薄膜体声波谐振器的研究进展.doc

题目：薄膜体声波谐振器及其研究进展
作者：贾丽沙
学号：2013050203030

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1-10GHz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，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2SMR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400P.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AgilentTechnologies公司利用AINFBAR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MotoakiHara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0.4