第ｚ９卷第４５１２００７年８月压电与声光ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＥＣＴＲＩＣＳ８ＬＡＣＯＵｓＴ００ＰＴＩＣＳＶｏＬ２９ＮＯ．４Ａｕｇ．２００７文章编号：１００４—２４７４（２００７）０４—０３７９—０４薄膜体声波谐振器（ＦＢＡＲ）技术及其应用何杰，刘荣贵，马晋毅（四川压电与声光技术研究所，重庆４０００６０）摘要：薄膜体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，频率高且与ＩＣ技术兼容等特点，适合于工作在１～１０ＧＨｚ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）器件和微波陶瓷器件。
该文综合阐述了薄膜体声波技术的基本原理、最新发展及应用。
分析了ＦＢＡＲ器件的三种结构及其制作方法。
还简要讨论了薄膜体声波技术的未来发展趋势及面临的挑战。
关键词：薄膜体声波谐振器；Ｑ值；功率承受能力；高频应用；ＩＣ技术中图分类号：ＴＮ６５文献标识码：ＡＴｈｉｎＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒ（ＦＢＡＲ）ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＨＥＪｉｅ，ＬＩＵＲｏｎｇ－ｇｕｉ，ＭＡＪｉｎ－ｙｉ（ＳｔｃｈｕａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄＡｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｈｍｆｄｍｂｕｌｋａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅｄｅｖｉｃｅｓｈａｖｅｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｓｍａｌｌｓｉｚｅ，１０ｗＣＯＳｔ，ｈｉｇｈＱｖａｌｕｅ，ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｈａｎｄｌｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｎｄｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｗｉｔｈＩＣ—ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅｙｂｅｕｓｅｄａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓｌｙｉｎＲＦｓｙｓｔｅｍｏｐｅｒａｔｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｌａｎｄ１０ＧＨｚ．ＴｈｅｙｅｘｐｅｃｔｅｄｔＯｒｅｐｌａｃｅｔｒａ＆ｔｉｏｎａｌＳＡＷｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｅｒａｍｉｃｄｅｖｉｃｅｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＦＢＡＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｒｅｅｄｅｖｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＡｂｒｉｅｆｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｆｕｔｕｒｅｔｒｅｎｄｓａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｏｆＦＢＡＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｌｓｏｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｋｅｙｗｏ州ｂ：ＦＢＡＲ；Ｑ－ｖａｌｕｅ；ｐｏｗｅｒｈａｎｄｌｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ；ＩＣ－ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ随着现代无线通讯技术，特别是３Ｇ通讯技术的迅速发展及无线终端的多功能化（如ＧＰＳ接收机、无线接人系统和高速语音、数据、图文与图像传输等），工作在射频波段的通讯器件的微型化，低功耗，低成本，集成化及高性能越来越受到人们的重视。
传统的射频频率器件的解决方案主要是采用声表面波（ＳＡＷ）技术和微波陶瓷技术。
微波陶瓷器件成本低，器件性能高，但体积较大。
ＳＡＷ器件的电性能比微波陶瓷器件好，可再制性高，选择性好，体积小，但插入损耗大，功率承受能力小，性能随温度变化漂移［１］。
且微波陶瓷器件和ＳＡＷ器件均不能与硅集成技术兼容，难以实现系统的微型化和低功耗［２］。
近年来，微电子机械系统（ＭＥＭＳ）技术的发展带来了精细的加工手段，这使系统向微型化方向发展［３］。
基于ＭＥＭＳ技术的薄膜体声波谐振器（ＦＢＡＲ）［１１正是解决系统微型化和低功耗的关键技术。
由于体声波的传播速度比ＳＡＷ的传播速度快，所以ＦＢＡＲ具有频率高（可达１～１０ＧＨｚ），体积小，换能效率高等优点。
利用ＦＢＡＲ可制作滤波器、双工器、振荡器等多种高性能小体积表面贴装型微波器件，其电性能已达３Ｇ移动通讯的要求。
此外，ＦＢＡＲ技术与半导体工艺兼容，易与射频系统前收疆日期：２００７－０６－０６作者曹介：何杰（１９６８－），男，四川南部人，工程师。
端集成，从而实现射频系统的微型化。
由于３Ｇ通讯技术及其发展要求采用单芯片解决方案，因此，ＦＢＡＲ技术是一种更可靠、更有效的“系统单芯片集成”解决方案，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的ＳＡＷ器件和微波陶瓷器件，具有广阔的应用前景。
１ＦＢＡＲ的原理及基本结构ＦＢＡＲ是一种利用声学谐振实现电学选频的器件。
工作区由金属底电极一压电膜一金属上电极组成，器件工作于能陷一厚度振动模式，工作频率与压电材料的厚度成反比，如图１所示。
图１ＦＢＡＲ的基本结构ＦＢＡＲ的基本工作原理：当电信号加载到ＦＢＡＲ上时，器件中的压电薄膜通过逆压电效应将电信号转变为声信号，器件特定的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性，其中在器件内满足声波全反射条件的声信号将在器件内实现谐振，而不 万方数据３８０莲泡毒黪巍２００７皴满足谐振条件的声信号就会衰减，在频谱上与谐振声信号频率相差越多的声信号裘减越快。
最后，在器件内幅度相位殴产生差舅麴声信号又通过压嗽薄膜筹毙铡瑰转变成输出电信号，邃样ＦＢＡＲ最终就表现出对电信号的选频作用。
ＦＢＡＲ与工作在千赫兹～兆赫兹憋晶振孛晶体谐振器及陶瓷滤渡器中瓣陶瓷谐振器的工稼原理是相同的。
不同的是，～方瑟，ＦＢＡＲ鼢攫激膜厚度在微米羹级，扶磷使其工作频率可提高到吉赫兹级。
另一方面，由于压电膜太薄，使ＦＢＡＲ不可能象晶体谐振器那样由压电晶片暮承托上下迄极，因她ＦＢＡＲ必须有一个衬底，热工时先将金属岚瞧极蒸发或溅射到衬底上，然后在魄极上沉积压电薄貘，最詹再在蘧毫薄膜上形成金属上电极。
ＦＢＡＲ的等效电路模型～般采用改进的巴特沃辫一范戴克（ＭＢＶＤ）模鍪，魏圈２掰示。
其憾频嚷廑如图３所示，其中＾和五为并联糯串联谐振频率。
一皇协叫刖图２ＦＢＡＲ黪ＭＢＶＤ模型瓣３ＭＢＶＤ壤燮熬强羧璃应爱有效机电耦合系数是孙和晶质因素Ｑ是衡量ＦＢＡＲ性能最重要的指标，鼠壹酝一等ｆ艇了生｛（１）』ｐＱ一蛩（２）器件的惫孙对器件性能的影响在插损及＾和氕阕鹇带宽掰方瑟。
磊毫越大，捶损越小，带宽越大。
蠢纛燕要由压电膜树料的机电藕禽系数ｋ：决定，弱前瘸于ＦＢＡＲ豹糕电膜材料主要有Ａ１Ｎ耩ＺｎＯ两种。
这两种材料的主要性能参数如表１所永。
由表可稽逛，Ａ１Ｎ材料除ｋ：略小予ＺｎＯ外，其健方西都优予ＺｎＯ，且ＡｔＮ与半导体工艺兼容，因此产品级的ＦＢＡＲ器件都采用ＡｌＮ誊｜料。
表中鼹种材料的蠢：值都是在膜材料中晶粒ｃ轴取礴生长良好的情况下才具有的，而制备ｆ轴取向良好的压电膜是研制Ｆ转ＡＲ的裁提稷蒸确。
袭１Ａ１Ｎ和ＺｎＯ的主要性能参数对比除腰电膜材料的ｋ；值外，对器件的愚：。
会产生重要影响的因素ｊ丕包括电极材料戆耱类、器度等。
Ｑ主要由器件的声泄露决定。
声泄露越少，Ｑ值越大，器终的摇擐越小，ＦＢＡＲ滤波器戆逶带拐焦就越陡。
不同研究者研制的ＦＢＡＲ器件在Ｑ德上的差异较大。
在ＦＢＡＲ器件造成声泄露的主要原蠢是誊季褒。
衬褒麴存在提供了声瀵露的通道，如何在结构上阻断或减弱衬底造成的声泄露，从而掇离器终豹Ｑ篷，是ＦＢＡＲ疆铡熬另外一个重要课题。
迄今为止，实现ＦＢＡＲ有横膈膜型、空气腔型和反射阵型三种结构（见图４）。
树底材料一般选用离阻的巍材料，黻防噍赢电极静电澄箨或干扰。
图４ＦＢＡＲ的三种基本结构横膈膜型是ＦＢＡＲ研究早期采用较多的一种结构，它是裂焉Ｓｉ誊砉辩的各淘异瞧，首先通过ＭＥＭＳ方法对衬底树糕进行定向刻蚀，形成厚度为尼徽岽浮酶横藤膜，然麓在横膈膜送域钊备电檄秽压电薄膜。
横膈膜结构的主要缺点：（１）由于相比于工佟区域面积大褥多的衬底的移涂造成结构稳定性降低，可靠梭下降。
（２）出于横腈膜厚度对于压电膜厚度的比德避大，造戏较大懿声灌缮，献藤雩｜莛Ｑ毽降低。
空气腔型是目前用于产品最成功的结构形式，它是在娜王完电极和压电膜后通过移除它们下方的牺牲层鸯考料形成空气腔以此来减小声泄露。
与横膈貘结构襁毙，该结构孛空气腔面积与工捧区面积接近ｌ：ｌ，丽横膈貘厚度匀疆电膜簿度之院可远小于１，从而在结构稳定性和Ｑ值都较横膈膜结构有很大提离。
万方数据 万方数据３８２压电与声光了片上集成电路（Ａｂｏｖｅ－ＩＣ）ＦＢＡＲ技术［８３。
这种集成技术可进一步降低高性能射频前端的体积和成本，使未来的“系统单芯片集成（ＳｏＣ）”成为可能。
图８为采用ＢｉＣＯＭＳ和片上集成电路技术实现的验证性体声波滤波器射频前端。
其电路包括一个单端输入ＬＮＡ（可直接与双工器的单Ｒｘ通道连接），后接一个中等插损的单一差分单片平衡一不平衡变换器来驱动频率为２．１４ＧＨｚ的体声波带通滤波器。
滤波器的输出连接到一个全差分混频器，混频器使射频信号向下变频至基带频率。
整个射频前端的芯片面积仅２．４４ｍｍ２（包括体声波滤波器）［２］。
图８采用ＢＩＣＭＯＳ和片上集成电路技术实现的ＦＢＡＲ滤波器射频前端片上集成电路ＦＢＡＲ技术的开发为３Ｇ射频系统集成提供了可能性。
图９为未来射频前端系统集成的验证性解决方案，采用这种方案可满足市场要求减少收发机和其他通讯电路外部无源元件数量的要求。
然而，这种方案在技术实现上仍需解决的问题：（１）如何实现功率放大器的集成。
（２）单一差分体声波双工器的设计。
（３）如何设计滤波ＬＮＡ以提高Ｔｘ和Ｒｘ链接之间的隔离度（磁和基片耦合）［９｜。
瓣零中频收发机图９系统单芯片集成射频前端２．２．２ＦＢＡＲ技术的高频应用ＦＢＡＲ技术未来的另一个发展方向将是更高频段的应用。
目前，大量的研究集中于工作在Ｌ波段和Ｓ波段的ＰＣＳ、Ｗ—ＣＤＭＡ用ＦＢＡＲ器件的设计、制作及Ｃ波段应用上。
这些应用都是基于ＦＢＡＲ的基本谐振模式，这就限制了滤波器的最大工作频率。
如果采用更高次谐波模式，ＦＢＡＲ滤波器就可工作在更高频段上（Ｋｕ，Ｋ和Ｋａ波段）。
此外，采用更高次谐波谐振模式还可降低谐振器的机电耦合系数，从而限制滤波器的相对通带，这样，滤波器就适合于极小窄带选择应用。
高次谐波模式的应用将会为体声波器件开辟新的应用领域。
３ＦＢＡＲ技术面临的挑战ＦＢＡＲ技术目前面临的挑战主要是设计和工艺制作。
从设计上说，目前ＦＢＡＲ采用的等效电路模型有Ｍａｓｏｎ模型［１０３和ＭＢＶＤ模型‘１１］，但这两种模型都是一维模型。
Ｍａｓｏｎ模型采用物体的材料参数和物理结构来描述ＦＢＡＲ的特性阻抗，与当前微波电路仿真软件设计的要求不兼容，结果使其应用范围受到了一定限制。
ＭＢＶＤ模型是目前普遍采用的等效电路模型，它使用３６个集总参数元件来描述ＦＢＡＲ，便于达到一定的滤波器频率响应指标而对电路参数进行分析和优化电路参数的目的。
