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框架结构对薄膜体声波谐振器性能提升的研究
吴永乐;吴昊鹏;赖志国;蔡洵;唐滨;杨清华;杨雨豪;王卫民
【期刊名称】《电子学报》
【年(卷),期】2024(52)2
【摘要】本文研究了框架结构(Frame)对薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)提升性能的作用,从两种Frame结构对体声波能量的反射匹配基础理论出发,针对其功能特点,以实验的方式确定了低频和高频多组框架微结构的组合,对多组FBAR进行了版图绘制以及光刻流片,最终通过片上测试得到了所有分组的谐振器性能.对测试得到的性能进行了分组统计筛选,从测试结果来看,经过优选之后的Frame结构分组无论是对低频还是高频FBAR谐振器都具有提升性能的作用.对低频(1.7 GHz附近)FBAR来说,并联谐振品质因数可以提升1000以上.对高频(5.5 GHz附近)FBAR来说,并联谐振品质因数可以提升300以上.对横向寄生模式较强的高频FBAR,优选的Frame结构可以提升谐振器的横向寄生模式抑制,使串联谐振频率之下的阻抗相位波动减少5°以上.
【总页数】7页(P407-413)
【作者】吴永乐;吴昊鹏;赖志国;蔡洵;唐滨;杨清华;杨雨豪;王卫民
【作者单位】北京邮电大学集成电路学院;北京邮电大学电子工程学院;苏州汉天下电子有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN385
【相关文献】
1.单晶薄膜体声波谐振器频率温度特性研究
2.薄膜体声波谐振器的研究与仿真
3.低温漂薄膜体声波谐振器研究
4.空腔型压电薄膜体声波谐振器的仿真研究
5.薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器研究
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薄膜体声波谐振器技术的若干问题研究一、本文概述随着无线通信技术的快速发展，薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR）作为一种重要的频率选择元件，在射频（RF）滤波器和振荡器等关键领域的应用日益广泛。
FBAR因其具有高品质因数（Q值）、高频率稳定性、小型化、低成本等独特优势，已成为现代无线通信系统中不可或缺的关键器件。
在实际应用过程中，FBAR技术也面临着一系列挑战和问题，如制备工艺优化、谐振性能提升、可靠性增强等。
本文旨在对薄膜体声波谐振器技术的若干问题进行深入研究，探讨其内在机理和解决方案，为FBAR技术的进一步发展和应用提供理论支持和实践指导。
本文首先介绍了FBAR的基本结构和工作原理，概述了FBAR的研究背景和发展现状。
在此基础上，重点分析了FBAR制备过程中的关键工艺技术和影响因素，包括薄膜材料选择、制备工艺优化、结构设计等。
针对FBAR谐振性能的提升和可靠性增强等问题，本文还深入探讨了相关的物理机制、数学模型和实验方法。
通过理论分析和实验研究相结合的方法，本文提出了一系列改进FBAR性能的有效措施，为提高FBAR在无线通信领域的应用水平提供了有益的参考。
本文总结了FBAR技术的研究进展和未来发展方向，指出了当前研究中存在的问题和不足，并对未来的研究方向和应用前景进行了展望。
本文的研究成果不仅有助于推动FBAR技术的进一步发展和应用，也为相关领域的研究人员和技术人员提供了有益的参考和借鉴。
二、薄膜体声波谐振器基本理论薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR）是一种利用声波在薄膜中传播并进行谐振的微型器件。
其基本理论涉及弹性波的传播、声波与电信号的转换以及谐振条件的建立。
FBAR的工作原理基于压电效应。
在FBAR结构中，压电薄膜被夹在两个电极之间，形成一个三明治结构。
当对电极施加交流电压时，压电薄膜会产生机械振动，这种振动以声波的形式在薄膜中传播。
薄膜体声波谐振器的力敏特性研究何婉婧;高杨;李君儒;黄振华【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2015(0)2【摘要】薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理.以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性.首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量.其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR 微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性.最后仿真分析得到:惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度.【总页数】6页(P89-94)【作者】何婉婧;高杨;李君儒;黄振华【作者单位】西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621999;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621999;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010【正文语种】中文【中图分类】TB934【相关文献】1.纳米级FeNi粉体/SiR薄膜的制备及力敏特性研究∗ [J], 赵辉;朱正吼2.FeSiB粉体/硅橡胶复合薄膜力敏特性研究 [J], 乔宝英;朱正吼;杜康;周佳;黄渝鸿;付远3.薄膜体声波谐振器微加速度计惯性力敏特性 [J], 何婉婧;高杨;李君儒;黄振华;蔡洵4.薄膜体声波谐振器微加速度计惯性力敏特性 [J], 何婉婧;高杨;李君儒;黄振华;蔡洵;5.单晶薄膜体声波谐振器频率温度特性研究 [J], 简珂;帅垚;田本朗;白晓园;罗文博;吴传贵;张万里因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ZnO薄膜及体声波谐振器的研究的开题报告1. 研究背景ZnO因其优异的光电性能，在光电子、传感器、太阳能电池等领域具有广泛的应用。
其中，ZnO薄膜及声波谐振器因其独特的表面形态和声学特性，具有极高的应用前景。
因此，本研究旨在探究ZnO薄膜及体声波谐振器的结构、性质、制备方法以及其在光电子与微波器件中的应用。
2. 研究目的与意义- 探究ZnO薄膜的结构和性质：针对不同制备工艺得到的ZnO薄膜的表面形貌、结晶性、光学特性等进行研究。
- 研究ZnO谐振器的电声耦合特性：以压电材料ZnO为基础，通过调整谐振器尺寸与频率，探究谐振器的振动模式、谐振频率等电声耦合特性。
- 探究ZnO薄膜/谐振器的光电子特性：基于ZnO薄膜及谐振器的结构和性能，探究光电子器件如光电探测器、发光器件的制备、性能等。
- 探究基于ZnO谐振器的微波器件：利用ZnO谐振器的电声耦合特性，研制具有微波信号放大、滤波和混频等功能的微波器件。
3. 研究内容与方法- 制备ZnO薄膜：采用化学气相沉积（CVD）、溅射等方法制备ZnO薄膜，并对薄膜的结构、表面形貌、光学性质等进行表征。
- 制备ZnO 谐振器：采用电子束光刻、光刻工艺制备ZnO 谐振器，并对谐振器的电声耦合特性等进行研究。
- 探究光电子特性：基于ZnO薄膜及谐振器的结构和性质，制备光电子器件，并对其性能进行测试。
- 探究微波器件：基于谐振器的电声耦合特性，研制微波器件，并对其性能进行测试和评估。
4. 预期结果及意义通过对ZnO薄膜及谐振器的研究，预计能够：- 探究不同制备方法对ZnO薄膜结构和性质的影响，为后续光电子器件的制备提供依据；- 分析不同谐振器尺寸、电极排列等因素对谐振器电声耦合特性的影响，为微波器件的研制提供依据；- 制备ZnO薄膜及谐振器光电子器件，并对其性能进行测试，探究器件的可行性和应用前景；- 探究基于ZnO谐振器的微波器件的性能和应用前景，为谐振器在微波器件中的应用提供理论和实践基础。
题目：薄膜体声波谐振器及其研究进展作者：贾**
学号：*************
薄膜体声波谐振器及其研究进展
摘要：薄膜体声波滤波器作为一种发展高频滤波器的全新解决方案,比声表面波滤波器(SAWF)、陶瓷介质滤波器具有更高的Q值,低的损耗和在高频时具备更高的功率承受能力。
介绍了薄膜体声波谐振器的研究历史和研究概况,薄膜体声波谐振器的原理和3种典型结构,具体阐述了薄膜体声波谐振器的关键技术及其材料体系的要求。
关键词：微电子机械系统；薄膜体声波谐振器；SMR结构
随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。
近年来发展起来的薄膜体声波谐振器（FBAR）采用一种先进的谐振技术,它是通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件，薄膜体声波谐振器（FBAR）声波器件具有体积小,成本低,品质因数（Q）高、功率承受能力强、频率高（可达1-10GHz）且与IC技术兼容等特点，适合于工作在1-10 GHz的RF系统应用，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波（SAW）器件和微波陶瓷器，因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。
一、FBAR的原理及其结构
薄膜体声波谐振器是利用材料的压电性,将电能转化为声能,声波在介质与空气的界面上发生反射,在两个界面间形成谐振,并由逆压电效应转化为电能。
谐振频率上的声波损耗最小,因此谐振器只能使特定频率的波通过,并通过级联实现带通滤波器的效果。
压电薄膜体声波谐振器的3种构造方式如图1所示。
图1(a)显示的是一种由衬底边缘支撑的悬空膜结构。
其典型制作工艺是先在起支撑作用的衬底上淀积一层压电薄膜,然后去掉部分的衬底,形成悬空膜结构。
图1(b)的结构在谐振器下形成一层空气气隙。
制作的步骤是采用半导体工艺在Si 片上表面刻蚀空腔后填充一层牺牲层材料,然后在上面制作电极和压电膜构成谐振器,最后用刻蚀技术去除牺牲层,由此得到空气气隙。
图1 悬空结构的FBAR(a)和填充牺牲层的FBAR示意图(b)
图2的结构被称为SMR(SolidlyMountedResonator)。
SMR是以BraggReflector作为声波的反射镜,使得声波得以局限在共振腔内能量不至于损失。
其制作方法是以不同声阻抗薄膜且薄膜精确控制在1/4波长厚度所堆叠而成,该制作过程需要严格的参数控制以及精良的设备。
图2 SMR结构的FBAR示意图
对于FBAR而言,特定频率的声波在上下电极的介质2空气界面上发生反射,在电极、压电膜和支撑膜构成的复合膜中形成驻波,产生谐振。
对于SMR,向上传播的声波同样在上电极的介质2空气界面反射,而向下传播的声波则穿过下电极进入到布拉格反射器中,在反射器中两个不同阻抗膜的界面上发生多次反射,在电极、压电膜和布拉格反射器的整个结构中形成驻波,从而减小谐振能量的损耗。
二、FBAR的研究进展
早在1965年Newell便制成了布拉格反射形的薄膜谐振器。
1967年制成CdS薄膜谐振器1980年实现了在Si芯片上生长znO制成谐振频率为500MHz，Q值为9000的薄膜谐振器。
目前国际上的体声波谐振器技术发展很快，微型化、性能优良和VLSI工艺兼容的体声波谐振器及其滤波器日益成为当今国际研究的热点，出现了一批具有代表性的研究成果。
其中以麻省理工学院微系统实验室采用A1N作为压电材料制成的体声波谐振器为代表。
他们于1997年采用硅刻蚀技术和键合技术，构造出使压电膜悬空的密封腔，得到了中心频率为1.35GHz、Q值为540、Keff为6.4、插损为3dB的薄膜体声波谐振器。
1998年他们利用布拉格反射层技术得到的体声波谐振器频率在1.8GHz，带宽为3.6Ao(即25MHz)，Q值为400 P.B.Kirby等于2000年研制的体声波滤波器则采用PZT作为压电材料，在频率1.6GHz 时，Q值为53，Kt为19.1%，带宽IOOMHz，插损为3dB。
2001年Agilent Technologies 公司利用AIN FBAR制造的Duplexer，现在已经开始销售，频率约1.9GHz，其Q值高达2500，Kt为6.5，插损小于3dB。
韩国的K.W.Kim等在2002年研制了用于2GHz频段的AlNTFBAR，Q值为577.18，Kt为4.3 ，带宽52MHz，插损为2～3dB。
2003年日本的Motoaki Hara等在Transducer0上发表了他们关于AINTFBAR的研究成果。
该谐振器的基模位于2GHz，Q值达780，Keff为5.36。
2003年韩国的LG公司研究得到了AINTFBAR，中心频率约1.9GHz，Q值为1530，Keff为 6.8 ～7.3 ，插损0.45dB，隔离度28dB。
2004年韩国科技研究所微系统研究中心在超薄硅基片(50~m)上制作了薄膜体声波谐振器，中心频率达2.5GHz，具有很好的柔韧性，通过MEMS工艺加工易与MMIC集成，降低了器件的损耗。
2005年Fujitsu Laboratories Ltd利用A1N薄膜作的TFBAR。
中心频率达到10.3GHz，Q值为508，插入损耗仅为ldB。
三、 FBAR的关键技术
3.1 压电薄膜材料体系的要求
氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)是薄膜体声波器件的常用材料,其中AlN和ZnO用于窄带滤波器,PZT则用于带宽滤波器。
从薄膜体声波器件的性能出发,需要考虑以下材料参数:
(1)机电耦合系数K^2t:
其中U1,U2分别表示弹性能密度和介电能密度,U12表示压电效应,弹性与介电性相互作用的能密度。
机电耦合系数反应了压电材料的机械能与电能之间的耦合关系,是压电材料的一个重要参数。
PZT薄膜材料在其厚度方向上具有高机电耦合能力,具有优于其他材料的压电性能。
(2)介电常数ε:谐振器的阻抗水平由谐振器的尺寸、压电层厚度、介电常数共同决定。
有较高的介电常数ε,并可减少谐振器的尺寸。
(3)声速vL(纵向):低声速材料可以使用较薄的压电层,从而实现更小的器件。
同时声速越高,越能提高器件的谐振频率。
因此作为压电层的AlN的谐振频率最高。
(4)固有材料损耗
(5)温度系数:由于压电层决定了谐振频率,因而它的温度系数对器件的温度有巨大的影响。
与ZnO相比,AlN的温度系数是相当低的。
(6)制备方法:制备压电薄膜最实用的淀积方式是磁控溅射法。
ZnO可以通过等离子体,主要是低压注入的氩和氧混合气体轰击ZnO靶或者纯Zn靶而实现薄膜的制备。
3.2 电极材料
常用的电极材料有:Al、Ti、Pt、Mo、Cr等,电极材料需要具备低的电阻率和密度,有文献报道了低的电阻率和密度能分别降低电损耗和机械损耗。
电极材料的声阻抗也是一个重要的参数:
其中Z为声阻抗,ρ为电极材料的密度,E为杨氏模量,通过提高电极材料的声阻抗可以增大器件的Q值。
3.3 悬空结构的形成
制作FBAR悬空结构的传统方法是利用KOH溶液在背硅面进行各向异性腐蚀,这种方法的缺点是由于腐蚀角度较大(大概在55°左右),会使悬空的区域面积过大,腐蚀时间较长,效率低不利于大批量生产。
最新报道的形成悬空机构图形的方法是利用MEMS工艺中比较常见的深度离子束刻蚀,刻蚀气体通过硅衬底表面凿开的孔洞垂直进入,从而形成刻蚀。
这种方法的刻蚀精确度高,效率也更高。
四、结语
目前薄膜体声波谐振器研究的重点主要集中在:运用MEMS技术带来的三维加工手段,构造出新型结构制备出高Kt,高Q值的压电薄膜材料。
体声波谐振器及其滤波器微型化、性能优良、和VLSI工艺兼容日益成为当今国际研究的热点。
随着薄膜制作工艺的成熟和高频领域的需求,薄膜体声波器件将具有更大的应用潜力。
参考文献：
[1] 刘燕翔,任天令,刘理天1采用PZT薄膜体声波RF滤波器设计.压电与声光,2001,23(1):1
[2] 唐孝明,唐高弟,张海.薄膜体声波谐振器技术.微纳电子技术,2005,42(8):380
[3] 陈炜.薄膜体声波滤波器FBAR的研究与建模:[硕士学位论文].杭州:浙江大学,2005
[4] 何杰, 刘荣贵,马晋毅.薄膜体声波谐振器(FBAR)技术及其应用.压电与声光,2007
[5] 百度百科.薄膜体声波谐振器。
