多层结构声表面波传播特性的理论研究

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高频无线通信系统的迅速发展推动了对高频声表面波器件需求的不断增大。在声表面波器件中,叉指换能器的指条受到最小线宽的限制,因此通过寻求具有高声表面波速度的基片材料成为了实现高频的最佳途径。然而对于如LiNbO3、石英等传统的声表面波材料,由于声速较低,在当前的工艺条件下已无提升空间。金刚石是所有物质中声表面波传播速度最快的材料,以金刚石作为衬底在目前工艺条件下易于制备高频声表面波器件,因此金刚石成为制作高频声表面波器件的首选基底材料。然而金刚石本身不是压电材料,无法直接激发和接收声表面波,所以必须添加一层具有压电效应的薄膜即压电薄膜(如ZnO、AlN薄膜)来激发声表面波,使产生的声表面波部分在金刚石中传播,从而使声速得到提高。但是多层结构中的声表面波传播会发生色散,同时还对压电薄膜的厚度十分敏感,在设计声表面波器件时,必须同时考虑频率及压电薄膜厚度的变化影响。所以,获得压电薄膜/金刚石多层结构的频散特性,对设计高性能的高频声表面波器件是十分重要的。本文针对多层结构声表面波器件设计的需要,在掌握了声表面波基本理论的基础上,重点研究了近年来广泛用于分析多层结构SAW传播特性的矩阵理论,利用递归刚度矩阵法(RSM),推导了四种不同类型压电薄膜/金刚石多层结构声表面波的广义格林函数和表面有效介电常数公式。在理论分析的基础上,利用Matlab软件编写了通过表面有效介电常数法获得压电薄膜/金刚石结构频散特性的程序,并通过计算ZnO/Diamond结构的频散特性与国际上已发表的结果进行了比较,验证了理论推导的正确性,为下一步模拟和设计高频声表面波器件奠定了重要基础。
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