Применение метода конечных элементов для расчета параметров поверхностных акустических волн и устройств на их основе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Описывается ряд моделей на основе метода конечных элементов (МКЭ) для анализа параметров поверхностных акустических волн (ПАВ) и устройств на их основе. В обобщенной форме излагается компьютерный метод формирования моделей в программе COMSOL Multiphysics. Описывается и графически иллюстрируется работа в трех основных решателях в среде COMSOL: стационарный режим, область собственных частот, частотная область. Проведен анализ свойств волн Рэлея и вытекающих ПАВ. Представлена визуализация ряда характеристик. Рассмотрен анализ таких параметров как фазовая скорость волны, коэффициент электромеханической связи, статическая емкость преобразователя. В примерах рассмотрены эквидистантный преобразователь, преобразователь с расщепленными электродами и однонаправленный преобразователь типа DART. Предложены способы анализа гармоник на ПАВ и волноводного эффекта. Показано, что модель справедлива как для монокристаллических подложек, так и для слоистых структур. Рассмотрен анализ температурного коэффициента частоты для таких структур, как TCSAW и I.H.P.SAW. Представлена модель для расчета амплитудно-частотных характеристик устройств. Показано, что данные, полученные в результате численного анализа, соответствуют экспериментальным данным и известным литературным источникам.

Об авторах

А. С. Койгеров

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.koigerov@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Аристархов Г.М., Гуляев Ю.В., Дмитриев В.Ф. и др. Фильтрация и спектральный анализ радиосигналов. Алгоритмы. Структуры. Устройства. М.: Радиотехника, 2020. 504 с.
  2. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Иванов П., Егоров Р. Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации // Электроника: наука, технология, бизнес. 2013. № 8. C. 128–136.
  3. Крышталь Р.Г., Медведь А.В. Применение резонаторов на поверхностных акустических волнах для измерений сверхмалых изменений температуры // Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т. 80. С. 1357–1362.
  4. Анцев И.Г., Богословский С.В., Сапожников Г.А., Жгун С.А., Жежерин А.Р., Трофимов А.Н., Швецов А.С. Пассивные беспроводные датчики и радиометки на принципах функциональной электроники. М.: Наука, 2021. 518 с.
  5. Анисимкин В.И., Кузнецова И.Е. Селективное детектирование температуры микропроб жидкостей акустическими волнами поверхностного типа // РЭ. 2019. Т. 64. № 8. С. 831–834.
  6. Койгеров А.С. Достижение критических и предельных параметров в микроприборах на поверхностных акустических волнах // Нано- и микросистемная техника. 2022. Т. 24. № 4. C. 199–207. doi: 10.17587/nmst.24.199–207.
  7. Забеньков И.И., Исаакович Н.Н., Жданов С.Л. и др. Проектирование цифровых приемных устройств // Докл. Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. 2006. № 1. С. 44–54.
  8. Бельчиков С. Фазовый шум: как спуститься ниже –120 дБн/Гц на отстройке 10 кГц в диапазоне частот до 14 ГГц, или Борьба за децибелы // Компоненты и технологии. 2009. № 5 (94). С 139–146.
  9. Дмитриев В.Ф., Носков А.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование резонаторов на квазиповерхностных акустических волнах // Акуст. журнал. 2010. Т. 56. № 4. С. 472–478.
  10. Лойко В.А., Добровольский А.А., Кочемасов В.Н., Сафин А.Р. Автогенераторы на поверхностных акустических волнах (обзор) // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 3. С. 6–21.
  11. Дьельсеан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. Пер. с франц. / Под ред. В. В. Леманова. М.: Наука, 1982. 424 с.
  12. Койгеров А.С., Корляков А.В. Моделирование методом конечных элементов устройств на поверхностных акустических волнах с использованием пакета COMSOL // Микроэлектроника. 2022. Т. 51. № 4. С. 272–282.
  13. Койгеров А.С. Аналитический подход к расчету резонаторного комбинированного фильтра на поверхностных акустических волнах на основе модели связанных мод // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 2. С. 16–28.
  14. Sveshnikov B. Discrete analysis of regular systems // IEEE Intern. Ultroson. Symp. San Diego, USA. 11–14 Oct. 2010. P. 1890–1893. doi: 10.1109/ULTSYM.2010.5935881.
  15. Осетров А.В., Нгуен В.Ш. Расчет параметров поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках методом конечных элементов // Вычислительная механика сплошных сред. 2011. Т. 4. № 4. С. 71–80.
  16. Sun X., Zhou S., Cheng J., Lin D., Liu W. Full extraction of the COM parameters for Rayleigh type surface acoustic wave. AIP Adv. 2022. № 12. Р. 025007.
  17. Malocha S., Abbott B.P., Naumenko N. Numerical Modeling of One-Port Resonators Based on Harmonic Admittance // IEEE Ultrasonics Symposium. 2004. Montreal, QC, Canada. V. 3. P. 2027–2030. DOI:101109/ULTSYM.2004.1418233.
  18. Wallner P., Ruile W., Weigel R. Theoretical Studies on Leaky-SAW Properties Influenced by Layers on Anisotropic Piezoelectric Crystals // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. 2000. V. 47. № 5. P. 1235–1240.
  19. Abbott B.P., Hartmann C.S. An efficient evaluation of the electrostatic fields in IDT’s with periodic electrode sequences // in Proc. 1993 IEEE Ultrason. Symp. P. 157–160.
  20. Benetti M., Cannat`a D., Di Pietrantonio F., Verona E. Growth of AlN Piezoelectric Film on Diamond for High-Frequency Surface Acoustic Wave Devices // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. 2005. V. 52. № 10. P. 1806–1811.
  21. Zhang Q., Chen Z., Chen Y., Dong J., Tang P., Fu S., Wu H., Ma J., Zhao X. Periodic Analysis of Surface Acoustic Wave Resonator with Dimensionally Reduced PDE Model Using COMSOL Code. Micromachines. 2021. 12(2):141.
  22. Hickernell F.S. // Advances in Surface Acoustic Wave Technology, Systems and Applications. V.1. Eds. Ruppel C. C. W., Fieldly T. A. Singapore: World Scientific, 2001.
  23. Takai T., Iwamoto H., Takamine Y., Fuyutsume T., Nakao T., Hiramoto M., Toi T., Koshino M. I.H.P. SAW technology and its application to microacoustic components (Invited) // In Proceedings of the IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). Washington, DC, USA. 6–9 September 2017. P. 1–8.
  24. Lilhare Y., Sinha S. Performance analysis of SAW TCRFs through multiphysics simulation // 2020 IEEE International Conference on Electronics, Computing and Communication Technologies (CONECCT). Bangalore, India. 2020. P. 1–5.
  25. Квашнин Г.М., Сорокин Б.П., Бурков С.И. Анализ распространения СВЧ волн Лэмба в пьезоэлектрической слоистой структуре на основе алмаза // Акустический журнал. 2021. Т. 67. № 6. С. 595–602.
  26. Тимошенко П.Е., Широков В.Б., Калинчук В.В. Конечно-элементное моделирование характеристик ПАВ-фильтров на основе тонких пленок титаната бария стронция // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2020. Т. 17. № 4. C. 48–56.
  27. Кузнецова И.Е., Смирнов А.В., Плеханова Ю.В., Решетилов А.Н., Ван Г.-Ц. Влияние апертуры встречно-штыревого преобразователя на характеристики его выходного сигнала в пьезоэлектрической пластине // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. № 6. С. 790–793.
  28. Zhgoon S., Tsimbal D., Shvetsov A., Bhattacharjee K. 3D Finite Element Modeling of Real Size SAW Devices and Experimental Validation // 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium. Beijing, China. 2008. P. 1932–1935.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рассматриваемые ВШП в работе: а — эквидистантный с электродами шириной λ/4; б — с расщепленными электродами шириной λ/8; в — однонаправленный типа DART; г — принцип перехода к МПП. Обозначения: λ — длина волны; p — период следования электродов; w — ширина электрода.

Скачать (107KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Тестовые ячейки для монокристаллических пьезоэлектрических подложек: а — свободная поверхность; б — пример сетки; в — картина механических смещений волны Рэлея для подложки 128° Y — X LiNbO3 для одной из собственных частот; г — картина механических смещений для ВПАВ для 36° Y — X LiTaO3 для одной из собственных частот. Особенности модели: 1 — пьезоэлектрический кристалл; 2 — идеально согласованный слой; λ — длина волны.

Скачать (264KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Адмиттанс и картины механических смещений для тестовой электродной структуры на подложке 36° Y — X LiTaO₃.

Скачать (147KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Адмиттанс для тестовых электродных структур с периодом p = λ / 2 для различных толщин металлизации отношений h / λ на подложках: а — 36° Y — X LiTaO₃; б — 42° Y — X LiTaO₃; h / λ: 1 – 1%; 2 – 3%; 3 – 5%; 4 – 7%.

Скачать (213KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Результат статического анализа для однонаправленного преобразователя типа DART в виде распределения поверхностного потенциала.

Скачать (106KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Тестовая электродная ячейка для подложки 128° Y — X LiNbO₃ с периодом p = λ / 4 и шириной электрода λ / 8 для анализа в области собственных частот и картины механических смещений волны Рэлея: а — геометрия ячейки; б — основная гармоника; в — 3-я гармоника; г — 5-я гармоника.

Скачать (124KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Результат расчета проводимости (Y11) преобразователя для подложки 128° Y — X LiNbO₃ с периодом p = λ / 4 и шириной электрода λ / 8 (анализ в частотной области): 1 — реальная часть проводимости; 2 — мнимая часть проводимости; * — основная гармоника; ** — паразитные ОАВ; *** — 3-я гармоника.

Скачать (98KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Тестовая ячейка для слоистой структуры AlN/алмаз: а – геометрия ячейки; б — картина механических смещений волны Рэлея; в – картина механических смещений волны Сезава. Особенности модели: 1 — пьезоэлектрическая пленка нитрида алюминия; 2 — подложка из алмаза.

Скачать (134KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость фазовой скорости (а) акустических волн и КЭМС (б) от толщины пленки нитрида алюминия: 1 — волна Рэлея; 2 — волна Сезава.

Скачать (133KB)
Метаданные
11. Рис. 10. ТКЧ: 1 — традиционная монокристаллическая подложка 36° Y — X LiTaO₃; 2 — зависимость от толщины пленки SiO₂ для структуры TC-SAW; 3 — зависимость от толщины слоя пьезоэлектрического материала 36° Y — X LiTaO₃ при постоянной толщине пленки HSiO₂ = 30% для структуры I.H.P.

Скачать (198KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Принцип учета волноводных мод: а — расчетная АЧХ одного звена фильтра на поперечных модах; б — тестовая структура и картины механических смещений поперечных мод: 1 — геометрия ячейки с периодом p = λ / 2; 2 — симметричная мода S0; 3 — антисимметричная мода S1; 4 — симметричная мода S2; 5 — антисимметричная мода S3.

Скачать (273KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Модель фильтра на однонаправленных преобразователях типа DART для МКЭ-расчета в COMSOL: а — условный вид фильтра с подключенными электрическими портами в “нормальном” включении; б — “обратное” включение; в – геометрия DART; г — результаты расчета полного механического смещения для одной частотной точки; д — расчетная АЧХ: 1 — “нормальное” включение без согласования; 2 — “нормальное” включение с согласованием; 3 — “обратное” включение. Обозначения: F — “forward” — направление максимального излучения ПАВ; R — “reverse” — направление минимального излучения волны.

Скачать (300KB)
Метаданные
14. Рис. 13. 3D-модель фильтра на расщепленных преобразователях с аподизацией по функции Хэмминга в COMSOL: а — функция Хэмминга; б — фрагмент фильтра со входным ВШП; в –общий вид геометрии фильтра.

Скачать (439KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Сравнение расчетной (1) и экспериментальной (2) АЧХ фильтра.

Скачать (95KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах