基于聲子晶體的聲表面波器件研究進展

劉勇，莫家慶，2

（1.新疆求是信息科技有限公司新疆烏魯木齊830000；2.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安710049）

聲表面波技術在各種現代電子、通信技術領域的應用研究十分廣泛，聲表面波器件具有尺寸小、抗輻射能力強、制備工藝成熟，易于大量生產等優異性能，已發展為當代三大固體微電子器件之一[1-2]。隨著電子、通信技術的進一步快速發展，聲表面波器件將會在電子工程、移動通信、網絡技術、傳感器技術等方面發揮更為重要的作用[1]，而開發性能更加優越的聲表面波器件也將成為通信技術產業的研究方向之一。

具有完全禁帶的光子帶隙材料—光子晶體的研究使得光通信、光計算、光集成等諸多領域開發出眾多性能優越的新型器件產品，而類比光子晶體的概念，將光子帶隙材料的概念延伸至彈性波的聲波頻段，也發現會產生具有類似光子晶體的禁帶效應，即聲子帶隙材料或聲子晶體[3]。因此，同光子晶體對光波的傳播控制一樣，聲子晶體也可用于彈性波的傳播控制，在新型聲學器件等領域具有廣闊的應用前景[3]。

聲子晶體對于聲波在傳播過程中的控制同樣適用于聲表面波，因此，近些年來，研究聲表面波在聲子晶體中的傳播特性成為聲表面波技術領域的一大熱點，將聲子晶體技術與聲表面波技術相結合，有望獲得聲表面波微傳感器等諸多性能優異的通信器件[4-5]。目前，有許多國際課題研究組都展開了基于聲子晶體的聲表面波器件研究，包括一維和二維聲子晶體的聲表面波帶隙特性的理論計算與實驗驗證[4-11]，美國馬里蘭大學在基于聲子帶隙材料的高頻聲表面波濾波器件和聲表面波傳感器件的研究獲得了美國自然科學基金的資助[1]。因此，基于聲子晶體的聲表面波器件研究已成為現代通信新技術的研究熱點，本文將分析與討論目前國內外基于聲子晶體的聲表面波器件的理論、實驗研究現狀及進展。

1 聲子晶體表面波器件的理論研究進展

1.1 基于平面波開法的聲子帶隙材料表面波器件的理論研究

為了實現聲子晶體基聲表面波器件的優化設計，目前國際上許多研究小組已經對一維或二維聲子晶體的聲表面波的色散關系和帶隙等特性進行了大量的理論計算研究[8-11]，研究方法包括平面波展開方法、時域有限差分方法、傳遞矩陣方法，多散射理論等方法[3]，其中，平面波展開方法是研究聲子帶隙材料表面波特性最常用的一種方法，它的基本思想是通過將組元材料參數按照傅里葉級數展開，然后求解波動方程得到本征頻率與波矢之間的色散關系。聲表面波的波動方程為[3]：

公式（4）至公式（6）給出了聲表面波在二維聲子晶體中傳播的邊界條件：

行列式值對頻率的曲線可由邊界函數繪出，因此與給定的波數所對應的符合邊界條件的表面波頻率就可以找到[1]。和體波類類似，通過整個波矢空間的掃描就可以得到完整的聲子晶體表面波色散關系，確定出帶隙出現的位置與寬度[1]。

目前基于聲子晶體表面波特性研究主要集中于二維聲子晶體，如圖1所示是法國的Vincent等人給出的二維聲子晶體的模型示意圖[12]，其中（a）圖中基底為Y切型的鈮酸鋰晶體（d=0.9a），（b）圖是相關的第一布里淵區；他們利用平面波展開方法研究發現了聲表面波在此二維壓電聲子晶體結構中存在一個大的禁帶區域。臺灣吳政忠等人也利用平面波展開方法研究了聲表面波在常規的各項同性材料以及由壓電介質柱體構成的二維聲子晶體中的能帶特性[13，14]；Bonello等人則利用平面波展開方法研究了聲表面波在幾何尺寸更加近似實際情況的二維聲子晶體模型的傳播特性，同時通過激光超聲技術進行了實驗上的驗證[15]。

圖1 二維聲子晶體模型示意圖Fig.1Schematic of 2D phononic crystals

1.2 聲子晶體表面波器件的理論研究

時域有限差分方法也是研究聲子晶體基聲表面波器件的常用方法，它是通過時間和空間的離散化，將偏微分波動方程轉化為有限個差分方程，在給定邊界條件下，利用差分方程推演出波的時域響應，繼而研究波的傳播特性[3]。吳振忠等人利用時域有限差分方法研究了聲表面波在平板二維聲子帶隙結構中的傳播特性，其中時域有限差分方法的基本方程式可表示為[16]：

通過對式（7）和式（8）的泰勒展開，進而可以分析求解聲表面波的傳播特性，從而實現對聲表面波的控制與濾波[16]。

2 聲子晶體表面波器件的實驗研究進展

近些年來，各國研究小組進行了大量的聲子晶體聲表面波器件的實驗制備研究[9，17-19]。ZHANG Xin-ya等人通過激光超聲技術，實驗證明了聲表面波在二維平板聲子晶體存在帶隙，從而可以實現聲表面波在特殊頻段的窄帶濾波等優異通信性能[17]；法國的Bonello等人通過皮秒激光技術，實驗驗證了Sub-GHz聲表面波在二維聲子晶體中的負折射效應，從而可以更好地將聲子晶體的濾波等優異性能同微電子進行集成[18]。

臺灣國立臺灣大學的劉世揚等人通過實驗制備出基于二維聲子晶體的聲表面波濾波器件，如圖2所示，他們首先在硅基板上采用沉積技術沉積壓電材料氧化鋅薄膜，再在氧化鋅薄膜上濺射制備聲表面波叉指換能器，這里叉指換能器分別用作聲表面波的發射和接收。在發射和接收聲表面波的2個叉指換能器中間采用光刻技術制備出了硅基底和空氣柱相間排列的二維聲子帶隙結構，這樣，聲子帶隙結構會對途經其上的聲表面波進行設計選頻和控制，實現聲表面波的濾波功能，這種新型聲表面波濾波器件的制備工藝流程如圖3所示[5]。此外，他們還針對高頻聲表面波在微米級二維聲子晶體中的傳播進行了探討[4]。臺灣大學謝志誠等人在此基礎上，對劉世揚等人的制備工藝進行了改進，成功地完成了微米級的深度聲子帶隙結構的孔洞電鍍填充，使聲表面波的振幅能量在z方向也可以完全通過聲子帶隙結構，實現誤差的減小，這種基于聲子晶體的聲表面波器件制備新技術也為制備各種不同指標要求的新型通信器件帶來了新的方向[4-5]。

圖2 聲子晶體在聲表面波元件上的架構圖Fig.2Schematic diagram of 2D phononic crystals in SAW micro devices

鑒于在傳統的發射和接收聲表面波的叉指電極中間制備聲子晶體表現出的許多優異性能，吳振忠等人利用此種結構首次成功制備出了聲表面波寬帶濾波器[19]，他們同樣采用在2個叉指電極中間通過光刻技術制備出硅基和空氣柱的二維聲子晶體結構，但是其兩端的叉指電極結構換成了廣泛應用于寬帶濾波器領域的傾斜叉指電極結構，其結構示意圖如圖4所示，這項實驗的研究成功也將有助于開發性能優異的新型MEMS器件。

圖3 二維聲子晶體與聲表面波元件的制作流程Fig.3Process flow of 2D phononic crystals in SAW micro devices

圖4 二維聲子晶體與聲表面波元件的制作流程Fig.4The schematic diagram of experimental setup

臺灣吳政忠等人在2008年首次報道了一種新型聲表面波諧振器件，他們利用二維聲子晶體結構替代了傳統的聲表面諧振器件的一維金屬條反射柵，其示意結構圖如圖5所示[6]。該新型聲表面波諧振器件中的二維聲子晶體反射柵不僅使得聲表面波的全向反射系數提高，從而可以獲得更高效率的聲表面波諧振器件，同時也減小了反射柵的尺寸，非常有利于獲得高集成度的聲表面波諧振器件，因此，這種利用新型聲子帶隙結構作為聲表面波器件反射柵的研究對于聲表面濾波器，聲表面波諧振性氣敏傳感器有很大的現實意義。

3 結束語

本文總結概述了目前國內外聲子晶體基聲表面波器件的研究現狀。在理論研究方面，目前主要是采用采用平面波展開方法和時域有限差分方法分析聲子晶體中的聲表面波的色散方程和帶隙特點，進而實現器件的精確設計；同時在理論計算的基礎上，許多研究小組通過實驗驗證了聲子晶體的聲表面波帶隙結構并通過工藝改進制備出了許多新型基于聲子晶體的聲表面波器件。相信未來，在電子、通信技術發展浪潮里會涌現出更多的新型基于聲子晶體的聲表面波器件，進一步提高現代電子、通信技術水平，從而實現高性能聲表面波通信器件的商品化和產業化。

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