第
30
卷第
2
期
西安科技大学学报
2010
年
2
月
JOURNAL
OF
XI'AN
U
Nl
VERSITY
OF
SCIENCE
AND
TECl
剖
OU
兀
Y
Val.30
No.2
Mar.20
1O
文章编号:
1672
-9315(2010)02
-0251
-04
传输矩阵法研究薄膜体声波谐振器
张
涛马宏伟
2
郭长立张永元杨华平
1
(1.西安科技大学理学院,陕西西安
71
∞
54;
2.
西安科技大学机械工程学院,陕西西安
71
∞
54)
摘
要:薄膜体声波谐振器
(FBAR)
以其工作频率高、体和、小、便于集成和低插损等优良特性而得
到广泛应用,对薄膜体声波器件理论设计与优化的研究成为研究热点。本文引入传输矩阵法研
究薄膜体声波谐振器,利用该方法推导薄膜体声波谐振器的输入阻抗公式,并利用该公式研究了
AVAIN/Al
结构的
FBAR
的谐振频率、有效机电辑合系数和谐振品质因数。结果证明,该阻抗公
式可有效的用来设计或许价
FBAR
的谐振频率、有效机电搞合系数和谐振品质因数等重要参数。
关键词:传输矩阵;
FBAR;
阻抗;谐振频率;谐振品质因数
中图分类号:
0421
+ • 2
文献标志码
:A
。引言
谐振器作为一种频率器件,以其谐振功能而被广泛应用于电子、通信、计算机、自动控制以及传感器
等行业,从激励机制来划分,谐振器主要有以下几类:石英晶体谐振器、介电谐振器、声表面波谐振器、空
腔谐振器和薄膜体声波谐振器
O
薄膜体声波谐振器利用压电薄膜产生体声波。体声波在薄膜中传播形成振荡,由于薄膜很薄,因而
谐振频率可以达到
GHz
甚至几十
GHZ[l]
。与其他类型谐振器相比,薄膜体声波谐振器的体积更小,便于
集成,并具有低功耗、低插损等特性,且具有更高的频率和更大的功率承受能力。
1
薄膜体声波谐振器
薄膜体声波谐振器,英文缩写为
FBAR
(Thin Film Bulk Acoustic Resonator)
,在
GHz
以上,甚至几十
GHz
以上的高频段利用有突出优点,被广泛用于谐振器、双工器、滤波器、致动器和传感器等众多领域,尤
其是高频通信行业
[2]
。
薄膜体声波谐振器典型结构如图
1
所示。
FBAR
的压电薄膜由电信号激励会产生弯曲振动,从而产生体
声波。由于声阻抗和空气阻抗相差很大,到达电极和空气界面的
声波绝大部分会反射回去,因而声波在薄膜和电极内往返传播形
成驻波。当激励信号频率与
FBAR
固有频率相间,就会形成谐振。
Topel
配址。
de
,
dd
LE
一下
2
FBAR
的传输矩阵理论及阻抗公式推导
图
1
横隔膜结构
FBAR
研究
FBAR
的理论方法通常有
2
种,即等效电路法
[3]
和传输
Fig.
1
FBAR
with
diaphragm
structure
线路法
[4]
。文中采用转移矩阵原理和传输线路法相结合的传输矩阵方法,研究
FBAR
的谐振频率、有效
机电搞合系数和谐振品质因数等问题。
由转移矩阵原理
[5
-7]
得到的
FBAR
的阻抗传递矩阵图如图
2
所示。
P
表示压电薄膜层
,
El
和
E
2
分别表示顶电极和底电极。
*收稿日期
:
2
∞
9-06-17
基金项目:国家自然科学基金资助项目
(50674075
,
10774074)
;陕西省自然科学基金资助项目
(2
∞
9JQI
∞
5)
通讯作者:张
涛(1
977
一)
,男,山东威海人,副教授,博士,主要从事声学微器件与声学检测的研究.