Page 207 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 黄庆云等： 声表面波器件在大功率作用下的热效应 1383

通过输入设计的电压来提取瑞利 SAW器件的损耗， 网格细化，一个波长内划分 5 个节点，网格最大尺寸
在此过程中，提取应变能密度代入式 (5) 可以计算 不超过25 µm，网格细化单元数为38494。
机械损失产生的热量，通过式 (4) 得到器件的介电
损耗；最后将提取的损失项作为热源用于固体传热
物理领域的瞬态热分析，将这些热量应用到IDT上，
对 IDT 进行热分析，得到器件温度分布。建立一个
λ ႃౝԒए H
简化后的单周期 IDT二维有限元模型，选择压电物 ΓT
理场模块，将结构与电势的边界都设置为周期性条 λ/4
件，用 SAW 器件的一个波长来模拟多对 IDT 是为 λ/2
ΓL ΓR
了更好地显示 SAW 器件的温度特性。图 1 为有限 ۳ʹԒए t
元模型。在模型中采用 128 YX-LiNbO 3 作为基体，
◦
ΓB
t 表示基体厚度，铝作为叉指电极材料，H 为叉指电
(a) ї͵ଡᤘ (b) വیᎪಫѳѬ
极厚度。查阅文献[16]，以30 MHz器件为例，在具体
数值仿真中，128 YX-LiNbO 3 材料参数如下所示。 图 1 SAW 器件有限元模型
◦
弹性矩阵C： Fig. 1 Finite element model of SAW device
 
20.3 7.23 6.02 1.07 0 0 表 1 有限元模型的边界条件与几何参数
  Table 1 Boundary conditions and geomet-
7.23 19.4 9.06 0.89 0 0
 
  ric parameters of the finite element model
 
6.02 9.06 22.03 0.81 0 0
 
 
[C] =  
1.07 0.89 0.81 7.49 0 0
  模型名称 结构参数与边界条件
 
  SAW 波长 130 µm
0 0 0 0 5.63 −0.44
 
 
基体厚度 500 µm
0 0 0 0 −0.44 7.6
电极厚度 150 nm
2
× 10 10 (N/m ).
电极宽度 32.5 µm
耦合矩阵e： 电极 1 20 V 电势
 
0 0 0 0 4.46 0.4 电极 2 接地
 
2 自由表面


[e]=−1.77 4.46 −1.59 0.12 0 0  (C/m ). 上边界 Γ T
 
下边界 Γ B 固定约束
1.68 −2.67 2.4 0.59 0 0
周期性条件
左右边界 Γ L 、Γ R
相对介电常数矩阵ε：
 
44 0 0 2 实验方案
 
 
[ε] =  0 37.9 −7.81  (F/m).
  为验证仿真结果，设计了如下实验。实验装
0 −7.81 34
置主要由 SAW 发生设备和观测设备构成，如图 2
铝 电 极 材 料 的 泊 松 比 为 0.35， 密 度 为 所示。实验中所使用的 SAW 器件是在 128 YX-
◦
3
2700 kg/m ，杨氏模量为 70 GPa。紧接着设置 LiNbO 3 基片上制造的。通过标准的紫外光刻和
边界条件，详细边界条件设置和几何参数如表 1 剥离技术将 150 nm 厚的铝电极图案化到 LiNbO 3
所示。 基片上，详细的光刻剥离工艺过程可以参考文
设定好几何模型与边界条件、进行网格划分后 献 [9]。IDT 的配置包括 30 对叉指，波长为 130 µm。
才能进行有限元分析计算。由于 SAW 主要在基体 波长 λ 由 IDT 电极的宽度和电极间距决定，本实
表面一个波长深度范围内传播，当深度超过一个波 验中的 IDT 是标准直叉指结构，宽度和电极间距
长后，振动能量将呈指数减弱。因此，为了能够将一 设置相等。IDT 的孔径设为 4 mm，SAW 设备的尺
个周期内的信息保存下来，对电极所在的表面进行 寸为 22 mm × 12 mm × 0.5 mm。使用普源公司生