薄膜体声波谐振器的时域有限差分模拟

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在薄膜体声波谐振器(FBAR)器件的设计和优化中,Mason模型和BVD模型已经被广泛应用,但这两种方法在分析复杂结构的FBAR时却无能为力。要精确模拟FBAR器件,人们必须采用有限元法(FEM)和时域有限差分法(FDTD)等数值方法。FEM可以模拟任意几何形状和材料的FBAR,但是需要对矩阵求逆,因此模拟大型结构时非常耗时,对计算机性能要求高。而在FDTD算法中,场分量通过过去时间点周围场分量的值不断更新,不像FEM还需要对矩阵求逆。同时,FDTD可以方便地给出声场的时间演化过程,在计算机上以伪色彩方式显示,清楚地显示物理过程,便于分析。因此,最近人们开始尝试利用FDTD法来模拟FBAR器件。本文利采用已经在电磁场领域广泛应用的FDTD方法对FBAR进行了二维数值分析。在这种方法中,压电控制方程和牛顿运动方程在时间域和空间域被离散为二阶中心差分形式。并且,完全匹配层边界条件(PML)被用来实现吸收边界条件。利用静电场模拟软件ANSOFT Maxwell2D来计算电场强度。本方法可以精确预测各场分量在在空间和时间上的分布。在记录了一段时间内输入电压和输出电流的基础上,还可以计算不同膜厚的FBAR的电学阻抗特性。
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