CN111064444B - 一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，该方法包括以下步骤：一、选择薄膜材料与声表面波器件模型的堆叠方式；二、建立各个不同厚度的声表面波器件模型及获取声表面波器件模型的色散特性；三、根据声表面波器件模型的色散特性选择出最符合设计需求的薄膜厚度；四、在声表面波器件模型各个薄膜厚度确定的情况下预设声表面波器件的性能指标；五、根据声表面波器件设计指标设计换能器结构并计算出器件的参数值；六、声表面波器件的参数判断及反馈调整。本发明方法步骤简单，选择蓝宝石为基底层，选择氮化铝和氮化镓双层压电薄膜，实现异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计。

Description

一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法

技术领域

本发明属于声表面波器件设计技术领域，尤其是涉及一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法。

背景技术

随着电子信息技术的快速发展，电子通信设备不断向高频化、微型化的方向发展，使得内部声表面波器件等分离元器件不断向高频化、集成化的方向发展。目前的声表面波器件，大多是基于压电单晶材料基底，由于声表面波器件的中心频率正比于材料声表面波波速，反比与叉指换能器的指条宽度，而压电单晶材料的声表面波波速由于压电单晶材料决定，材料选定后波速就以确定，通常压电单晶基底声表面波的波速相对较低，同时叉指宽度收光刻工艺的限制，无法无限细化。因此，压电单晶基底声表面波器件在高频领域受到很大限制，同时压电单晶基底难于与半导体技术所兼容，难于实现器件集成化。异质薄膜结构声表面波器件通过不同性质的薄膜材料相互组合，实现性能的相互补偿，可提高声表面波的波速与机电耦合系数，以及对器件温度漂移进行补偿，同时易于实现器件集成化。

因此，需要一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其方法步骤简单，设计合理且实现方便，选择蓝宝石为基底层，选择氮化铝和氮化镓双层压电薄膜，实现异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

一、选择薄膜材料与声表面波器件模型的堆叠方式：

步骤101、选取蓝宝石基底，选取氮化镓压电薄膜和氮化铝压电薄膜，选取二氧化硅为温度补偿层；

步骤102、设定声表面波器件模型自下而上的堆叠顺序为蓝宝石基底、氮化镓压电薄膜、氮化铝压电薄膜层和温度补偿层；

二、建立各个不同厚度的声表面波器件模型及获取声表面波器件模型的色散特性：

步骤201、设定声表面波的波长为λ，且λ＝4μm，设定蓝宝石基底的厚度为3λ；

步骤202、设定氮化镓压电薄膜的厚度N的初始范围为0＜N＜λ，氮化铝压电薄膜的厚度M的初始范围为0＜M＜λ，温度补偿层的厚度H的初始范围为0＜H＜λ，且设定氮化镓压电薄膜的厚度、氮化铝压电薄膜的厚度和温度补偿层的厚度的改变量均为0.02λ，采用计算机利用有限元方法建立各个不同厚度的声表面波器件模型；

步骤203、将各个不同厚度的声表面波器件模型分别记作第一个声表面波器件模型，第二个声表面波器件模型，...，第i个声表面波器件模型，...，第n个声表面波器件模型；其中，i和n均为正整数，且1≤i≤n，n表示声表面波器件模型的总数；

采用计算机获取n个不同厚度的声表面波器件模型的色散特性的方法均相同，其中，采用计算机获取第i个声表面波器件模型的色散特性包括第i个声表面波器件模型的声表面波波速V_i、第i个声表面波器件模型的机电耦合系数K_i ²、第i个声表面波器件模型的电极反射系数k_i和第i个声表面波器件模型的温度系数TCF_i；

步骤204、多次重复步骤2301至步骤2304，得到n个声表面波器件模型的色散特性；

三、根据声表面波器件模型的色散特性选择出最符合设计需求的薄膜厚度：

采用计算机根据n个声表面波器件模型的色散特性中机电耦合系数最大值、声表面波波速最大值、温度系数最小值和电极反射系数最小值得到氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀；

四、在声表面波器件模型各个薄膜厚度确定的情况下预设声表面波器件的性能指标：

预设声表面波器件模型的中心频率范围为大于1GHz，预设声表面波器件模型的插入损耗范围为小于15dB，预设声表面波器件模型的通带纹波范围为小于1dB，预设声表面波器件模型的相对带宽ΔF_c范围为小于10％；

五、根据声表面波器件设计指标设计换能器结构并计算出器件的参数值：

步骤501、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器镜像对称，且输入叉指换能器和输出叉指换能器均包括多个叉指结构；

步骤502、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指结构的对数范围大于

步骤503、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器之间的间距为100λ～1000λ；输入叉指换能器和输出叉指换能器中相邻两个叉指结构之间的间距为0.125λ；

步骤504、设定每个叉指结构中从左至右第一根指条宽度为0.125λ，第二根指条宽度为0.25λ，第三根指条宽度为0.125λ，第一根指条与第二根指条的间距为0.1875λ，第二根指条与第三根指条的间距为0.1875λ；

步骤505、设定第一根指条、第二根指条和第三根指条的厚度为0.01λ～0.02λ；

步骤506、设定第一根指条和第二根指条交叠长度为50λ～100λ；

步骤507、采用计算机利用有限元方法根据氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀，且在氮化铝压电薄膜和温度补偿层之间插入输入叉指换能器和输出叉指换能器，建立包含换能器的声表面波器件模型；

步骤508、采用计算机根据公式

得到包含换能器的声表面波器件模型在频率f_0,j时的插入损耗IL′；其中，U_out表示输出叉指换能器接收信号傅里变换后在频率f_0,j时的幅值；U_in表示输入叉指换能器发送信号傅里变换后在频率f_0,i时的幅值；其中，频率f_0,i大于1GHz；

步骤509、采用计算机将包含换能器的声表面波器件模型在各个不同频率时的插入损耗IL′，以频率为横坐标，以插入损耗为纵坐标，得到频率与插入损耗曲线，并从频率与插入损耗曲线中得到插入损耗最大值IL′_max，插入损耗最大值IL′_max为所设计的声表面波器件的最大插入损耗，插入损耗最大值IL′_max所对应的频率为所设计的声表面波器件的中心频率f₀，且插入损耗IL′_max-3dB所对应的频率分别为频率上限值f_0,up和频率下限值f_0,down，则所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀为

采用计算机将频率与插入损耗曲线上插入损耗IL′_max-3dB和插入损耗最大值IL′_max之间的极小值所对应的插入损耗进行均值处理，得到插入损耗极小值IL′_x，将频率与插入损耗曲线上插入损耗IL′_max-3dB和插入损耗最大值IL′_max之间的极大值所对应的插入损耗进行均值处理，得到插入损耗极大值IL′_d，采用计算机根据公式D_w0＝IL′_d-IL′_x，得到所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0；

六、声表面波器件的参数判断及反馈调整：

采用计算机将步骤509中得到所设计的声表面波器件的最大插入损耗IL′_max、所设计的声表面波器件的中心频率f₀、所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀和所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0进行判断，如果所设计的声表面波器件的中心频率f₀大于1GHz，所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀小于10％，所设计的声表面波器件的最大插入损耗IL′_max小于15dB，所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0小于1dB，则完成异质薄膜结构声表面波器件设计；否则，调整步骤502和步骤506中的参数，重复步骤508至步骤509，并重新计算和判断，直至满足异质薄膜结构声表面波器件设计要求。

上述的一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其特征在于：步骤203中采用计算机获取n个不同厚度的声表面波器件模型的色散特性的方法均相同，其中，采用计算机获取第i个声表面波器件模型的色散特性的方法，具体过程如下：

步骤2301、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的声表面波波速V_i；其中，f_s,i表示第i个声表面波器件模型中声表面波的谐振频率，f_as,i表示第i个声表面波器件模型中声表面波的反谐振频率；

步骤2302、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的机电耦合系数

其中，V_f,i表示第i个声表面波器件模型中温度补偿层上表面的声表面波波速，V_m,i表示第i个声表面波器件模型中温度补偿层上表面在电压为零时的声表面波波速；

步骤2303、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的电极反射系数k_i；

步骤2304、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的温度系数TCF_i；其中，V_T,i表示第i个声表面波器件模型处于测试环境中的声表面波波速，

表示第i个声表面波器件模型中在25℃时的声表面波波速，T表示第i个声表面波器件模型处于测试环境中的温度。

上述的一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其特征在于：步骤三中根据声表面波器件模型的色散特性选择出最符合设计需求的薄膜厚度，具体过程如下：

步骤301、采用计算机将n个声表面波器件模型的色散特性中机电耦合系数按照从小到大顺序进行排序，得到机电耦合系数最大值并记作

则机电耦合系数

所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,0，温度补偿层的厚度的上限值H_up,0，同时将机电耦合系数

所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,0，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,0，温度补偿层的厚度的下限值H_down,0，则氮化镓压电薄膜的厚度初次选择范围为N_down,0＜N＜N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度初次选择范围为M_down,0＜M＜M_up,0，温度补偿层的厚度初次选择范围为H_down,0＜H＜H_up,0；

步骤302、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度初次选择范围为N_down,0＜N＜N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度初次选择范围为M_down,0＜M＜M_up,0，温度补偿层的厚度初次选择范围为H_down,0＜H＜H_up,0中的各个声表面波器件模型的色散特性中声表面波波速按照从小到大顺序进行排序，得到声表面波波速最大值并记作V_max，则声表面波波速0.9V_max所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,1，温度补偿层的厚度的上限值H_up,1，同时将声表面波波速0.9V_max所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,1，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,1，温度补偿层的厚度的下限值H_down,1，则氮化镓压电薄膜的厚度一次选择范围为N_down,1＜N＜N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度一次选择范围为M_down,1＜M＜M_up,1，温度补偿层的厚度一次选择范围为H_down,1＜H＜H_up,1；

步骤303、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度一次选择范围为N_down,1＜N＜N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度一次选择范围为M_down,1＜M＜M_up,1，温度补偿层的厚度一次选择范围为H_down,1＜H＜H_up,1中的各个声表面波器件模型的色散特性中温度系数按照从小到大顺序进行排序，得到最小温度系数并记作TCF_min，则温度系数1.1TCF_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,2，温度补偿层的厚度的上限值H_up,2，同时将温度系数1.1TCF_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,2，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,2，温度补偿层的厚度的下限值H_down,2，则氮化镓压电薄膜的厚度二次选择范围为N_down,2＜N＜N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度二次选择范围为M_down,2＜M＜M_up,2，温度补偿层的厚度二次选择范围为H_down,2＜H＜H_up,2；

步骤304、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度二次选择范围为N_down,2＜N＜N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度二次选择范围为M_down,2＜M＜M_up,2，温度补偿层的厚度二次选择范围为H_down,2＜H＜H_up,2中的各个声表面波器件模型的色散特性中电极反射系数按照从小到大顺序进行排序，得到最小电极反射系数并记作k_min，则最小电极反射系数k_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的厚度、氮化铝压电薄膜的厚度和温度补偿层的厚度分别为氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀。

上述的一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其特征在于：步骤508中输入叉指换能器发送信号为高斯脉冲信号，且高斯脉冲信号为

其中，t表示时间。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法步骤简单、实现方便且操作简便，确保异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计满足预设声表面波器件的性能指标要求。

2、本发明异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法操作简便且使用效果好，首先是选择薄膜材料与声表面波器件模型的堆叠方式，其次是建立各个不同厚度的声表面波器件模型及获取声表面波器件模型的色散特性，然后根据声表面波器件模型的色散特性选择出最符合设计需求的薄膜厚度；接着在声表面波器件模型各个薄膜厚度确定的情况下预设声表面波器件的性能指标，并根据声表面波器件设计指标设计换能器结构并计算出器件的参数值，最后将所设计的声表面波器件的最大插入损耗、所设计的声表面波器件的中心频率、所设计的声表面波器件的相对带宽和所设计的声表面波器件的通带纹波进行判断，如果满足预设声表面波器件的性能指标，则设计完成，否则调整并重新计算和判断，直至满足异质薄膜结构声表面波器件设计要求。

3、本发明可实现设计中心频率GHz的可集成化高性能声表面波器件设计。

4、本发明异质薄膜结构声表面波器件设计既考虑了氮化镓压电薄膜、氮化铝压电薄膜、温度补偿层的厚度，又考虑了输入叉指换能器和输出叉指换能器的参数调整，提高了满足异质薄膜结构声表面波器件设计准确性。

综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理且实现方便，选择蓝宝石为基底层，选择氮化铝和氮化镓双层压电薄膜，实现异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计，实用性强。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为本发明输入叉指换能器和输出叉指换能器的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，该方法包括以下步骤：

一、选择薄膜材料与声表面波器件模型的堆叠方式：

步骤101、选取蓝宝石基底，选取氮化镓压电薄膜和氮化铝压电薄膜，选取二氧化硅为温度补偿层；

步骤102、设定声表面波器件模型自下而上的堆叠顺序为蓝宝石基底、氮化镓压电薄膜、氮化铝压电薄膜层和温度补偿层；

二、建立各个不同厚度的声表面波器件模型及获取声表面波器件模型的色散特性：

步骤201、设定声表面波的波长为λ，且λ＝4μm，设定蓝宝石基底的厚度为3λ；

步骤202、设定氮化镓压电薄膜的厚度N的初始范围为0＜N＜λ，氮化铝压电薄膜的厚度M的初始范围为0＜M＜λ，温度补偿层的厚度H的初始范围为0＜H＜λ，且设定氮化镓压电薄膜的厚度、氮化铝压电薄膜的厚度和温度补偿层的厚度的改变量均为0.02λ，采用计算机利用有限元方法建立各个不同厚度的声表面波器件模型；

步骤203、将各个不同厚度的声表面波器件模型分别记作第一个声表面波器件模型，第二个声表面波器件模型，...，第i个声表面波器件模型，...，第n个声表面波器件模型；其中，i和n均为正整数，且1≤i≤n，n表示声表面波器件模型的总数；

采用计算机获取n个不同厚度的声表面波器件模型的色散特性的方法均相同，其中，采用计算机获取第i个声表面波器件模型的色散特性包括第i个声表面波器件模型的声表面波波速V_i、第i个声表面波器件模型的机电耦合系数K_i ²、第i个声表面波器件模型的电极反射系数k_i和第i个声表面波器件模型的温度系数TCF_i；

步骤204、多次重复步骤2301至步骤2304，得到n个声表面波器件模型的色散特性；

三、根据声表面波器件模型的色散特性选择出最符合设计需求的薄膜厚度：

采用计算机根据n个声表面波器件模型的色散特性中机电耦合系数最大值、声表面波波速最大值、温度系数最小值和电极反射系数最小值得到氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀；

四、在声表面波器件模型各个薄膜厚度确定的情况下预设声表面波器件的性能指标：

预设声表面波器件模型的中心频率范围为大于1GHz，预设声表面波器件模型的插入损耗范围为小于15dB，预设声表面波器件模型的通带纹波范围为小于1dB，预设声表面波器件模型的相对带宽ΔF_c范围为小于10％；

五、根据声表面波器件设计指标设计换能器结构并计算出器件的参数值：

步骤501、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器镜像对称，且输入叉指换能器和输出叉指换能器均包括多个叉指结构；

步骤502、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指结构的对数范围大于

步骤503、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器之间的间距为100λ～1000λ；输入叉指换能器和输出叉指换能器中相邻两个叉指结构之间的间距为0.125λ；

步骤504、设定每个叉指结构中从左至右第一根指条宽度为0.125λ，第二根指条宽度为0.25λ，第三根指条宽度为0.125λ，第一根指条与第二根指条的间距为0.1875λ，第二根指条与第三根指条的间距为0.1875λ；

步骤505、设定第一根指条、第二根指条和第三根指条的厚度为0.01λ～0.02λ；

步骤506、设定第一根指条和第二根指条交叠长度为50λ～100λ；

步骤507、采用计算机利用有限元方法根据氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀，且在氮化铝压电薄膜和温度补偿层之间插入输入叉指换能器和输出叉指换能器，建立包含换能器的声表面波器件模型；

步骤508、采用计算机根据公式

得到包含换能器的声表面波器件模型在频率f_0,j时的插入损耗IL′；其中，U_out表示输出叉指换能器接收信号傅里变换后在频率f_0,j时的幅值；U_in表示输入叉指换能器发送信号傅里变换后在频率f_0,i时的幅值；其中，频率f_0,i大于1GHz；

步骤509、采用计算机将包含换能器的声表面波器件模型在各个不同频率时的插入损耗IL′，以频率为横坐标，以插入损耗为纵坐标，得到频率与插入损耗曲线，并从频率与插入损耗曲线中得到插入损耗最大值IL′_max，插入损耗最大值IL′_max为所设计的声表面波器件的最大插入损耗，插入损耗最大值IL′_max所对应的频率为所设计的声表面波器件的中心频率f₀，且插入损耗IL′_max-3dB所对应的频率分别为频率上限值f_0,up和频率下限值f_0,down，则所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀为

采用计算机将频率与插入损耗曲线上插入损耗IL′_max-3dB和插入损耗最大值IL′_max之间的极小值所对应的插入损耗进行均值处理，得到插入损耗极小值IL′_x，将频率与插入损耗曲线上插入损耗IL′_max-3dB和插入损耗最大值IL′_max之间的极大值所对应的插入损耗进行均值处理，得到插入损耗极大值IL′_d，采用计算机根据公式D_w0＝IL′_d-IL′_x，得到所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0；

六、声表面波器件的参数判断及反馈调整：

采用计算机将步骤509中得到所设计的声表面波器件的最大插入损耗IL′_max、所设计的声表面波器件的中心频率f₀、所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀和所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0进行判断，如果所设计的声表面波器件的中心频率f₀大于1GHz，所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀小于10％，所设计的声表面波器件的最大插入损耗IL′_max小于15dB，所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0小于1dB，则完成异质薄膜结构声表面波器件设计；否则，调整步骤502和步骤506中的参数，重复步骤508至步骤509，并重新计算和判断，直至满足异质薄膜结构声表面波器件设计要求。

本实施例中，步骤203中采用计算机获取n个不同厚度的声表面波器件模型的色散特性的方法均相同，其中，采用计算机获取第i个声表面波器件模型的色散特性的方法，具体过程如下：

步骤2301、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的声表面波波速V_i；其中，f_s,i表示第i个声表面波器件模型中声表面波的谐振频率，f_as,i表示第i个声表面波器件模型中声表面波的反谐振频率；

步骤2302、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的机电耦合系数

其中，V_f,i表示第i个声表面波器件模型中温度补偿层上表面的声表面波波速，V_m,i表示第i个声表面波器件模型中温度补偿层上表面在电压为零时的声表面波波速；

步骤2303、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的电极反射系数k_i；

步骤2304、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的温度系数TCF_i；其中，V_T,i表示第i个声表面波器件模型处于测试环境中的声表面波波速，

表示第i个声表面波器件模型中在25℃时的声表面波波速，T表示第i个声表面波器件模型处于测试环境中的温度。

本实施例中，步骤三中根据声表面波器件模型的色散特性选择出最符合设计需求的薄膜厚度，具体过程如下：

步骤301、采用计算机将n个声表面波器件模型的色散特性中机电耦合系数按照从小到大顺序进行排序，得到机电耦合系数最大值并记作

则机电耦合系数

所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,0，温度补偿层的厚度的上限值H_up,0，同时将机电耦合系数

所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,0，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,0，温度补偿层的厚度的下限值H_down,0，则氮化镓压电薄膜的厚度初次选择范围为N_down,0＜N＜N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度初次选择范围为M_down,0＜M＜M_up,0，温度补偿层的厚度初次选择范围为H_down,0＜H＜H_up,0；

步骤302、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度初次选择范围为N_down,0＜N＜N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度初次选择范围为M_down,0＜M＜M_up,0，温度补偿层的厚度初次选择范围为H_down,0＜H＜H_up,0中的各个声表面波器件模型的色散特性中声表面波波速按照从小到大顺序进行排序，得到声表面波波速最大值并记作V_max，则声表面波波速0.9V_max所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,1，温度补偿层的厚度的上限值H_up,1，同时将声表面波波速0.9V_max所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,1，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,1，温度补偿层的厚度的下限值H_down,1，则氮化镓压电薄膜的厚度一次选择范围为N_down,1＜N＜N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度一次选择范围为M_down,1＜M＜M_up,1，温度补偿层的厚度一次选择范围为H_down,1＜H＜H_up,1；

步骤303、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度一次选择范围为N_down,1＜N＜N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度一次选择范围为M_down,1＜M＜M_up,1，温度补偿层的厚度一次选择范围为H_down,1＜H＜H_up,1中的各个声表面波器件模型的色散特性中温度系数按照从小到大顺序进行排序，得到最小温度系数并记作TCF_min，则温度系数1.1TCF_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,2，温度补偿层的厚度的上限值H_up,2，同时将温度系数1.1TCF_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,2，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,2，温度补偿层的厚度的下限值H_down,2，则氮化镓压电薄膜的厚度二次选择范围为N_down,2＜N＜N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度二次选择范围为M_down,2＜M＜M_up,2，温度补偿层的厚度二次选择范围为H_down,2＜H＜H_up,2；

步骤304、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度二次选择范围为N_down,2＜N＜N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度二次选择范围为M_down,2＜M＜M_up,2，温度补偿层的厚度二次选择范围为H_down,2＜H＜H_up,2中的各个声表面波器件模型的色散特性中电极反射系数按照从小到大顺序进行排序，得到最小电极反射系数并记作k_min，则最小电极反射系数k_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的厚度、氮化铝压电薄膜的厚度和温度补偿层的厚度分别为氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀。

本实施例中，步骤508中输入叉指换能器发送信号为高斯脉冲信号，且高斯脉冲信号为

其中，t表示时间。

综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理且实现方便，选择蓝宝石为基底层，选择氮化铝和氮化镓双层压电薄膜，既考虑了氮化镓压电薄膜、氮化铝压电薄膜、温度补偿层的厚度，又考虑了输入叉指换能器和输出叉指换能器的参数调整，提高了满足异质薄膜结构声表面波器件设计准确性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

一、选择薄膜材料与声表面波器件模型的堆叠方式：

步骤101、选取蓝宝石基底，选取氮化镓压电薄膜和氮化铝压电薄膜，选取二氧化硅为温度补偿层；

步骤102、设定声表面波器件模型自下而上的堆叠顺序为蓝宝石基底、氮化镓压电薄膜、氮化铝压电薄膜层和温度补偿层；

二、建立各个不同厚度的声表面波器件模型及获取声表面波器件模型的色散特性：

步骤201、设定声表面波的波长为λ，且λ＝4μm，设定蓝宝石基底的厚度为3λ；

步骤202、设定氮化镓压电薄膜的厚度N的初始范围为0＜N＜λ，氮化铝压电薄膜的厚度M的初始范围为0＜M＜λ，温度补偿层的厚度H的初始范围为0＜H＜λ，且设定氮化镓压电薄膜的厚度、氮化铝压电薄膜的厚度和温度补偿层的厚度的改变量均为0.02λ，采用计算机利用有限元方法建立各个不同厚度的声表面波器件模型；

步骤203、将各个不同厚度的声表面波器件模型分别记作第一个声表面波器件模型，第二个声表面波器件模型，...，第i个声表面波器件模型，...，第n个声表面波器件模型；其中，i和n均为正整数，且1≤i≤n，n表示声表面波器件模型的总数；

采用计算机获取n个不同厚度的声表面波器件模型的色散特性的方法均相同，其中，采用计算机获取第i个声表面波器件模型的色散特性包括第i个声表面波器件模型的声表面波波速V_i、第i个声表面波器件模型的机电耦合系数K_i ²、第i个声表面波器件模型的电极反射系数k_i和第i个声表面波器件模型的温度系数TCF_i；

步骤204、多次重复步骤2301至步骤2304，得到n个声表面波器件模型的色散特性；

三、根据声表面波器件模型的色散特性选择出最符合设计需求的薄膜厚度：

采用计算机根据n个声表面波器件模型的色散特性中机电耦合系数最大值、声表面波波速最大值、温度系数最小值和电极反射系数最小值得到氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀；

四、在声表面波器件模型各个薄膜厚度确定的情况下预设声表面波器件的性能指标：

预设声表面波器件模型的中心频率范围为大于1GHz，预设声表面波器件模型的插入损耗范围为小于15dB，预设声表面波器件模型的通带纹波范围为小于1dB，预设声表面波器件模型的相对带宽ΔF_c范围为小于10％；

五、根据声表面波器件设计指标设计换能器结构并计算出器件的参数值：

步骤501、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器镜像对称，且输入叉指换能器和输出叉指换能器均包括多个叉指结构；

步骤502、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指结构的对数范围大于

步骤503、设定输入叉指换能器和输出叉指换能器之间的间距为100λ～1000λ；输入叉指换能器和输出叉指换能器中相邻两个叉指结构之间的间距为0.125λ；

步骤504、设定每个叉指结构中从左至右第一根指条宽度为0.125λ，第二根指条宽度为0.25λ，第三根指条宽度为0.125λ，第一根指条与第二根指条的间距为0.1875λ，第二根指条与第三根指条的间距为0.1875λ；

步骤505、设定第一根指条、第二根指条和第三根指条的厚度为0.01λ～0.02λ；

步骤506、设定第一根指条和第二根指条交叠长度为50λ～100λ；

步骤507、采用计算机利用有限元方法根据氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀，且在氮化铝压电薄膜和温度补偿层之间插入输入叉指换能器和输出叉指换能器，建立包含换能器的声表面波器件模型；

步骤508、采用计算机根据公式

得到包含换能器的声表面波器件模型在频率f_0,j时的插入损耗IL′；其中，U_out表示输出叉指换能器接收信号傅里变换后在频率f_0,j时的幅值；U_in表示输入叉指换能器发送信号傅里变换后在频率f_0,i时的幅值；其中，频率f_0,i大于1GHz；

步骤509、采用计算机将包含换能器的声表面波器件模型在各个不同频率时的插入损耗IL′，以频率为横坐标，以插入损耗为纵坐标，得到频率与插入损耗曲线，并从频率与插入损耗曲线中得到插入损耗最大值IL′_max，插入损耗最大值IL′_max为所设计的声表面波器件的最大插入损耗，插入损耗最大值IL′_max所对应的频率为所设计的声表面波器件的中心频率f₀，且插入损耗IL′_max-3dB所对应的频率分别为频率上限值f_0,up和频率下限值f_0,down，则所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀为

采用计算机将频率与插入损耗曲线上插入损耗IL′_max-3dB和插入损耗最大值IL′_max之间的极小值所对应的插入损耗进行均值处理，得到插入损耗极小值IL′_x，将频率与插入损耗曲线上插入损耗IL′_max-3dB和插入损耗最大值IL′_max之间的极大值所对应的插入损耗进行均值处理，得到插入损耗极大值IL′_d，采用计算机根据公式D_w0＝IL′_d-IL′_x，得到所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0；

六、声表面波器件的参数判断及反馈调整：

采用计算机将步骤509中得到所设计的声表面波器件的最大插入损耗IL′_max、所设计的声表面波器件的中心频率f₀、所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀和所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0进行判断，如果所设计的声表面波器件的中心频率f₀大于1GHz，所设计的声表面波器件的相对带宽ΔF₀小于10％，所设计的声表面波器件的最大插入损耗IL′_max小于15dB，所设计的声表面波器件的通带纹波D_w0小于1dB，则完成异质薄膜结构声表面波器件设计；否则，调整步骤502和步骤506中的参数，重复步骤508至步骤509，并重新计算和判断，直至满足异质薄膜结构声表面波器件设计要求。

2.按照权利要求1所述的一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其特征在于：步骤203中采用计算机获取n个不同厚度的声表面波器件模型的色散特性的方法均相同，其中，采用计算机获取第i个声表面波器件模型的色散特性的方法，具体过程如下：

步骤2301、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的声表面波波速V_i；其中，f_s,i表示第i个声表面波器件模型中声表面波的谐振频率，f_as,i表示第i个声表面波器件模型中声表面波的反谐振频率；

步骤2302、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的机电耦合系数

其中，V_f,i表示第i个声表面波器件模型中温度补偿层上表面的声表面波波速，V_m,i表示第i个声表面波器件模型中温度补偿层上表面在电压为零时的声表面波波速；

步骤2303、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的电极反射系数k_i；

步骤2304、计算机根据公式

得到第i个声表面波器件模型的温度系数TCF_i；其中，V_T,i表示第i个声表面波器件模型处于测试环境中的声表面波波速，

表示第i个声表面波器件模型中在25℃时的声表面波波速，T表示第i个声表面波器件模型处于测试环境中的温度。

3.按照权利要求1所述的一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其特征在于：步骤三中根据声表面波器件模型的色散特性选择出最符合设计需求的薄膜厚度，具体过程如下：

步骤301、采用计算机将n个声表面波器件模型的色散特性中机电耦合系数按照从小到大顺序进行排序，得到机电耦合系数最大值并记作

则机电耦合系数

所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,0，温度补偿层的厚度的上限值H_up,0，同时将机电耦合系数

所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,0，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,0，温度补偿层的厚度的下限值H_down,0，则氮化镓压电薄膜的厚度初次选择范围为N_down,0＜N＜N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度初次选择范围为M_down,0＜M＜M_up,0，温度补偿层的厚度初次选择范围为H_down,0＜H＜H_up,0；

步骤302、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度初次选择范围为N_down,0＜N＜N_up,0，氮化铝压电薄膜的厚度初次选择范围为M_down,0＜M＜M_up,0，温度补偿层的厚度初次选择范围为H_down,0＜H＜H_up,0中的各个声表面波器件模型的色散特性中声表面波波速按照从小到大顺序进行排序，得到声表面波波速最大值并记作V_max，则声表面波波速0.9V_max所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,1，温度补偿层的厚度的上限值H_up,1，同时将声表面波波速0.9V_max所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,1，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,1，温度补偿层的厚度的下限值H_down,1，则氮化镓压电薄膜的厚度一次选择范围为N_down,1＜N＜N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度一次选择范围为M_down,1＜M＜M_up,1，温度补偿层的厚度一次选择范围为H_down,1＜H＜H_up,1；

步骤303、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度一次选择范围为N_down,1＜N＜N_up,1，氮化铝压电薄膜的厚度一次选择范围为M_down,1＜M＜M_up,1，温度补偿层的厚度一次选择范围为H_down,1＜H＜H_up,1中的各个声表面波器件模型的色散特性中温度系数按照从小到大顺序进行排序，得到最小温度系数并记作TCF_min，则温度系数1.1TCF_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较大厚度、氮化铝压电薄膜的较大厚度和温度补偿层的较大厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度上限值N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度的上限值M_up,2，温度补偿层的厚度的上限值H_up,2，同时将温度系数1.1TCF_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的较小厚度、氮化铝压电薄膜的较小厚度和温度补偿层的较小厚度分别记作氮化镓压电薄膜的厚度下限值N_down,2，氮化铝压电薄膜的厚度的下限值M_down,2，温度补偿层的厚度的下限值H_down,2，则氮化镓压电薄膜的厚度二次选择范围为N_down,2＜N＜N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度二次选择范围为M_down,2＜M＜M_up,2，温度补偿层的厚度二次选择范围为H_down,2＜H＜H_up,2；

步骤304、采用计算机将氮化镓压电薄膜的厚度二次选择范围为N_down,2＜N＜N_up,2，氮化铝压电薄膜的厚度二次选择范围为M_down,2＜M＜M_up,2，温度补偿层的厚度二次选择范围为H_down,2＜H＜H_up,2中的各个声表面波器件模型的色散特性中电极反射系数按照从小到大顺序进行排序，得到最小电极反射系数并记作k_min，则最小电极反射系数k_min所对应的声表面波器件模型中氮化镓压电薄膜的厚度、氮化铝压电薄膜的厚度和温度补偿层的厚度分别为氮化镓压电薄膜的厚度确定值N₀，氮化铝压电薄膜的厚度的确定值M₀和温度补偿层的厚度的确定值H₀。

4.按照权利要求1所述的一种异质薄膜结构延迟线型声表面波器件的设计方法，其特征在于：步骤508中输入叉指换能器发送信号为高斯脉冲信号，且高斯脉冲信号为

其中，t表示时间。

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