中科院聲學(xué)所薄膜體聲波諧振器及其應(yīng)用

1、引言

隨著無線通訊技術(shù)，特別是第三代通信系統(tǒng)和藍(lán)芽技術(shù)的迅速發(fā)展，工作在射頻波段的通訊器件的微型化、低功耗、集成化及高性能越來越受到人們的重視。其中與規(guī)模集成電路工藝兼容的薄膜體聲波諧振器(FBAR)引人注目，它具有頻率高、Q值高、體積小、承受功率大、換能效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，己成為研究的熱點(diǎn)之一。FBAR器件早在1982年開始出現(xiàn)在文獻(xiàn)[1】中，但當(dāng)時并沒有引起人們的重視。在2001年，F(xiàn)BAR技術(shù)首次以雙工器的形式出現(xiàn)在PCS中的蜂窩中，到2002年，安捷倫公司開始大規(guī)模生產(chǎn)FBAR，此時，F(xiàn)BAR器件開始引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。

2、FBAR的理論分析

薄膜體聲波諧振器技術(shù)的發(fā)展前身應(yīng)該是工作在厚度伸縮式模式下的石英諧振器，但由于石英不能被加工成所需薄厚度，其高諧振頻率一般只能達(dá)到500MHz，于是人們將注意力轉(zhuǎn)移到可以生長為微米級別厚度的壓電薄膜。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)和壓電薄膜技術(shù)的發(fā)展，高性能UHF波段FBAR諧振器的制作成為可能。

FBAR的結(jié)構(gòu)同石英諧振器相同，如圖1所示。它是由上下平面金屬電極和夾在它們中間的一層壓電薄膜材料組成。當(dāng)電壓施加在電極上時，壓電材料由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械形變并在薄膜內(nèi)激勵出體聲波，并在兩電極平面之間來回反射，形成機(jī)械諧振，諧振基頻波長等于壓電薄膜厚度的兩倍。

由于FBAR壓電材料中體聲波傳播速度一般是5000~10000m／s，比表面聲波快，因而其結(jié)構(gòu)可以制作得加精細(xì)，例如頻率在1．6GHz諧振器可以做到厚度僅為3υm，電極厚度為0．3υm，典型面積為0．25mm×0．25mm。

FBAR諧振器性能的參數(shù)主要有串聯(lián)諧振頻率?s、并聯(lián)諧振頻率?p、品質(zhì)因數(shù)Q、有效耦合系數(shù)，其中品質(zhì)因數(shù)Q表示在諧振頻率所儲存的能量與所消耗的能量之比，反映了相對頻率帶寬的大小，其值為

安捷倫公司用壓電材料生產(chǎn)的FBAR的Q值已經(jīng)超過2500，已經(jīng)接近理論大值6．5％。正是這些優(yōu)異的特性，使得該公司用FBAR設(shè)計(jì)的濾波器具有低的通帶內(nèi)低插入損耗和陡峭變化的過渡帶。FBAR器件在設(shè)計(jì)、優(yōu)化、版圖設(shè)計(jì)中，廣泛使用以下兩種模型。

2．1、Mason模型

K．M．Lakin將壓電陶瓷振子的梅森(Mason)模型引入到FBAR的設(shè)計(jì)中[2]，成為一維模型。它反映了FBAR特性阻抗與其壓電材料的介電常數(shù)ε^s、物體密度ρ、彈性勁度C^E系數(shù)、壓電應(yīng)力系數(shù)e、薄膜的厚度h和有效橫截面積A等參數(shù)之間的關(guān)系。該模型FBAR的輸入阻抗為

式中，Z_r和Z₁是壓電薄膜上下邊界負(fù)載由壓電薄膜阻抗歸一化的聲學(xué)阻抗；分別為壓電薄膜的箝制電容、機(jī)電耦合系數(shù)和波矢量。

FBAR的特性阻抗Z_in（ω）大和小時對應(yīng)的頻率值，分別為FBAR的并聯(lián)諧振頻率和串聯(lián)諧振頻率，從而可進(jìn)一步計(jì)算有效機(jī)電耦合系數(shù)。

由于Mason模型使用物體的材料參數(shù)和物理結(jié)構(gòu)描述FBAR的特性阻抗，與當(dāng)前微波仿真軟件設(shè)計(jì)的要求不兼容，其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。

目前聲學(xué)所可以提供如下成套系列產(chǎn)品：

目前聲學(xué)所可以提供成套如下產(chǎn)品：

壓電方面：ZJ-3型D33測試儀，ZJ-4型寬量程型D33測試儀，ZJ-6型D33/D31/D15測試儀，GDPT-900A型變溫壓電D33測試儀

介電方面：GWJDN-1000型高低溫介電測試系統(tǒng)，GWJDN-600型四通道高低溫介電測試儀

鐵電方面：ZT-4A鐵電測試儀，F(xiàn)E-5000型鐵電材料測試儀，JKTD-1000型鐵電測試儀

儲能設(shè)備：CFD-100型儲能電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)，CFC-003型儲能電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)

制樣方面：PZT-JH10/4型陶瓷極化裝置，PZT-JH30/3型復(fù)合極化裝置，PZT-JH30/1型PVDF薄膜極化裝置，PVDF-600型連續(xù)薄膜極化裝置系統(tǒng)， ZJ-D33-YP15型壓電陶瓷壓片機(jī).

2．2、MBVD模型

MBVD(modifiedbutterworth．vandyke)模型是如圖2所示的等效電路模型[3]。C_p反映了壓電材料的介電性質(zhì)；R_m，L_m和C_m串聯(lián)支路反應(yīng)了壓電材料的機(jī)械振動性質(zhì)。為了描述實(shí)際FBAR，又有兩個電阻加在等效電路上，其中R_s代表了電極的阻值；R_p反映了壓電材料的介質(zhì)損耗和寄生的橫波模式所造成的影響，模型中C_p/C_m值的大小同壓

電材料中電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械動能的能力成反比。

該模型的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率分別為

該模型使用六個集總參數(shù)元件描述FBAR，符合微波電路仿真軟件設(shè)計(jì)的要求，便于達(dá)到一定的濾波器頻率響應(yīng)指標(biāo)而對電路參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化電路參數(shù)的目的，但模型的缺點(diǎn)是僅能模擬FBAR諧振頻率附近的阻抗特性，并不能給出整個頻域的特性阻抗。