一种体声波谐振器优化设计方法、装置及存储介质

本发明涉及半导体材料与器件领域，尤其涉及一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法、装置及存储介质。

背景技术：

1、近几年来，薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator，fbar)因其具有高频、微型化、高性能、低功耗、高功率容量等优点，且制造工艺与ic工艺相兼容，可集成，有利于降低器件功耗和缩小器件尺寸，是目前唯一可集成的射频前端滤波器。故fbar滤波器将成为未来5g高频通讯的核心元器件。

2、薄膜体声波谐振器主要由三部分组成：衬底、声波反射层、以及由上下电极和夹于上下电极之间的压电薄膜构成的三明治压电振荡堆。当一个射频rf电压加在两电极之间时，在压电振荡堆内产生交变电场，通过压电薄膜的逆压电效应将部分电能转化为沿薄膜厚度方向传播的体声波并在两电极之间来回反射，当体声波在压电振荡堆中的传播刚好是半波长或半波长的奇数倍时就会产生谐振，即谐振的基频波长近似等于压电振荡堆厚度的两倍。

3、常用的仿真设计方法是使用ads(advanced design system)对其mason模型进行元件拆分、定义属性、组合后计算的，当涉及到大量数据需要求解出其最优值时，现有技术的优化计算效率低，往往需要人为对其求解分析，工作难度大且耗费时间。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法、装置及存储介质。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，包括以下步骤：

4、确定谐振器的结构及材料，建立相应的mason模型，对mason模型进行一维仿真，获得仿真结果；

5、基于仿真结果确定谐振器优化的设计变量，并构建克里金代理模型；

6、确定优化目标，根据优化目标和克里金代理模型构建优化问题模型，并求解获得最优解；

7、缩小设计变量的上下限，以提升优化精度。

8、进一步地，所述谐振器的结构包括底电极、压电层、顶电极；

9、其中，所述压电层的材料为单晶态氮化铝、多晶态氮化铝、氧化锌或者锆钛酸铅中的任意一种，所述顶电极和底电极的材料为金属pt、mo、w、ti或者au中的任意一种或组合。

10、进一步地，所述基于仿真结果确定谐振器优化的设计变量，并构建克里金代理模型，包括：

11、将材料厚度h有效谐振面积a两个参数作为谐振器优化的设计变量，并保持串联谐振频率不变；

12、根据谐振器加工的工艺要求和结构尺寸之间的相互关系，确定设计变量的尺寸范围；

13、采用拉丁超立方试验设计方法，在设计变量的尺寸范围内随机抽样，获得样本点；

14、根据谐振器的mason模型，对结构尺寸进行参数化，得到样本点对应的所有模型；

15、在完成参数化建模之后，对所有样本点进行仿真计算，获取样本点的仿真响应值；所述仿真响应值包括串联谐振频率阻抗z1、并联谐振频率阻抗z2、品质因子q、有效机电耦合系数k；其中，每一组h，a都对应一组z1、z2、q、k，目标函数y＝q*k，约束函数为串、并联谐振频率阻抗z1、z2及对应频率；

16、根据样本点h、a中的一个或两个主要研究点及其响应值q、k，，分别建立q、k、y的三个克里金代理模型。

17、进一步地，所述确定设计变量的尺寸范围，包括：

18、根据尺寸范围获取尺寸的边界值，并进行仿真计算，分析计算结果并判断尺寸范围是否合理；

19、若出现谐振阻抗性能不满足的情况，缩小尺寸范围，并重新确定设计变量的尺寸范围，以保证尺寸范围的合理性。

20、进一步地，所述优化目标为：在谐振频率满足预设条件下，机电耦合系数最好，同时品质因子最高；

21、所述优化问题模型的表达式为：

22、

23、其中，max(y(h,a))表示优化的目标为优值fom，h、a为设计变量，hl、hu为设计变量厚度取值的下限和上限，al、au为设计变量面积取值的下限和上限。

24、进一步地，所述缩小设计变量的上下限，以提升优化精度，包括：

25、利用二分法等方法，缩小变量范围，以获得符合制造要求的最优谐振器结构参数。

26、进一步地，所述谐振器还包括功能层和衬底，所述功能层包括顶电极上方的负载层、压电层上方的温度补偿层、衬底上方的支撑层、底电极上方的种子层、底电极下方的布拉格反射层。

27、进一步地，所述谐振器的结构为体硅背刻蚀型、固态装配型或者空腔型中的任意一种。

28、进一步地，选择研究变量时可以是其中材料层厚和面积任意几种的组合或变形。

29、本发明所采用的另一技术方案是：

30、一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计装置，包括：

31、至少一个处理器；

32、至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

33、当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

34、本发明所采用的另一技术方案是：

35、一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

36、本发明的有益效果是：本发明能够根据现有变量的数据特点预测未知区域的性能指标，节约了实际制备器件的时间成本，对比动辄几天的复杂仿真运算有效缩短了计算时间和人工成本。

技术特征：

1.一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，其特征在于，所述谐振器包括底电极、压电层、顶电极；

3.根据权利要求1所述的一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，其特征在于，所述确定设计变量的尺寸范围，包括：

5.根据权利要求3所述的一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，其特征在于，所述优化目标为：在谐振频率满足预设条件下，机电耦合系数最好，同时品质因子最高；

6.根据权利要求5所述的一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，其特征在于，所述缩小设计变量的上下限，以提升优化精度，包括：

7.根据权利要求2所述的一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，其特征在于，所述谐振器还包括功能层和衬底，所述功能层包括顶电极上方的负载层、压电层上方的温度补偿层、衬底上方的支撑层、底电极上方的种子层、底电极下方的布拉格反射层。

8.根据权利要求1所述的一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法，其特征在于，所述谐振器的结构为体硅背刻蚀型、固态装配型或者空腔型中的任意一种。

9.一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计装置，其特征在于，，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-8任一项所述方法。

技术总结
本发明公开了一种基于克里金模型的体声波谐振器优化设计方法、装置及存储介质，其中方法包括：确定谐振器的结构及材料，建立相应的MASON模型，对MASON模型进行一维仿真，获得仿真结果；基于仿真结果确定谐振器优化的设计变量，并构建克里金代理模型；确定优化目标，根据优化目标和克里金代理模型构建优化问题模型，并求解获得最优解；缩小设计变量的上下限，以提升优化精度。本发明能够根据现有变量的数据特点预测未知区域的性能指标，节约了实际制备器件的时间成本，对比动辄几天的复杂仿真运算有效缩短了计算时间和人工成本。本发明可广泛应用于半导体材料与器件领域。

技术研发人员：李国强,胡晗,李陈阳,罗添友,欧阳佩东
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14