Love模聲表面波傳感器特性研究

金嘉未，陳 晨，孔 梅

（長春理工大學 理學院，吉林 長春130000）

引言

表面聲波（SAW）器件以其優(yōu)異的性能被廣泛應用于雷達、電視、手機、信號處理和微機電系統(tǒng)（MEMS）等領域。研究和使用了幾種類型的聲表面波，包括瑞利波、剪切水平（SH）波、樂甫波和蘭姆波[1]。瑞利波是最早被研究和廣泛應用的聲表面波模式。但當其用于液體環(huán)境檢測時，由于瑞利波具有較大的垂直位移分量，從而容易形成縱波造成聲波信號損嚴重，因此很大程度降低了傳感器的靈敏度[2]。而由于水平剪切表面聲波不存在垂直位移分量，不會與液體產生耦合，即不會存在聲波能量向液體環(huán)境輻射損失的現(xiàn)象，因此在液體環(huán)境檢測中，Love波聲表面波傳感器對表面的擾動非常敏感，非常適用于液體環(huán)境上的檢測[3]。

文章利用有限元軟件設計出Love模聲表面?zhèn)鞲衅?，采用三維有限元方法模擬了聲表面波在IDT/ZnO/SiO2/金剛石和IDT/AlN/SiO2/金剛石結構的傳播特性，詳細地分析了兩種結構中樂甫波的相速度，機電耦合系數(shù)和頻率溫度系數(shù)，從而得出了結構的最優(yōu)參數(shù)。

1 Love模聲表面波傳感器三維建模

圖1是建立的三維模型。其中，器件的波長為4μm，氧化鋅的厚度為0.8μm，電極高度0.1μm，電極寬度1μm，金剛石厚度20μm，二氧化硅厚度1μm。邊界條件中，ΓL1，ΓL2，ΓL3，ΓR1，ΓR2，ΓR3為周期性邊界條件；Γ1（Γ2，Γ3）的機械邊界條件為自由，連續(xù)，電學邊界條件為零電荷，連續(xù)；Γ4的機械邊界條件為固定約束，電學邊界條件為接地。依據(jù)模型的周期性劃分網格，采用系統(tǒng)的三角形網格。

2 不同結構Love模聲表面波傳感器特性分析

2.1 模態(tài)分析

為了準確研究樂甫波傳播特性，圖2顯示了IDT/ZnO/SiO2/金剛石結構樂甫波正反對稱模式的位移場。由圖中可以看出在樂甫波基階模態(tài)上，y方向上的位移分量Uy都遠大于在x和z方向上的位移分量Ux和Uz，且隨著深度的增加，Uy迅速減小，當深度大于1.25λ時，Uy減小到零。說明其聲波能量主要集中在器件表面，這也符合Love波的位移特性。

圖2 正反對稱模態(tài)

2.2 不同結構Love波相速度特性分析

圖1 IDT/ZnO/SiO2/金剛石三維模型

聲表面波相速度（Phase velocity，vp）的計算公式為:v=f0*λ，其中λ為聲表面波的波長，是由IDT的指條寬度和指間距離決定的，f0是聲表面波器件的中心頻率。兩種結構上相速度隨hsio2/λ的變化曲線如圖3所示。

圖3 兩種結構上相速度隨hsio2/λ的變化曲線

從圖3中可以看出，兩種結構都隨著SiO2厚度的增加，相速度都迅速遞減最后趨于穩(wěn)定。當hsio2一定時，都隨著壓電薄膜厚度的增加，相速度逐漸減少。通過比較圖3（a），（b）兩圖可知IDT/AlN/SiO2/金剛石這種結構中的相速度較大。且由圖3（b）可以看出在IDT/AlN/SiO2/金剛石結構中，當hsio2/λ＞0.18后，隨著hAlN/λ的增大，其相速度的變化相對于IDT/ZnO/SiO2/金剛石結構較緩慢。

2.3 不同結構SAW器件機電耦合系數(shù)特性分析

機電耦合系數(shù)采用最常用的方法“速度差法”，公式[4]為:

其中vf為聲波在自由表面的相速度，vm為金屬化表面的相速度。兩種結構上機電耦合系數(shù)隨hsio2/λ的變化曲線如圖4所示。

圖4 兩種結構上機電耦合系數(shù)隨hsio2/λ的變化曲線

從圖4中可以看到，兩種結構都隨著SiO2厚度的增加，機電耦合系數(shù)都迅速遞減最后趨于穩(wěn)定。當hsio2一定時，都隨著壓電薄膜厚度的增加，機電耦合系數(shù)逐漸減少。通過比較圖4（a），（b）兩圖可知IDT/AlN/SiO2/金剛石這種結構中的機電耦合系數(shù)較大。

2.4 不同結構SAW器件頻率溫度特性分析

延遲溫度系數(shù)是表征SAW器件溫度穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)，可由如上公式[5]求得:

其中V15、V25和V35分別是SAW在15℃、25℃和35℃時自由表面的相速度，α為襯底材料沿傳播方向的熱膨脹系數(shù)。兩種結構上SAW器件TCF隨hsio2/λ的變化曲線如圖5所示。

圖5 兩種結構上SAW器件TCF隨hsio2/λ的變化曲線

圖5（a）是IDTs/ZnO/SiO2/金剛石結構SAW器件TCF特性。從圖可以看到，在hzno/λ=0.1、0.2、0.3時，隨著SiO2厚度增加，其TCF一直變小，最后趨于穩(wěn)定。在hzno/λ=0.05時，隨著SiO2厚度增加，其TCF先變小，在某個厚度上TCF值接近0，之后開始增加最后趨于穩(wěn)定。圖5（b）是IDTs/AlN/SiO2/金剛石結構SAW器件TCF特性。從圖可以看到，在hzno/λ=0.05時，隨著SiO2厚度增加，其TCF一直變大，最后趨于穩(wěn)定。在hAlN/λ=0.1、0.2、0.3時，隨著SiO2厚度增加，其TCF先變小，在某個厚度上TCF值接近0，之后開始增加最后趨于穩(wěn)定。

3 結論

本文采用三維有限元方法模擬了金剛石襯底和壓電薄膜層狀結構中樂甫波的傳播特性。通過對兩種結構樂甫波的相速度，機電耦合系數(shù)和頻率溫度系數(shù)分析，設計出了兩種結構的最優(yōu)參數(shù)。在IDT/ZnO/SiO2/金剛石結構中，當hsio2/λ=0.15和hzno/λ=0.05時，Love波的TCF為零，伴隨的k2仍較高，為15.3%，相速度為4905.2m/s。在IDT/AlN/SiO2/金剛石結構中，當hsio2/λ=0.21和hzno/λ=0.1時，Love波的TCF為零，伴隨的k2仍較高，為9.8%，相速度為6382.4m/s。結合高的機電耦合系數(shù)和接近零的頻率溫度系數(shù)，這使得Love模SAW在液體高靈敏度傳感器中有潛在的應用。