薄膜体声波谐振器物理参数的优化方法与流程

本发明属于薄膜体声波谐振器的优化技术领域，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。

背景技术：

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（Film Bulk Acoustic Resonator，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。

技术实现要素：

为了研究压电薄膜性能对FBAR谐振器性能的影响，本发明的目在于提供一种FBAR的仿真模型来研究FBAR的相关规律。

本发明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。

本发明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* [(f_p-f_s)/f_p] 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。

本发明的有益效果：1、本发明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、本发明通过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、本发明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、本发明严格符合压电方程，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，对本发明作进一步详细说明，但本发明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* [(f_p-f_s)/f_p] 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相互转换的难易程度，值越高，则电能与机械能间的转化效率越高，而由介电系数的定义可知，介电常数的增大，说明材料在外电场作用下极化强度越大，材料发生极化，依然是其电学性能上的变化，从能量的角度上来解释，则是一部分能量转化为其电能储存在材料当中，这部分储存的能量并没有因压电效应转化为机械能，因此，电能与机械能间的转化效率降低，这就很好的解释了当介电常数增大，压电材料机电耦合系数减小的现象，而材料机电耦合系数的减小，必将引起FBAR有效机电耦合系数的减小。

品质因数也是表征FBAR性能的关键指标，品质因数越高，器件的插入损耗越小，性能越高。为了提高器件的品质因数，可以从减小损耗的角度考虑，在FBAR中，损耗主要有机械损耗、电学损耗和因声波泄露造成的损耗这三部分，而在FBAR模型中，我们只考虑机械损耗对Q值的影响。FBAR品质因数与压电层夹持介电常数的关系如图6所示，可以看出，当介电常数增大，FBAR串并联谐振频率处的品质因数都减小，这主要是因为介电常数的增加，压电层越容易极化，介质中粒子对声波的色散作用越强，压电材料对声波的吸收越强，所引起的损耗越大，因此品质因数越低。

实施例2

考虑压电层弹性劲度常数对器件性能的影响。

（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* [(f_p-f_s)/f_p] 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薄膜的弹性劲度常数为3.95e11Pa左右，同样运用ADS中的调谐功能，当弹性劲度常数在 3.4e11~4.85e11Pa间变化，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：FBAR的串并联谐振频率随着弹性劲度常数的增大而增大，其主要原因是弹性劲度常数的增大使得声波在材料中传播的速度增大，从而引起串并联谐振频率的增大。通过串并联谐振频率计出FBAR的有效机电耦合系数，如图7所示，其机电耦合系数随着弹性劲度常数的增大而减小。从能量的角度来考虑，这说明随着压电薄膜弹性劲度常数增大，压电薄膜在机械能与电性能相互转换的过程中，因为形变，部分能量以机械能的形式存储在压电薄膜内，而并没有向电能方向转化，故能量的相互转化的效率降低，材料机电耦合系数下降，导致FBAR有效机电耦合系数的减小。

品质因数与压电层弹性劲度常数的关系如图8所示，从图中可以看出品质因数随弹性劲度常数增大而增大，这是因为随着弹性劲度常数的增大，使得相同应力条件相应压电层形变越小，因此机械损耗越小，而就声波的损耗角度而言，弹性劲度常数越大，材料对声波的粘滞吸收作用越弱，品质因数越高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。