声表面波和声表面波器件的概况.ppt

声表面波和声表面波器件的概 况(I)及其COM模型 向26所同志学习为我国的声表面波事业共同努力(I)声表面波和声表面波器件的概况• 简要历史回顾 • 模型要求 • 二十世纪九十年代以后的要求 • （1）提高频率 • （2）低损耗单相单向换能器（SPUDT） • （3）小尺寸(I)声表面波和声表面波器件的概况• RSPUDT • 双迹RSPUDT • Recursive Z-迹滤波器 • Tapered RSPUDT • 谐振器 • SPUDT和谐振器的根本区别 • 器件的模型和模拟II COM模型• COM模型的基本假设 • COM模型的基本方程 • COM模型的参量 • COM模型方程的解 • 无源情况下齐次方程的通解由COM方程得到的色散曲线求解短路栅格对波的反射和透射II COM模型短路栅格的反射系数和透射系数禁带的讨论开路栅格阵的讨论 • 有源情况下非齐次方程的解有源情况下非齐次方程的特解有源情况下非齐次方程的全解换能器的激发II COM模型指间多次反射效应对双向性换能器激发的 影响换能器的单向性 • COM模型的参量及参量提取 • COM模型的P矩阵表示简要历史回顾• 二十世纪六、七十年代的需求雷达—脉冲压缩保密通讯—编码及解压缩射频振荡器电子对抗—扫频 • 二十世纪九十年代和二十一世纪的需求滤波器、辨识标签、传感器模型要求• 二十世纪六--八十年代脉冲响应模型+二阶效应修正特点：损耗与带内波纹相关（来自双向性）器件图形尺寸与脉冲响应、频率响应相关二十世纪九十年代以后的要求• 低损耗 • 小尺寸 • 高频率 • 解决途径—将指间多次反射效应从弱的二 阶效应变为强的主要作用机制 • 模型—脉冲响应模型要相应地变为COM模 型或等效电路模型(1)提高频率• 新波动模式YZ-LiNbO3上漏纵波在适当的电极厚度、金属化比下耦合强传播损耗小YZ-LiNbO3上漏纵波谐振器谐振器参量• 压电体材料： YZ-LiNbO3 • 电极材料：铝 • 换能器和栅格周期：2.132微米 • 电极厚度：8%x波长=17微米 • 电极宽度：0.7微米 • 换能器指条数：301 • 反射栅指条数：20x2电磁影响频率进入千兆赫频段，电磁分布参量、 电磁直通等因素不可忽略，设计中建立 声和电磁的混合模型是很重要的（2）低损耗• 单相单向换能器—中频 • 谐振器—RF，中频 • RF，双工器—特别强调低损耗、功率承受 能力 • 中频—线性相位、带外抑制单相单向换能器（SPUDT）• 单向每周期多指条如电极宽度控制（EWC）线条细，不宜用于RF天然单向性换能器的有限长度导致有限单向性调谐匹配引入匹配损耗、非单向损耗SPUDT结构• SPUDT结构示例SPUDT结构分析• 换能中心和反射中心SPUDT结构分析• 两个方向反射的干涉叠加SPUDT换能器的加权• 常用加权：切趾、抽指 • 切趾—引入切趾损耗 • 抽指—不适用于宽带 • 拓朴加权—利用不同几何结构，可以得到 不同的aSPUDT换能器的拓朴加权• SPUDT换能器的拓朴加权的结果 • 优点：k值更高，1.8% 5%相位差保证可以得到宽带5-8% • 缺点：线条更细，只适用于中频与一般SPUDT一样，形状因子和旁瓣不够好RSPUDT结构• RSPUDT结构示意(3)小尺寸• 小的形状因子要求长的脉冲响应 • 为了加长SPUDT的脉冲响应，在换能器内 部造成部分振荡，即RSPUDT，一部分叉 指的单向性是反向的，正向的部分多于反 向的部分。

换能器总体而言仍是单向的 单位长度的平均单向性减弱，带宽减小， 换取脉冲响应增长，形状因子变好双迹RSPUDT双迹RSPUDT• 利用双迹来增加变量增加灵活性，但无模 型可利用，关系复杂，只能用多变量优化 • 用于CDMARecursive Z-迹滤波器Tapered RSPUDT谐振器用谐振器构成滤波器双端对或多端对 梯状滤波器或阻抗元滤波器SPUDT和谐振器的根本区别• 换能器之间紧密联系或相互基本独立 • 源内阻对输出阻抗的影响或负载对输入阻 抗的影响 • 外加调谐匹配电路与否 • 谐振器损耗小 • 谐振器阻带抑制差谐振器的致命缺点• 谐振腔的长度决定了多个共振峰的间距 长度越长间距越远 • 保持反射栅和换能器同步是改进性能的重 要措施 • 简单单模谐振器的带宽很窄，要求宽带时 采用多模耦合，最常用的是双模谐振器（ DMS） • DMS的最新发展是EPCOS的专利EPCOS专利• DMS结构示意图EPCOS专利• DMS结构的周期变化EPCOS专利• EPCOS专利器件的模型和模拟• P矩阵级联—速度快、不精确计算用的COM参量由周期格林函数计算确 定 • 有限指条的格林函数模拟—慢、精确 • 实际设计中两者结合起来进行优化设计优化和精确模拟的重要性SAW器件市场竞争激烈，设计优化和模 型创新保证竞争获胜。

精确模拟减小实验上的反复试验大大降 低设计成本II COM模型COM模型的基本假设• 周期性微扰 • 只存在左右两方向的波R(x)和S(x) • R和S之间通过周期性微扰互相耦合 • 电极之间外加电压u，汇流条上有电流i(x) • U和i通过压电基体的反压电作用激发R和S • R和S也通过基体的压电作用与U和i相互作 用 • 一切相互作用都是线性的COM模型的基本方程• 可有三种形式COM模型的基本方程• 假设COM模型的基本方程• 假设COM模型的参量• COM模型是唯象模型，参量要由其他方法 决定 • COM模型共四个参量：k、k、a、C • k：未被栅格扰动前的传播常数 非色散传播、与频率成正比COM模型的参量k，k*：单位长度栅格阵的互耦合系数 kp，k*p：每周期长度栅格阵的反射系数 不同方向的互耦合系数互为共轭 a， a*：单位长度换能器的换能强度 ap， a*p：每周期长度换能器的所激发声波 幅度 不同方向的换能系数互为共轭COM模型的参量• C：单位长度（在传播方向）栅格的（单位 长度的孔径）静态电容 COM模型方程的解第一步：求无源情况下齐次方程的通解 ，即令u=0， 第二步：求有源情况下非齐次方程的特 解、通解无源情况下齐次方程的通解• 令u=0代入COM方程COM模型的基本方程• COM模型的基本方程由COM方程得到的色散曲线求解短路栅格对波的反射和透射 • 出射波写作入射波的函数短路栅格的反射系数和透射系数• 右方入射的反射系数和透射系数• 左方入射的反射系数和透射系数反射系数幅度曲线反射系数相位曲线• 反射系数的相位栅格阵的等效反射面• 反射系数相位曲线在禁带内为倾斜直线 • 斜率决定于k 的绝对值 • 意味着反射相当于在栅格阵内有一等效反 射面，反射面的位置决定于直线的斜率， 即决定于k 的绝对值 • 分析谐振器时有用禁带的讨论• 反射系数的带宽 • 禁带内和禁带外的区分标志为D为虚数或实数 • 在禁带内，波数k恒等于k0，波长恒等于周期p， 但传播有衰减或增大。

• 波入射到周期栅格阵后，在栅格阵内前向波指数 衰减，同时多次反射形成反向波，反向波指数增 大，两者振幅相等，合起来形成驻波 • 如果栅格较厚，波无法穿透，故称禁带禁带的讨论• 禁带的宽度• 禁带内群速度为0，无能量向前传播开路栅格阵的讨论• COM方程开路栅格阵的讨论• 开路栅格阵和短路栅格阵的中心频率之间的差为 ，开路栅格的中心频率高• 开路栅格阵的禁带宽度为 • 如果a和k都是实数，则短路栅格的禁带上边缘 和开路栅格的禁带下边缘相重合（ k设为负数 ），否则两者的禁带互有交错精确计算的色散曲线• YZ LiNbO3的色散曲线精确计算的色散曲线• YZ LiNbO3的相速度精确计算的色散曲线• YX LiTaO3的色散曲线一周期三指条示意图• 一周期三指条结构一周期三指条色散曲线• 一周期三指条色散曲线有源情况下非齐次方程的解先求特解 再求通解有源情况下非齐次方程的特解• 齐次方程特解• 假设非齐次方程特解有源情况下非齐次方程的特解• 代入COM模型的基本方程有源情况下非齐次方程的特解• 得到有源情况下非齐次方程的特解• 设有源情况下非齐次方程的特解• 解得有源情况下非齐次方程的特解• 得到特解有源情况下非齐次方程的全解• 全解是特解加通解换能器的激发• 设无声波入射，用以下方程作为边界条件 代入• 对均匀换能器求解激发输出 和均匀换能器的激发指间多次反射效应对双向性换能器 激发的影响• 与没有指间多次反射效应的响应作比较， 峰值增大，峰值处频率下移（设k为负）， 频率响应变得不对称。

旁瓣影响不大 • 指对数愈多，畸变愈严重 指间多次反射效应对双向性换能器 激发的影响换能器的单向性• 两个方向输出之比• 在中心频率处该比值当a与k的相位角差45 度时达到最大，即单向性最大换能器的单向性• 当k和a的相位差为 时，两个方向所激发声振幅之比为不加权SPUDT滤波器的理论曲线不加权SPUDT滤波器的实验曲线• 正向不加权SPUDT滤波器的实验曲线• 反向COM参量和COM参量的提取• 大量的研究，最主要： • 实验提取—用专门设计的测试结构的电性 能来提取优点是对器件直接感兴趣的就 是其电性能缺点是成本贵、化时间，而 且工艺误差影响参量精度 • 理论计算—有限元或格林函数法九十年 代大力发展大公司必备COM参量和COM参量的提取• 实验测试结构• IEEE Ultrasonics Symposium Proc.1239,1993格林函数法提取COM参量• 周期格林函数法求谐波导纳 • 由谐波导纳求得色散曲线 • 由色散曲线找到禁带边缘处的频率fh、fl • 中心频率k的相位由禁带边缘波腹、波节的位置决定 格林函数法提取COM参量• 在禁带边缘处，，D=0，衰减为零。

得到 •声振动分布为R+S，格林函数法提取COM参量• 在阻带上边缘• 阻带下边缘• 波腹、波节的位置决定了k的相位格林函数法提取COM参量• 可以得到• 在低频下求得电极上的电荷分布s，再求得其基波成分 ，可得到 ，为归一化后的无量纲参数由电荷分布也很容易获得C格林函数法提取COM参量• 除以上参量，还有衰减系数gg的单位为neper/波长（gp）或dB/微米（g） ，其间的转换关系为以上参量提取仅限于瑞利波，漏波的COM 参量更为复杂，有些问题尚未很好解决COM模型的P矩阵表示• COM模型实际应用时经常利用P矩阵来计 算理论预期 • 使用时首先要获得相应的COM参量，然后 用矩阵级联计算COM模型的P矩阵表示• P矩阵的定义• I是矩阵的输入电流P矩阵元• N 条指均匀栅格阵的P矩阵元为P矩阵元• P矩阵元为P矩阵的级联两个矩阵PA和PB相级联 ，得矩阵P的矩阵元P矩阵的级联• 两个矩阵PA和PB相级联 ，得矩阵P的矩阵元P矩阵和Y矩阵的转换• P矩阵和Y矩阵的转换P矩阵和Y矩阵的转换• P矩阵和Y矩阵的转换P矩阵和A矩阵的转换• 已知P矩阵，求A矩阵耦合模式模型的局限性• 唯象、近似、周期性 • 唯象—需要先知道COM参量才能使用 • 近似—在禁带附近成立 • 准周期性或非周期性的误差 • 周期性微扰的共性 • 只有两个相向传播的波参与相互作用宽带情形• 如果不发生体波辐射，对于宽带，可以对 实际的速度变化进行修正准周期或非周期情形• 引入误差 • 恰当分割单元拓扑加权滤波器示例• 例1 • 128 LiNbO3 • 25周期 • 带宽2.1% • 理论损耗1.33dB拓扑加权滤波器示例• 例1理论响应拓扑加权滤波器示例• 例1实验响应 • 损耗3dB • 带宽2.9% • 带外32.3dB拓扑加权滤波器示例• 例2 • 128 LiNbO3 • 17周期 • 带宽4.7% • 理论损耗2.6dB拓扑加权滤波器示例• 例2理论响应拓扑加权滤波器示例• 例2实验响应 • 损耗4dB • 带宽4.6% • 带外32dB拓扑加权滤波器示例• 例。