【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微电子，特别是涉及一种三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法。
技术介绍
1、随着5g移动通信技术的发展，系统集成化对于射频前端芯片有更进一步的要求，薄膜体声波谐振器所具有的高频率、高q值、体积小、能与集成电路工艺兼容的优势愈专利技术显，近年来随着mems(micro electromechanical systems，微机电系统)制造工艺和压电薄膜制备技术的提升，薄膜体声波滤波器也得到了国内外学者的重视。1965年，newell发表了关于布拉格反射层结构的薄膜谐振器的文章。1967年，slicker和robers制成了cds薄膜谐振器，但受限于加工工艺无法实现产业化。1980年，grudkowski等人发表了以氧化锌作为压电材料的薄膜体声波谐振器的文章，之后lakin和wang提出了以氮化铝作为压电材料的薄膜体声波谐振器，大大推动了fbar(薄膜体声波谐振器)研究进展。2001年美国agilent公司首先将fbar技术商业化，推出了fbar双工器，随后德国infineon公司、韩国ant公司相继推出fbar产品。国内对薄膜体声波谐振器技术的研究起步较晚，部分高校研究所对fbar器件设计、薄膜制备加工工艺逐渐开展深入的研究，但由于fbar器件对工艺硬件要求较高，所需投资很大，国内想实现产业化仍将面临很多挑战。
2、由于薄膜体声波谐振器是滤波器的核心单元，其体积很小实际工作中由于机械损耗导致温度变化，将会影响器件性能。而其中涉及的静电场、力场和热场的耦合问题也需更加深入研究。2013年，eduar
3、目前，国内采用的“电磁-热”耦合方法利用了现有的商业软件计算了fbar内部的自热效应，该方法虽然可以通过金属导体的电磁损耗得到热分布，但是却没有考虑压电材料的机械阻尼损耗产生的热。因此亟需考虑压电材料的机械阻尼，对运动方程和本构方程进一步细化，通过建立三维立体网格，在自主研发cae软件平台上达到分析薄膜体声波谐振器的电-力-热特性的目的。
4、在薄膜体声波谐振器器件的设计和优化中，广泛使用mason模型和bvd模型等效电路法和解析法，但面对结构复杂的fbar器件难以计算。而有限元法和有限差分法的数值方法可以得到更加精确的结果，有限元法(fem)可以模拟任意形状和材料，但计算中需要进行矩阵求逆运算，对计算机性能要求高。
5、因此，亟需进一步改进薄膜体声波谐振器的电-力-热特性的分析技术。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，考虑压电材料的机械阻尼，对运动方程和压电本构方程进一步细化，通过建立三维立体网格，结合fdtd算法，能够在cae软件平台上高效、准确地分析薄膜体声波谐振器的电-力-热耦合特性。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、一种三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，包括步骤：
4、s1、建立三维薄膜体声波谐振器的几何模型，并对所述几何模型进行参数设置,设置所述几何模型的边界条件并进行六面体网格剖分，得到划分的元胞结构；
5、s2、基于划分的元胞结构，构建电-力-热耦合方程，所述电-力-热耦合方程包括压电本构方程、静电场方程、力学运动方程、传热方程，其中，力学运动方程为考虑阻尼项更新原运动方程得到的；
6、s3、利用fdtd算法对所述电-力-热耦合方程进行求解，得到所述电-力-热耦合方程中的各项物理参数。
7、进一步的，所述s1中，进行六面体网格剖分，具体包括：考虑差分方程的解是否能够收敛稳定，得到六面体网格的体心坐标、面心坐标、角点坐标，按划分的元胞结构进行后续计算。
8、进一步的，所述压电本构方程为：
9、
10、
11、其中，是应力二阶张量，是应变二阶张量，d是电位移矢量，e是电场强度，是弹性常数四阶张量，εs是介电常数二阶张量，是压电应力常数三阶张量；
12、考虑应力张量和应变张量具有的对称性，压电本构方程可进行降阶化简：
13、σ＝ces-ete
14、d＝es+εse
15、σ为应力矢量，s为应变矢量，弹性常数四阶张量改写为弹性常数二阶张量ce，压电应力常数三阶张量改写为压电应力常数二阶张量e，et为e的转置；
16、所述静电场方程为：
17、
18、
19、其中，d表示电位移矢量，e表示电场强度，φ表示电势。
20、进一步的，所述力学运动方程为考虑阻尼项更新原运动方程得到的，包括：原运动方程：
21、
22、
23、
24、
25、其中，u是空间位移，ρ是密度；
26、由于材料中存在阻尼，运动方程有以下变化：
27、
28、其中，f是体积力密度,αdm是质量阻尼系数，βdk是刚度阻尼系数；
29、质量阻尼项差分格式：
30、刚度阻尼项差分格式：
31、进一步的，所述传热方程为：
32、
33、其中，cp为热容，k为导热系数，机械损耗项
34、进一步的，所述s3、利用fdtd算法对所述电-力-热耦合方程进行求解，得到所述电-力-热耦合方程中的各项物理参数，具体包括：
35、利用fdtd算法以差分形式表示对空间和时间变量的微分，通过差分方程直接进行计算；当时间步迭代开始后，由位移矢量根据力学方程得到应变张量，将应变张量带入静电场中泊松方程求解电势，将电势和应变张量带入压电本构方程得到应力张量，将应力张量带入更新后的力学运动方程求解位移，最后由传热方程得到温度变化。
36、根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供的三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，考虑压电材料的机械阻尼，对运动方程和本构方程进一步细化，通过建立三维立体网格，能够高效分析薄膜体声波谐振器的电-力-热特性。采用时域有限差分法(fdtd)通过时间迭代不断更新场分量的值，清晰直观，节省了存储空间，适合并行计算，提高了计算效率，更有利于处理复杂问题。
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1.一种三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，所述S1中，进行六面体网格剖分，具体包括：考虑差分方程的解是否能够收敛稳定，得到六面体网格的体心坐标、面心坐标、角点坐标，按划分的元胞结构进行后续计算。
3.根据权利要求1所述的三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，所述压电本构方程为：
4.根据权利要求1所述的三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，所述力学运动方程为考虑阻尼项更新原运动方程得到的，包括：
5.根据权利要求1所述的三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，所述传热方程为：
6.根据权利要求1所述的三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，所述S3、利用FDTD算法对所述电-力-热耦合方程进行求解，得到所述电-力-热耦合方程中的各项物理参数，具体包括：
【技术特征摘要】
1.一种三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，所述s1中，进行六面体网格剖分，具体包括：考虑差分方程的解是否能够收敛稳定，得到六面体网格的体心坐标、面心坐标、角点坐标，按划分的元胞结构进行后续计算。
3.根据权利要求1所述的三维体声波谐振器电路电-力-热耦合特性分析方法，其特征在于，所述压电本构方程为：
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈士涛，葛晗，殷秋鹏，李迎松，黄志祥，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：
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