Love模声表面波传感器特性研究

金嘉未，陈 晨，孔 梅

（长春理工大学 理学院，吉林 长春130000）

引言

表面声波（SAW）器件以其优异的性能被广泛应用于雷达、电视、手机、信号处理和微机电系统（MEMS）等领域。研究和使用了几种类型的声表面波，包括瑞利波、剪切水平（SH）波、乐甫波和兰姆波[1]。瑞利波是最早被研究和广泛应用的声表面波模式。但当其用于液体环境检测时，由于瑞利波具有较大的垂直位移分量，从而容易形成纵波造成声波信号损严重，因此很大程度降低了传感器的灵敏度[2]。而由于水平剪切表面声波不存在垂直位移分量，不会与液体产生耦合，即不会存在声波能量向液体环境辐射损失的现象，因此在液体环境检测中，Love波声表面波传感器对表面的扰动非常敏感，非常适用于液体环境上的检测[3]。

文章利用有限元软件设计出Love模声表面传感器，采用三维有限元方法模拟了声表面波在IDT/ZnO/SiO2/金刚石和IDT/AlN/SiO2/金刚石结构的传播特性，详细地分析了两种结构中乐甫波的相速度，机电耦合系数和频率温度系数，从而得出了结构的最优参数。

1 Love模声表面波传感器三维建模

图1是建立的三维模型。其中，器件的波长为4μm，氧化锌的厚度为0.8μm，电极高度0.1μm，电极宽度1μm，金刚石厚度20μm，二氧化硅厚度1μm。边界条件中，ΓL1，ΓL2，ΓL3，ΓR1，ΓR2，ΓR3为周期性边界条件；Γ1（Γ2，Γ3）的机械边界条件为自由，连续，电学边界条件为零电荷，连续；Γ4的机械边界条件为固定约束，电学边界条件为接地。依据模型的周期性划分网格，采用系统的三角形网格。

2 不同结构Love模声表面波传感器特性分析

2.1 模态分析

为了准确研究乐甫波传播特性，图2显示了IDT/ZnO/SiO2/金刚石结构乐甫波正反对称模式的位移场。由图中可以看出在乐甫波基阶模态上，y方向上的位移分量Uy都远大于在x和z方向上的位移分量Ux和Uz，且随着深度的增加，Uy迅速减小，当深度大于1.25λ时，Uy减小到零。说明其声波能量主要集中在器件表面，这也符合Love波的位移特性。

图2 正反对称模态

2.2 不同结构Love波相速度特性分析

图1 IDT/ZnO/SiO2/金刚石三维模型

声表面波相速度（Phase velocity，vp）的计算公式为:v=f0*λ，其中λ为声表面波的波长，是由IDT的指条宽度和指间距离决定的，f0是声表面波器件的中心频率。两种结构上相速度随hsio2/λ的变化曲线如图3所示。

图3 两种结构上相速度随hsio2/λ的变化曲线

从图3中可以看出，两种结构都随着SiO2厚度的增加，相速度都迅速递减最后趋于稳定。当hsio2一定时，都随着压电薄膜厚度的增加，相速度逐渐减少。通过比较图3（a），（b）两图可知IDT/AlN/SiO2/金刚石这种结构中的相速度较大。且由图3（b）可以看出在IDT/AlN/SiO2/金刚石结构中，当hsio2/λ＞0.18后，随着hAlN/λ的增大，其相速度的变化相对于IDT/ZnO/SiO2/金刚石结构较缓慢。

2.3 不同结构SAW器件机电耦合系数特性分析

机电耦合系数采用最常用的方法“速度差法”，公式[4]为:

其中vf为声波在自由表面的相速度，vm为金属化表面的相速度。两种结构上机电耦合系数随hsio2/λ的变化曲线如图4所示。

图4 两种结构上机电耦合系数随hsio2/λ的变化曲线

从图4中可以看到，两种结构都随着SiO2厚度的增加，机电耦合系数都迅速递减最后趋于稳定。当hsio2一定时，都随着压电薄膜厚度的增加，机电耦合系数逐渐减少。通过比较图4（a），（b）两图可知IDT/AlN/SiO2/金刚石这种结构中的机电耦合系数较大。

2.4 不同结构SAW器件频率温度特性分析

延迟温度系数是表征SAW器件温度稳定性的一个重要参数，可由如上公式[5]求得:

其中V15、V25和V35分别是SAW在15℃、25℃和35℃时自由表面的相速度，α为衬底材料沿传播方向的热膨胀系数。两种结构上SAW器件TCF随hsio2/λ的变化曲线如图5所示。

图5 两种结构上SAW器件TCF随hsio2/λ的变化曲线

图5（a）是IDTs/ZnO/SiO2/金刚石结构SAW器件TCF特性。从图可以看到，在hzno/λ=0.1、0.2、0.3时，随着SiO2厚度增加，其TCF一直变小，最后趋于稳定。在hzno/λ=0.05时，随着SiO2厚度增加，其TCF先变小，在某个厚度上TCF值接近0，之后开始增加最后趋于稳定。图5（b）是IDTs/AlN/SiO2/金刚石结构SAW器件TCF特性。从图可以看到，在hzno/λ=0.05时，随着SiO2厚度增加，其TCF一直变大，最后趋于稳定。在hAlN/λ=0.1、0.2、0.3时，随着SiO2厚度增加，其TCF先变小，在某个厚度上TCF值接近0，之后开始增加最后趋于稳定。

3 结论

本文采用三维有限元方法模拟了金刚石衬底和压电薄膜层状结构中乐甫波的传播特性。通过对两种结构乐甫波的相速度，机电耦合系数和频率温度系数分析，设计出了两种结构的最优参数。在IDT/ZnO/SiO2/金刚石结构中，当hsio2/λ=0.15和hzno/λ=0.05时，Love波的TCF为零，伴随的k2仍较高，为15.3%，相速度为4905.2m/s。在IDT/AlN/SiO2/金刚石结构中，当hsio2/λ=0.21和hzno/λ=0.1时，Love波的TCF为零，伴随的k2仍较高，为9.8%，相速度为6382.4m/s。结合高的机电耦合系数和接近零的频率温度系数，这使得Love模SAW在液体高灵敏度传感器中有潜在的应用。