基于微機電系統的薄膜體聲波諧振器技術

郭曉慧

摘 要 隨著我國無線通訊的飛速發展，通訊器件的微型化、低功耗、低成本、高性能與集成化等越來越受人們關注。基于微機電系統的薄膜體聲波諧振器技術是實現系統低功耗與微型化的重要技術，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勢。為了對基于微機電系統的薄膜體聲波諧振器有一個更深層次的認識，文章闡述了薄膜體聲波諧振器的基本結構與工作原理，并分析了薄膜體聲波諧振器及技術的應用與發展趨勢。

關鍵詞 微機電系統；薄膜體聲諧振器；技術；原理；應用

中圖分類號：TN015 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0007-02

薄膜體聲諧振器及相關技術是現今技術領域的研究熱點，其具有頻率高、承受功率大、體積小等多種優勢，因此越來越引起相關研究者的重視。在市場需求不斷增加和微加工技術的日益成熟，薄膜體聲諧振器技術在各種器件生產制造中的應用也越來越廣泛，對實現各種器件的低成本制造具有一定的經濟學意義。

1 薄膜體聲波諧振器的工作原理與基本結構

1.1 薄膜體聲諧振器的工作原理

薄膜體聲諧振器英文簡稱FBAR，其是利用聲學諧振實現電學選頻的一種器件，該器件的工作區主要是由壓電膜、金屬底電機、金屬上電級等元件組成。薄膜體聲諧振器的工作原理是當電信號加載到薄膜體聲諧振器上時，該器件內部的壓電薄膜會利用逆壓電效應把電信號轉換成聲信號，并根據器件特有的聲學結構對不同頻率的聲信提供可選擇性。薄膜體聲諧振器在工作過程中聲信號若滿足聲波全反射條件，那么其將會器件內部產生諧振，若聲信號不滿足諧振條件，那么其聲信號就會相對衰減，在頻譜上聲信號與諧振的頻率差距越大，那么聲信號的衰減速度會越來越快。在薄膜體聲諧振器內部幅度相位存在差異的聲信號可以利用壓電薄膜轉變為電信號，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，其在工作中的頻率可以達到吉赫茲級。

1.2 薄膜體聲諧振器的基本結構

薄膜體聲諧振器在不同時期其基本結構也是不同的，目前薄膜體聲諧振器主要有三種結構形式，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用較為普遍的一種結構模式，這種結構主要是采用Si材料的各向異性，并通過MEMS方法對襯底材料進行刻蝕，從而形成僅有幾微米厚度的橫膈膜。這種結構方式在應用中具有一定的局限性，在薄膜體聲諧振器工作區域，若將比工作區域面積大的襯底移除，那么會造成薄膜體聲諧振器整體不穩定，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構形式，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。該結構與橫膈膜結構相比存在較大的差異性，空氣腔結構面積與薄膜體聲諧振器工作區面積之比接近1：1，然而橫膈膜結構壓電膜與隔膜厚度之間的比值則遠遠小于1，空氣腔結構比橫膈膜結構的穩定性較強。

反射陣型是一種基于布喇格諧振腔原理的結構，在薄膜體聲諧振器中聲波會沿著襯底進行傳播，因此可以在襯底上部設置一定的反射層，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，那么聲波將會在反射層與壓電膜形成駐波，從而實現器件的諧振。另外，薄膜體聲諧振器在聲波傳播中，在聲阻抗不連續的狀況下聲波會產生一定的反射，一般情況下聲阻抗差異性越大，那么其反射的效率也會隨之增高。

2 基于微機電系統的薄膜體聲波諧振器技術應用

2.1 基于薄膜體聲諧振器技術的濾波器

基于薄膜體聲諧振器技術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、并且溫度十分穩定。那么在工作中要提高濾波器的頻率，可以將多個諧振頻率不同的薄膜體聲諧振器級聯在一起，通過這種方法可以滿足射頻濾波器的要求。

現今基于薄膜體聲諧振器技術的濾波器有三種基本架構，分別是梯形結構、橋式結構、橋式結構與梯形結構組合的結構形式。其中梯形結構的濾波器是基于薄膜體聲諧振器技術的濾波器常用的機構，該結構具有陡峭抑制的響應。橋式結構的濾波器的滾降系數較低，但是其無用頻帶抑制與梯形結構濾波器相比更高。三種結構各有其優勢及局限性，利用WCDMA射頻前段技術將梯形結構與橋式結構的濾波器合理結合，可以使濾波器在接近通帶的位置產生陡峭響應，同時還可以實現無用頻帶的隔離。

2.2 基于薄膜體聲諧振器技術的雙工器

雙工器是通訊系統中的重要設備，在通訊系統中發揮著重要性作用。合理利用薄膜體聲諧振器技術可以實現產品的大規模生產制造，雙工器就是在薄膜體聲諧振器技術的基礎上產生的。新一代依據薄膜體聲諧振器技術生產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到1850～1910 MHz，典型插入損耗量為2.5dB，該器件發送功率的處理能力較強，因此在市場上非常受企業及人們的歡迎。

2.3 基于薄膜體聲諧振器技術的振蕩器

振蕩器與低抖動率都是無線通信與有線通信領域中必不可少的設備，基于薄膜體聲諧振器技術的振蕩器具有低成本、小尺寸以及高性能等諸多優勢，是在SAW與陶瓷等多種振蕩器上發展起來的。現今已有公司利用薄膜體聲諧振器技術制作出固定頻率的振蕩器，經過進一步的研發得出，中心頻率在1985 MHz的電壓可以實現對振蕩器的調節，其可調范圍在2.5 MHz，而其在工作中所產生的相位噪聲則在-112dBc。

3 基于微機電系統的薄膜體聲波諧振器技術發展趨勢

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

薄膜體聲諧振器技術還有一個全新的發展方向，那就是其在更高頻段的應用。目前我國濾波器所運用的薄膜體聲諧振器技術僅是該技術的基本諧振模式，大大限制了濾波器的工作頻率。在技術研究中可以往更高次諧波模式方向發展，這樣濾波器就可以在更高層頻段上應用，擴大濾波器的使用范圍。同時利用薄膜體聲諧振器技術實現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電耦合系數，限制濾波器的相對通帶，提高濾波器在工作運行中的安全性。

4 總結

薄膜體聲諧振器技術是由多學科交叉的一種先進技術，迄今為止，薄膜體聲諧振器的基本結構有三種，這三種基本結構各有其功能性，也因此造就了薄膜體聲諧振器的技術優勢。將該技術應用到生產制作中，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現今的發展趨勢而言，其電性滿足了移動通訊的要求，具有十分廣泛的發展空間。

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