基于微機(jī)電系統(tǒng)的薄膜體聲波諧振器技術(shù)

郭曉慧

摘 要 隨著我國(guó)無(wú)線通訊的飛速發(fā)展，通訊器件的微型化、低功耗、低成本、高性能與集成化等越來(lái)越受人們關(guān)注?；谖C(jī)電系統(tǒng)的薄膜體聲波諧振器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗與微型化的重要技術(shù)，薄膜體聲波諧振器具有體積小、頻率高、換能效率高等諸多優(yōu)勢(shì)。為了對(duì)基于微機(jī)電系統(tǒng)的薄膜體聲波諧振器有一個(gè)更深層次的認(rèn)識(shí)，文章闡述了薄膜體聲波諧振器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，并分析了薄膜體聲波諧振器及技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 微機(jī)電系統(tǒng)；薄膜體聲諧振器；技術(shù)；原理；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN015 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）06-0007-02

薄膜體聲諧振器及相關(guān)技術(shù)是現(xiàn)今技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其具有頻率高、承受功率大、體積小等多種優(yōu)勢(shì)，因此越來(lái)越引起相關(guān)研究者的重視。在市場(chǎng)需求不斷增加和微加工技術(shù)的日益成熟，薄膜體聲諧振器技術(shù)在各種器件生產(chǎn)制造中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，對(duì)實(shí)現(xiàn)各種器件的低成本制造具有一定的經(jīng)濟(jì)學(xué)意義。

1 薄膜體聲波諧振器的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

1.1 薄膜體聲諧振器的工作原理

薄膜體聲諧振器英文簡(jiǎn)稱FBAR，其是利用聲學(xué)諧振實(shí)現(xiàn)電學(xué)選頻的一種器件，該器件的工作區(qū)主要是由壓電膜、金屬底電機(jī)、金屬上電級(jí)等元件組成。薄膜體聲諧振器的工作原理是當(dāng)電信號(hào)加載到薄膜體聲諧振器上時(shí)，該器件內(nèi)部的壓電薄膜會(huì)利用逆壓電效應(yīng)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，并根據(jù)器件特有的聲學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)不同頻率的聲信提供可選擇性。薄膜體聲諧振器在工作過(guò)程中聲信號(hào)若滿足聲波全反射條件，那么其將會(huì)器件內(nèi)部產(chǎn)生諧振，若聲信號(hào)不滿足諧振條件，那么其聲信號(hào)就會(huì)相對(duì)衰減，在頻譜上聲信號(hào)與諧振的頻率差距越大，那么聲信號(hào)的衰減速度會(huì)越來(lái)越快。在薄膜體聲諧振器內(nèi)部幅度相位存在差異的聲信號(hào)可以利用壓電薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并將其等比例輸出。薄膜體聲諧振器與陶瓷濾波器及晶體諧振器的工作原理具有一定的共通，不同的是，薄膜體聲諧振器的壓電膜厚度屬于微米量級(jí)，其在工作中的頻率可以達(dá)到吉赫茲級(jí)。

1.2 薄膜體聲諧振器的基本結(jié)構(gòu)

薄膜體聲諧振器在不同時(shí)期其基本結(jié)構(gòu)也是不同的，目前薄膜體聲諧振器主要有三種結(jié)構(gòu)形式，分別是橫膈膜型、空氣腔型與反射陣型。

橫膈膜型是薄膜體聲諧振器早期應(yīng)用較為普遍的一種結(jié)構(gòu)模式，這種結(jié)構(gòu)主要是采用Si材料的各向異性，并通過(guò)MEMS方法對(duì)襯底材料進(jìn)行刻蝕，從而形成僅有幾微米厚度的橫膈膜。這種結(jié)構(gòu)方式在應(yīng)用中具有一定的局限性，在薄膜體聲諧振器工作區(qū)域，若將比工作區(qū)域面積大的襯底移除，那么會(huì)造成薄膜體聲諧振器整體不穩(wěn)定，致使其可靠性下降。并且橫膈膜的厚度與壓電膜厚度相比，其厚度較大，這樣很容易造成聲泄露。

空氣腔型是薄膜體聲諧振器最成功的結(jié)構(gòu)形式，電極與壓電膜加工完畢后移除其下方位置的犧牲層材料，從而形成空氣腔，這樣可以有效減少聲泄露。該結(jié)構(gòu)與橫膈膜結(jié)構(gòu)相比存在較大的差異性，空氣腔結(jié)構(gòu)面積與薄膜體聲諧振器工作區(qū)面積之比接近1：1，然而橫膈膜結(jié)構(gòu)壓電膜與隔膜厚度之間的比值則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，空氣腔結(jié)構(gòu)比橫膈膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

反射陣型是一種基于布喇格諧振腔原理的結(jié)構(gòu)，在薄膜體聲諧振器中聲波會(huì)沿著襯底進(jìn)行傳播，因此可以在襯底上部設(shè)置一定的反射層，盡可能的將聲波能量反射回去。若其在工作中滿足布喇格諧振的條件，那么聲波將會(huì)在反射層與壓電膜形成駐波，從而實(shí)現(xiàn)器件的諧振。另外，薄膜體聲諧振器在聲波傳播中，在聲阻抗不連續(xù)的狀況下聲波會(huì)產(chǎn)生一定的反射，一般情況下聲阻抗差異性越大，那么其反射的效率也會(huì)隨之增高。

2 基于微機(jī)電系統(tǒng)的薄膜體聲波諧振器技術(shù)應(yīng)用

2.1 基于薄膜體聲諧振器技術(shù)的濾波器

基于薄膜體聲諧振器技術(shù)的濾波器工作頻率較高，并且損耗量較低，功率承受能力較強(qiáng)、并且溫度十分穩(wěn)定。那么在工作中要提高濾波器的頻率，可以將多個(gè)諧振頻率不同的薄膜體聲諧振器級(jí)聯(lián)在一起，通過(guò)這種方法可以滿足射頻濾波器的要求。

現(xiàn)今基于薄膜體聲諧振器技術(shù)的濾波器有三種基本架構(gòu)，分別是梯形結(jié)構(gòu)、橋式結(jié)構(gòu)、橋式結(jié)構(gòu)與梯形結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)形式。其中梯形結(jié)構(gòu)的濾波器是基于薄膜體聲諧振器技術(shù)的濾波器常用的機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有陡峭抑制的響應(yīng)。橋式結(jié)構(gòu)的濾波器的滾降系數(shù)較低，但是其無(wú)用頻帶抑制與梯形結(jié)構(gòu)濾波器相比更高。三種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)勢(shì)及局限性，利用WCDMA射頻前段技術(shù)將梯形結(jié)構(gòu)與橋式結(jié)構(gòu)的濾波器合理結(jié)合，可以使濾波器在接近通帶的位置產(chǎn)生陡峭響應(yīng)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)用頻帶的隔離。

2.2 基于薄膜體聲諧振器技術(shù)的雙工器

雙工器是通訊系統(tǒng)中的重要設(shè)備，在通訊系統(tǒng)中發(fā)揮著重要性作用。合理利用薄膜體聲諧振器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)制造，雙工器就是在薄膜體聲諧振器技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。新一代依據(jù)薄膜體聲諧振器技術(shù)生產(chǎn)制造的雙工器面積僅僅有1.6 mm×2.0 mm，高度在1.0以下，但其在工作中的頻率卻可以達(dá)到1850～1910 MHz，典型插入損耗量為2.5dB，該器件發(fā)送功率的處理能力較強(qiáng)，因此在市場(chǎng)上非常受企業(yè)及人們的歡迎。

2.3 基于薄膜體聲諧振器技術(shù)的振蕩器

振蕩器與低抖動(dòng)率都是無(wú)線通信與有線通信領(lǐng)域中必不可少的設(shè)備，基于薄膜體聲諧振器技術(shù)的振蕩器具有低成本、小尺寸以及高性能等諸多優(yōu)勢(shì)，是在SAW與陶瓷等多種振蕩器上發(fā)展起來(lái)的。現(xiàn)今已有公司利用薄膜體聲諧振器技術(shù)制作出固定頻率的振蕩器，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研發(fā)得出，中心頻率在1985 MHz的電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩器的調(diào)節(jié)，其可調(diào)范圍在2.5 MHz，而其在工作中所產(chǎn)生的相位噪聲則在-112dBc。

3 基于微機(jī)電系統(tǒng)的薄膜體聲波諧振器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

利用薄膜體聲諧振器技術(shù)不僅可以生產(chǎn)制作濾波器、雙工器以及振蕩器等多種小體積、高性能的微波器件，完善微機(jī)電系統(tǒng)，同時(shí)還可以利用該技術(shù)，結(jié)合低噪聲功率放大器等一些有源器件進(jìn)行集成操作，從而建立體積更小，性能更高的射頻系統(tǒng)。薄膜體聲諧振器技術(shù)性較強(qiáng)，應(yīng)用較為廣泛，目前薄膜體聲諧振器技術(shù)與輔助電路基本上都是單獨(dú)制作，將其有科學(xué)組裝在一起，形成片上集成電路薄膜體聲諧振器技術(shù)，這種集成性技術(shù)不僅能夠縮小射頻前端的體積及成本，同時(shí)還有可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單芯片集成。

薄膜體聲諧振器技術(shù)還有一個(gè)全新的發(fā)展方向，那就是其在更高頻段的應(yīng)用。目前我國(guó)濾波器所運(yùn)用的薄膜體聲諧振器技術(shù)僅是該技術(shù)的基本諧振模式，大大限制了濾波器的工作頻率。在技術(shù)研究中可以往更高次諧波模式方向發(fā)展，這樣濾波器就可以在更高層頻段上應(yīng)用，擴(kuò)大濾波器的使用范圍。同時(shí)利用薄膜體聲諧振器技術(shù)實(shí)現(xiàn)高次諧波諧振磨模式還可以有效降低該器件在工作中的機(jī)電耦合系數(shù)，限制濾波器的相對(duì)通帶，提高濾波器在工作運(yùn)行中的安全性。

4 總結(jié)

薄膜體聲諧振器技術(shù)是由多學(xué)科交叉的一種先進(jìn)技術(shù)，迄今為止，薄膜體聲諧振器的基本結(jié)構(gòu)有三種，這三種基本結(jié)構(gòu)各有其功能性，也因此造就了薄膜體聲諧振器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。將該技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)制作中，可以制作出多種不用功能的器件，例如濾波器、雙工器、振蕩器等。就薄膜體聲諧振器技術(shù)現(xiàn)今的發(fā)展趨勢(shì)而言，其電性滿足了移動(dòng)通訊的要求，具有十分廣泛的發(fā)展空間。

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