金刚石多层膜结构声表面波器件的模拟与仿真

分类号：中图分类号：TP302 密级：

学科分类号：51030

天津理工大学研究生学位论文

声表面波器件的模拟与仿真

（申请硕士学位）

学科专业：物理电子学

研究方向：薄膜电子与通信器件

作者姓名：朱树众

指导教师：杨保和教授

2011年12月

Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for

the Master’s Degree

Modeling and Simulation of SAW Device

By

Zhu Shuzhong

Supervisor

Prof. Yang Baohe

Dec. 2011

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：签字日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名：导师签名：

签字日期：年月日签字日期：年月日

摘要

SAW滤波器与其它滤波器相比，具有抗干扰强、体积小、一致性好、适合大规模生产等特点，在通信、电子战、电视中得到广泛的应用。SAW器件以其优异的特性和广泛的应用受到研究者的广泛关注。

精确建模是设计高性能声表面波器件的关键。本文重点对声表面波器件的模拟与仿真进行研究，旨在为声表面波器件的制作提供高精度的仿真模型。

本文内容包括SAW的基本理论、SAW的基本仿真模型、声表面波谐振器及COM 模型、(100)AlN/(111)Diamond多层膜结构的频散效应、声表面波器件的有限元仿真等内容。其主要工作包括：

在深入理解声表面波COM模型的基础上，采用该模型分析了铌酸锂晶体双端口谐振器的频率响应特性，并用Matlab编写了相应的仿真代码。通过谐振器的频率响应曲线，我们可以观察到:双端口谐振器谐振时有很窄的尖峰出现。

(100)AlN/(111)Diamond多层膜具有频散效应，声表面波的相速受(100)AlN膜厚影响很大，在设计多层膜结构声表面波器件前，必须精确估算多层膜结构的声表面波相速。我们通过声表面波的克里斯托夫（Christoffel）方程及多层膜的边界条件，构建了多层膜的克里斯托夫（Christoffel）方程，通过求解该方程，得到了多层膜结构的频散效应曲线。此外，我们还详细介绍了(100)AlN和(111)Diamond材料常数的计算。

借助Comsol软件，我们模拟仿真了压电晶体单端口谐振器、多层膜结构单端口谐振器和多层膜结构双端口谐振器。通过声表面波的有限元模型，重点对声表面波器件的特征频率和频率响应特性进行了分析。通过特征频率分析，可以计算声表面波的相速度，观察声表面波在YZ-LiNbO3和(100)AlN/(111)Diamond中的传播特性和衰减特性。通过频率响应分析，模拟了YZ-LiNbO3和(100)AlN/(111)Diamond声表面波器件的输入导纳。输入导纳分析对设计无线声表面波器件的阻抗匹配有重要意义。

关键词：声表面波有限元多层膜克里斯托夫方程谐振器

Abstract

SAW filters compared with other filters have many of characteristics, such as anti-interference、small size、consistency、suitable for mass production and so on. Them are widely applied in communications、electronic warfare or television . SAW devices have received significant attention for they have many of outstanding properties and are widely applied.

Accurate modeling is the key to design high-performance SAW devices. This paper focuses on the study on modeling and simulation of SAW device, in order to provide the high accuracy model for the production of SAW devices.

This paper covers the basic theory of SAW, the basic simulation model of SAW, SAW resonator and its COM model, the frequency dispersion of (100)AlN/(111)Diamond layered structure, FEM simulation of SAW devices and so on. The main work is as follows.

Under deeply understanding of SAW’s COM model, we use the model to analyze the resonance response of the LiNbO3SAW two-port resonator, and write the corresponding simulatiuon code by Matlab. Through the frequency response curve of the resonator, we can oberve that the narrow peak at the resonance frequency.

Because of (100)AlN/(111)Diamond layered structure with frequency dispersion, the thickness of (100)AlN film have great influence on SAW phase velocity. In order to design the layered structure SAW device, we must be able to accurately predict the dispersion effect of the layered structures. We build christoffel equation of layered films by SAW’s christoffel equation and its boundary conditions. By solving the equation, we can get the frequency dispersion curve of the layered structure. In addition, we calculate the material constants of (100)AlN and (111)Diamond.

By Comsol software, we simulate one-port resonator of the piezoelectric crystal , one-port resonator of the layered structure and two-port resonator of the layered structure. From the eigenfrequency analysis, we can observe the symmetric and anti-symmetric mode, propagation characteristics and the attenuation characteristics; By frequency response analysis, we can calculator the input admittance of YZ-LiNbO3 and (100)AlN/(111)Diamond SAW devices. Input admittance analysis is helpful for us to design the impedence matching of the wireless SAW device.

Key words：SAW, FEM, layered, Christoffel equation, resonator