论文部分内容阅读
声表面波器件具有低损耗、小体积、实时信号处理能力强等特性,广泛应用于无线通信、射频标签、传感检测、量子研究等领域,是现代信息系统的重要组成元件。但是由于5G和物联网等技术需要,向高频段拓展成为声表面波器件必然的发展方向。然而高频声表面波器件存在制备困难、输出功率小等问题,限制了器件的应用。本文着眼于高频声表面波器件设计与实现,重点基于“压电薄膜/金刚石/硅”复合膜结构,针对现存问题,从器件结构设计、电极纳米加工、器件性能优化等角度开展研究工作,为高频声表面波器件设计与实用提供了理论依据与数据支撑。本文的主要研究内容和创新点有以下5点:1.基于传递矩阵模型和有限元模型,设计并制备了高声速AlN/diamond/Si复合膜结构衬底材料。首先基于传递矩阵模型计算了声表面波在AlN/diamond/Si复合膜结构中的传播特性,包括1-5阶瑞利波的相速度频散特性和机电耦合系数频散特性,发现要保证器件的高频、高机电耦合特性,当归一化厚度为1～3时,采用二阶西沙瓦波能够取得理想结果。其次,利用有限元模型发现在纳米尺度下,金电极由于其高声阻抗特性,有利于提高器件输出频率。基于上述结果,制备了AlN/diamond/Si和AlScN/diamond/Si高声速复合膜结构衬底,表征结果显示,二者均呈高度c轴取向,表面粗糙度均小于5 nm,符合高频声表面波器件的应用要求。2.针对高频叉指换能器电子束光刻成品率低的问题,结合叉指换能器图形尺寸跨度大、区域性明显的特点,提出了SELSP制备方法。通过与传统电子束光刻工艺进行比较,发现SELSP方法不仅在制备高分辨密集栅结构方面存在优势,而且制备图形保真度高,针对不同特征尺寸,具有一定的普适性。基于该方法,首次制备出了工作在Ka波段,基于电激发的声表面波谐振器。3.提出了嵌入式叉指换能器,有效提高了高频声表面波器件的输出频率和输出功率。基于AlN/diamond/Si复合膜衬底,在具有相同器件结构参数的前提下,采用有限元仿真和实验相结合的方式,比较了两种电极激发出的声表面波频率和输出信号幅值。发现在高频段下,基于嵌入式叉指换能器的声表面波器件较基于传统叉指换能器的声表面波器件,西沙瓦波的输出功率和谐振频率获得增强。通过数据比对与分析,认为产生这一结果的原因是基于两种电极结构SAW器件的声场分布不同,嵌入式叉指换能器的声表面波器件受布拉格反射损耗小、受金刚石层声速增益大所致。4.首次完成了基于AlScN/diamond/Si复合膜结构高频声表面波谐振器的设计、制备与测试,发现随着工作频率的提高,瑞利波的高阶模式将成为主要模式,使得瑞利波的高次谐波能够被观测到,从而使AlScN/diamond/Si衬底较AlN/diamond/Si衬底具有高频优势,为高频声表面波器件设计提供了一条新的设计途径。5.初步开展了高频SAW器件在生物传感领域和脉压体制片上雷达接收链路中应用的可行性论证工作。高频SAW器件在传感器领域具有优势,为研发甚高频、超高精度的SAW传感器,基于LiTaO3单晶衬底材料,制备了高Q值单端口SAW传感器,通过对器件的稳定性、频率漂移与溶液浓度间关系以及可复用性等方面的研究,认为SAW传感器具有分辨微小质量的能力,且频率漂移量与溶液浓度间呈指数关系,与理论表达式一致,具有良好的可复用性,具备实现高精度传感器的应用潜力。此外,面向毫米波片上脉压体制雷达探索,提出了基于SAW脉压信号处理的雷达接收链路用于缓解数字后端在处理大量信号时的计算压力,从而减少系统面积和功耗开销。基于LiNbO3制备了SAW脉冲压缩器,设计并完成了链路SIP封装,测试结果表明链路输出信号符合设计预期,从而论证了该信号处理链路的可行性。