朱 敏， 謝立強(qiáng)， 劉智榮， 包文歧， 徐才華

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

近年來， MEMS(Micro-electro mechanical systems)技術(shù)一直持續(xù)高速發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用。聲表面波(Surface acoustic wave，SAW)器件作為一類重要的MEMS器件，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率特性好、敏感性強(qiáng)以及可無源無線工作等諸多優(yōu)點(diǎn)被大量研究和應(yīng)用[1-3]。當(dāng)前SAW器件應(yīng)用范圍已經(jīng)由傳統(tǒng)的濾波器、振蕩器等信號(hào)處理型器件拓展到傳感器、執(zhí)行器等多種功能器件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度[4-5]、壓力[6]、氣體[7]等的感測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體的驅(qū)動(dòng)控制[8]，甚至可實(shí)現(xiàn)SAW馬達(dá)[9]。SAW器件主要采用石英、鈮酸鋰等壓電單晶體或者鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷作為基底材料，該類壓電基底材料均勻性好，機(jī)電耦合系數(shù)大，聲表面波傳播損耗小。然而，獲得高純度壓電單晶體的代價(jià)很高，切片拋光定向等工藝較為繁瑣，其機(jī)電耦合系數(shù)與溫度穩(wěn)定性一般難以調(diào)和。壓電陶瓷在一致性、溫度穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性等方面存在的固有問題，使其較難獲得高性能。因此，在硅、金剛石等襯底上沉積多層壓電薄膜和介質(zhì)薄膜的SAW器件成為一個(gè)較好的解決方案。在襯底上通過制備多層膜結(jié)構(gòu)的方式制備SAW器件，非常有利于對(duì)器件性能的調(diào)控，如選用不同襯底和不同膜厚可以調(diào)控SAW的相速度，引入不同特性膜層可以相互補(bǔ)償溫度系數(shù)，從而提高器件的溫度穩(wěn)定性。復(fù)合膜結(jié)構(gòu)還利于實(shí)現(xiàn)對(duì)特定傳感器的設(shè)計(jì)。

國內(nèi)外學(xué)者開展復(fù)合膜結(jié)構(gòu)SAW器件的研究有很多。在理論方面，Jin等[10]利用三維有限元方法分析了ZnO/金剛石上瑞利波和勒夫波的激發(fā)條件與振型模態(tài)。Luo等[11]利用有限元方法對(duì)IDT/(110)ZnO/SiO2/Si結(jié)構(gòu)水平剪切波進(jìn)行了分析，當(dāng)hZnO/λ=0.2，hSiO2/λ=0.1時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)取得最大值為3.37%，TCF值接近于0，為-0.1×10-6/℃。王艷等[12]利用有限元方法研究SiO2薄膜的引入對(duì)ZnO/IDT/Si結(jié)構(gòu)中瑞利波特性的影響，結(jié)果表明，雙層SiO2薄膜的引入可以提高器件的相速度、機(jī)電耦合系數(shù)以及實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。在實(shí)驗(yàn)方面，Lu等[13]制作了ZnO/SiO2/SiC結(jié)構(gòu)的單端口諧振器，當(dāng)hZnO/λ=0.2，hSiO2/λ=0.55時(shí)，測(cè)得器件頻率達(dá)到5 GHz以及TCF為0.7×10-6/℃。Su等[14]通過嵌入式電極和SiO2導(dǎo)波層，制作了SiO2/ZnO/(IDT+SiO2)/Al2O3結(jié)構(gòu)的SAW器件，可以實(shí)現(xiàn)小的相速度vp、大的機(jī)電耦合系數(shù)k2和接近于零的頻率溫度系數(shù)(TCF)。陳穎慧等[15]通過射頻磁控濺射法將ZnO薄膜沉積在Si、金剛石襯底上，研究了襯底的不同、氬氧比和退火溫度等因素對(duì)ZnO薄膜質(zhì)量的影響。

本文針對(duì)ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件開展相關(guān)理論分析與有限元仿真工作，分析SAW器件激發(fā)的瑞利波特性，如諧振頻率、相速度以及機(jī)電耦合系數(shù)等并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，討論SAW器件的特性，為復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 建模與分析

ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)的SAW器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。SAW器件基本結(jié)構(gòu)由壓電襯底和金屬電極組成。金屬電極包括叉指換能器和反射柵兩種，其中叉指換能器(Interdigital transducers,IDT)由兩組周期分布、交替排列的梳指狀金屬電極組成，每組電極通過匯流條進(jìn)行連接。叉指換能器的功能是在SAW器件的壓電薄膜表面激勵(lì)和檢測(cè)SAW，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與SAW信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。反射柵由周期性的金屬電極組成的陣列結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所經(jīng)過的聲表面波進(jìn)行反射和透射。

圖1 ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件結(jié)構(gòu)圖

在壓電基底上存在著聲場(chǎng)和電場(chǎng)的相互耦合，研究聲表面波的傳播特性就需要考慮運(yùn)動(dòng)方程和麥克斯韋電磁方程，這兩個(gè)方程通過壓電方程耦合得到壓電材料的耦合方程[16]

(1)

本文利用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)SAW器件進(jìn)行建模以及對(duì)式(1)進(jìn)行求解，根據(jù)仿真分析得到的諧振頻率，計(jì)算得到該器件的聲表面波速度。

利用COMSOL對(duì)ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件進(jìn)行建模，所建的三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。IDT選用均勻叉指換能器，λ為聲波波長，w為孔徑長度。利用周期性邊界條件，將沉積在ZnO薄膜上IDT電極簡(jiǎn)化為一對(duì)電極組成的周期型結(jié)構(gòu)，并且在仿真過程中忽略IDT的質(zhì)量和勁度系數(shù)對(duì)器件的影響。與二維模型不同的是，三維模型建模時(shí)需要考慮IDT孔徑w的長度，使其更為貼近SAW器件的實(shí)際情況。定義器件在水平剪切方向z與傳播方向x的尺寸比例系數(shù)Q為[17]

式中：Q值一般在0.5～5之間。本文N取值為1，Q取值為1，則w=λ。

圖2 IDT/ZnO/SiO2/Si復(fù)合SAW器件模型

SAW器件模型的基本參數(shù)如表1所示，其中p為叉指電極中心距離，a為叉指電極寬度，h為叉指電極高度。

表1 SAW器件三維簡(jiǎn)化模型參數(shù)

由于聲表面波能量主要集中壓電薄膜表面以下1～2波長范圍內(nèi)，而且隨著襯底深度的增加，其振動(dòng)幅度急劇衰減至0，所以在仿真模型中將襯底厚度設(shè)置為3λ即可。在Si襯底和ZnO壓電薄膜之間沉積一層SiO2薄膜可以改善ZnO薄膜的生長質(zhì)量以及提高SAW器件的溫度穩(wěn)定性。當(dāng)ZnO薄膜厚度與SiO2薄膜厚度比值為2∶1時(shí)，SAW器件的頻率溫度系數(shù)TCF接近于0[11]。基于此，仿真模型中的SiO2薄膜設(shè)置為0.15 μm，ZnO薄膜厚度為0.3 μm，Si襯底厚度為24 μm。

模型建好之后，從COMSOL 軟件材料庫中添加材料，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)材料屬性進(jìn)行修改。所使用Al、ZnO、SiO2以及Si材料參數(shù)如表2所示[14,18]。

模型邊界條件設(shè)定如下:仿真模型下表面設(shè)為固定約束，此時(shí)其電學(xué)邊界條件為零電荷。仿真模型前后面、左右面分別設(shè)置一組周期性邊界條件，用來規(guī)定兩側(cè)的電勢(shì)和位移是相等的。金屬電極上表面作為等電位區(qū)域，只需給其下表面使用邊界條件即可，左側(cè)終端的邊界設(shè)為電接地，右側(cè)終端的邊界接1 V電壓。其余的邊界條件在默認(rèn)情況下分別是結(jié)構(gòu)邊界中的自由邊界和電學(xué)邊界的零電荷邊界。

表2 仿真所用的材料參數(shù)

為了便于控制網(wǎng)格大小，使用的是用戶控制網(wǎng)格，將網(wǎng)格的大小設(shè)置為沿著模型厚度方向從下到上依次遞減。劃分的網(wǎng)格大小不宜過大或者過小，網(wǎng)格過大導(dǎo)致仿真精度不夠，而網(wǎng)絡(luò)過小致使計(jì)算量過大，仿真時(shí)間過長。選擇合適的網(wǎng)格大小既可以獲得較好的仿真精度又可以提高仿真效率。通過添加特征頻率研究、頻域研究來求解器件的諧振頻率、反諧振頻率以及計(jì)算在一個(gè)或多個(gè)頻率下的諧波激勵(lì)響應(yīng)。圖3為特征頻率研究下的IDT/ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW器件振型圖，其諧振頻率和反諧振頻率分別為554.81 MHz和557.63 MHz。有反諧振頻率與諧振頻率的存在，是由于壓電薄膜表面IDT金屬電極的電極效應(yīng)所引起的[14]。

圖3 SAW器件振型圖

由圖3可以看出，SAW的振動(dòng)形式是在近表面以橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，而且振動(dòng)位移沿厚度方向迅速減小，說明聲表面波的能量主要集中在壓電薄膜表面附近，這一點(diǎn)符合瑞利波的傳播特性。其表面振動(dòng)位移隨著頻率變化的關(guān)系如圖4所示，當(dāng)SAW器件的頻率達(dá)到諧振頻率時(shí)，其激發(fā)的振動(dòng)位移達(dá)到最大，此時(shí)的電聲轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到最大，器件的性能最佳。

圖5為頻域研究下得到的導(dǎo)納-頻率曲線圖，可以看出當(dāng)Y11值取最大值即阻抗值最小時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為諧振頻率fr，器件的插入損耗最??；當(dāng)Y11值取最小值即阻抗最大時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為反諧振頻率far，器件的插入損耗最大。

圖4 位移-頻率特性

圖5 導(dǎo)納-頻率特性

SAW器件的聲表面波速度vp以及機(jī)電耦合系數(shù)k2計(jì)算公式分別為

(2)

(3)

式中：λ為SAW器件的波長，fr為諧振頻率，far為反諧振頻率。由此計(jì)算得到SAW器件的聲表面波速度vp為4 449.76 m/s，機(jī)電耦合系數(shù)k2為1.24%。

2 實(shí)驗(yàn)方法

基于前期仿真工作所確定的器件參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)制備了與仿真模型結(jié)構(gòu)相同的單端口SAW器件。同時(shí)為了分析反射柵在聲表面波傳播過程中的作用，制作一組單個(gè)IDT器件進(jìn)行對(duì)比分析。器件參數(shù)具體如下：叉指電極和反射柵電極對(duì)數(shù)均為80對(duì)，電極寬度均為2 μm，電極中心距離均為4 μm，電極厚度均為150 nm，聲孔徑為2 000 μm，IDT與第一條反射柵電極之間的距離為3 000 μm。ZnO薄膜作為該SAW器件中最重要的部分，制備ZnO薄膜相較于制備其他壓電薄膜材料，更容易獲得單晶薄膜和擇優(yōu)取向薄膜。由于ZnO薄膜的(002)晶面自由能最低，所以在各類襯底上沉積ZnO薄膜都會(huì)趨向(002)晶面擇優(yōu)生長，所沉積的薄膜可作為壓電薄膜使用。本文制備ZnO 薄膜的方法采用電子束蒸發(fā)鍍膜。

實(shí)驗(yàn)選擇的襯底是N100型硅片，首先將硅片經(jīng)過有機(jī)清洗和干法清洗兩道工序后，采用英國牛津儀器OXFORD 100型設(shè)備在Si襯底上使用PECVD法制備厚度為0.15 μm的SiO2薄膜，之后采用沈陽科儀的電子束蒸發(fā)設(shè)備先后制備厚度為0.3 μm的ZnO薄膜。采用Lift-off工藝來制備金屬電極，即在光刻膠圖形上制備金屬圖層，然后通過剝離工藝將掩膜版上的電極圖形轉(zhuǎn)移到ZnO薄膜上。光刻之前，采用HMDS(六甲基二硅氮烷) 對(duì)襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)光刻膠與其表面的粘附性，方便后續(xù)工藝的進(jìn)行。SAW器件制作工藝流程圖如圖6所示。經(jīng)過上述工藝流程后，再通過劃片、裸片檢查、粘片、引線鍵合以及封裝之后就可得到單個(gè)完整SAW器件。

圖6 SAW器件制作流程圖

3 結(jié)果與分析

圖7(a，b)分別是試制的SAW器件及光學(xué)顯微鏡下的IDT細(xì)節(jié)圖。為了使其避免受到外界環(huán)境的影響，對(duì)SAW器件進(jìn)行了簡(jiǎn)易封裝。由圖7可以看出，SAW器件整體結(jié)構(gòu)完好，未出現(xiàn)叉指短路、斷路等現(xiàn)象,所制器件的波長為8.03 μm,叉指寬度為1.98 μm，分別與器件設(shè)計(jì)值8.0和2.0 μm基本一致。

圖7 試制SAW器件圖

采用安捷倫E5063A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量帶有反射柵的SAW器件的S參數(shù)，通過SMA接口線將SAW器件與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接后測(cè)試S11參數(shù)，得到如圖8所示的頻率響應(yīng)曲線。由圖可看出，SAW器件的諧振頻率為553.26 MHz，插入損耗為-13.6 dB，相位為-70°。由此計(jì)算得到該SAW器件的聲表面波速度vp為4 426.08 m/s。進(jìn)一步分析得該速度主要受到Si襯底、ZnO薄膜和SiO2薄膜三者共同影響，由于ZnO薄膜和SiO2薄膜的厚度h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于器件的波長λ，使得聲表面波的能量更多集中在Si襯底上，所以Si襯底對(duì)聲表面波速度的影響最大，其次是ZnO薄膜，最后是SiO2薄膜。但隨著ZnO膜的厚度增加，聲表面波的能量逐漸集中在ZnO薄膜中，聲表面波速度逐漸接近ZnO薄膜在理想條件下的相速度。通過與仿真結(jié)果對(duì)比分析得，兩者的諧振頻率和聲速是非常接近的，說明了仿真與實(shí)驗(yàn)具有較好的一致性。

在對(duì)帶有反射柵的SAW器件分析完后，再對(duì)單個(gè)IDT的SAW器件進(jìn)行分析，S11參數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖如圖9所示。測(cè)試得到的無反射柵結(jié)構(gòu)的SAW器件的諧振頻域?yàn)?53.21 MHz，插入損耗為-21.7 dB。由圖9可以看出，有無反射柵的兩種結(jié)構(gòu)SAW器件的諧振頻率是非常接近的，帶有反射柵的SAW器件比無反射柵的SAW器件在諧振頻率處的S11增大了8.1 dB，說明反射柵的存在增強(qiáng)了回波信號(hào)，驗(yàn)證了反射柵的反射特性。

圖8 頻率響應(yīng)特性

圖9 器件S11測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文通過理論與3D-FEM對(duì)ZnO/SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲表面波器件進(jìn)行了建模與分析，得到所建立的SAW器件的諧振頻率以及相應(yīng)的頻率特性曲線。借助于仿真工作所確定的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后通過實(shí)驗(yàn)制作了與仿真模型參數(shù)相同的單端口SAW器件，對(duì)比兩者結(jié)果，具有較好的一致性。此外還對(duì)有無反射柵結(jié)構(gòu)的SAW器件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)的SAW器件的諧振頻率是非常接近的，帶有反射柵的SAW器件比無反射柵的SAW器件在諧振頻率處的S11增大了8.1 dB，驗(yàn)證了反射柵的反射特性。