[發明專利]一種聲表面波器件的建模方法

有效

• 申請號: 201410173063.7
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN105022850B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 陳如山;丁大志;樊振宏;盛亦軍;顧聞陽
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

本發明公開了一種聲表面波器件的建模方法。對于聲表面波器件，該方法采用曲六面體進行剖分，因而可以實現任意網格建模。通過求解克里斯托夫方程，可以滿足晶體介質的壓電性，描述壓電晶體內部的耦合場，并準確地求得介質中的電場分布和聲場分布。在求解過程中，對聲表面波器件輸入端強加沖激脈沖，將器件輸出端的電勢信息通過做差轉化為電壓輸出，獲得系統沖擊響應，并進行傅立葉變換，最終得到描述器件特性的頻率響應。本發明利用時域譜元法能精確求解偏微分方程的特性，同時采用了高效的計算機算法，能實現聲表面波器件的高精度建模與仿真。

技術領域

本發明屬于多物理場的建模方法，特別是一種針對聲表面波器件的高精度建模方法。

背景技術

聲表面波(SAW)是一種存在于半空間固體表面，沿固體表面傳播，能量集中于固體表面的彈性波。由于激勵和檢測SAW存在問題，SAW器件一直沒有被利用。直到1965年，R.W.White和F.W.Voltmer發明了激勵和檢測SAW的叉指換能器(IDT)，SAW器件才得到廣泛的應用。

在聲表面波換能器電極上加電壓激勵時，換能器電極將電信號轉變成聲表面波信號，適當地改變電極條的間隔、數目、長度以及形狀等參數，就能夠得到不同的傳輸特性。聲表面波器件的功能就是通過對壓電晶體內傳播的聲表面波信號進行各種處理來達到信號處理的目的。

SAW器件具有小型化，高可靠性，抗輻射能力強，動態范圍大，適合大規模生產等特性。近年來，隨著通信技術的發展，特別是半導體工藝水平的提高，其應用領域不斷擴大：從衛星通信、雷達制導、無線遙控、廣播電視到移動通信、無繩電話等都廣泛采用SAW器件。SAW器件的大量應用，特別是在移動通信領域的不可替代的地位推動了SAW技術的研究向前發展。

SAW諧振器是SAW器件的核心，早前對它建立的模型有δ函數模型和等效電路模型，當前建立的模型有COM模型和P矩陣模型。δ函數模型是最簡單的模型，從這個模型可得出頻率響應函數和相對插人損耗，但不能計算輸入、輸出阻抗、體波干擾和進行諧響應分析；等效電路模型是基于將真實電場近似為交叉電場得出的，它可以對輸入導納、反射和吸收特性進行分析，但未考慮二次效應，不能計算電極的反射率和能量儲存；COM模型是一維模型，可得出導納、波的幅度和波間的相互作用，但因為波受到電極的強反射，所以忽略了其他相互作用，僅考慮了兩個反向傳播的波的耦合作用，并未考慮波深度方向的損耗；P矩陣模型是COM模型的矩陣形式，因此它具有和COM模型類似的特點。特別是在高頻時,除了數值模擬法外,其它幾種方法不能精確模擬SAW器件的工作特性(Mohamed M.EI Gowini and WaliedA.Moussa,“A Reduced Three Dimensional Model for SAW Sensors Using FiniteElement Analysis”,Sensors,pp.9945-9964,September2009)。精確建模是設計高性能聲表面波器件的關鍵。

發明內容

本發明的目的在于提供一種聲表面波器件的建模方法，從而精確模擬出器件的頻率響應。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種聲表面波器件的建模方法，步驟如下：

第一步，建立聲表面波器件的三維模型，并采用曲六面體對聲表面波器件整體剖分，得到器件的網格信息，包括六面體的個數和每個六面體上的點的坐標；

第二步，將電勢值和位移值定義在六面體的每個點上，并用時域譜元法中的GLL多項式作為基函數對電勢和位移進行展開，對電勢的展開式如下：

其中，N_i即為展開基函數，(Φ_i)為六面體元胞內各個GLL點上的電勢值；

將聲表面波器件內部的位移在XYZ三個方向進行展開，對位移的展開式

如下：