀修频工艺,通过实验发现刻蚀厚度不同对滤波器表面的影响程度不同,一次离子束刻蚀厚度为50 nm时,铝膜表面出现微结构变化。分析了对晶圆、器件进行离子刻蚀工艺引起热损伤的机理,表征了不同刻蚀厚度对SAW滤波器粘接芯片的剪切力和硅铝丝键合力的影响。根据实验现象及结果提出了分梯度多次刻蚀的优化方案,给出了不同刻蚀厚度的刻蚀精度,对实验结果进行拟合,得到中心频率与刻蚀厚度的关系方程,从频率、插入损耗和通带方面分析了离子束刻蚀工艺对SAW滤波器电学性能的影响。经离子束刻蚀修频后,滤波器中心频率提高2 MHz,中心频率标准差由0.4 MHz减少为0.15 MHz,中心频率的均一性由0.29%改善至0.11%,频率一致性变好。

基于有限元法和色散COM模型的声表面波滤波器联合仿真

针对任意复杂膜系结构和电路拓扑结构的声表面波(SAW)滤波器的精确快速设计问题,该文基于声/电/磁多物理场耦合全波仿真平台,结合基因遗传优化算法和通用图形处理器(GPGPU)加速技术,利用有限元分层级联精确模型(HCT)优化设计梯形谐振器,色散COM模型优化设计纵向耦合谐振器,实现了任意复杂膜系结构和电路拓扑结构的SAW滤波器的正向设计与优化。通过42°Y-X LiTaO_(3)常规SAW滤波器的优化设计与研制,设计优化结果与实验结果吻合较好,验证了该方法的有效性和可行性。

基于分层级联技术的梯形声表面波滤波器正向设计

针对任意复杂拓扑结构的梯形声表面波(SAW)滤波器的精确快速设计问题,基于声/电/磁多物理场耦合全波仿真平台,结合基因遗传优化算法和通用图形处理器(GPGPU)加速技术,利用有限元分层级联精确模型(HCT)代替COM模型进行SAW滤波器的设计与优化,计算速度和优化速度与COM模型相当。通过42°Y-X LiTaO 3常规SAW滤波器的优化设计与研制,插入损耗为0.67 dB,2 dB相对带宽为3.85%,验证了该方法的有效性和可行性。

硅基钽酸锂压电单晶复合薄膜材料及应用

绝缘体上压电基板(POI)是一种新兴的压电单晶复合薄膜结构材料。POI基板由压电单晶材料薄层(单晶钽酸锂/铌酸锂)、二氧化硅层及高阻硅衬底构成,采用Smart-Cut工艺制备,可保证板层高均匀度及高质量的批量生产。通过这种基板可设计满足5G通信要求的高性能集成声表面波(SAW)谐振器和滤波器。基于POI材料制备的SAW器件具有高频、高品质因数(Q)值、低温度敏感性及较大带宽等优良特性,同时还能在同一芯片上集成多个SAW滤波器,具有广阔的市场应用前景。该文介绍了POI基板的制备、国内外的研究现状及POI基板在高性能SAW滤波器中的应用,综述了制备POI基板的关键技术并展望了未来的发展趋势。

基于36°Y-X钽酸锂的扇形声表滤波器设计与研究

该文提出了基于钽酸锂漏波材料设计的扇形声表滤波器。钽酸锂在36°Y-X切向时,其机电耦合系数(ΔV/V)为2.4%、频率温度系数(TCF)为-32×10^(-6)/℃。36°Y-X钽酸锂具有较强的压电耦合性和适中的温度稳定性,用它设计相对带宽5%~10%的滤波器可以实现较小的插入损耗和适中的温度稳定性,器件实测结果与仿真相符。

基于IDTs电极分层布局结构的瑞利波器件特性研究

现代科技的发展对高频声表面波(SAW)器件的需求不断增加,对其工作频率也提出了更高的要求。为了提高SAW器件的频率,该文构建了一种IDTs电极分层布局的器件模型,即IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构,并采用有限元法分析其声学性能,包括导纳、相速度、机电耦合系数等。结果表明,IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构可激发出瑞利波,且当AlN压电薄膜厚度h_(AlN)=0.4λ(λ为器件周期),水平中心距P_(b)=4μm时,其工作频率为692 MHz,传统的IDTs/AlN/R-sapphire结构器件提高了近1倍(356 MHz),而此时机电耦合系数K^(2)为0.3%,比传统结构高。另外,通过优化IDTs电极的结构参数可进一步改善、调制瑞利波器件的性能。当IDTs的上层铜电极和下层铝电极厚度之比Δh=1.2,P_(b)=4μm,h_(AlN)/λ=0.5时,瑞利波器件的谐振频率为657.9 MHz,K^(2)=1.27%;当P b=6μm时,瑞利波的工作频率为461 MHz,机电耦合系数达到最大(K^(2)_(max)=1.34%),较传统IDTs单层布局结构瑞利波器件分别提升了30%和300%。结果表明,IDTs电极分层布局结构不仅可有效地提高SAW器件的工作频率和机电耦合系数,也可以降低高频SAW器件的制备难度。

基于晶圆减薄工艺的LT减薄片制备

声表面波(SAW)滤波器因其小型化、低插损及高品质因数(Q)值等性能,已广泛应用于移动通信系统中。钽酸锂(LT)/SiO2/Si结构克服了传统温度补偿型声表面波(TC-SAW)器件制备工艺难的问题,但需减薄该结构上的LT厚度,而减薄过程会导致晶圆表面有损伤残留,影响器件性能。针对这个问题,该文开展了基于减薄与抛光制备LT减薄片的工艺研究,分析了砂轮目数、砂轮与工作台转速、砂轮进给率等减薄参数对LT晶圆表面损伤的影响,以及抛光压力对损伤的去除效果。研究结果表明,在优化的工艺参数下,减薄抛光后晶圆表面粗糙度为0.187 nm,损伤深度小于1 nm,减薄片制备的TC-SAW谐振器的阻抗图和Smith圆图表明晶圆性能和一致性良好。

TC-SAW滤波器仿真与设计技术

该文介绍了温度补偿滤波器的设计方法。通过研究温度补偿结构的材料,在性能和温度系数之间求取最佳的层间参数搭配。在此基础上提取三维耦合模式模型(COM)参数数据库,并置于设计仿真软件中,最终可以实现高温稳定型声表面波(TC-SAW)滤波器的设计优化。根据指标要求设计目标函数,设计出满足要求的低损耗TC-SAW滤波器。利用多层FEM/BEM软件对性能进行精确验证,实验结果与仿真结果吻合良好。

基于SAW的电缆接头内部测温天线研究

由于声表面波(SAW)测温技术因具有无源无线的特点而备受研究人员的广泛关注。该技术可应用在电缆接头内部的温度测量中,但因受电缆接头材料和结构的影响,使SAW测温信号传递受阻,严重影响了温度信号的检测。该文基于DWG-630A型电缆接头的结构和材料,设计了一款可用于电缆接头内部测温的天线。通过其理论分析、仿真及试验验证,证明该设计切实可行。结果表明,穿过电缆接头可传递SAW温度信号,并在工作频段内具有良好的增益和辐射效果。

SAW压力传感器声传播方向特性研究

针对高温恶劣环境下对压力参数的测量需求,结合目前氮化铝(AlN)和蓝宝石(sapphire)等耐高温材料,构建了一种叉指换能器(IDT)/AlN/Sapphire结构的声表面波(SAW)传感器模型,并采用有限元法(FEM)分析SAW在c轴取向AlN薄膜上分别沿a方向(〈11-20〉)和m方向(〈1-100〉)传播时的器件性能,包括AlN和IDT的厚度对声速和机电耦合系数的影响,以及不同方向传播时SAW压力传感器灵敏度的变化。实验结果表明:表面波沿a方向传播的传感器相比于m方向明显具有更高的声速与机电耦合系数,2个方向的传感器灵敏度分别为435.37×10^(-6)/MPa和426.29×10^(-6)/MPa,a方向灵敏度略大于m方向。此研究工作为之后的传感器设计制造提供了一定的参考价值。

磁光调制的模拟与特性分析

目的对正弦波、三角波、锯齿波和方波磁光调制的调制特性进行分析。方法结合利萨如图形法对磁光调制进行计算机模拟。结果根据模拟得到的输出波形和利萨如图形,分析了这4种磁光调制的有关特性。结论方波磁光调制具有较大的应用潜力。

声表面波飞机结冰传感器灵敏度及实验研究

声表面波飞机结冰传感器有望用于飞机结冰预测,其通过Love波的激发和在导波层中的传播变化,来敏感导波层表面冰的厚度及状态变化,而导波层的厚度对声表面波结冰传感器灵敏度具有重要影响。在学者Zimmermann的理论基础上,根据声表面波结冰传感器实际结构,计算得到导波层厚度对灵敏度影响的特性。通过对SiO2导波层及ST90°石英晶体压电材料进行实例计算,得其厚度在9.6μm处灵敏度最高,并通过实验对0.0042 m厚的冰层进行实验,得到冰层中Love波的传播速度,与理论计算吻合。