基于声子晶体的声表面波器件研究进展

刘勇，莫家庆，2

（1.新疆求是信息科技有限公司新疆乌鲁木齐830000；2.西安交通大学电子与信息工程学院，陕西西安710049）

声表面波技术在各种现代电子、通信技术领域的应用研究十分广泛，声表面波器件具有尺寸小、抗辐射能力强、制备工艺成熟，易于大量生产等优异性能，已发展为当代三大固体微电子器件之一[1-2]。随着电子、通信技术的进一步快速发展，声表面波器件将会在电子工程、移动通信、网络技术、传感器技术等方面发挥更为重要的作用[1]，而开发性能更加优越的声表面波器件也将成为通信技术产业的研究方向之一。

具有完全禁带的光子带隙材料—光子晶体的研究使得光通信、光计算、光集成等诸多领域开发出众多性能优越的新型器件产品，而类比光子晶体的概念，将光子带隙材料的概念延伸至弹性波的声波频段，也发现会产生具有类似光子晶体的禁带效应，即声子带隙材料或声子晶体[3]。因此，同光子晶体对光波的传播控制一样，声子晶体也可用于弹性波的传播控制，在新型声学器件等领域具有广阔的应用前景[3]。

声子晶体对于声波在传播过程中的控制同样适用于声表面波，因此，近些年来，研究声表面波在声子晶体中的传播特性成为声表面波技术领域的一大热点，将声子晶体技术与声表面波技术相结合，有望获得声表面波微传感器等诸多性能优异的通信器件[4-5]。目前，有许多国际课题研究组都展开了基于声子晶体的声表面波器件研究，包括一维和二维声子晶体的声表面波带隙特性的理论计算与实验验证[4-11]，美国马里兰大学在基于声子带隙材料的高频声表面波滤波器件和声表面波传感器件的研究获得了美国自然科学基金的资助[1]。因此，基于声子晶体的声表面波器件研究已成为现代通信新技术的研究热点，本文将分析与讨论目前国内外基于声子晶体的声表面波器件的理论、实验研究现状及进展。

1 声子晶体表面波器件的理论研究进展

1.1 基于平面波开法的声子带隙材料表面波器件的理论研究

为了实现声子晶体基声表面波器件的优化设计，目前国际上许多研究小组已经对一维或二维声子晶体的声表面波的色散关系和带隙等特性进行了大量的理论计算研究[8-11]，研究方法包括平面波展开方法、时域有限差分方法、传递矩阵方法，多散射理论等方法[3]，其中，平面波展开方法是研究声子带隙材料表面波特性最常用的一种方法，它的基本思想是通过将组元材料参数按照傅里叶级数展开，然后求解波动方程得到本征频率与波矢之间的色散关系。声表面波的波动方程为[3]：

公式（4）至公式（6）给出了声表面波在二维声子晶体中传播的边界条件：

行列式值对频率的曲线可由边界函数绘出，因此与给定的波数所对应的符合边界条件的表面波频率就可以找到[1]。和体波类类似，通过整个波矢空间的扫描就可以得到完整的声子晶体表面波色散关系，确定出带隙出现的位置与宽度[1]。

目前基于声子晶体表面波特性研究主要集中于二维声子晶体，如图1所示是法国的Vincent等人给出的二维声子晶体的模型示意图[12]，其中（a）图中基底为Y切型的铌酸锂晶体（d=0.9a），（b）图是相关的第一布里渊区；他们利用平面波展开方法研究发现了声表面波在此二维压电声子晶体结构中存在一个大的禁带区域。台湾吴政忠等人也利用平面波展开方法研究了声表面波在常规的各项同性材料以及由压电介质柱体构成的二维声子晶体中的能带特性[13，14]；Bonello等人则利用平面波展开方法研究了声表面波在几何尺寸更加近似实际情况的二维声子晶体模型的传播特性，同时通过激光超声技术进行了实验上的验证[15]。

图1 二维声子晶体模型示意图Fig.1Schematic of 2D phononic crystals

1.2 声子晶体表面波器件的理论研究

时域有限差分方法也是研究声子晶体基声表面波器件的常用方法，它是通过时间和空间的离散化，将偏微分波动方程转化为有限个差分方程，在给定边界条件下，利用差分方程推演出波的时域响应，继而研究波的传播特性[3]。吴振忠等人利用时域有限差分方法研究了声表面波在平板二维声子带隙结构中的传播特性，其中时域有限差分方法的基本方程式可表示为[16]：

通过对式（7）和式（8）的泰勒展开，进而可以分析求解声表面波的传播特性，从而实现对声表面波的控制与滤波[16]。

2 声子晶体表面波器件的实验研究进展

近些年来，各国研究小组进行了大量的声子晶体声表面波器件的实验制备研究[9，17-19]。ZHANG Xin-ya等人通过激光超声技术，实验证明了声表面波在二维平板声子晶体存在带隙，从而可以实现声表面波在特殊频段的窄带滤波等优异通信性能[17]；法国的Bonello等人通过皮秒激光技术，实验验证了Sub-GHz声表面波在二维声子晶体中的负折射效应，从而可以更好地将声子晶体的滤波等优异性能同微电子进行集成[18]。

台湾国立台湾大学的刘世扬等人通过实验制备出基于二维声子晶体的声表面波滤波器件，如图2所示，他们首先在硅基板上采用沉积技术沉积压电材料氧化锌薄膜，再在氧化锌薄膜上溅射制备声表面波叉指换能器，这里叉指换能器分别用作声表面波的发射和接收。在发射和接收声表面波的2个叉指换能器中间采用光刻技术制备出了硅基底和空气柱相间排列的二维声子带隙结构，这样，声子带隙结构会对途经其上的声表面波进行设计选频和控制，实现声表面波的滤波功能，这种新型声表面波滤波器件的制备工艺流程如图3所示[5]。此外，他们还针对高频声表面波在微米级二维声子晶体中的传播进行了探讨[4]。台湾大学谢志诚等人在此基础上，对刘世扬等人的制备工艺进行了改进，成功地完成了微米级的深度声子带隙结构的孔洞电镀填充，使声表面波的振幅能量在z方向也可以完全通过声子带隙结构，实现误差的减小，这种基于声子晶体的声表面波器件制备新技术也为制备各种不同指标要求的新型通信器件带来了新的方向[4-5]。

图2 声子晶体在声表面波元件上的架构图Fig.2Schematic diagram of 2D phononic crystals in SAW micro devices

鉴于在传统的发射和接收声表面波的叉指电极中间制备声子晶体表现出的许多优异性能，吴振忠等人利用此种结构首次成功制备出了声表面波宽带滤波器[19]，他们同样采用在2个叉指电极中间通过光刻技术制备出硅基和空气柱的二维声子晶体结构，但是其两端的叉指电极结构换成了广泛应用于宽带滤波器领域的倾斜叉指电极结构，其结构示意图如图4所示，这项实验的研究成功也将有助于开发性能优异的新型MEMS器件。

图3 二维声子晶体与声表面波元件的制作流程Fig.3Process flow of 2D phononic crystals in SAW micro devices

图4 二维声子晶体与声表面波元件的制作流程Fig.4The schematic diagram of experimental setup

台湾吴政忠等人在2008年首次报道了一种新型声表面波谐振器件，他们利用二维声子晶体结构替代了传统的声表面谐振器件的一维金属条反射栅，其示意结构图如图5所示[6]。该新型声表面波谐振器件中的二维声子晶体反射栅不仅使得声表面波的全向反射系数提高，从而可以获得更高效率的声表面波谐振器件，同时也减小了反射栅的尺寸，非常有利于获得高集成度的声表面波谐振器件，因此，这种利用新型声子带隙结构作为声表面波器件反射栅的研究对于声表面滤波器，声表面波谐振性气敏传感器有很大的现实意义。

3 结束语

本文总结概述了目前国内外声子晶体基声表面波器件的研究现状。在理论研究方面，目前主要是采用采用平面波展开方法和时域有限差分方法分析声子晶体中的声表面波的色散方程和带隙特点，进而实现器件的精确设计；同时在理论计算的基础上，许多研究小组通过实验验证了声子晶体的声表面波带隙结构并通过工艺改进制备出了许多新型基于声子晶体的声表面波器件。相信未来，在电子、通信技术发展浪潮里会涌现出更多的新型基于声子晶体的声表面波器件，进一步提高现代电子、通信技术水平，从而实现高性能声表面波通信器件的商品化和产业化。

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