【摘要】：第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)將有更高的傳輸速率,會(huì)給人們的生活帶來極大的便利。而射頻聲表面波(SAW)濾波器、雙工器是5G無線通信的核心部件。5G將會(huì)采用3GHz以上頻段,因此高頻是SAW器件發(fā)展的重要方向。高頻需要SAW器件的叉指線條往微細(xì)化方向發(fā)展或材料聲速往更高的方向發(fā)展。線條微細(xì)化會(huì)造成器件的耐受功率性能迅速下降,因而提高SAW材料聲速是主要的方法。金剛石在所有材料中聲速最高,但金剛石本身沒有壓電性,因此需要在其表面覆蓋一層壓電薄膜。但是隨著聲表面波器件層數(shù)的增加,由單層演變到多層,增加了聲表面波傳播性能模擬計(jì)算的復(fù)雜度。傳統(tǒng)的分析方法會(huì)變得復(fù)雜且精確度較低,而有限元法(FEM)可以提高模擬計(jì)算的精確度。在本文中,首先介紹了金剛石多層膜結(jié)構(gòu)SAW器件的基本構(gòu)造和工作原理,然后重點(diǎn)介紹了SAW器件的COM方程和使用有限元法計(jì)算SAW傳播特性參數(shù)。針對(duì)壓電薄膜/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)SAW器件,系統(tǒng)研究了不同取向的ZnO對(duì)ZnO/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)SAW激勵(lì)方式和傳播特性的影響。通過仿真得到,在瑞利波中(100)ZnO/金剛石結(jié)構(gòu)激勵(lì)的SAW相速度和機(jī)電耦合系數(shù)K~2較高。在樂甫波中ZnO/金剛石結(jié)構(gòu)激勵(lì)的最大機(jī)電耦合系數(shù)K~2達(dá)到4.26%,通過引入SiO_2層改善了ZnO/金剛石結(jié)構(gòu)樂甫波的頻率溫度系數(shù)(TCF),使其TCF值接近于0。設(shè)計(jì)了一種((100)AlN/(100)ZnO)_N/金剛石周期性多層膜結(jié)構(gòu),在獲取足夠大的SAW機(jī)電耦合系數(shù)K~2的前提下,進(jìn)一步提高了ZnO/金剛石結(jié)構(gòu)的SAW相速度。研究了該結(jié)構(gòu)中N=1和N=2時(shí)的Sezawa波傳播特性和該結(jié)構(gòu)中不同的電極位置對(duì)Sezawa波傳播特性的影響(目前尚未見報(bào)道)。通過仿真發(fā)現(xiàn),((100)AlN/(100)ZnO)_2/金剛石結(jié)構(gòu)的SAW傳播性能表現(xiàn)得更加優(yōu)異。最后,在綜合優(yōu)化金剛石多層膜結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并仿真了IDT/(100)AlN/(100)ZnO)_2/金剛石結(jié)構(gòu)SAW單端諧振器和延遲線,并考慮了電極反射的影響。通過仿真發(fā)現(xiàn),電極厚度的增加會(huì)增大反射系數(shù),對(duì)器件的S_(11)和S_(21)參數(shù)影響較大。因此,當(dāng)SAW單端諧振器組成梯形結(jié)構(gòu)濾波器時(shí),可以選擇較厚的電極h_(IDT)/λ≈9%,而當(dāng)SAW延遲線作為濾波器時(shí)則需要選擇較薄的電極h_(IDT)/λ≈1%。
【圖文】：

第一章 緒論多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件簡(jiǎn)介聲表面波器件基本結(jié)構(gòu)是在壓電基底上利用半導(dǎo)體工藝制作加如圖 1-1 所示。其基本工作原理是：在輸入 IDT 上施加交流電于壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，壓電晶體表面產(chǎn)生形變以聲表面右兩個(gè)方向進(jìn)行傳播。其中，沿著左邊方向傳播的 SAW 到達(dá)收掉。沿著右邊方向傳播的 SAW 傳播到輸出 IDT 上，，經(jīng)過壓成電信號(hào)輸出，另一部分 SAW 繼續(xù)向前傳播到基片邊緣處被便完成了電轉(zhuǎn)聲、聲轉(zhuǎn)電的轉(zhuǎn)換過程[7]。

圖 1-1 聲表面波器件基本結(jié)構(gòu)叉指換能器結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示，a 表示叉 波長(zhǎng)或 IDT 周期)，P 表示不同極性相鄰叉T 主要用于在壓電基片表面激勵(lì)和接收聲相互轉(zhuǎn)換，它具有聲電轉(zhuǎn)換效率高、設(shè)計(jì)表面波器件中[8]。隨著聲表面波技術(shù)的不越來越低，性能在不斷提高[7,8]。因此，I基于 MATLAB 開發(fā)了一些基本結(jié)構(gòu)的 Ie, GUI)，具體見附錄 A。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN65

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