薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法技术

本发明专利技术公开了薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法，包括电极层与压电层的等效模型的建立，应用ADS软件调谐薄膜体声波谐振器的压电层物理参数，仿真基于Mason模型的薄膜体声波谐振器的品质因数和有效机电耦合系数。本发明专利技术通过FBAR串并联谐振频率来得出FBAR有效机电耦合系数，通过相频特性来计算器件品质因数。通过此方法，直接优化了FBAR压电材料物理属性中的夹持介电常数、压电应力常数、密度、弹性劲度常数对FBAR器件性能的影响，为通过改变薄膜物理属性优化谐振器的方法提供了理论依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于薄膜体声波谐振器的优化
，特别涉及应用ADS软件基于Mason模型的薄膜体声波谐振器的压电层物理参数的优化方法。
技术介绍
近十几年来，个人无线通讯技术更是呈现出多样化的发展趋势，过去仅仅用于通话与短信的手机通讯工具，如今已经变成集语音、图片和视频和全球定位系统于一身的通讯设备，这就使得更多功能板块必须压缩到本就拥挤不堪的无线终端中。4G时代的到来更是让我们享受到了快捷高效的通讯服务。为了满足用户的需求，未来通讯系统必定向更高的频段发展。随着无线通信技术的迅猛发展，为满足通信需求，高频率和高速度的通信传播手段成为了人们追求的目标，加之目前电子元件的微型化低功耗的发展趋势，以薄膜体声波谐振器（FilmBulkAcousticResonator，FBAR）为基础的滤波器的研发工作受到了广泛关注。一直以来，如何制备高性能的压电薄膜为FBAR器件制备和核心技术，而对于FBAR物理参数的性能模拟和仿真工作，则为实现器件的设计和制备提供了重要的理论依据。目前FBAR物理参数对谐振器性能的研究尚未成熟，缺乏相关理论支撑或模拟计算，而包括压电层夹持介电常数、压电应力常数、密度、弹性劲度常数等在内一系列的物理参数直接或间接影响了谐振器的品质因数和有效机电耦合系数，进而决定了谐振器的带宽和性能。因此，提出薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法对制备高性能、满足用户需求的FBAR器件具有理论指导意义。
技术实现思路
为了研究压电薄膜性能对FBAR谐振器性能的影响，本专利技术的目在于提供一种FBAR的仿真模型来研究FBAR的相关规律。本专利技术的另一个目的在于研究压电薄膜材料物理属性与器件性能的内在联系。如压电层夹持介电常数、压电应力常数、密度、弹性劲度常数对FBAR器件品质因数和有效机电耦合系数的影响及规律。本专利技术的目的通过以下技术实现：薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法，包括FBAR的电极层和压电层的等效电路，由于FBAR为电极—压电层—电极三明治式结构，所以FBAR的等效模型也可以将电极与压电层的等效模型拼接起来。所述模型建立及仿真方法，包括以下几个步骤：（1）在ADS中建立电极的等效模型：以Al电极为例，根据传输线理论及材料的声学属性，计算出电极的输入阻抗；（2）根据压电方程，将传统压电体的Mason模型输入到ADS软件中；（3）将电极层的等效电路接入到传统压电层的等效电路中，级联得到传统FBAR的等效电路；（4）对FBAR等效电路进行修正，将压电模型中材料的纵波声速、声阻抗、有效机电耦合系数和衰减因子通过我们所需要探究的夹持介电常数、压电应力常数、密度、弹性劲度常数进行替换；（5）S参数仿真计算：根据FBAR的电学阻抗特性曲线来反应FBAR的相关参数指标，采用双端口进行网络仿真，阻抗特性用S参数表征；（6）添加计算品质因数和有效机电耦合系数的公式：在ADS软件中输入“abs(diff(phase(50*((1+S(1,1))*(1+S(2,2))-S(1,2)*S(2,1)/(2*S(2,1)))))”，得到相位对频率微分的绝对值，分别得到串并联谐振频率就能计算出Q值。有效机电耦合系数通过(π/2)2*[(fp-fs)/fp]计算；（7）调谐：在模型中定义以上四个物理参数为定值，通过软件的调谐（Tune）功能，对以上四个值进行等步长变化。对变量进行单一控制，来得到单个物理参数不同数值下器件的串并联谐振频率和品质因数，运用公式计算出器件的有效机电耦合系数，运用做图法观察指标变化规律。通过分析得出物理解释。步骤（6）所述S参数仿真，具体为：表征FBAR性能的参数主要为串并联谐振频率、有效机电耦合系数和品质因数。在模型中通过S参数来表征来反应器件的阻抗特性，由于理想FBAR的谐振频率在2GHz左右，取频率2GHz~3GHz的频段，步长设为1MHz。通常，在研究FBAR电学性能时，主要关注FBAR的串联谐振频率、并联谐振频率，有效机电耦合系数，串联谐振频率处的品质因数和并联谐振频率处的品质因数。本专利技术的有益效果：1、本专利技术的谐振器优化仿真方法，能直接针对压电材料的物理属性进行优化。2、本专利技术通过FBAR串并联谐振频率来得出FBAR有效机电耦合系数，通过相频特性来计算器件品质因数。3、本专利技术可以为通过掺杂等工艺改变薄膜物理属性从而改变器件性能的优化方式提供理论依据。4、本专利技术严格符合压电方程，传输线理论，边界条件等基本理论，能够进行多项指标的模拟。附图说明图1为薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法的流程图。图2为电极层等效电路示意图。图3为压电层的Mason等效模型示意图。图4为FBAR等效模型原理图。图5为有效机电耦合系数与夹持介电常数的关系图。图6为品质因数与夹持介电常数的关系图。图7为有效机电耦合系数与压电层弹性劲度常数的关系图。图8为品质因数与压电层弹性劲度常数的关系图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1如图1所示，本实施例的薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法包括以下步骤：（1）在ADS中建立电极的等效模型：以Al电极为例建立如图2所示的电路图，根据传输线理论及材料的声学属性，计算出电极的输入阻抗。（2）根据压电方程，将传统压电体的Mason模型输入到ADS软件中，建立如图3所示的压电层的Mason等效模型示意图。（3）将电极层的等效电路接入到传统压电层的等效电路中，级联得到传统FBAR的等效电路，如图4所示。（4）对FBAR等效电路进行修正，将压电模型中材料的纵波声速、声阻抗、有效机电耦合系数和衰减因子通过我们所需要探究的夹持介电常数、压电应力常数、密度、弹性劲度常数进行替换。（5）S参数仿真计算：根据FBAR的电学阻抗特性曲线来反应FBAR的相关参数指标，采用双端口进行网络仿真，添加两端口元件和S参数控件，阻抗特性用S参数表征。（6）添加计算品质因数和有效机电耦合系数的公式：在ADS软件中输入“abs(diff(phase(50*((1+S(1,1))*(1+S(2,2))-S(1,2)*S(2,1)/(2*S(2,1)))))”，得到相位对频率微分的绝对值，分别得到串并联谐振频率就能计算出Q值。有效机电耦合系数通过(π/2)2*[(fp-fs)/fp]计算。（7）调谐：在模型中定义以上四个物理参数为定值，通过软件的调谐（Tune）功能，对以上四个值进行等步长变化。一般AlN薄膜的夹持介电常数在9.5e-10F/m左右，为了探究其对FBAR的性能的影响规律，我们运用ADS中的调谐功能，在6.5e-11~1.25e-10F/m范围内，以步长0.5e-11变化，观察FBAR串并联谐振频率的变化规律。对变量进行单一控制，来得到单个物理参数不同数值下器件的串并联谐振频率和品质因数，运用公式计算出器件的有效机电耦合系数，运用做图法观察指标变化规律。（8）通过分析得出物理解释：随着压电薄膜夹持介电常数的增大，其并联谐振频明显减小，而串联谐振频率变化缓慢。据此计算出FBAR的有效机电耦合系数，如图5所示，可以看出FBAR的值（有效机电耦合系数）随介电常数的增大而减小。FBAR的值与压电材料的值相关，材料的值表征的是材料电能与机械能间本文档来自技高网...

【技术保护点】
薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：（1）在ADS中建立电极的等效模型：以Al电极为例，根据传输线理论及材料的声学属性，计算出电极的输入阻抗；（2）根据压电方程，将传统压电体的Mason模型输入到ADS软件中；（3）将电极层的等效电路接入到传统压电层的等效电路中，级联得到传统FBAR的等效电路；（4）对FBAR等效电路进行修正，将压电模型中材料的纵波声速、声阻抗、有效机电耦合系数和衰减因子通过我们所需要探究的夹持介电常数、压电应力常数、密度、弹性劲度常数进行替换；（5）S参数仿真计算：根据FBAR的电学阻抗特性曲线来反应FBAR的相关参数指标，采用双端口进行网络仿真，阻抗特性用S参数表征；（6）添加计算品质因数和有效机电耦合系数的公式：在ADS软件中输入“abs(diff(phase(50*((1+S(1,1))*(1+S(2,2))‑S(1,2) *S(2,1)/(2*S(2,1)))))”，得到相位对频率微分的绝对值，分别得到串并联谐振频率就能计算出Q值，有效机电耦合系数通过 (π/2) 2 * [(fp‑fs)/fp] 计算；（7）调谐：在模型中定义以上四个物理参数为定值，通过软件的调谐（Tune）功能，对以上四个值进行等步长变化，对变量进行单一控制，来得到单个物理参数不同数值下器件的串并联谐振频率和品质因数，运用公式计算出器件的有效机电耦合系数，运用做图法观察指标变化规律，通过分析得出物理解释。...

【技术特征摘要】
1.薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：（1）在ADS中建立电极的等效模型：以Al电极为例，根据传输线理论及材料的声学属性，计算出电极的输入阻抗；（2）根据压电方程，将传统压电体的Mason模型输入到ADS软件中；（3）将电极层的等效电路接入到传统压电层的等效电路中，级联得到传统FBAR的等效电路；（4）对FBAR等效电路进行修正，将压电模型中材料的纵波声速、声阻抗、有效机电耦合系数和衰减因子通过我们所需要探究的夹持介电常数、压电应力常数、密度、弹性劲度常数进行替换；（5）S参数仿真计算：根据FBAR的电学阻抗特性曲线来反应FBAR的相关参数指标，采用双端口进行网络仿真，阻抗特性用S参数表征；（6）添加计算品质因数和有效机电耦合系数的公式：在ADS软件中输入“abs(diff(phase(50*((1+S(1,1))*(1+S(2,2))-S(1,2)*S(2,1)/(2*S(2,1)))))”，得到相位对频率微分的绝对值，分别得到串并联谐振频率就能计算出Q值，有效机电耦合系数通过(π/2)2*[(fp-fs)/fp]计算；（7）调谐：在模型中定义以上四个物理参数为定值，通过软件的调谐（Tune）功能，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，刘国荣，谢昌俊，李洁，
申请(专利权)人：佛山市艾佛光通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44