CN114722755A - 一种低损耗薄膜体声波磁电谐振器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种低损耗薄膜体声波磁电谐振器的设计方法，包括：对薄膜体声波磁电谐振器进行几何建模，得到模型；设置所述模型的参数及激励信息，以确定所述模型的计算区域；对所述模型进行离散化处理；对所述模型的所述计算区域进行多物理场耦合；在所述模型中添加环形线电流，仿真得到所述模型在不同频率下的磁电感应电压，并计算所述薄膜体声波磁电谐振器的涡流损耗。本发明通过在所述模型的磁致伸缩层中插入Si3N4水平隔离层与垂直隔离层的方法，减少涡流损耗51％左右，提升压电层的感应电压11％左右，有效提高了磁电复合器件的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及高频磁电器件的技术领域，具体涉及一种低损耗薄膜体声波磁电谐振器的设计方法。
背景技术
随着5G通信技术的快速发展，对器件提出了小型化、集成化及高频化的要求。薄膜体声波磁电谐振器作为一种新型电子器件，其基于铁磁相的磁致伸缩效应与铁电相的压电效应共同作用产生的乘积效应，可实现磁-机-电的相互耦合，达到磁电双可调等目的。同时，薄膜体声波磁电谐振器利用体声波连续耦合的原理实现磁电器件中的电荷与“磁荷”相互转化，其谐振频率与厚度相关，可以在满足高频使用的同时，缩小器件尺寸，已成为射频系统中的核心器件之一。
由于薄膜体声波磁电谐振器中磁致伸缩材料通常由电导率较高的铁磁材料组成，因此，在高频磁场作用下，会产生涡流效应，造成电学损耗，从而影响薄膜体声波磁电谐振器的性能，需要采用在磁致伸缩层内插入绝缘材料的方式打断涡流环路，抑制高频涡流损耗，提高磁电感应电压，达到提升磁电耦合效率的目的。
发明内容
为了解决现有技术中的基于磁致伸缩效应与压电效应的薄膜谐振器在高频下涡流损耗过大，导致磁电感应电压降低的技术问题，本发明提出了一种低损耗薄膜体声波磁电谐振器的设计方法。
本申请提出了一种低损耗薄膜体声波磁电谐振器的设计方法，包括：
S1、对薄膜体声波磁电谐振器进行几何建模，得到薄膜体声波磁电谐振器模型；
S2、设置所述薄膜体声波磁电谐振器模型的参数及激励信息，以确定所述薄膜体声波磁电谐振器模型的计算区域；
S3、对所述薄膜体声波磁电谐振器模型进行离散化处理；
S4、对所述薄膜体声波磁电谐振器模型的所述计算区域进行多物理场耦合；
S5、在所述薄膜体声波磁电谐振器模型中添加环形线电流，对所述薄膜体声波磁电谐振器模型进行稳态求解，得到所述薄膜体声波磁电谐振器模型最佳偏置磁场，在此基础上对所述薄膜体声波磁电谐振器模型进行小信号频域求解，得到所述薄膜体声波磁电谐振器模型在不同频率下的感应电压，并计算所述薄膜体声波磁电谐振器的涡流损耗。
通过建立薄膜体声波磁电谐振器模型，设置参数及激励信息并进行多物理场耦合，对所述薄膜体声波磁电谐振器模型进行数值仿真计算，得到感应电压的频响特性，并计算出高频涡流损耗。结果表明，这种低损耗的薄膜体声波磁电谐振器的设计方法，在高频下，能有效降低涡流损耗，提高感应电压。
优选的，所述薄膜体声波磁电谐振器模型所述体声波磁电谐振器模型包括由压电材料AlN构成的压电层、由磁致伸缩材料FeGaB构成的10层磁致伸缩层、由绝缘材料Si3N4交叉构成的10×1隔离层以及空气腔。
优选的，所述步骤S2中设置所述薄膜体声波磁电谐振器模型的参数以及激励信息具体包括：
设定所述压电层与磁致伸缩层的半径、厚度以及材料属性；
设定所述空气腔的半径及材料属性；
对所述压电层、磁致伸缩层和隔离层的侧面施加固定边界条件，对其余表面施加自由边界条件；
设定所述隔离层的半径、厚度、数量以及材料属性；
进一步优选的，所述平行隔离层的数量为10层，垂直隔离层的数量为1层。在高频下，隔离层的插入数量越多，薄膜体声波磁电谐振器的涡流损耗越低，但计算量也会更大，同时，绝缘材料占比加大也会使磁致伸缩层的磁学性能受到影响，因此将平行隔离层数量设置为10层，避免计算量过大的同时也有效降低了所述薄膜体声波磁电谐振器的涡流损耗并提高感应电压。
优选的，所述步骤S3具体为：通过COMSOL软件将所述薄膜体声波磁电谐振器模型中压电层、磁致伸缩层及隔离层离散成四边形映射网格单元，将所述薄膜体声波磁电谐振器模型中空气腔离散成自由三角形网格单元。
优选的，所述步骤S4中对所述薄膜体声波磁电谐振器模型的所述计算区域进行多物理场的耦合包括：
在所述压电层上添加静电场与磁场；
在所述隔离层上添加静电场与磁场；
在所述磁致伸缩层上添加磁场；
在所述空气腔上添加磁场；
在整个所述薄膜体声波磁电谐振器模型上添加固体力学场。
优选的，所述步骤S4中对所述薄膜体声波磁电谐振器模型的所述计算区域进行多物理场的耦合具体还包括：
将所述磁致伸缩层设置为磁致伸缩区域；
将所述压电层设置为压电区域，并在所述压电区域上添加模拟损耗。
进一步优选的，所述模拟损耗包括机械阻尼损耗和介电损耗。
本申请提出了一种低损耗的薄膜体声波磁电谐振器的设计方法，通过建立薄膜体声波磁电谐振器模型，对设置参数及激励信息并进行多物理场耦合，对所述薄膜体声波磁电谐振器模型进行仿真计算，得到感应电压的频响特性，并计算出高频涡流损耗。将仿真结果与不插入隔离层的薄膜体声波磁电谐振器模型进行比较，结果表明，这种低损耗的薄膜体声波磁电谐振器的设计方法，在高频下，能有效降低涡流损耗，提高感应电压。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1是根据本发明实施例的低损耗薄膜体声波磁电谐振器设计方法的流程图；
图2是根据本发明一个具体实施例的薄膜体声波磁电谐振器模型(不含空气腔)的结构示意图(非等比例绘制)；
图3是根据本发明一个具体实施例的薄膜体声波磁电谐振器模型(不含空气腔)的俯视图(非等比例绘制)；
图4是根据本发明一个具体实施例的薄膜体声波磁电谐振器模型(不含空气腔)的网格剖分图；
图5是根据本发明一个具体实施例的薄膜体声波磁电谐振器模型整体(包含空气腔)的网格剖分图；
图6是根据本发明一个具体实施例的薄膜体声波磁电谐振器的感应电压频响特性曲线。
附图标记说明：1、压电层；2、磁致伸缩层；3、平行隔离层；4、垂直隔离层。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
图1示出了根据本发明实施例的低损耗薄膜体声波磁电谐振器设计方法的流程图，如图1所示，低损耗薄膜体声波磁电谐振器的设计方法包括以下步骤：
S1、对薄膜体声波磁电谐振器进行几何建模，得到薄膜体声波磁电谐振器模型。
在优选的实施例中，使用二维轴对称对薄膜体声波磁电谐振器进行建模，可大幅度减少计算量。图2、3示出了根据本发明一个具体实施例的薄膜体声波磁电谐振器模型的结构示意图，如图2、3所示，薄膜体声波磁电谐振器模型包括由压电材料AlN构成的压电层1、由磁致伸缩材料FeGaB构成的磁致伸缩层2、由绝缘材料Si3N4构成的平行隔离层3、垂直隔离层4以及空气腔5。
S2、设置薄膜体声波磁电谐振器模型的参数及激励信息，以确定薄膜体声波磁电谐振器模型的计算区域。
因此，所设置的薄膜体声波磁电谐振器模型的参数包括：设定压电层1与磁致伸缩层2的半径、厚度以及材料属性；设定空气腔5的半径及材料属性；设定平行隔离层3和垂直隔离层4的半径、厚度、数量以及材料属性。所设置的激励信息包括：对压电层1、磁致伸缩层2和平行隔离层3的侧面施加固定边界条件，对其余表面施加自由边界条件。
在优选的实施例中，压电层1和磁致伸缩层2的半径、厚度分别为100um、0.5um，平行隔离层3的半径、厚度分别为100um，0.005um，为10层，垂直隔离层4的半径、厚度分别为10um，0.5um，空气腔5的半径为1500um。磁致伸缩层2的材料属性为：密度为7860kg·m-3，泊松比为0.27，相对磁导率为1300，相对介电常数为1，电导率为200000S·m-1，杨氏模量为55Gpa，饱和磁致伸缩系数为70ppm，饱和磁化强度为1114084A·m-1；平行隔离层3与垂直隔离层4的材料属性为：密度为3100kg·m-3，泊松比为0.23，相对介电常数为9.7，电导率为0S·m-1，杨氏模量为250Gpa；空气腔5的材料属性为：相对磁导率为1，相对介电常数为1，电导率为0S·m-1；压电层1的材料属性如表1所示：
表1
需要说明的是，在本实施例中，平行隔离层3平行间隔插入磁致伸缩层2，形成[FeGaB(45nm)/Al2O3(5nm)]×10的多层膜结构，因此实际磁致伸缩层数量为10层，单层厚度为0.045um，垂直隔离层4居中插入磁致伸缩层，在其他实施方式中，可采取不同的间隔插入方式。
在优选的实施例中，对压电层1、磁致伸缩层2和平行隔离层3的侧面施加固定边界条件，即u|r＝100[nm]＝0，限定此时薄膜体声波磁电谐振器模型的侧面位移场为零，以防止薄膜体声波磁电谐振器半径方向上产生共振，使薄膜体声波磁电谐振器的共振频率只与薄膜厚度方向相关。
S3、对薄膜体声波磁电谐振器模型进行离散化处理。
图4与图5示出了根据本发明一个具体实施例的薄膜体声波磁电谐振器模型的网格剖分图，如图4、5所示，通过COMSOL软件将所述薄膜体声波磁电谐振器模型中压电层1、磁致伸缩层2、平行隔离层3及垂直隔离层4离散成四边形映射网格单元，将所述薄膜体声波磁电谐振器模型中空气腔5离散成自由三角形网格单元。薄膜体声波磁电谐振器模型主体网格划分细致，空气腔网格划分相对粗糙，这种分开剖分网格的方法，既保证了仿真计算的精度与收敛，又使得整体计算量不会过大。
S4、对薄膜体声波磁电谐振器模型的所述计算区域进行多物理场耦合。
在优选的实施例中，对压电层1、平行隔离层3及垂直隔离层4添加静电场与磁场，对磁致伸缩层2、空气腔5添加磁场，在整个薄膜体声波磁电谐振器模型上添加固体力学场。同时，将磁致伸缩层2设置为磁致伸缩区域，将压电层1设置为压电区域，并在压电区域上添加机械阻尼损耗和介电损耗，以进一步提高模型的准确性。
S5、在薄膜体声波磁电谐振器模型中添加环形线电流，对薄膜体声波磁电谐振器模型进行稳态求解，得到薄膜体声波磁电谐振器模型最佳偏置磁场，在此基础上对薄膜体声波磁电谐振器模型进行小信号频域求解，得到薄膜体声波磁电谐振器模型在不同频率下的感应电压，并计算薄膜体声波磁电谐振器的涡流损耗。
在具体的实施例中，在空气腔中添加环形线电流，产生施加于Z方向恒定磁场，用以模拟对薄膜体声波磁电谐振器添加的偏置磁场。磁致伸缩层在磁场作用下会产生磁致伸缩效应，因此根据数值计算得到磁致伸缩系数的变化曲线可以得到薄膜体声波磁电谐振器的最佳偏置磁场大小。在此基础上，对环形线电流添加谐波扰动，模拟对薄膜体声波磁电谐振器添加的交流激励磁场，通过小信号频域求解即可得到感应电压的频响曲线与谐振频率下薄膜体声波磁电谐振器的涡流损耗大小。
具体的，薄膜体声波磁电谐振器是基于铁磁相的磁致伸缩效应与铁电相的压电效应共同作用产生的乘积效应，从而实现磁-声-电的相互耦合、相互转化。当在磁电谐振器上施加磁场时，铁磁相会由于磁致伸缩效应而产生形变，这一形变通过界面接合传递给铁电相，使其因压电效应而产生电极化。磁致伸缩材料的本构方程如下：
Sm＝smTm+dmH (1.1)
B＝dmTm+μH (1.2)
其中，Sm和Tm分别代表磁致伸缩相的应变与应力，sm、dm和μ分别表示磁致伸缩材料的柔顺系数、压磁系数以及磁导率，B和H则为磁感应强度与磁场强度。
对于压电材料，其本构方程表示为：
Sp＝spTp+dpE (1.3)
D＝dpTp+εE (1.4)
其中，Sp和Tp分别代表压电相的应变与应力，sp、dp和ε分别表示压电材料的柔顺系数、压电系数和介电常数，D和E则为电位移和电场强度。
在模拟仿真过程中，假设压电层与磁致伸缩层完美耦合，磁致伸缩层中由磁场激励的内部应力场可以连续耦合至压电层，从而认为边界处两者应力场相等(Tm＝Tp)。
具体的，在COMSOL中，由于使用FeGaB薄膜为各向同性，磁致伸缩应变由磁化场M的二次各向同性函数表示：
其中，λs为饱和磁致伸缩系数，是在饱和磁化强度Ms下达到的最大磁致伸缩应变。
具体的，磁信号、声信号与电信号的传播分别满足磁场方程、固体力学方程与静电场方程：
B＝μ0(H+M) (1.7)
其中，ρe是压电材料的密度，u是位移场，ε为应变张量。由此，通过应力场的传递，方程(1.1)-(1.10)实现了磁信号到电信号的转化。
在具体的实施例中，为了验证本设计方法对于涡流损耗的抑制作用，本实施例还设计了无隔离层的薄膜体声波磁电谐振器，以及使用Al2O3隔离层的薄膜体声波磁电谐振器，从而形成参照对比。具体的，设定无隔离层的薄膜体声波磁电谐振器模型尺寸、材料与有隔离层的薄膜体声波磁电谐振器模型一致，施加相同的电流激励进行模拟仿真。
图6示出了根据本发明一个具体实施例的薄膜体声波磁电谐振器在磁场激励下感应电压的频响特性，实线代表具有隔离层的本设计方法，虚线代表无隔离层的薄膜体声波磁电谐振器。如图6所示，该薄膜体声波磁电谐振器的谐振频率为2.2968GHz，相比无隔离层的薄膜体声波磁电谐振器，谐振频率偏移了0.1269GHz，这是因为体声波谐振器的谐振频率可表示为
其中，T为谐振器厚度，Eeq与ρeq分别代表等效杨氏模量与等效密度，在插入隔离层后，等效杨氏模量增大，等效密度减小，因此谐振频率向右偏移。在谐振频率处，低损耗的薄膜体声波磁电谐振器的磁电感应电压为0.275V，相比无隔离层的薄膜体声波磁电谐振器，磁电感应电压提升了10.8％，而相比使用Al2O3隔离层的薄膜体声波磁电谐振器，磁电感应电压提升了约1％，经计算，低损耗的薄膜体声波磁电谐振器在谐振频率处的高频涡流损耗为1.212×10-3W，相比无隔离层的薄膜体声波磁电谐振器，涡流损耗降低了51％，而相比使用Al2O3隔离层的薄膜体声波磁电谐振器，涡流损耗降低了2％。可以看出，由于Si3N4的相对介电常数比Al2O3大，其具有更好的绝缘效果。可以发现，磁电感应电压的提升幅度较涡流损耗降低幅度小得多，这是因为隔离层的插入减小了有效磁致伸缩区域体积，在一定程度上造成了磁致伸缩层应力与应变的损失。
本发明提出了一种低损耗的薄膜体声波磁电谐振器的设计方法，通过建立薄膜体声波磁电谐振器的模型，设置薄膜体声波磁电谐振器模型的参数、激励信息，对薄膜体声波磁电谐振器模型添加多物理场耦合，对薄膜体声波磁电谐振器模型计算区域进行小信号频域分析等步骤，得到了该薄膜体声波磁电谐振器的磁电感应电压频响曲线与涡流损耗。经过对比，本发明提出的设计方法使用Si3N4作交叉隔离层，显著降低了薄膜体声波磁电谐振器的高频涡流损耗，有效提高了薄膜体声波磁电谐振器的磁电感应电压，同时本模型采用的二维轴对称圆盘结构极大提高了仿真计算效率。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。
Claims (7)
1.一种低损耗体声波磁电谐振器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对体声波磁电谐振器进行几何建模，得到体声波磁电谐振器模型；
S2、设置所述体声波磁电谐振器模型的参数及激励信息，以确定所述体声波磁电谐振器模型的计算区域；
S3、对所述体声波磁电谐振器模型进行离散化处理；
S4、对所述体声波磁电谐振器模型的所述计算区域进行多物理场耦合；
S5、在所述体声波磁电谐振器模型中添加环形线电流，对所述体声波磁电谐振器模型进行稳态求解，得到所述体声波磁电谐振器模型最佳偏置磁场，在此基础上对所述体声波磁电谐振器模型进行小信号频域求解，得到所述体声波磁电谐振器模型在不同频率下的感应电压，并计算所述体声波磁电谐振器的涡流损耗。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述体声波磁电谐振器模型包括由压电材料AlN构成的压电层、由磁致伸缩材料FeGaB构成的10层磁致伸缩层、由绝缘材料Si3N4交叉构成的10×1隔离层以及空气腔。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中设置所述体声波磁电谐振器模型的参数以及激励信息具体包括：
设定所述压电层与磁致伸缩层的半径、厚度以及材料属性；
设定所述空气腔的半径及材料属性；
设定所述隔离层的半径、厚度、数量以及材料属性；
对所述压电层、磁致伸缩层和隔离层的侧面施加固定边界条件，对其余表面施加自由边界条件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：通过COMSOL软件将所述体声波磁电谐振器模型中压电层、磁致伸缩层及隔离层离散成四边形映射网格单元，将所述体声波磁电谐振器模型中空气腔离散成自由三角形网格单元。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中对所述体声波磁电谐振器模型的所述计算区域进行多物理场的耦合包括：
在所述压电层上添加静电场与磁场；
在所述隔离层上添加静电场与磁场；
在所述磁致伸缩层上添加磁场；
在所述空气腔上添加磁场；
在整个所述体声波磁电谐振器模型上添加固体力学场。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中对所述体声波磁电谐振器模型的所述计算区域进行多物理场的耦合具体还包括：
将所述压电层设置为压电区域，并在所述压电区域上添加模拟损耗；
将所述磁致伸缩层设置为磁致伸缩区域。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述模拟损耗包括机械阻尼损耗和介电损耗。
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