PCMR體聲波諧振器多物理場仿真及芯片制作

錢麗勛，鄭升靈，李宏軍

（中國電子科技集團公司第十三研究所第十六專業部 河北 石家莊 050200）

PCMR體聲波諧振器多物理場仿真及芯片制作

錢麗勛，鄭升靈，李宏軍

（中國電子科技集團公司第十三研究所第十六專業部 河北 石家莊 050200）

文章介紹了一種輪廓模式壓電諧振器的工作原理，闡述了多物理場的概念并利用多物理場有限元分析方法分析了該諧振器的諧振過程，并利用多物理場原理對壓電諧振器結構進行了仿真優化。多物理場仿真可以更加直觀，深入的理解PCMR的工作原理和過程。不利用等效電路模型，所以可以準確的找到諧振器各組成部分對諧振器的影響。基于仿真的結果，分別設計了平板型（82.75MHz）和交指型（346.5MHz）輪廓模式諧振器并利用MEMS工藝對其進行了制作。制作的輪廓模式諧振器具有較高的Q值（800），機電耦合系數2%，測試結果和仿真結果基本的吻合。

多物理場仿真；壓電輪廓模式諧振器；微型機電系統

1 引言

近年來，隨著微電子機械系統（MEMS）技術的迅速發展，MEMS三維加工手段結合壓電、鐵電材料的研究，最終產生了BAW (Bulk Acoustic Wave，體聲波)諧振器件，2001年，Agilent成為第一個在業界成功推出FBAR雙工器的企業[1，2]。FBAR由于其工作原理限制，無法實現單芯片多頻段的功能，隨著BAW概念和MEMS技術的進一步發展，另一種諧振器模式也引起了人們的關注，那就是壓電輪廓模式諧振器PCMR（Piezoelectric Contour-Mode Resonator）。這種諧振器同樣是利用體聲波進行工作，其制作工藝也仍然采用MEMS工藝，但與FBAR利用厚度控制諧振頻率不同，PCMR利用輪廓結構來控制諧振頻率[3-5]。此諧振器的出現，為無線通信系統前端模塊的一體化，甚至單片多頻段的實現提供了新的思路和途徑。

2 PCMR工作原理

如圖1所示，為C軸晶向AlN壓電薄膜的壓電方程，其中d31、d33等為壓電方程的壓電系數。當在壓電薄膜的Z軸方向上加電壓時，由于逆壓電效應，薄膜會產生x，y，z三個方向的形變，如圖2所示，為壓電諧振器的結構及不同模式的諧振。其中，由壓電系數d31形成的與電場方向垂直的x或者y方向的形變，就是PCMR的諧振模式。PCMR的諧振頻率不是通過壓電薄膜的厚度來控制，而是由諧振器的長和寬的輪廓來決定，所以叫輪廓模式諧振器[6]。

圖1 AlN薄膜壓電方程

3 PCMR的多物理場仿真設計

3.1 PCMR的多物理場分析

PCMR諧振器的物理基礎是壓電（逆壓電）效應，涉及到了電場、壓電效應、力場、機械振動等領域，是典型的多物理場耦合模式[7]。

PCMR諧振器的多物理場分析，以AlN壓電薄膜的壓電方程為基礎。當在壓電諧振器的上電極輸入射頻能量時，由于逆壓電效應，會引起諧振器壓電薄膜層的形變而產生振動，壓電薄膜層的形變又產生壓電效應而使壓電諧振器下電極聚集電荷，此過程不斷重復時就形成了壓電諧振。分析此過程要耦合電場、機械振動等物理場，最后得到射頻信號通過壓電諧振器上下電極時的傳輸特性。設計壓電諧振器時，要根據多物理場分析得到的射頻信號傳輸特性，對諧振器的具體結構進行優化，從而得到最佳的諧振器結構。

以諧振頻率82.75MHz平板型諧振器的設計為例，經過優化的諧振器模型結構及其仿真結果如圖2所示。

圖2 平板結構PCMR諧振器模型及仿真曲線圖

諧振器模型中間層為AlN壓電薄膜層，上下兩層分別為上下電極，電極厚度0.2μm。通過優化諧振器長寬、固定點長寬以及壓電薄膜厚度等物理尺寸，最終得到了具有高Q值傳輸特性的諧振器結構，其中諧振體尺寸為247μm×46μm，固定支撐點尺寸為20μm×8μm，壓電層厚度通過優化諧振器性能，并結合工藝可實現性，確定為1.5um。諧振器仿真結果為：串聯諧振頻率fs為82.75MHz，并聯諧振頻率fp為83.4MHz，機電耦合系數kt2（kt2=(π2/4)*(fp-fs)/fs）為2%，Q值約為900。

隨著射頻頻率的升高，平板型結構尺寸不斷減小，當頻率高于300MHz時，PCMR的諧振器不再適合使用平板型結構，而只能改為另一種叉指型結構，叉指型結構如圖3所示。

圖3 叉指結構PCMR諧振器模型及仿真曲線

諧振頻率約346.5MHz的叉指型諧振器，通過優化物理尺寸之后的模型結構及其仿真結果如圖3所示。其中模型指條寬度7.8um，指條間間距3.5um，指條長度92um，指條對數為4對，壓電層厚度為1.5um。諧振器仿真結果為：串聯諧振頻率fs為346.5MHz，并聯諧振頻率fp為350.5MHz，機電耦合系數k2t為2.5%，利用3dB帶寬法評估諧振器Q值約為900。

4 PCMR制作及測試

PCMR的制作是利用MEMS工藝完成，制作難度較大。下圖4所示為制作流程圖。

圖4 平板結構PCMR諧振器制作流程示意圖

PCMR的流片在拋光的硅片上進行，先在硅片上沉積一層氮化鋁，作為晶向的引導層（LSN層）。然后在氮化鋁薄膜上制作下電極，下電極一般為鋁、鉬、鉑等金屬，厚度一般在0.1μm到0.2μm。利用光刻，刻蝕技術將下電極圖形化，然后沉積AlN壓電薄膜，厚度在1.5μm左右。壓電層制作完成后，要刻蝕壓電層將下電極引出。然后制作上電極，并將上電極圖形化。上下電極圖形化完成后，已經確定了諧振器的形狀，下一步是將壓電層圖形化，形成完整的PCMR諧振器，一般通過氯基氣體刻蝕的方法刻蝕AlN壓電層。工藝的最后一步是釋放，如圖4所示的工藝過程，犧牲層是硅，則釋放氣體選用XeF2。釋放完成后，諧振器通過固定點支撐，懸浮在硅片上方。平板型諧振器芯片圖片及測試結果見圖5。

圖5 平板結構PCMR諧振器芯片及測試結果

平板型諧振器測試結果為：串聯諧振頻率fs為82.68MHz，并聯諧振頻率fp為83.45MHz，機電耦合系數kt2約為2%，利用3dB帶寬法評估諧振器Q值約為800。

圖6 叉指結構PCMR諧振器芯片及測試結果

叉指型諧振器芯片圖片及測試結果見圖6。叉指型諧振器測試結果為：串聯諧振頻率fs為347.5MHz，并聯諧振頻率fp為351.5MHz，機電耦合系數kt2約為2.5%，利用3dB帶寬法評估諧振器Q值約為800。

5 總結

PCMR諧振器及濾波器是芯片化濾波器的主要研究方向之一，也是目前唯一能實現單芯片多頻段濾波器的器件。文章中設計和制作的PCMR諧振器具有較高的Q值，機電耦合系數也達到了2%，是一種性能優越的微諧振器。設計仿真結果和芯片測試結果基本吻合，這為PCMR諧振器的設計提供了理論依據，為下一步的PCMR濾波器設計和工藝制作鋪平了道路。

[1]李侃.FBAR微質量傳感器若干關鍵問題的研究[D].浙江大學，2011.

[2]王宇輝.FBAR濾波器仿真及AlN壓電薄膜研究[D].華中科技大學，2012.

[3] Gianluca Piazza.Piezoelectric Aluminum Nitride VibratingContour-Mode MEMS Resonators[J].IEEE，2006，15(6):1406-1418.

[4] Gianluca Piazza.Contour-Mode Aluminum Nitride Vibrating RFMicrosystems[J].IEEE，2007，42（1）:1352-1355.

[5] JI LIANG，HONGXIANG ZHANG，DAIHUA ZHANG，et al.Lamb Wave AlN Micromechanical Filters Integrated With Onchip Capacitors for RFFront-End Architectures[J].IEEE，.2015，3(2):1-4.

[6] Ji Liang，Hongxiang Zhang，Daihua Zhang，et al.Design and fabrication of aluminum nitrideLamb wave resonators towards highfigure of merit for intermediate frequency filter applications[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2015，25(1):1-10.

[7]高霞，王志斌.基于COMSOLMultiphysics壓電鈮酸鋰晶片仿真[J].壓電與聲光，2015，37（2）：291-293.

TN629.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0035-02

錢麗勛（1984-），男，漢族，河北省人，博士，工程師，研究方向：芯片化諧振、濾波器件，可調濾波器件，紅外成像芯片等領域。