高Q值横向激发体声波谐振器的设计与制备

随着5G移动通信时代的发展,射频前端(RF front-ends)的滤波和信号处理迫切需要高频大带宽的声学谐振器。横向激发体声波谐振器(XBAR)具有超高的工作频率和超大的机电耦合系数(k²),但其品质因数(Q)值不高,阻碍了其在射频前端中的应用。该文提出了一种基于ZY切铌酸锂(LiNbO₃)的XBAR谐振器,通过有限元(FEM)仿真对谐振器进行了优化设计,并在微机电系统(MEMS)工艺下对谐振器进行加工。该文所制备的横向激发体声波谐振器A₁模式的谐振频率为4.72 GHz,k²=26.9%,Q_{3 dB}为384,温度频率漂移系数为-60.5×10^-6/℃。A₃模式的谐振频率为13.5 GHz,k²=4.4%。     

超大带宽高频XBAR谐振器研究

随着第五代移动通信(5G)时代的到来,高频、大带宽的谐振器成为通信行业的迫切需求。该文设计制备了一款可实现高频超大带宽的横向激发体声波谐振器(XBAR)。该谐振器A1模式的谐振频率为5.81 GHz,机电耦合系数可达39.6%,Q-3 dB为248;A3模式的谐振频率高达17.04 GHz,机电耦合系数为7.0%。该谐振器A1和A3模式的频率温度漂移系数(TCF)分别为-72.6×10^-6/℃和-38.5×10^-6/℃。此外,该文还提出了一种新型叉指电极(IDT)结构,该结构可以抑制寄生模式,提升谐振器性能。     

适用于宽带滤波器的I.H.P.SAW基底结构优化设计

超级高性能(I.H.P.)SAW器件因具有优异的品质因数(Q)值及温度稳定性而备受关注。为用于宽带滤波器的研发，对双层结构(Cu电极/Y旋转5°切LiNbO₃压电层/SiO₂功能层/Si衬底)的I.H.P. SAW基底结构设计进行了研究。考虑质量加载效应，结合电极与压电层界面上的应力与自由电荷分布特点，采用精确的有限元/边界元法(FEM/BEM)理论进行研究。利用多层结构的连续性边界条件，计算多层复合格林函数以及谐振器导纳值，寻求谐振点与反谐振点之间最大频率差以优化基底结构尺寸。计算结果表明，对金属化比为0.5，结构周期(λ/2)为2 μm的器件，当功能层、压电层、电极层厚分别为0.15λ、0.2λ、0.037 5λ时，谐振频率点为880 MHz，反谐振点为1 018 MHz，由此可获得138 MHz的最大频率差。此结论为应用于宽带滤波器的I.H.P. SAW器件的设计提供了指导。     

高频低温漂TC-SAW滤波器的设计

该文设计了一款温度补偿型声表面波（TC-SAW）滤波器,建立了弹性材料及压电材料温度方程,对滤波器的温度场进行仿真分析。通过在压电材料（128°YX-LiNbO₃）上沉积SiO₂作为温度补偿层,降低了滤波器的频率温度系数。为了解决在沉积SiO₂温度补偿层后,谐振器的反谐振频率处出现杂散响应,通过增加电极厚度,降低了谐振器杂散响应对滤波器性能的影响。采用四阶级联提高滤波器的带外抑制。仿真结果表明,设计的TC-SAW滤波器中心频率为2 497 MHz,频率温度系数为-9.89×10^-6/℃,-30~85 ℃工作温度范围内的带内最大插损为1.95 dB,带外抑制大于30 dB,-3 dB损耗带宽大于97 MHz。     

基于IDTs电极分层布局结构的瑞利波器件特性研究

现代科技的发展对高频声表面波(SAW)器件的需求不断增加,对其工作频率也提出了更高的要求。为了提高SAW器件的频率,该文构建了一种IDTs电极分层布局的器件模型,即IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构,并采用有限元法分析其声学性能,包括导纳、相速度、机电耦合系数等。结果表明,IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构可激发出瑞利波,且当AlN压电薄膜厚度h_AlN=0.4λ(λ为器件周期),水平中心距P_b=4 μm时,其工作频率为692 MHz,传统的IDTs/AlN/R-sapphire结构器件提高了近1倍(356 MHz),而此时机电耦合系数K²为0.3%,比传统结构高。另外,通过优化IDTs电极的结构参数可进一步改善、调制瑞利波器件的性能。当IDTs的上层铜电极和下层铝电极厚度之比Δh=1.2,P_b=4 μm,h_AlN/λ=0.5时,瑞利波器件的谐振频率为657.9 MHz,K²=1.27%;当Pb=6 μm时,瑞利波的工作频率为461 MHz,机电耦合系数达到最大(K²_max=1.34%),较传统IDTs单层布局结构瑞利波器件分别提升了30%和300%。结果表明,IDTs电极分层布局结构不仅可有效地提高SAW器件的工作频率和机电耦合系数,也可以降低高频SAW器件的制备难度。     

钝化层对声表面波滤波器的影响

为了研究钝化层对声表面波(SAW)滤波器性能的影响,以二氧化硅(SiO₂)薄膜为钝化层,对厚度为12~80 nm 的SiO₂膜钝化层工艺数据进行分析。结果表明,当SiO₂膜钝化层覆膜厚度大于25 nm时其膜层质量均匀性好,致密度高。同时SiO₂膜钝化层厚度对膜层间的粘性、传播损耗、自身的质量负载及谐振峰处的频率均有影响,且会引起过渡带宽发生变化。     

基于SOI衬底的宽带低损耗声表面波滤波器研究

使用结构为42°Y-X LiTaO₃(600 nm)/SiO₂(500 nm)/Si的SOI衬底，通过抑制横向模式等优化设计，研制了单端谐振器和声表面波滤波器。经测试，谐振器的谐振频率为1.5 GHz，品质因数(Q)值高达4 000；滤波器的中心频率为1 370 MHz，插入损耗为-1.2 dB，1 dB带宽为74 MHz，相对带宽达到5.4%，阻带抑制大于40 dB，且温度系数在-55~+85 ℃时优于-9×10^-6/℃。该产品具有高频、宽带、低损耗、低温漂、高阻带抑制的特点，其性能指标优异，具有很好的实用性。     

聚苯乙烯/六方氮化硼微波复合基板的制备与性能研究

针对高功率器件、高密度封装等微波通信领域对高性能微波复合基板的迫切需求，该文提出了一种将双螺杆造粒和热压成型结合的新技术，制备了以高抗冲聚苯乙烯(HIPS)为基体、六方氮化硼(h-BN)陶瓷为填料的高导热微波复合基板，并对基板的显微结构、热学性能和介电性能进行了全面表征。结果表明，采用大粒径(?25 μm)的h-BN(h-BN₂₅)比小粒径(?5 μm)的h-BN(h-BN₅)填充后更有利于提高复合基板的热导率(λ)，降低其介电损耗(tan δ)。随着h-BN₂₅质量分数(w(h-BN₂₅))从0增加至70%，HIPS/h-BN₂₅微波复合基板的λ从0.13 W·m^-1·K^-1提高到7.43 W·m^-1·K^-1(面内)和2.55 W·m^-1·K^-1(面间)，分别是纯HIPS的57倍和20倍，表明采用以上制备技术能实现h-BN在HIPS基体中的定向排列，构建有效的面内导热网络。同时复合基板的tan δ由7.3×10^-4降低至5.3×10^-4(10 GHz下)，热膨胀系数α从93.8×10^-6/K降至18.7×10^-6/K。填充w(h-BN₂₅)=70%的HIPS/ h-BN₂₅微波复合基板综合性能优异，10 GHz时，其介电常数ε_r=3.9，tan δ=5.3×10^-4，λ=7.43 W·m^-1·K^-1，α=18.7×10^-6/K，在微波通信领域具有良好的应用前景。     

SiNx/SiOxNy叠层结构防潮能力的研究

研究了等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺参数对SiN_x及SiO_xN_y防潮能力的影响,并测试了SiN_x/SiO_xN_y叠层薄膜的水汽渗透速率(WVTR)。实验结果表明:单层SiN_x薄膜和SiO_xN_y薄膜都存在临界厚度,当膜厚大于临界值时,继续增大厚度不会明显改善薄膜的WVTR。当沉积温度从50℃提高到250℃,SiN_x薄膜的WVTR从0.031g/(m²·day)降至0.010g/(m²·day)。SiO_xN_y沉积时,增大N₂O通入量对薄膜的WVTR影响不明显,但可以有效改善薄膜的弯曲性能。最后,4个SiN_x/SiO_xN_y叠层膜的WVTR下降到了4.4×10-4g/(m²·day)。叠层膜防潮能力的显著提升归因于叠层结构可以有效解耦层与层之间的缺陷,延长水汽渗透路径。     

SiO2/W反射叠层的分布电容对体波谐振器的影响

该文使用SiO₂和金属材料钨（W）构造布喇格反射叠层,将其应用于由横向电场激励体声波谐振器（XBAR）,并分析了金属层对谐振器性能的影响。所设计的谐振器以128°YX-切铌酸锂为压电层,Al为电极,SiO₂和W为周期层叠结构,单晶硅作为衬底的固态装配型谐振器（SMR）,利用叉指电极换能器（IDT）激发出A1模式。首先计算声阻抗层厚度对SiO₂/W叠层传输系数的影响,得到中心频率为3.7 GHz的布喇格阻带。横波（主模）在经过叠层时被反射,纵波（杂模）则部分地泄露到衬底。由于钨具有电导性,致使IDT与钨之间形成并联分布电容,改变了原有的电场分布,导致谐振器的耦合系数下降。通过实验测试谐振器的实际性能,获得耦合系数为12%。虽然W具有高声阻抗,但分布电容的影响恶化了电气参数。