布喇格反射型宽带单晶薄膜体声波滤波器

该文研究了一种新型布喇格反射型薄膜体声波（BAW）滤波器的设计方法与制备技术。BAW器件选择机电耦合系数较大的Y43° 铌酸锂（Y43° LN)单晶薄膜作为压电层材料,并以苯并环丁烯（BCB）作为晶圆键合层,采用离子注入剥离法将亚微米厚度的Y43° LN单晶薄膜转移至具有布喇格反射层的衬底。BCB既作为键合层,也作为布喇格反射层的第一低声阻抗层,实现了单晶BAW滤波器的制备。设计并制备了三阶BAW滤波器,中心频率为2.93 GHz,绝对带宽和分数带宽分别为247 MHz和8.4%。结果表明,采用薄膜转移技术制备的高机电耦合系数LN单晶薄膜能够实现大带宽BAW滤波器的制备。     

单晶薄膜体声波谐振器频率温度特性研究

采用离子注入剥离法转移制备了43°Y 切铌酸锂(LiNbO3,LN)单晶压电薄膜材料,以SiO2/Mo作为声反射结构制备了固态声反射型薄膜体声波器件。谐振器工作频率约为3 GHz,LN薄膜等效机电耦合系数达到14.15%。对谐振器的频率温度特性进行了表征,结果表明,尽管LN单晶的频率温度系数为(-70~-90)×10-6/℃,但由于声反射结构中包含有正温度系数的SiO2层,谐振器的频率温度系数降至-18×10-6/℃,这表明固态声反射结构能够有效抑制单晶LN薄膜的温漂,获得低频率温度系数的谐振器器件。     

LiNbO_3单晶薄膜体声波谐振器的研制

该文介绍了一种采用智能截割(Smart Cut~(TM))技术制备的单晶铌酸锂(LiNbO_3)薄膜体声波谐振器。采用COMSOL有限元仿真软件从材料和结构两方面对LiNbO_3薄膜体声波谐振器进行优化设计,以实现高机电耦合系数,并通过Smart Cut~(TM)工艺方法制备了高性能Z切-LiNbO_3单晶薄膜作为谐振器的压电层,最终得到LiNbO_3薄膜体声波谐振器的谐振频率为3 847.5 MHz,反谐振频率为3 986.25 MHz,插入损耗为1.81 dB,谐振器有效机电耦合系数达到8.3%。     

Avago Technologies采用TSV制备MEMS滤波器

正Avago Technologies公司的BAW滤波器是一款采用其薄膜体声波谐振器(FBAR)与微帽技术制备的全硅MEMS产品,每年量产超过10亿台,市场份额为65%,显然其在BAW滤波器市场占主导地位。Avago Technologies公司的FBAR采用硅基MEMS技术,其共振层由AlN压电材料制作。其ACMD-7612专为手机和数据终端设计,工作在UMTS频率范围,其TX端口最大射频输入功率为     

体声波滤波器的电磁-热耦合仿真方法

为了快速有效地得到体声波(BAW)滤波器在给定功率水平下的3D温度分布,提出一种电磁-热耦合仿真方法。首先搭建BAW滤波器的热仿真模型,并设置电磁-热耦合求解方式;然后由热仿真模型生成BAW滤波器的电磁模型,以提取BAW滤波器电磁模型中的导体损耗。最后以提取的损耗作为热仿真的热源,并由电磁-热耦合仿真得到滤波器的3D温度分布。仿真结果表明,在输入功率为1 W时,该BAW滤波器的7只谐振器中,第一只串联谐振器和第一只并联谐振器分别为最热的串联谐振器和最热的并联谐振器;滤波器案例中的热点温度为81.472℃,出现在第一只并联谐振器的顶电极中;冷点温度为49℃,出现在第三只并联谐振器的压电层中。     

Lamb波模态体声波压电谐振器仿真研究

随着现代通信技术的发展,对高性能射频器件的需求愈加急迫。体声波(BAW)谐振器凭借其独特的优势,满足了高频应用领域的需求,成为当下射频器件中热门的研究方向之一。该文提出一种基于叉指电极的兰姆波S0模态BAW谐振器,并讨论了支撑锚结构和压电材料对器件的品质因数(Q)值的影响,仿真分析了4种锚结构和3种压电材料下器件的品质因数情况。同时基于仿真得到的氮化铝BAW谐振器单元,采用梯形级联方式得到频带在70.36～71.45 MHz的BAW滤波器,插入损耗>-1 dB,能够适用于高频窄带应用范围。     

氧化锌薄膜体声波谐振器的研制

介绍了一种薄膜体声波谐振器和它的制备流程.该谐振器采用氧化锌压电薄膜作为压电材料,通过从硅片背部体刻蚀硅衬底的方法得到谐振器的支持层.为了避免残余应力引起的支持层起皱现象,采用氮化硅/二氧化硅/氮化硅复合膜作为支持层.采用直流磁控溅射的方法制备氧化锌压电薄膜,X射线衍射结果显示,氧化锌压电薄膜C轴择优取向明显,衍射峰半高宽为0.227 3°,显示出较好的结晶质量;扫描电镜观察到氧化锌垂直于薄膜表面的柱形晶粒结构,薄膜表面平整、致密.采用HP8753D射频网络分析仪对该薄膜体声波谐振器样品进行了测试,结果表明,谐振器具有明显的厚度伸缩振动模式,其基频在750 MHz左右,二次谐频在1.5 GHz左右.进一步提高氧化锌压电薄膜的性能,该谐振器可用于射频振荡源和射频前端滤波器中.     

体声波滤波器的片上测试与性能表征

为了表征制备的L波段体声波(BAW)滤波器的性能,采用射频探针台和矢量网络分析仪片上测试获得了BAW滤波器的S参数;在ADS软件环境下计算了BAW滤波器的各项性能参数。比较实测与仿真得到的S参数曲线,发现:低阻硅衬底会使BAW滤波器的带内插损显著增加;BAW滤波器中各薄膜体声波谐振器(FBAR)单元的薄膜沉积厚度误差会使BAW滤波器的带内波动偏大,且FBAR薄膜厚度较设计值增大时BAW滤波器的中心频率会向下偏移。以制备的一只BAW滤波器为例,测得其中心频率为1 495MHz,带宽为17MHz,带内插损为-46.413dB,带内波动为2.816dB,带外抑制为-72.525dB/-79.356dB,电压驻波比为1.940。该文给出的BAW滤波器片上测试与性能表征方法具有通用性。     

AlN薄膜体声波谐振器性能分析

采用体硅微细加工工艺制备了背空腔型AlN薄膜体声波谐振器。研究了压电层、上电极及支撑层厚度对谐振器性能的影响。测试结果表明,谐振器所用AlN压电薄膜具有(002)择优取向,器件频率特性良好。当上电极、压电层、底电极和支持层的厚度分别为110,2600,110,200nm时,谐振频率为1.759GHz,机电耦合系数3.75%,品质因数79.5。结合Mason等效电路模型模拟分析与实验结果,分析了各层厚度对频率特性的影响机理。     

压电和铁电薄膜及其应用的发展趋势

本文讨论了压电和铁电薄膜材料及其在固体器件中应用的发展趋势。薄膜生长技术的进展,为压电和铁电薄膜集成固体器件在各个领域的应用开辟了广阔的前景。ZnO和AIN薄膜将广泛地用于SAW和BAW器件。特别是成功地制作了薄膜体声波谐振器和高次谐波体波谐振器。以PbTiO_3为基的PZT和PLZT固溶体外延薄膜将应用于热电探测器和SAW器件。在实现了对多层薄膜的界面结构及其特性的成功控制之后,铁电薄膜将在铁电存储和集成光学领域发挥重要作用。     

体声波谐振器质量负载等效电感的量化方法

体声波(BAW)谐振器受到质量负载时,谐振器的Butterworth Van Dyke(BVD)电路模型中会增加1个质量负载等效电感,为得到该电感与负载质量的量化关系,以便对BAW传感器进行系统行为仿真,该文提出了3D多物理场-等效电路仿真对比建模的方法。通过对比COMSOL Multiphysics软件的3D多物理场仿真结果与ADS的等效电路仿真结果得到质量负载等效电感和负载质量的量化关系。以一个薄膜体声波谐振器(FBAR)为例,介绍了该方法的详细过程,并得到案例中的量化关系为:质量负载等效电感每增加1nH,负载质量增加0.1ng。最后将该量化关系应用于基于Pierce振荡器的BAW传感器检测电路的系统级行为仿真。仿真结果表明,质量负载等效电感每增加1nH,振荡频率减小6 MHz,即振荡频率的变化情况与等效电路仿真结果相吻合,从而验证了该检测电路能用于BAW传感器的频率信号的检测。该量化方法同样适用于石英晶体微天平(QCM)。     

基于薄膜体声波谐振器的高灵敏度质量传感器

提出了一种针对于生物传感应用的薄膜体声波谐振(Thin film bulk acoustic resonator,FBAR)质量传感器。薄膜体声波谐振器谐振频率非常高(GHz数量级),同时具有很高的品质因数,因此基于这种器件的质量传感器具有非常高的质量灵敏度。提出了三对全金属Al-W层作为布拉格声学反射层的FBAR,采用AlN作为压电层,制备出了固态装配型FBAR传感器。通过淀积不同厚度Al层顶电极,对器件的质量灵敏度进行了分析,得到质量传感器串联谐振频率在2.8GHz附近,质量响应度达到5×10-4ng/Hz/cm2,可以实现分子量级的质量传感。     

压电MEMS兰姆波器件技术的最新进展与展望

兰姆波谐振器(LWR)作为一种新兴的压电微机电系统(MEMS)声学器件,同时具有高工作频率、高机电耦合系数、高品质因数值及低功耗等特点,其制造工艺与集成电路工艺兼容,可在单片晶圆上实现多频率器件。基于LWR的声学滤波器是实现高性能射频前端组件的有效解决方案之一,能够满足未来通信设备多频率及集成化的发展要求,其相关研究已成为微声器件领域的热点。该文简要介绍了兰姆波的基本原理,综述了近年来基于氮化铝(AlN)薄膜和铌酸锂薄膜(LNOI)的压电MEMS兰姆波器件研究取得的最新成果,并讨论了压电MEMS兰姆波器件的发展趋势。     

AlN薄膜异质结构声波激发特性研究

该文分别开发了两种基于 AlN 压电材料和原子数分数为10%的Sc掺杂 AlN 压电材料的薄膜叠层异质谐振器。通过有限元仿真和实验对比分析了器件的频率温度性能和 Sc掺杂对谐振器声激励的影响。结果表明,Sc掺杂可能会影响压电薄膜叠层谐振器所激励声波的谐振频率、机电耦合系数和对应的频率温度系数(TCF), 且对所激励声波的正反谐振点的 TCF影响不同。此研究在传感及滤波器件领域极具应用潜力。     

Si基薄膜体声波谐振器(FBAR)技术研究

介绍了目前国际上主流的薄膜体声波谐振器(FBAR)技术,分析了FBAR谐振器的结构设计和压电薄膜选取方案。依托Si基半导体工艺平台,采用牺牲层技术完成了空气腔的制作,利用磁控反应溅射技术制备的高质量(002)AlN薄膜作为压电材料,基于FBAR多层立体结构,实现了空气腔型FBAR谐振器的制作工艺,实际制作了FBAR谐振器样品。实测FBAR谐振器样品典型指标:Q值≥300,谐振频率为1.46 GHz,谐振频率覆盖L波段。测试结果验证了设计方案及工艺路径的正确性与可行性,为后续产品的研发提供了技术基础。     

基于耦合模理论的体声波环行器设计

体声波(BAW)环行器是基于角动量偏置的一类新型无磁环行器,为了能准确地预测BAW环行器的性能,该文给出了一种基于耦合模理论(CMT)的设计方法。首先由CMT推导出BAW环行器的解析模型;然后利用Matlab绘制出归一化调制参数与环行器性能指标之间的关系图,并从图中选择环行器综合性能较好的调制参数点;接着以串联谐振频率1.752 GHz、品质因数1 593的体声波谐振器(BAWR)为例,计算出解析模型中的系数,同时确定调制信号频率和调制深度;再利用Matlab编程绘制出BAW环行器的S参数完成设计;最后将基于CMT计算的结果和基于ADS软件谐波平衡(HB)仿真结果进行对比。对比分析结果表明,基于CMT设计的BAW环行器插入损耗、端口隔离度、回波损耗与HB仿真结果基本吻合,验证了CMT设计方法的可行性。     

压电单晶薄膜衬底光刻工艺研究

单晶薄膜声表面波(SAW)滤波器因其低损耗,低频率温度系数及大带宽而成为高性能SAW滤波器未来发展的方向。针对单晶薄膜衬底反射带来的换能器指条锯齿和均匀性恶化的问题,该文采用了有机抗反射膜工艺,通过控制抗反射膜的膜厚将衬底的相对反射率由15.84%降低至1.08%,制作出整齐无毛刺的叉指换能器指条,并将SAW谐振器的伯德Q(BodeQ)值由1 400提升到1 950。     

薄膜体声波谐振器调频工艺研究

薄膜体声波器件具有体积小及性能高等优势,相关产品已被广泛应用于移动通信市场。薄膜体声波谐振器(FBAR)电极层和压电层等声学层的厚度、材料是影响谐振频率的主要因素。该文分析了FBAR调频的必要性、原理及扫描刻蚀的工作方式,研究了调频层薄膜在不同刻蚀功率时对器件频率的影响。通过对FBAR器件进行调频,频率均匀性提高了6.5倍,频率分散性得到显著改善。