本文是一篇工程硕士论文，本文研究了不同压电基底、不同器件结构对压电声波器件的性能的影响。建立了可以快速准确仿真计算压电声波器件的有限元模型，基于有限元模型对声表面波谐振器和板波谐振器进行优化，设计了满足不同需求的声表面波谐振器和板波谐振器。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着无线通信技术的飞速发展，人们对手持移动设备的功能需求不断提高，这使得通讯和网络社交变得更加便利[1]-[2]。为了满足这些需求，现代无线通信技术设备正朝着小型化、便捷化和多功能集成的方向发展[3]。在手持移动设备中，射频前端模块是极其重要的部分，射频滤波器为了同时实现大带宽和高性能，为了实现这一个目标，其中所使用的压电声学器件需要同时满足大机电耦合系数(K2)和高品质因数(Q)。压电声学器件的性能主要由组成其的谐振器决定，谐振器的性能主要由所选择的压电材料和所设计的器件结构有关。
声学谐振器，包括声表面波(surface acoustic wave, SAW)谐振器和体声波(bulk acoustic wave, BAW)谐振器[4]-[6]，广泛应用于移动通信、医疗检测、生物传感等多个领域。然而，随着人们对通信需求的提高，移动通信技术也在不断发展，这就对移动通信射频前端提出了新的挑战，其频率和带宽只有达到更高水平才能满足日益增长的严格的要求。该行业需要小型化、低损耗、低成本的设备，类似于1GHz-2GHz SAW滤波器，具有高功率处理。问题是，由于许多众所周知的原因，比如：光学光刻技术的局限性、损耗的增加、低功率处理等，SAW器件很难扩展到特别高的频率，难以满足3.5GHz以上的高频应用领域。BAW谐振器在近些年的研究中取得了突飞猛进发展，并且由于机电耦合系数的显著增加而具有更大的前景。目前市面上的BAW谐振器主要使用氮化铝(AlN)和掺钪氮化铝(AlScN)作为压电材料，它们的机电耦合系数(K2)较小(<10%)，无法满足当前5G通信中对带宽的需求[7]-[9]，目前普遍使用的n77、n78、n79等频段需要谐振器设备同时具有较高的频率(3.75 GHz)和较大的带宽(900 MHz)，这对现在谐振器的设计提出了新的挑战。
1.2 压电声波器件的国内外研究现状
在高频、大宽带的射频滤波器设计应用中，机电耦合系数（Electromechanical coupling factor，K2）、超高频和品质因数（Quality factor，Q）在射频滤波器设计中一直以来占有着重要的地位[17]-[19]。它们都是衡量射频滤波器品质好坏的重要参数，决定了压电声波器件的是否满足大带宽、低损耗、无杂散、温度稳定性等性能。大量研究结果表明，机电耦合系数(K2)是衡量压电声波器件耦合性能的重要参数，通常与材料的特性还有器件的结构有着密切的联系；Q值是衡量压电声波器件的损耗的重要参数，其与材料的性质、谐振器的工作模式、器件的设计的结构和制造工艺等影响因素息息相关。目前，国内外专家除了不断寻找具有更大压电系数的材料之外，还致力于开发具有高性能的压电声波器件结构，可以同时达到高频、大机电耦合系数、高品质因数、无杂散模式以及更好的温度稳定性等性能，以满足移动通信系统不断进步的发展趋势和应用需求。
声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）是一种沿固体表面传播的弹性波。它主要由压电材料激发，可用于多种移动通信设备的应用，比如声学滤波器、双工器和多路复用器，目前声表面波器件在移动通信中的射频（RF）前端研究中有了突飞猛进的发展，基于对声学滤波器的研究，压电声波设备在多个领域中有着广泛的应用。声表面波的发现与物理学界的两位重要人物有关，分别是英国的物理学家Rayleigh和力学家Love。早在1885年，瑞利(Rayleigh)发现地震波是由横波和纵波组成的，但是除了这两种主要的波以外，还存在另外一种不同形式的波，这种新发现的波主要沿着固体表面进行传播，所以他将这种波命名为声表面波。
第2章 压电声波器件相关理论与分析方法
2.2 压电效应与本构关系
2.2.1 压电效应
射频板波滤波器是利用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)工艺制备而成，利用压电材料的压电效应，实现固体中电磁波与声波的转换[40]-[42]。正压电效应与逆压电效应如图2-1所示。
正压电效应为，不受外力时，压电晶体的电偶极矩处于平衡状态，没有净极化现象。当在固体介质的表面施加拉伸应力作用时，会在固体介质内部产生电子的偏移，电偶极矩中心发生了位移，出现净极化现象，在宏观上表现为固体表面产生了电场。在压缩应力作用下，电偶极矩中心发生变化也会使晶体出现净极化现象，极化方向与拉伸应力引起的极化方向相反，所以极化不仅与施加的力的大小有关，而且与力的方向有关。同理，用外加电场代替施加的应力，即当把固体介质放置于电场中时，介质会发生形变，根据所加电场极性的不同，所产生形变也会不同，而且晶体的应变与电场强度成正比，这种现象称之为逆压电效应。正压电效应和逆压电效应实现了电能与机械能之间的转变，为射频滤波提供了实现的可能。
2.3 压电声波器件的基本结构及工作原理
压电声波从传播方式来分，可分为声表面波和体声波，声表面波包括瑞利波、西沙瓦波等，体声波包括板波、兰姆波、剪切波等。举例来说，瑞利波是在固体介质表面传播的声波，在深度方向上其能量会迅速衰减；兰姆波则是在固体介质内部传播的声波，它是由两个方向的分量耦合而成，会激励出多个声波模式，这也为兰姆波谐振器的设计提供了模态上的多种选择。
SAW谐振器的基础结构如图2-3所示，主要由压电基底、叉指换能器（IDT）和反射栅组成。工作原理如下：当施加交流电压信号到输入IDT时，压电基底表面会产生振动，并激发出与外部信号频率相同的声波，这类声波主要在压电基底表面进行传播，其中一部分泄漏到深度方向，而另一部分沿着输出IDT方向传播。最终，在输出IDT处，这些传播的声波会被转换为电信号进行输出。
第3章 基于有限元的声表面波谐振器建模仿真与性能分析 ............................... 18
3.1 引言 ......................... 18
3.2 声表面波谐振器的有限元建模仿真 ..................... 18
3.3 IDT/PMN-PT压电基底上的常规SAW器件的特性分析 ........................ 20
第4章 基于有限元的板波谐振器建模仿真与性能分析 .......................... 27
4.1引言 ................................ 27
4.2 基于压电薄膜的板波谐振器的有限元建模仿真 .............. 27
第5章 基于LN薄膜的板波谐振器的制备与测试 .......................... 37
5.1引言 ................................. 37
5.2 板波谐振器的制备方法与工艺流程 ........................... 37
第5章 基于LN薄膜的板波谐振器的制备与测试
5.2 板波谐振器的制备方法与工艺流程
制备XBAR的步骤包括通过（a）使用SF6对Si进行干法蚀刻，（b）使用49%HF溶液对SiO2进行湿法蚀刻，然后进行湿法Al剥离，来释放LiNbO3膜的背面。下面的正面制造需要（c）通过电子束光刻对叉指状电极进行图案化，以及（d）用于电极剥离的Al蒸发。通过光学光刻（e）和Al蒸发（f）的剥离来定义电焊盘。具体操作过程如下[66]：
首先是将LiNbO3膜从衬底的背面使用临时安装蜡（QuickStickTM 135）将芯片粘合在载体硅片上。PZE层朝向晶片表面定向，并且受到Al层的保护而不受损坏。芯片背面的硅通过光刻，以确定铌酸锂膜的几何形状（60至80 µm宽，170至520 µm长）。使用SF6对Si进行干法蚀刻，直到到达SiO2层（图a）。蚀刻时间已优化为7秒SF6（300 sccm）和2秒C4F8（200 sccm），这会使250 µm深的Si芯片形成垂直壁，并且蚀刻速率快（~5 µm/min）。随后，通过O2等离子体蚀刻芯片的背面，去除残留的光致抗蚀剂。然后通过在135 ℃下加热以熔化安装蜡，并在晶片表面轻轻滑动芯片，小心地将芯片从载体晶片上移除。需要特别注意的是在该操作期间保持薄的SiO2/LiNbO3/Al膜。接下来，在丙酮和异丙醇（IPA）中清洁芯片表面，以去除蜡残留物。然后，在50%HF溶液中进行湿法蚀刻，去除SiO2，随后使用商业溶液（MicroChemicals GmbH）进行湿法蚀刻去除掉Al，最终释放铌酸锂膜。接下来，芯片在充足的去离子（DI）水中漂洗，随后在IPA浴中浸泡几分钟，最后在空气层流下干燥。需要注意的是，因为LiNbO3会慢慢受到HF溶液的侵蚀，所以就是SiO2层要从铌酸锂膜的背面去除的原因，而Al仍然保护着芯片的顶面。然而，金属层是不透明的，所以会影响在HF步骤期间对SiO2蚀刻的监测。因此，选择施加比估计的蚀刻时间稍长（45秒）的蚀刻时间，以确保完全去除SiO2。
第6章 总结与展望
6.1总结与创新点
压电声波器件已经被广泛应用于移动通信、生物传感、医疗检测等多个领域。本文针对目前压电声波器件发展的趋势，主要以移动通信设备日益增长的需求为导向，以设计高频率、大带宽、高性能的压电声波谐振器为出发点，研究了不同压电基底、不同器件结构对压电声波器件的性能的影响。建
