自1965年叉指換能器(idt)和聲表面波(saw)技術(shù)被發(fā)明以來，聲表面波諧振器被廣泛應(yīng)用于2 ghz以下的中、低頻無線通信。隨著無線通信發(fā)展進(jìn)入5g和6g，標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的saw技術(shù)在高頻、高品質(zhì)因數(shù)、高機(jī)電耦合系數(shù)等方面遇到了發(fā)展瓶頸。主要的限制在于傳統(tǒng)saw技術(shù)使用單一的壓電系數(shù)來實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院教授左成杰研究團(tuán)隊(duì)在世界上首次提出并實(shí)現(xiàn)了新型的耦合剪切模態(tài)聲表面波器件(簡(jiǎn)稱x-saw)，利用兩個(gè)不同方向的剪切壓電系數(shù)相互耦合，在5 ghz高頻實(shí)現(xiàn)了高達(dá)34%的機(jī)電耦合系數(shù)以及高達(dá)650的品質(zhì)因數(shù)。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(píng)價(jià)這是一項(xiàng)“非凡的成果”。
該研究在x-cutlinbo3-on-sic襯底上設(shè)計(jì)并制備了高頻、高機(jī)電耦合系數(shù)、高品質(zhì)因數(shù)的耦合剪切模態(tài)聲表面波(x-saw)諧振器。通過選擇合適的歐拉角以及設(shè)計(jì)鈮酸鋰薄膜厚度與叉指電極波長(zhǎng)的比值，使得水平和厚度方向的電場(chǎng)同時(shí)激勵(lì)兩個(gè)剪切壓電系數(shù)，并使它們共同作用到一個(gè)機(jī)械振動(dòng)模態(tài)中，從而使得機(jī)電耦合系數(shù)大幅提升。
該工作實(shí)現(xiàn)的一個(gè)x-saw諧振器工作在5ghz，機(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)34%，對(duì)應(yīng)的諧振器優(yōu)值(fom)達(dá)到221。與近10年報(bào)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(xiàn)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(shù)的可能性，并通過理論分析制定了實(shí)現(xiàn)這種耦合剪切模態(tài)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為聲學(xué)器件領(lǐng)域開辟了全新的研究路徑，有望在大帶寬濾波器、寬帶可調(diào)振蕩器、高靈敏度傳感器等領(lǐng)域打開新的自由度，并將對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生影響。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
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