薄膜体声波谐振器及其应用

1、引言

随着无线通讯技术，特别是第三代通信系统和蓝芽技术的迅速发展，工作在射频波段的通讯器件的微型化、低功耗、集成化及高性能越来越受到人们的重视。其中与超大规模集成电路工艺兼容的薄膜体声波谐振器(FBAR)最引人注目，它具有频率高、Q值高、体积小、承受功率大、换能效率高等诸多优点，己成为研究的热点之一。FBAR器件早在1982年开始出现在文献[1】中，但当时并没有引起人们的重视。在2001年，FBAR技术首次以双工器的形式出现在PCS中的蜂窝电话中，到2002年，安捷伦公司开始大规模生产FBAR，此时，FBAR器件开始引起业界的广泛关注。

2、FBAR的理论分析

薄膜体声波谐振器技术的发展前身应该是工作在厚度伸缩式模式下的石英谐振器，但由于石英不能被加工成所需更薄厚度，其最高谐振频率一般只能达到500MHz，于是人们将注意力转移到可以生长为微米级别厚度的压电薄膜。随着微电子机械系统和压电薄膜技术的发展，高性能UHF波段FBAR谐振器的制作成为可能。

FBAR的结构同石英谐振器相同，如图1所示。它是由上下平面金属电极和夹在它们中间的一层压电薄膜材料组成。当电压施加在电极上时，压电材料由于逆压电效应产生机械形变并在薄膜内激励出体声波，并在两电极平面之间来回反射，形成机械谐振，谐振基频波长等于压电薄膜厚度的两倍。

由于FBAR压电材料中体声波传播速度一般是5000~10000m／s，比表面声波快，因而其结构可以制作得更加精细，例如频率在1．6GHz谐振器可以做到厚度仅为3υm，电极厚度为0．3υm，典型面积为0．25mm×0．25mm。

FBAR谐振器性能的参数主要有串联谐振频率ƒs、并联谐振频率ƒp、品质因数Q、有效耦合系数，其中品质因数Q表示在谐振频率所储存的能量与所消耗的能量之比，反映了相对频率带宽的大小，其值为

安捷伦公司用压电材料生产的FBAR的Q值已经超过2500，已经接近理论最大值6．5％。正是这些优异的特性，使得该公司用FBAR设计的滤波器具有更低的通带内低插入损耗和更陡峭变化的过渡带。FBAR器件在设计、优化、版图设计中，广泛使用以下两种模型。

2．1、Mason模型

K．M．Lakin将压电陶瓷振子的梅森(Mason)模型引入到FBAR的设计中[2]，成为一维模型。它反映了FBAR特性阻抗与其压电材料的介电常数ε^s、物体密度ρ、弹性劲度C^E系数、压电应力系数e、薄膜的厚度h和有效横截面积A等参数之间的关系。该模型FBAR的输入阻抗为

式中，Z_r和Z₁是压电薄膜上下边界负载由压电薄膜阻抗归一化的声学阻抗；分别为压电薄膜的箝制电容、机电耦合系数和波矢量。

FBAR的特性阻抗Z_in（ω）最大和最小时对应的频率值，分别为FBAR的并联谐振频率和串联谐振频率，从而可进一步计算有效机电耦合系数。

由于Mason模型使用物体的材料参数和物理结构描述FBAR的特性阻抗，与当前微波仿真软件设计的要求不兼容，其应用范围受到了一定的限制。

2．2、MBVD模型

MBVD(modifiedbutterworth．vandyke)模型是如图2所示的等效电路模型[3]。C_p反映了压电材料的介电性质；R_m，L_m和C_m串联支路反应了压电材料的机械振动性质。为了更精确描述实际FBAR，又有两个电阻加在等效电路上，其中R_s代表了电极的阻值；R_p反映了压电材料的介质损耗和寄生的横波模式所造成的影响，模型中C_p/C_m值的大小同压

电材料中电能转换成机械动能的能力成反比。

该模型的串联谐振频率和并联谐振频率分别为

该模型使用六个集总参数元件描述FBAR，符合微波电路仿真软件设计的要求，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，但模型的缺点是仅能模拟FBAR谐振频率附近的阻抗特性，并不能给出整个频域的特性阻抗。

3、结论与分析

为了保证FBAR具有高Q值，必须保证声波在上下压电薄膜外边界表面的高反射效率，这就要求上下电极外表面与周围介质在声学上进行隔离。一般情况下，压电材料上面电极平面直接与空气接触，不需要考虑隔离问题，而为解决底部电极平面同外界保持声学隔离，主要形成了以下三种FBAR结构。

3．1、空腔声学隔离薄膜结构

l980年，T．W．Grudkowski报道了图3所示的FBAR结构[1]，该FBAR由平面电极间的三明治式淀积的压电薄膜构成，底部电极置于氮化硅薄膜上，氮化硅薄膜由衬底空腔四周边缘的顶部作为支撑，这样，使得氮化硅与衬底形成声学隔离。此种结构工艺上需要对衬底的底部进行腐蚀形成空腔，如果衬底是硅材料，则一般需要用KOH腐蚀。这种结构的难点是由于在衬底存在空腔，使得硅片变得十分脆弱易脆，并且由于使用KOH进行