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          中國科大在高頻聲表面波器件領(lǐng)域取得突破

          2024-03-12 來(lái)源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 字號:

          自1965年叉指換能器(IDT)和聲表面波(SAW)技術(shù)被發(fā)明以來(lái),聲表面波諧振器被廣泛應用于2 GHz以下的中、低頻無(wú)線(xiàn)通信。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展進(jìn)入5G和6G,標準定義的新頻段均在3 GHz以上,帶寬均在500 MHz以上,這使得傳統的SAW技術(shù)在高頻、高品質(zhì)因數、高機電耦合系數等方面遇到了發(fā)展瓶頸。主要的限制在于傳統SAW技術(shù)使用單一的壓電系數來(lái)實(shí)現電能與機械能的相互轉換。

          中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院教授左成杰研究團隊在世界上首次提出并實(shí)現了新型的耦合剪切模態(tài)聲表面波器件(簡(jiǎn)稱(chēng)X-SAW),利用兩個(gè)不同方向的剪切壓電系數相互耦合,在5 GHz高頻實(shí)現了高達34%的機電耦合系數以及高達650的品質(zhì)因數。2月23日,相關(guān)研究成果以Coupled Shear SAW Resonator with High Electromechanical Coupling Coefficient of 34% using X-cut LiNbO3-on-SiC Substrate為題,發(fā)表在《IEEE電子器件通信》(IEEE Electron Device Letters)上。審稿人評價(jià)這是一項“非凡的成果”。

          該研究在X-cutLiNbO3-on-SiC襯底上設計并制備了高頻、高機電耦合系數、高品質(zhì)因數的耦合剪切模態(tài)聲表面波(X-SAW)諧振器。通過(guò)選擇合適的歐拉角以及設計鈮酸鋰薄膜厚度與叉指電極波長(cháng)的比值,使得水平和厚度方向的電場(chǎng)同時(shí)激勵兩個(gè)剪切壓電系數,并使它們共同作用到一個(gè)機械振動(dòng)模態(tài)中,從而使得機電耦合系數大幅提升。

          該工作實(shí)現的一個(gè)X-SAW諧振器工作在5GHz,機電耦合系數高達34%,對應的諧振器優(yōu)值(FoM)達到221。與近10年報道中4 GHz以上的SAW諧振器比較,工作在5GHz和6GHz的兩個(gè)X-SAW諧振器FoM值均為世界最高。該研究發(fā)現了在同一個(gè)振動(dòng)模態(tài)中可以耦合兩個(gè)或多個(gè)不同剪切壓電系數的可能性,并通過(guò)理論分析制定了實(shí)現這種耦合剪切模態(tài)的設計準則,為聲學(xué)器件領(lǐng)域開(kāi)辟了全新的研究路徑,有望在大帶寬濾波器、寬帶可調振蕩器、高靈敏度傳感器等領(lǐng)域打開(kāi)新的自由度,并將對相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生影響。

          研究工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。

          耦合剪切模態(tài)聲表面波(X-SAW)諧振器設計、制備及性能測試:(a)X-SAW諧振器結構示意圖;(b)X-SAW諧振器SEM圖;(c-d)X-SAW諧振器測試曲線(xiàn)及其Q值。

          近10年報道中4 GHz以上最具代表性的聲表面波諧振器FoM值

          主題閱讀: SAW
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