2.8GHz薄膜体声波谐振器的研究

第２　９卷第４期　２Ｏ０７年８月　压电与声光　ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣ０ＵＳＴ００ＰＴＩＣＳ　Ｖｏｌ＿２９　ＮＯ．４　Ａｕｇ．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～ｌＯ　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：Ａ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｂｕｌｋ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＦＢＡＲ）Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ＨＥ　Ｊｉｅ，ＬＩＵ　Ｒｏｎｇ－ｇｕｉ，ＭＡ　Ｊｉｎ－ｙｉ　（Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　Ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｂｕｌｋ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｗａｖｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｈａｖｅ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ　Ｑ－ｖａｌｕｅ，ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｎｄｌｉｎｇ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ＩＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓｌｙ　ｉｎ　ＲＦ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｌａｎｄ　１０　ＧＨｚ．Ｔｈｅｙ　ａｒｅ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ＳＡＷ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ｏｖｅｒ—　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＦＢＡＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｎｅｗ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｒｅｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ　ｂｒｉｅｆ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｔｒｅｎｄｓ　ａｎｄ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｏｆ　ＦＢＡＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＢＡＲ；Ｑ－ｖａｌｕｅ；ｐｏｗｅｒ　ｈａｎｄｌｉｎｇ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ；ＩＣ—ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　随着现代无线通讯技术，特别是３　Ｇ通讯技术　的迅速发展及无线终端的多功能化（如ＧＰＳ接收　机、无线接入系统和高速语音、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　度变化漂移口］。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。。］。基于ＭＥＭＳ技术的薄膜体声波谐振器　（ＦＢＡＲ）［１　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１～１０　ＧＨｚ），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３　Ｇ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　收稿日期：２００７—０６—０６　作者简介：何杰（１９６８一），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３　Ｇ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。　１　ＦＢＡＲ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。　金属上电极　

第２９卷第１期　

２００７年２月　压电与声光　

ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣ０ＵＳＴ００ＰＴＩＣＳ　ＶｏＬ　２９　ＮＯ．１　

Ｆｅｂ．２００７　

文章编号：１００４—２４７４（２００７）０１—０００４—０２　

ＡＩＮ薄膜体声波谐振器的制备与性能分析　

张　凯，顾豪爽，李位勇，胡　光，胡明哲　

（湖北大学物理学与电子技术学院，湖北武汉４３００６２）　摘　要：采用直流磁控反应溅射，在Ｐｔ电极上沉积了Ａ１Ｎ压电薄膜，并制备了以ＳｉＯ　为声反射层的体声波谐　

振器。用ｘ－射线衍射（ＸＲＤ）、电镜扫描（ＳＥＭ）、原子力显微镜（ＡＦＭ）测试表明，制备出的Ａ１Ｎ薄膜具有高Ｃ轴择　

优取向、良好的柱状晶结构以及平滑的表面；用网络分析仪测试体声波谐振器得到较好的频率特性，即串、并联谐　

振频率分别为１．２２　ＧＨｚ、ｌ＿２５４　ＧＨｚ，机电耦合系数为６．６８　，带宽２０　ＭＨｚ。　

关键词：磁控溅射；氮化铝薄膜；Ｃ轴择优取向；薄膜体声波谐振器　

中图分类号：ＴＮ４０５　文献标识码：Ａ　

Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　０ｆ　ＡｌＮ　Ｆｉｌｍ　Ｂｕｌｋ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ　

ＺＨＡＮＧ　Ｋａｉ，ＧＵ　Ｈａｏ－ｓｈｕａｎｇ，ＬＩ　Ｗｅｉ－ｙｏｎｇ，ＨＵ　Ｇｕａｎｇ，ＨＵ　Ｍｉｎｇ－ｚｈｅ　

（Ｔｈｅ　Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ａ１Ｎ　ｆｉｌｍｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｏｎ　Ｐｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｂｙ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔｒｏｎ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｓｐｕｔｔｅ—　

ｒｉｎｇ，ｏｎ　ｗｈｉｃｈ　ＦＢＡＲ　ｗｉｔｈ　ＳｉＯｚ　ａｓ　ｔｈｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｃｅｌｌ　ｗａｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ＸＲＤ，ＳＥＭ　ａｎｄ　ＡＦＭ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　

第１９卷第５期　２００６年１０月　传感技术学报　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＮＳＯＲＳ　ＡＮＤ　ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ　ｖ０１．１９　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２００６　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｅｓｏｎａｎｔ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＦＢＡＲｓ　

ＴＡＮＧ　Ｌｉａｎｇ　，ＨＡＯ　Ｚｈｅｎ—ｈｏｎｇ。ＱＩＡＯ　Ｄｏｎｇ—ｈａｉ　（ＭＥＭＳ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ｆｉｌｍ　ｂｕｌｋ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ（ＦＢＡＲｓ）ｗｉｔｈ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　

ｉＳ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　Ｍａｓｏｎ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｏｄｅ１．Ｗｉｔｈ　ｔｈｉｓ　ｆｏｒｍｕｌａ．ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＦＢＡＲｓ　

ａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ【ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｅ—　

ｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｉｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｂｕｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ａｌｓｏ　ｐｌａｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅｓ．Ｆｏｒ　

ＦＢＡＲｓ　ｏｖｅｒ　５ＧＨｚ，ｉｔ　ｉｓ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ　ｔｏ　ｕｓｅ　Ａ１Ｎ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ＺｎＯ　ｆｏｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌａｙｅｒ．　

２５２　西安科技大学　学报　２０１０生　

由转移矩阵理论知，压电层是三端１３单元：一个端１３是电端口，包括ｃａ压Ｕ和ｃａ流，；其他２个端Ｉｓｉ都　

是声端１３，包括力Ｆ和质点振动速度　。如果一个声端１３连接一个声阻抗Ｚ　则电端１３可表示为　

．　・【ｕ．　㈩　

压ｃａ薄膜的转移矩阵［　］为　

＝　１【　１　／

。ｍＣｏ　鸺　

式中咖＝　ｃ。Ｚ。１／Ｖ是Ｍａｓｏｎ等效电路的转换比，这里ｋ　是压电　

薄膜的机电耦合系数；Ｃ。＝Ｂ３３ＳＳ／ｌ是面积为Ｓ的谐振器的钳定电　

容；　，　是压电薄膜垂直于表面方向的介电常数；ｚ是压电薄膜的厚　

度；　＝ｐＶＳ是密度为Ｐ的压电薄膜的声阻抗；Ｖ是压电薄膜沿垂直　

于表面方向的体纵波声速；日＝ｃｏｓ　一１＋　。ｓｉｎ　，这里　＝ｏＪｌ／Ｖ是　

压电薄膜中声波相位延迟；∞＝２　是角频率；ｚ　是电极阻抗。　

同理，根据转移矩阵理论，电极层作为各向同性物质，具有２个　

声学端１３，则顶电极Ｅ　的传输矩阵为　

［：　】＝［　ｉ　Ｃ　Ｏ，Ｓ，　＂，Ｙ　ｅ，ｚｉ　。ｊＺ。￣。ｌ　ｓ　ｉｎ，，　Ｙ。ｅ　】・［　］．　Ｚ

（ｏ（Ｚｏｃ　ｏｓ３＇）＋

＋ｊＺ　．　ｓｉｎ　ｙ　）］

２　ＣＯＳ　１　ｓｉｎ　（２）　（　一）＋　ｙＪ　

图２阻抗传递矩阵图　Ｆｉｇ．２　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｍａｔｒｉｘ　ｏｆ　ＦＢＡＲ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　

（３）　

式中Ｆ　。因为声学自由而取为零；　，＝∞２　。／Ｌ。是声波在顶电极中传播时产生的相位延迟；２　。是顶电极　

厚度；Ｉ／ｅ。是顶电极中的纵声波速度；ｚ。。＝ｐ　。Ｉ，ｅ　Ｓ是顶电极声阻抗；ｐ　。是顶电极密度。　

由公式（３）可得　ｚ　：　Ｆｏ＝　ｅｌｔａｎ　

底电极传输腊公式为嘲　ＣＯＳ＇　ｙ　￣：：ｊＺ嘶￣ｓｉｎ　ｙ　

其中各参数的定义与顶电极相似，因此　

ｚ　＝　Ｆ２＝　ｅ２ｔａｎ　（４）　

（５）　

（６）　

则由公式（１）（２）（４）和（６）可得输入电阻抗为　

ｚｉ　＝＝一ｕ

一　——１　［・——等－　：　！　—　；　—　；　：　—　—　：ｊ：　】．　（７）