異形電極調控的體聲波諧振器 力–電多場耦合仿真與優化

詹雪奎，萬強，凌明祥

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

薄膜體聲波諧振器（FBAR）利用壓電材料的壓電效應，將電信號轉化為聲波信號，從而形成諧振。鑒于其GHz超高頻段和微型化特點，且與半導體工藝兼容，成為目前極具優勢的移動通信、電子對抗和雷達等軍民用裝備的濾波器、雙工器射頻前端模塊。薄膜體聲波諧振器作為傳感器時具有的超高靈敏度和微型化優勢，使其逐漸在武器裝備的氣氛監檢測、振動加速度傳感器、高頻引力波探測等領域也釋放出眾多顛覆性的應用潛力。

FBAR傳感器以其獨特的性能和廣闊的前景，成為學界和業界研究和關注的熱點。理想的縱波模式FBAR聲波沿厚度方向傳播，但真實情況往往伴隨橫向振動模式相互耦合干擾，產生等效電阻增大、分辨率降低等不良影響。如何抑制甚至消除橫向寄生諧振是FBAR設計的一個關鍵問題。采用一維等效模型（如Mason模型或MBVD模型），進行電路仿真可以簡化問題，對FBAR的電極厚度、材料和諧振頻率等基本參數進行直觀仿真分析，但對諧振器的結構設計有一定的局限性。Liu等采用標量微分方程，得出解析解來研究環形電極FBAR，該結構能較好地將能量限制在電極中心環形諧振區域內，但同樣對問題進行近似處理。采用有限元方法（FEM）則能模擬諧振器結構對振動模態和器件性能的影響，其優點是直接對FBAR的力-電耦合問題進行三維分析，不需要簡化控制方程，計算出接近真實的數據，從而對器件的結構設計提供有效指導?！?br>