全波分析超高机电耦合声表面波传播特性在一个基于张弛振荡器的铁电单晶/立方碳化硅层状结构

文摘

介绍了超高机电耦合的全波分析声表面波(看到)的X传播Pb (y切割_1/2注_1/2阿)₃pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃-PbTiO₃(YX-PIMNT)单晶立方碳化硅衬底(3 c-sic)。有几个固有模式包括剪切水平(SH)和瑞利锯。基于有限元方法(FEM),相速度()和耦合系数()锯与上电极厚度不同,厚度和欧拉角()YX-PIMNT衬底的调查。SH看见可以达到一个非常高价值的75.9%。结构参数的适当的控制可以抑制不必要的反应引起的其他模式没有恶化的耦合因素。大SH看到价值,抑制不需要的反应已经高度发展中超宽频应用前景和可调看到过滤器。最后,3 c-sic和6 h-sic基板的性能研究,和3 c-sic被认定为衬底的候选人6 h-sic更具吸引力。

1。介绍

声表面波(看到)设备广泛应用于手机和各种现代消费电信系统(1]。适用于高机电耦合因素的设计超宽频看到过滤器2- - - - - -4]。基于张弛振荡器的铁电单晶,比如Pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃- - - - - -xPbTiO₃(PMNT或中性粒细胞-xPT)和Pb(锌_1/3注_2/3阿)₃- - - - - -xPbTiO₃(PZNT或PZN -xPT)超高机电耦合系数(> 94%)和压电常数(> 2500 pC / N)附近morphotropic相界面在室温下(5- - - - - -9]。然而,PMNT单晶低居里温度( °C)和相变温度( °C);这些特点限制了他们的应用程序在高温下。最近,一个三元化合物Pb (_1/2注_1/2阿)₃pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃-PbTiO₃(PIMNT或PIN-PMN -x鉴于其高PT)已经吸引了相当大的关注(≈200°C)(≈110°C) [10,11]。霁和陈曾调查看到YX-PIN-PMN-PT衬底上传播,取得了很大剪切水平(SH)在金刚石衬底(看到(≈70%)12- - - - - -14]。

3 c-sic底物由于其高速度和一个有吸引力的候选人(15,16]。本文报道的全波分析YX-PIMNT / 3 c-sic衬底通过有限元方法(FEM)与商业软件COMSOL多重物理量。相速度的变化()和耦合系数()的锯上电极厚度、厚度和欧拉角()YX-PIMNT衬底的调查。结果表明,SH看到可以达到最大值75.9%配置。通过适当地控制结构参数,造成不必要的反应可以抑制其他模式没有恶化的耦合因素。大SH看到价值,抑制不需要的反应极有高度发展中超宽频应用前景和可调看到过滤器。最后,3 c-sic和6 h-sic基板的性能研究,和3 c-sic被发现比6 h-sic衬底更有吸引力的候选人。

2。建模与仿真

图1显示了一个电极层的建模结构/ YX-PIMNT / 3 c-sic基质配置。每一层的厚度是表示 , ,和 。在模型中,波长()被设置为2μm。只有一半时期被认为是,和反对称周期性边界条件应用于字段变量在左边()和正确的表面()。完美匹配层应用于底部减少模型大小和抑制伪共振由底部的反射造成的。在这项研究中,我们假设波传播方向;然后,电波传播沿其他方向可以被忽略。因此,周期性边界条件应用于之间的变量+和−表面。

分层结构的三维周期性模型建立在商业软件COMSOL多重物理量。非盟被选为叉指式换能器(IDT)电极材料。YX-PIMNT和3 c-sic晶体的材料常数获得(17- - - - - -19]。

谐波分析是用1 V加载的电极进行的。图2提出了一种计算声波辐射的形象。结果表明,SH波和瑞利波锯主要集中精力在金属电极附近,而大部分波浪辐射能量的内部模型。

图3显示了相对导纳计算分贝,即无限长idt的分层结构作为频率的函数 。5观察固有模式,3 GHz的频率范围从0.3 GHz。第一个固有模式 MHz是主要模式,对应于SH看到。第二个固有模式与传统的瑞利看到有关。高阶固有模式也观察和确认为散装波如图3。

数据4(一)和4 (b)显示SH的规范化的位移场分布和瑞利锯的分层结构。占主导地位的SH波和瑞利波的位移组件锯SH和SV,分别。位移的峰值位于电极层和夹层的指数衰减YX-PIMNT和3 c-sic。这一发现表明,振动能量主要集中在电极和YX-PIMNT薄层,和有限的能量穿透3 c-sic层。

3所示。结果与讨论

的和值为每个固有模式可以获得相对导纳达到高峰和低谷时,分别。电声谐振器的能量转换效率,可以使用以下公式估计来自于等效电路分析(20.]:

因此,一个大的距离和显示一个大 。 SH看到的是68.5%,而其他固有模式近似等于零 。这一发现表明,不必要的反应可以压制YX-PIMNT通过选择一个合适的厚度的情况下,这是极具吸引力的发展中宽带和可调的过滤器。

相速度色散曲线和YX-PIMNT厚度的函数估计和导纳计算见图5(一个)和5 (b),分别。固有模式数量的增加从4到8时范围从来 。当 ,最大价值更高的模式是4.8%,表明这些模式几乎没有能量。一个相当大的SH看到69.1%,高SH看到相速度1440米/秒的同时实现。

数据6(一)和6 (b)显示的变化速度和计算有效的SH波和瑞利波和欧拉角锯从来 。有效的速度是由 和 分别在共振和反共振频率。SH看到逐渐增加,达到一个值的瑞利看到的相似,这是超过2600 m / s。瑞利看到存在于广泛的欧拉角来 。纯SH看到是只有当实现的θ的范围来和来 。不同的值从59.7%到68.9%获得了SH看到,而瑞利看到几乎是零,这是有利于设计了过滤器与不同的带宽。瑞利看到了逐渐增加的 最大,达到了24.2%的价值 ,减少为零 。

在电极层质量负载的影响不应被忽视,因为电极层的厚度相当与变薄YX-PIMNT衬底。因此,的依赖性的SH波和瑞利波锯盟电极的厚度了,如图7。在这种情况下, 和欧拉角 ;因此,不必要的海浪足够压制。SH看到的范围从62.4%到69.8%,而瑞利看到大约是零。当 ,SH看到达到最大值的69.8%。

不同类型的碳化硅作为基板的性能进行了研究。Mirgorodsky et al。21]报道,2 h, 4 h、6 h碳化硅完全类似的弹性和压电性能。因此,3 c-sic和6 h-sic检查。

图8介绍了仿真的结果曲线作为电极厚度的函数对SH和瑞利锯沿YX-PIMNT传播/ 3 c-sic和YX-PIMNT / 6 h-sic基质。的是固定在和欧拉角为90°。的SH看到YX-PIMNT / 3 c-sic衬底是YX-PIMNT大大高于其价值/ 6 h-sic衬底,而瑞利看到较低值在两种基质。因此,3 c-sic是一个更有吸引力的候选人比6 h-sic底物在这个模型。

然而,材料损失没有考虑这项工作。这些损失可以在该模型模拟提供弹性的虚部,压电、介电常数和考虑机械耦合,和介电损失;然后,我们可以计算的因素。目前,我们还没有添加这些损失主要是由于缺乏一个完整的复杂矩阵供参考。在接下来的工作我们会考虑测试这些参数与材料供应商的准确模拟和材料损失的因素。

4所示。结论

本研究提出了一种全波分析超高机电耦合的YX-PIMNT看到3 c-sic衬底。有几个固有模式包括SH和瑞利锯。有限元分析结果表明,和锯随上电极的厚度、YX-PIMNT衬底的厚度,欧拉角。

结果表明,SH看见可以达到一个非常高价值的75.9%。不必要的反应引起的其他方式可以抑制通过适当地控制结构参数没有恶化的耦合因素。相对纯SH看到YX-PIMNT厚度时获得的和有一个广泛的吗来和来 。最大的实现对纯SH看到当电极的厚度大约是69.8%和是 。这非常大SH看到价值,抑制不需要的反应有一个非常有前途的应用程序在开发超宽频和可调看到过滤器。最后,c-sic 3和6的性能h-sic作为底物进行了研究,发现和3 c-sic比6 h-sic衬底更有吸引力的候选人。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。他们在确认确认提到资金不会导致任何利益冲突有关出版的手稿。

确认

这项研究支持下的上海自然科学基金批准号14 zr1422000和中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)批准号。11404209和11404209。

引用

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