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        高次諧波體聲波諧振器的頻率修正方法研究

        2019-12-17 07:06:54肖佩蕓田裕康程建政
        壓電與聲光 2019年6期

        肖佩蕓,李 鑒,2,鄭 天,田???,程建政

        0 引言

        高次諧波體聲波諧振器(HBAR)是一種采用微制造工藝將壓電薄膜及其上、下電極沉積在低損耗的諧振腔之上形成的器件。由于基底厚度遠(yuǎn)大于聲波波長,基于厚度振動的HBAR具有多模諧振頻譜特性;另外,由于實(shí)驗(yàn)中采用的是低損耗基底,HBAR表現(xiàn)出具有較大的品質(zhì)因數(shù)(Q)?;谶@些特點(diǎn),HBAR已廣泛應(yīng)用于頻率控制系統(tǒng)中,作多頻微波信號源[1]、低相位噪聲的微波信號源[2]及用作傳感器[3]。

        1 HBAR的集總參數(shù)等效電路

        HBAR的橫向尺寸遠(yuǎn)大于聲波長,故其縱向振動可以采用一維Mason等效電路進(jìn)行分析[4],其機(jī)械端可簡化為復(fù)阻抗ZM(見圖1)。圖中,C0為諧振器的鉗制電容,N為機(jī)電轉(zhuǎn)化比。若考慮各層的機(jī)械損耗,在諧振頻率附近,ZM可等效為力順C、力質(zhì)量L和力阻R串聯(lián)的形式[4-5](見圖1)。

        圖1 厚度振動模式諧振器的等效電路

        ZM(f0)=0

        (1)

        (2)

        (3)

        式中π為圓周率。

        2 HBAR的頻率修正

        該HBAR的諧振譜中第216和217階的諧振頻率與f0=3 GHz均有偏差,需減薄其基底或頂電極,或在基底下表面或頂電極上表面沉積薄膜進(jìn)行頻率修正。

        2.1 基底減薄或沉積薄膜的頻率修正

        對于Au0.1 μm/ZnO0.5 μm/Au0.1 μm/Sapphire 4層結(jié)構(gòu)的HBAR,其諧振頻率隨基底厚度(ds)的變化曲線如圖2所示。圖中,A和B是ds=400 μm時,HBAR諧振譜中距離f0=3 GHz最近的兩個諧振頻率點(diǎn),其所對應(yīng)的階數(shù)分別為216和217。O和O1為f0=3 GHz與諧振譜的交點(diǎn),所對應(yīng)的基底厚度分別為399.666 μm和401.525 μm。

        圖2 ds變化對諧振頻率的影響

        增加或減少ds均可使實(shí)驗(yàn)HBAR的諧振頻率修正到f0=3 GHz,此時HBAR諧振頻率的變化曲線如圖2中粗實(shí)線BO1和AO所示。若采用研磨基底的方式,即減薄基底厚度進(jìn)行頻率修正,則諧振頻率將沿著AO方向移動,當(dāng)基底厚度減薄0.334 μm,其諧振頻率增加至f0=3 GHz。若在基底下表面沉積薄膜進(jìn)行頻率修正,假設(shè)沉積的薄膜為Sapphire,即增加基底厚度,則諧振頻率將沿著BO1方向移動,沉積該薄膜厚為1.525 μm時,其諧振頻率減少至f0=3 GHz。

        圖3 在圖2所示的頻率修正過程中,和QM隨ds的變化曲線

        表1 在基底下表面沉積幾種薄膜進(jìn)行頻率修正的對比

        2.2 頂電極減薄或沉積薄膜的頻率修正

        為了對實(shí)驗(yàn)制備的HBAR進(jìn)行頻率修正,除了采用第2.1節(jié)討論的減薄基底或在基底下表面沉積薄膜來實(shí)現(xiàn)外,也可以通過減薄頂電極或在頂電極上表面沉積薄膜的方式來實(shí)現(xiàn)。對于Au/ZnO0.5 μm/Au0.1 μm/Sapphire400 μm4層結(jié)構(gòu)的HBAR,圖4為其諧振譜隨頂電極厚度的變化曲線。實(shí)驗(yàn)制備的頂電極厚為0.1 μm的HBAR,其距離f0=3 GHz最近的兩個諧振頻率如圖4中A和B所示。圖中f0=3 GHz與諧振譜的交點(diǎn)所對應(yīng)的頂電極厚分別為0.048 μm和0.565 μm,如圖4中O和O1所示。

        圖4 頂電極厚度變化對諧振頻率的影響

        與改變ds的情況類似,增加或減少頂電極厚度均可以使實(shí)驗(yàn)HBAR的諧振頻率修正到f0=3 GHz,此時HBAR諧振頻率的變化如圖4中粗實(shí)線BO1和AO所示。研磨頂電極,即減薄頂電極厚度,則實(shí)驗(yàn)HBAR諧振頻率將沿著AO方向移動,當(dāng)頂電極厚度減薄0.052 μm,其諧振頻率增加至f0=3 GHz。若在頂電極上表面沉積Au薄膜,即增加頂電極厚度,則諧振頻率將沿著BO1方向移動,當(dāng)沉積的Au薄膜厚為0.465 μm時,其諧振頻率減少至f0=3 GHz。

        圖5 在圖4所示的頻率修正過程中,和QM隨頂電極厚度的變化曲線

        表2 在頂電極上表面沉積幾種薄膜進(jìn)行頻率修正的對比

        3 結(jié)束語

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