RF微諧振器研究進展

楊亮 鄭升靈

摘要：基于MEMS工藝的AlN壓電輪廓模式體波微諧振技術(shù)，結(jié)構(gòu)和工藝類似FBAR，但具有頻率范圍更寬、更高的Q值、體積更小的特點。本文就對該微諧振器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、原理及結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用前景進行了綜合性闡述，并對技術(shù)發(fā)展遇到的挑戰(zhàn)性進行了分析。

關(guān)鍵詞：壓電；體聲波；輪廓模式；MEMS微諧振器

中圖分類號：TP211 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0050-02

衛(wèi)星、導(dǎo)航、蜂窩電話等無線通信需求的快速發(fā)展，以及近年來個人通信技術(shù)的高速發(fā)展，不斷促使射頻前端等越來越多的模塊趨于小型化、集成化的設(shè)計。目前，RFIC技術(shù)已可將低噪放、混頻、鎖相、功放等通過CMOS工藝集成在芯片內(nèi)，而濾波器、雙工器等仍然以分立元件形式存在于芯片之外，制約著集成單片化發(fā)展。

新型的壓電輪廓模式體聲波微諧振（Piezoelectric Contour-Mode Resonator，簡稱：PCMR）技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，它采用薄膜和微納MEMS加工工藝完成，具有其它諧振器無可比擬的優(yōu)點，工作頻率范圍更寬、體積更小、更高的Q值并可與其它IC器件集成等。

本文就對該微諧振器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、原理及結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用前景進行了綜合性闡述，并對技術(shù)發(fā)展遇到的挑戰(zhàn)性進行了分析。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著壓電薄膜材料制備手段的日趨完善、微納MEMS工藝技術(shù)的成熟，以及對壓電聲波的不斷深入研究，各種結(jié)構(gòu)和模式的聲學(xué)壓電微諧振器層出不窮，典型代表為壓電輪廓模式PCMR諧振技術(shù)。

PCMR微諧振器于2005年左右開始進行的研究。但PCMR微諧振具體應(yīng)用的資料較少，在Avago、Infineon、EPCOS、Fujitsu、Philips等著名公司也未見有商業(yè)化產(chǎn)品，在國際上應(yīng)處于起步研究階段。

國內(nèi)在微聲表面波SAW諧振、濾波器件等已有大量報道和商業(yè)化產(chǎn)品，在微聲體波FBAR研究上著名高校和相關(guān)機構(gòu)如中科院聲學(xué)所、浙江大學(xué)等已有報道，而微聲體波PCMR研究目前尚未見相關(guān)的學(xué)術(shù)研究報道及商業(yè)化產(chǎn)品，國內(nèi)尚屬空白。

2 優(yōu)勢及應(yīng)用前景

表1列出了PCMR與FBAR、SAW、CERAMIC諧振器的主要性能比較，并總結(jié)了PCMR微諧振器主要特點：

（1）工作頻率范圍寬：常規(guī)10MHz～5GHz頻率范圍，覆蓋了FBAR的設(shè)計范圍；（2）Q值：一般情況下在1000～4000之間，甚至可達萬級水平；（3）小型化：同頻率下比SAW、FBAR體積更小；（4）頻率多樣性：單一芯片上能實現(xiàn)頻率的多樣性，使多波段的設(shè)計成為可能；（5）IC集成能力：兼容與IC工藝，能與其它IC器件一體化集成。

PCMR比其它芯片類諧振器優(yōu)勢明顯， 既能實現(xiàn)IC集成，又能實現(xiàn)單一芯片頻率多樣性，還具有內(nèi)匹配到50歐姆的優(yōu)勢。鑒于這些優(yōu)點，國外正在生物、化學(xué)傳感器領(lǐng)域進行著科學(xué)研究并有了相關(guān)的報道，相信未來在航天、航空、汽車、生物醫(yī)學(xué)、國防等各個領(lǐng)域中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。首先將在以下方面得到應(yīng)用：

（1）高性能濾波器、開關(guān)預(yù)選濾波器；（2）高Q、低相噪的振蕩器；（3）頻綜及微型組件模塊系統(tǒng)；（4）生物、化學(xué)傳感器。

3 材料選擇

這兒主要談下是壓電材料的選擇。不同的壓電材料產(chǎn)生不同的壓電性能、聲學(xué)性能，決定著器件的機電耦合系數(shù)和阻抗水平等。目前制造壓電薄膜的材料有三種：AlN、ZNO、PZT，在選擇何種材料時，以下參數(shù)必須考慮[1]。

（1）機電耦合系數(shù)：決定著電能和機械能交換的程度，值越大制作的器件帶寬越大。PZT最高可達20%，而AlN和ZNO約6%左右；（2）介電常數(shù)：較高的介電常數(shù)，則可減少器件尺寸。PZT比其它高一個數(shù)量級，而AlN和ZNO約在9～10內(nèi)；（3）聲波傳輸速度：高聲速，實現(xiàn)的頻率可更高。AlN最高，PZT最低；（4）固有損耗：值小則器件的插損小，PZT損耗最大，AlN最小；（5）溫度系數(shù)：值越小則器件穩(wěn)定性就越高，AlN最好，PZT最差。

由于AlN具有優(yōu)良的聲學(xué)性能和物理性能及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等，故研究最多的是選用AlN作為壓電薄膜材料來制作聲體波器件。因AlN薄膜屬合成復(fù)合膜，制作方法又多樣，所以特性會稍有差異，其基本的聲學(xué)屬性為：聲速約11000m/s，聲阻抗3.7E7 kg/m2s，彈性模量3.95E11Pa，密度3260kg/m3，介電常數(shù)9.5E-11。

4 結(jié)構(gòu)原理

4.1 結(jié)構(gòu)

輪廓模式微諧振根據(jù)電極加載方式的不同，主要有上下電極換能器（Top to Bottom Transduction，簡稱TTB）和上電極換能器（Top only transduction，簡稱TOT）結(jié)構(gòu)。圖1為示意圖。

TTB結(jié)構(gòu)為由上下入出電極夾持壓電薄膜組成的。結(jié)構(gòu)簡單、動生阻抗小，靜態(tài)電容最大，適合中低頻設(shè)計。TOT結(jié)構(gòu)為高次泛音模式，入出電極在同側(cè)，壓電薄膜另一側(cè)電極接地。結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、工藝要求精度高、易產(chǎn)生其它寄生模，適合GHz頻率的設(shè)計。

根據(jù)諧振平面形狀的不同，分別有矩形盤、環(huán)行、圓形等。不同平面結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置不同的頻率，結(jié)合設(shè)計要求及工藝實際來選擇，環(huán)狀形的動生阻抗小，不易產(chǎn)生寄生模。圖2列出了單端口TTB典型形狀結(jié)構(gòu)。

4.2 原理

以電極TTB方式、矩形盤狀結(jié)構(gòu)圖2（a）為例說明其工作原理，其它與其類似。當外加的電場E橫穿壓電介質(zhì)厚度T時，介質(zhì)內(nèi)部正負電荷的中心相對位移而進行極化，通過壓電耦合D31系數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生橫向的質(zhì)子運動，從而引起形變形成輪廓伸縮模式的振動，工作于長度伸縮振動模式下，諧振頻率定義如下[5]：

L為矩形盤的平面長度尺寸，上述公式表明了諧振頻率主要取決于橫向尺寸L、等效彈性模量、等效體密度三個因素，而與薄膜的厚度無關(guān)。

若要獲得其它的頻率，通過改變平面尺寸L可得。若在單一芯片上設(shè)計不同的L，則得到不同的頻點，實現(xiàn)了頻率的多樣性，這是微諧振的重要特點之一，也是設(shè)計之基礎(chǔ)。類似的FBAR諧振器主要由壓電薄膜的厚度決定器件的頻率，相對單一。

4.3 表征參數(shù)

表征諧振器優(yōu)劣的幾個重要參數(shù)[3]為：有效機電耦合系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)Q、優(yōu)值FoM。

有效機電耦合系數(shù)是最重要的參數(shù)，是實際測量的參數(shù)，公式1表示了串聯(lián)和并聯(lián)頻率的相互關(guān)系。通過改變支撐層可調(diào)整的大小，支撐層越厚頻率間隔越小。

品質(zhì)因數(shù)是另一重要參數(shù)，綜合反映了材料損耗、電極損耗及介質(zhì)損耗的情況，用公式2可準確求出在串并諧振頻率處損耗的大小。

實際應(yīng)用時，往往既要大的值，又要高的Q值，所以用兩者乘積公式3優(yōu)值FOM來表示：

優(yōu)值FOM全面反映了諧振器的優(yōu)劣，值越大性能越好。報道較好的微諧振器優(yōu)值范圍為20～50。

5 技術(shù)挑戰(zhàn)

5.1 AlN壓電薄膜的C軸擇優(yōu)取向

磁控濺射法是薄膜制備的主流，制備時薄膜可能呈晶態(tài)，也可能呈非晶態(tài)，晶粒可能定向生長也可能非定向生長。定向生長時，要看哪個面擇優(yōu)取向，只有002取向良好時薄膜才具有高的壓電特性。濺射氣壓、靶功率、基片種類[4]等眾多因素決定薄膜擇優(yōu)取向。最終以XRD的半高寬值表征薄膜質(zhì)量，值越小薄膜質(zhì)量越好，壓電性越強。微諧振應(yīng)用要求半高寬值達1度左右并且穩(wěn)定，這是制作器件面臨的最大難題。

5.2 “三明治”結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力

薄膜的內(nèi)應(yīng)力[4]是固有應(yīng)力，來自于“三明治”結(jié)構(gòu)各物質(zhì)的彈性模量和熱膨脹系數(shù)不同及其它因素所致，有壓應(yīng)力和張應(yīng)力兩種情況。嚴重時會直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、脫落，輕微會使襯底發(fā)生變形、扭曲，從而使性能發(fā)生變化。微諧振懸盤要求低的壓應(yīng)力狀態(tài)，以保持結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，這是我們必須一直關(guān)注的要素。

5.3 軟件分析

聲波諧振器分析雖然有多種方法如Mason模型、MBVD模型及有限元壓電分析等，軟件也有如ADS、ANSYS、conventor等，但因各有利弊而未能準確與實際制作的一致。而通過實際制備提取參數(shù)再設(shè)計，一需要穩(wěn)定的工藝，二需要大量的時間精力進行模型庫的建立。所以集材料、聲學(xué)、電路學(xué)等專業(yè)化、一體化軟件分析尤其重要，它是器件精確、快速設(shè)計的關(guān)鍵。

6 結(jié)語

本文闡述了基于AlN微諧振技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀、原理及結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用前景，并且提出了面臨的技術(shù)關(guān)鍵。相信隨著國內(nèi)研究人員不斷深入的研究，MEMS工藝的不斷成熟完善，這一新模式的諧振技術(shù)將會緊跟國際技術(shù)，盡早實現(xiàn)濾波芯片化和組件小型化，以推動國內(nèi)民用無線通信和國防軍工技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻

[1]金浩.薄膜體聲波諧振器（FBAR）技術(shù)的若干問題研究[D].浙江大學(xué)，2006.

[2]Matteo Rinaldi，Chiara Zuniga，Chengjie Zuo etc al. Super-High-Frequency Two-Port AlN Contour Mode Resonators for RF Appications.IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS，F(xiàn)ERROELECTRICS，AND FREQUENCY CONTROL，VOL，57，NO.1，JANUARY 2010：38-45.

[3]張亞非，陳達.薄膜體聲波諧振器的原理、設(shè)計與應(yīng)用[M].上海交通大學(xué)出版社，2011.

[4]Humberto Campanella Pineda etc al.Thin-Film bulk acoustic wave Resonators-FBAR：fabrication，heterogeneous integration with CMOS technologies and sensor applications，2007.

[5]許小紅，武海順.壓電薄膜的制備、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2002.

Abstract：AlN piezoelectric contour-mode mode microresonator technology based on MEMS technics， its structure and process is similar to FBAR， but has advantages of wider frequency range， higher Q and smaller volume. In this paper， recent developments of this kind of microresonator at home and abroad are reviewed， the working principle， structure characteristic and application foreground are expatiated comprehensively， the challenges during technical development are analyzed.

Key words：piezoelectric；bulk acoustic wave；contour-mode；MEMS microresonator