2022年薄膜体声波谐振器的研究进展 .pdf

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1、题目：薄膜体声波谐振器及其研究进展作者：贾丽 沙学号： 2013050203030 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 4 页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

2、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

3、。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

4、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 4 页图 2 SMR 结构的 FBAR 示意图对于 FBAR 而言

5、,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

6、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

7、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23dB。 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

8、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(50m)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、 F

9、BAR 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 : 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 4 页(1)机电耦合系数K2t: 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

10、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 :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 ,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

11、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 ,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

12、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 .薄膜体声波谐振器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 4 页