中科院声学所薄膜体声波谐振器及其应用
发布时间2023-03-29 浏览次数：285
中科院声学所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。其中与规模集成电路工艺兼容的薄膜体声波谐振器(FBAR)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薄厚度，其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设计的滤波器具有低的通带内低插入损耗和陡峭变化的过渡带。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εs、物体密度ρ、弹性劲度CE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，Zr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Zin（ω）大和小时对应的频率值，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。
目前声学所可以提供如下成套系列产品：
目前声学所可以提供成套如下产品：
压电方面：ZJ-3型D33测试仪，ZJ-4型宽量程型D33测试仪，ZJ-6型D33/D31/D15测试仪，GDPT-900A型变温压电D33测试仪
介电方面：GWJDN-1000型高低温介电测试系统，GWJDN-600型四通道高低温介电测试仪
铁电方面：ZT-4A铁电测试仪，FE-5000型铁电材料测试仪，JKTD-1000型铁电测试仪
储能设备：CFD-100型储能电介质充放电测试系统，CFC-003型储能电介质充放电测试系统
制样方面：PZT-JH10/4型陶瓷极化装置，PZT-JH30/3型复合极化装置，PZT-JH30/1型PVDF薄膜极化装置，PVDF-600型连续薄膜极化装置系统， ZJ-D33-YP15型压电陶瓷压片机.
2．2、MBVD模型
MBVD(modifiedbutterworth．vandyke)模型是如图2所示的等效电路模型[3]。Cp反映了压电材料的介电性质；Rm，Lm和Cm串联支路反应了压电材料的机械振动性质。为了描述实际FBAR，又有两个电阻加在等效电路上，其中Rs代表了电极的阻值；Rp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Cp/Cm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。