高次谐波体声波谐振器的频率修正方法研究

2019-12-17肖佩芸田裕康程建政

压电与声光 2019年6期

肖佩芸，李鉴,2，郑天，田裕康，程建政

0 引言

高次谐波体声波谐振器(HBAR)是一种采用微制造工艺将压电薄膜及其上、下电极沉积在低损耗的谐振腔之上形成的器件。由于基底厚度远大于声波波长，基于厚度振动的HBAR具有多模谐振频谱特性；另外，由于实验中采用的是低损耗基底，HBAR表现出具有较大的品质因数(Q)。基于这些特点，HBAR已广泛应用于频率控制系统中,作多频微波信号源[1]、低相位噪声的微波信号源[2]及用作传感器[3]。

1 HBAR的集总参数等效电路

HBAR的横向尺寸远大于声波长，故其纵向振动可以采用一维Mason等效电路进行分析[4]，其机械端可简化为复阻抗ZM(见图1)。图中，C0为谐振器的钳制电容，N为机电转化比。若考虑各层的机械损耗，在谐振频率附近，ZM可等效为力顺C、力质量L和力阻R串联的形式[4-5](见图1)。

图1 厚度振动模式谐振器的等效电路

ZM(f0)=0

(1)

(2)

(3)

式中π为圆周率。

2 HBAR的频率修正

该HBAR的谐振谱中第216和217阶的谐振频率与f0=3 GHz均有偏差，需减薄其基底或顶电极，或在基底下表面或顶电极上表面沉积薄膜进行频率修正。

2.1 基底减薄或沉积薄膜的频率修正

对于Au0.1 μm/ZnO0.5 μm/Au0.1 μm/Sapphire 4层结构的HBAR，其谐振频率随基底厚度(ds)的变化曲线如图2所示。图中，A和B是ds=400 μm时，HBAR谐振谱中距离f0=3 GHz最近的两个谐振频率点，其所对应的阶数分别为216和217。O和O1为f0=3 GHz与谐振谱的交点，所对应的基底厚度分别为399.666 μm和401.525 μm。

图2 ds变化对谐振频率的影响

增加或减少ds均可使实验HBAR的谐振频率修正到f0=3 GHz，此时HBAR谐振频率的变化曲线如图2中粗实线BO1和AO所示。若采用研磨基底的方式，即减薄基底厚度进行频率修正，则谐振频率将沿着AO方向移动，当基底厚度减薄0.334 μm，其谐振频率增加至f0=3 GHz。若在基底下表面沉积薄膜进行频率修正，假设沉积的薄膜为Sapphire，即增加基底厚度，则谐振频率将沿着BO1方向移动，沉积该薄膜厚为1.525 μm时，其谐振频率减少至f0=3 GHz。

图3 在图2所示的频率修正过程中，和QM随ds的变化曲线

表1 在基底下表面沉积几种薄膜进行频率修正的对比

2.2 顶电极减薄或沉积薄膜的频率修正

为了对实验制备的HBAR进行频率修正，除了采用第2.1节讨论的减薄基底或在基底下表面沉积薄膜来实现外，也可以通过减薄顶电极或在顶电极上表面沉积薄膜的方式来实现。对于Au/ZnO0.5 μm/Au0.1 μm/Sapphire400 μm4层结构的HBAR，图4为其谐振谱随顶电极厚度的变化曲线。实验制备的顶电极厚为0.1 μm的HBAR，其距离f0=3 GHz最近的两个谐振频率如图4中A和B所示。图中f0=3 GHz与谐振谱的交点所对应的顶电极厚分别为0.048 μm和0.565 μm，如图4中O和O1所示。

图4 顶电极厚度变化对谐振频率的影响

与改变ds的情况类似，增加或减少顶电极厚度均可以使实验HBAR的谐振频率修正到f0=3 GHz，此时HBAR谐振频率的变化如图4中粗实线BO1和AO所示。研磨顶电极，即减薄顶电极厚度，则实验HBAR谐振频率将沿着AO方向移动，当顶电极厚度减薄0.052 μm，其谐振频率增加至f0=3 GHz。若在顶电极上表面沉积Au薄膜，即增加顶电极厚度，则谐振频率将沿着BO1方向移动，当沉积的Au薄膜厚为0.465 μm时，其谐振频率减少至f0=3 GHz。