基于聲子晶體的聲表面波器件研究進(jìn)展

劉勇，莫家慶，2

（1.新疆求是信息科技有限公司新疆烏魯木齊830000；2.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，陜西西安710049）

聲表面波技術(shù)在各種現(xiàn)代電子、通信技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究十分廣泛，聲表面波器件具有尺寸小、抗輻射能力強(qiáng)、制備工藝成熟，易于大量生產(chǎn)等優(yōu)異性能，已發(fā)展為當(dāng)代三大固體微電子器件之一[1-2]。隨著電子、通信技術(shù)的進(jìn)一步快速發(fā)展，聲表面波器件將會(huì)在電子工程、移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等方面發(fā)揮更為重要的作用[1]，而開發(fā)性能更加優(yōu)越的聲表面波器件也將成為通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)的研究方向之一。

具有完全禁帶的光子帶隙材料—光子晶體的研究使得光通信、光計(jì)算、光集成等諸多領(lǐng)域開發(fā)出眾多性能優(yōu)越的新型器件產(chǎn)品，而類比光子晶體的概念，將光子帶隙材料的概念延伸至彈性波的聲波頻段，也發(fā)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生具有類似光子晶體的禁帶效應(yīng)，即聲子帶隙材料或聲子晶體[3]。因此，同光子晶體對(duì)光波的傳播控制一樣，聲子晶體也可用于彈性波的傳播控制，在新型聲學(xué)器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

聲子晶體對(duì)于聲波在傳播過程中的控制同樣適用于聲表面波，因此，近些年來，研究聲表面波在聲子晶體中的傳播特性成為聲表面波技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，將聲子晶體技術(shù)與聲表面波技術(shù)相結(jié)合，有望獲得聲表面波微傳感器等諸多性能優(yōu)異的通信器件[4-5]。目前，有許多國(guó)際課題研究組都展開了基于聲子晶體的聲表面波器件研究，包括一維和二維聲子晶體的聲表面波帶隙特性的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[4-11]，美國(guó)馬里蘭大學(xué)在基于聲子帶隙材料的高頻聲表面波濾波器件和聲表面波傳感器件的研究獲得了美國(guó)自然科學(xué)基金的資助[1]。因此，基于聲子晶體的聲表面波器件研究已成為現(xiàn)代通信新技術(shù)的研究熱點(diǎn)，本文將分析與討論目前國(guó)內(nèi)外基于聲子晶體的聲表面波器件的理論、實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展。

1 聲子晶體表面波器件的理論研究進(jìn)展

1.1 基于平面波開法的聲子帶隙材料表面波器件的理論研究

為了實(shí)現(xiàn)聲子晶體基聲表面波器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前國(guó)際上許多研究小組已經(jīng)對(duì)一維或二維聲子晶體的聲表面波的色散關(guān)系和帶隙等特性進(jìn)行了大量的理論計(jì)算研究[8-11]，研究方法包括平面波展開方法、時(shí)域有限差分方法、傳遞矩陣方法，多散射理論等方法[3]，其中，平面波展開方法是研究聲子帶隙材料表面波特性最常用的一種方法，它的基本思想是通過將組元材料參數(shù)按照傅里葉級(jí)數(shù)展開，然后求解波動(dòng)方程得到本征頻率與波矢之間的色散關(guān)系。聲表面波的波動(dòng)方程為[3]：

公式（4）至公式（6）給出了聲表面波在二維聲子晶體中傳播的邊界條件：

行列式值對(duì)頻率的曲線可由邊界函數(shù)繪出，因此與給定的波數(shù)所對(duì)應(yīng)的符合邊界條件的表面波頻率就可以找到[1]。和體波類類似，通過整個(gè)波矢空間的掃描就可以得到完整的聲子晶體表面波色散關(guān)系，確定出帶隙出現(xiàn)的位置與寬度[1]。

目前基于聲子晶體表面波特性研究主要集中于二維聲子晶體，如圖1所示是法國(guó)的Vincent等人給出的二維聲子晶體的模型示意圖[12]，其中（a）圖中基底為Y切型的鈮酸鋰晶體（d=0.9a），（b）圖是相關(guān)的第一布里淵區(qū)；他們利用平面波展開方法研究發(fā)現(xiàn)了聲表面波在此二維壓電聲子晶體結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)大的禁帶區(qū)域。臺(tái)灣吳政忠等人也利用平面波展開方法研究了聲表面波在常規(guī)的各項(xiàng)同性材料以及由壓電介質(zhì)柱體構(gòu)成的二維聲子晶體中的能帶特性[13，14]；Bonello等人則利用平面波展開方法研究了聲表面波在幾何尺寸更加近似實(shí)際情況的二維聲子晶體模型的傳播特性，同時(shí)通過激光超聲技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證[15]。

圖1 二維聲子晶體模型示意圖Fig.1Schematic of 2D phononic crystals

1.2 聲子晶體表面波器件的理論研究

時(shí)域有限差分方法也是研究聲子晶體基聲表面波器件的常用方法，它是通過時(shí)間和空間的離散化，將偏微分波動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為有限個(gè)差分方程，在給定邊界條件下，利用差分方程推演出波的時(shí)域響應(yīng)，繼而研究波的傳播特性[3]。吳振忠等人利用時(shí)域有限差分方法研究了聲表面波在平板二維聲子帶隙結(jié)構(gòu)中的傳播特性，其中時(shí)域有限差分方法的基本方程式可表示為[16]：

通過對(duì)式（7）和式（8）的泰勒展開，進(jìn)而可以分析求解聲表面波的傳播特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲表面波的控制與濾波[16]。

2 聲子晶體表面波器件的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

近些年來，各國(guó)研究小組進(jìn)行了大量的聲子晶體聲表面波器件的實(shí)驗(yàn)制備研究[9，17-19]。ZHANG Xin-ya等人通過激光超聲技術(shù)，實(shí)驗(yàn)證明了聲表面波在二維平板聲子晶體存在帶隙，從而可以實(shí)現(xiàn)聲表面波在特殊頻段的窄帶濾波等優(yōu)異通信性能[17]；法國(guó)的Bonello等人通過皮秒激光技術(shù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Sub-GHz聲表面波在二維聲子晶體中的負(fù)折射效應(yīng)，從而可以更好地將聲子晶體的濾波等優(yōu)異性能同微電子進(jìn)行集成[18]。

臺(tái)灣國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)的劉世揚(yáng)等人通過實(shí)驗(yàn)制備出基于二維聲子晶體的聲表面波濾波器件，如圖2所示，他們首先在硅基板上采用沉積技術(shù)沉積壓電材料氧化鋅薄膜，再在氧化鋅薄膜上濺射制備聲表面波叉指換能器，這里叉指換能器分別用作聲表面波的發(fā)射和接收。在發(fā)射和接收聲表面波的2個(gè)叉指換能器中間采用光刻技術(shù)制備出了硅基底和空氣柱相間排列的二維聲子帶隙結(jié)構(gòu)，這樣，聲子帶隙結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)途經(jīng)其上的聲表面波進(jìn)行設(shè)計(jì)選頻和控制，實(shí)現(xiàn)聲表面波的濾波功能，這種新型聲表面波濾波器件的制備工藝流程如圖3所示[5]。此外，他們還針對(duì)高頻聲表面波在微米級(jí)二維聲子晶體中的傳播進(jìn)行了探討[4]。臺(tái)灣大學(xué)謝志誠(chéng)等人在此基礎(chǔ)上，對(duì)劉世揚(yáng)等人的制備工藝進(jìn)行了改進(jìn)，成功地完成了微米級(jí)的深度聲子帶隙結(jié)構(gòu)的孔洞電鍍填充，使聲表面波的振幅能量在z方向也可以完全通過聲子帶隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)誤差的減小，這種基于聲子晶體的聲表面波器件制備新技術(shù)也為制備各種不同指標(biāo)要求的新型通信器件帶來了新的方向[4-5]。

圖2 聲子晶體在聲表面波元件上的架構(gòu)圖Fig.2Schematic diagram of 2D phononic crystals in SAW micro devices

鑒于在傳統(tǒng)的發(fā)射和接收聲表面波的叉指電極中間制備聲子晶體表現(xiàn)出的許多優(yōu)異性能，吳振忠等人利用此種結(jié)構(gòu)首次成功制備出了聲表面波寬帶濾波器[19]，他們同樣采用在2個(gè)叉指電極中間通過光刻技術(shù)制備出硅基和空氣柱的二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，但是其兩端的叉指電極結(jié)構(gòu)換成了廣泛應(yīng)用于寬帶濾波器領(lǐng)域的傾斜叉指電極結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的研究成功也將有助于開發(fā)性能優(yōu)異的新型MEMS器件。

圖3 二維聲子晶體與聲表面波元件的制作流程Fig.3Process flow of 2D phononic crystals in SAW micro devices

圖4 二維聲子晶體與聲表面波元件的制作流程Fig.4The schematic diagram of experimental setup

臺(tái)灣吳政忠等人在2008年首次報(bào)道了一種新型聲表面波諧振器件，他們利用二維聲子晶體結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的聲表面諧振器件的一維金屬條反射柵，其示意結(jié)構(gòu)圖如圖5所示[6]。該新型聲表面波諧振器件中的二維聲子晶體反射柵不僅使得聲表面波的全向反射系數(shù)提高，從而可以獲得更高效率的聲表面波諧振器件，同時(shí)也減小了反射柵的尺寸，非常有利于獲得高集成度的聲表面波諧振器件，因此，這種利用新型聲子帶隙結(jié)構(gòu)作為聲表面波器件反射柵的研究對(duì)于聲表面濾波器，聲表面波諧振性氣敏傳感器有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)概述了目前國(guó)內(nèi)外聲子晶體基聲表面波器件的研究現(xiàn)狀。在理論研究方面，目前主要是采用采用平面波展開方法和時(shí)域有限差分方法分析聲子晶體中的聲表面波的色散方程和帶隙特點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)器件的精確設(shè)計(jì)；同時(shí)在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，許多研究小組通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了聲子晶體的聲表面波帶隙結(jié)構(gòu)并通過工藝改進(jìn)制備出了許多新型基于聲子晶體的聲表面波器件。相信未來，在電子、通信技術(shù)發(fā)展浪潮里會(huì)涌現(xiàn)出更多的新型基于聲子晶體的聲表面波器件，進(jìn)一步提高現(xiàn)代電子、通信技術(shù)水平，從而實(shí)現(xiàn)高性能聲表面波通信器件的商品化和產(chǎn)業(yè)化。

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