RF微谐振器研究进展

杨亮 郑升灵

摘要：基于MEMS工艺的AlN压电轮廓模式体波微谐振技术，结构和工艺类似FBAR，但具有频率范围更宽、更高的Q值、体积更小的特点。本文就对该微谐振器国内外发展现状、原理及结构特点、应用前景进行了综合性阐述，并对技术发展遇到的挑战性进行了分析。

关键词：压电；体声波；轮廓模式；MEMS微谐振器

中图分类号：TP211 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0050-02

卫星、导航、蜂窝电话等无线通信需求的快速发展，以及近年来个人通信技术的高速发展，不断促使射频前端等越来越多的模块趋于小型化、集成化的设计。目前，RFIC技术已可将低噪放、混频、锁相、功放等通过CMOS工艺集成在芯片内，而滤波器、双工器等仍然以分立元件形式存在于芯片之外，制约着集成单片化发展。

新型的压电轮廓模式体声波微谐振（Piezoelectric Contour-Mode Resonator，简称：PCMR）技术受到了广泛关注，它采用薄膜和微纳MEMS加工工艺完成，具有其它谐振器无可比拟的优点，工作频率范围更宽、体积更小、更高的Q值并可与其它IC器件集成等。

本文就对该微谐振器国内外发展现状、原理及结构特点、应用前景进行了综合性阐述，并对技术发展遇到的挑战性进行了分析。

1 国内外现状

随着压电薄膜材料制備手段的日趋完善、微纳MEMS工艺技术的成熟，以及对压电声波的不断深入研究，各种结构和模式的声学压电微谐振器层出不穷，典型代表为压电轮廓模式PCMR谐振技术。

PCMR微谐振器于2005年左右开始进行的研究。但PCMR微谐振具体应用的资料较少，在Avago、Infineon、EPCOS、Fujitsu、Philips等著名公司也未见有商业化产品，在国际上应处于起步研究阶段。

国内在微声表面波SAW谐振、滤波器件等已有大量报道和商业化产品，在微声体波FBAR研究上著名高校和相关机构如中科院声学所、浙江大学等已有报道，而微声体波PCMR研究目前尚未见相关的学术研究报道及商业化产品，国内尚属空白。

2 优势及应用前景

表1列出了PCMR与FBAR、SAW、CERAMIC谐振器的主要性能比较，并总结了PCMR微谐振器主要特点：

（1）工作频率范围宽：常规10MHz～5GHz频率范围，覆盖了FBAR的设计范围；（2）Q值：一般情况下在1000～4000之间，甚至可达万级水平；（3）小型化：同频率下比SAW、FBAR体积更小；（4）频率多样性：单一芯片上能实现频率的多样性，使多波段的设计成为可能；（5）IC集成能力：兼容与IC工艺，能与其它IC器件一体化集成。

PCMR比其它芯片类谐振器优势明显， 既能实现IC集成，又能实现单一芯片频率多样性，还具有内匹配到50欧姆的优势。鉴于这些优点，国外正在生物、化学传感器领域进行着科学研究并有了相关的报道，相信未来在航天、航空、汽车、生物医学、国防等各个领域中有着十分广阔的应用前景。首先将在以下方面得到应用：

（1）高性能滤波器、开关预选滤波器；（2）高Q、低相噪的振荡器；（3）频综及微型组件模块系统；（4）生物、化学传感器。

3 材料选择

这儿主要谈下是压电材料的选择。不同的压电材料产生不同的压电性能、声学性能，决定着器件的机电耦合系数和阻抗水平等。目前制造压电薄膜的材料有三种：AlN、ZNO、PZT，在选择何种材料时，以下参数必须考虑[1]。

（1）机电耦合系数：决定着电能和机械能交换的程度，值越大制作的器件带宽越大。PZT最高可达20%，而AlN和ZNO约6%左右；（2）介电常数：较高的介电常数，则可减少器件尺寸。PZT比其它高一个数量级，而AlN和ZNO约在9～10内；（3）声波传输速度：高声速，实现的频率可更高。AlN最高，PZT最低；（4）固有损耗：值小则器件的插损小，PZT损耗最大，AlN最小；（5）温度系数：值越小则器件稳定性就越高，AlN最好，PZT最差。

由于AlN具有优良的声学性能和物理性能及良好的化学稳定性等，故研究最多的是选用AlN作为压电薄膜材料来制作声体波器件。因AlN薄膜属合成复合膜，制作方法又多样，所以特性会稍有差异，其基本的声学属性为：声速约11000m/s，声阻抗3.7E7 kg/m2s，弹性模量3.95E11Pa，密度3260kg/m3，介电常数9.5E-11。

4 结构原理

4.1 结构

轮廓模式微谐振根据电极加载方式的不同，主要有上下电极换能器（Top to Bottom Transduction，简称TTB）和上电极换能器（Top only transduction，简称TOT）结构。图1为示意图。

TTB结构为由上下入出电极夹持压电薄膜组成的。结构简单、动生阻抗小，静态电容最大，适合中低频设计。TOT结构为高次泛音模式，入出电极在同侧，压电薄膜另一侧电极接地。结构设计复杂、工艺要求精度高、易产生其它寄生模，适合GHz频率的设计。

根据谐振平面形状的不同，分别有矩形盘、环行、圆形等。不同平面结构尺寸设置不同的频率，结合设计要求及工艺实际来选择，环状形的动生阻抗小，不易产生寄生模。图2列出了单端口TTB典型形状结构。

4.2 原理

以电极TTB方式、矩形盘状结构图2（a）为例说明其工作原理，其它与其类似。当外加的电场E横穿压电介质厚度T时，介质内部正负电荷的中心相对位移而进行极化，通过压电耦合D31系数转换产生横向的质子运动，从而引起形变形成轮廓伸缩模式的振动，工作于长度伸缩振动模式下，谐振频率定义如下[5]：

L为矩形盘的平面长度尺寸，上述公式表明了谐振频率主要取决于横向尺寸L、等效弹性模量、等效体密度三个因素，而与薄膜的厚度无关。

若要获得其它的频率，通过改变平面尺寸L可得。若在单一芯片上设计不同的L，则得到不同的频点，实现了频率的多样性，这是微谐振的重要特点之一，也是设计之基础。类似的FBAR谐振器主要由压电薄膜的厚度决定器件的频率，相对单一。

4.3 表征参数

表征谐振器优劣的几个重要参数[3]为：有效机电耦合系数、品质因数Q、优值FoM。

有效机电耦合系数是最重要的参数，是实际测量的参数，公式1表示了串联和并联频率的相互关系。通过改变支撑层可调整的大小，支撑层越厚频率间隔越小。

品质因数是另一重要参数，综合反映了材料损耗、电极损耗及介质损耗的情况，用公式2可准确求出在串并谐振频率处损耗的大小。

实际应用时，往往既要大的值，又要高的Q值，所以用两者乘积公式3优值FOM来表示：

优值FOM全面反映了谐振器的优劣，值越大性能越好。报道较好的微谐振器优值范围为20～50。

5 技术挑战

5.1 AlN压电薄膜的C轴择优取向

磁控溅射法是薄膜制备的主流，制备时薄膜可能呈晶态，也可能呈非晶态，晶粒可能定向生长也可能非定向生长。定向生长时，要看哪个面择优取向，只有002取向良好时薄膜才具有高的压电特性。溅射气压、靶功率、基片种类[4]等众多因素决定薄膜择优取向。最终以XRD的半高宽值表征薄膜质量，值越小薄膜质量越好，压电性越强。微谐振应用要求半高宽值达1度左右并且稳定，这是制作器件面临的最大难题。

5.2 “三明治”结构的内应力

薄膜的内应力[4]是固有应力，来自于“三明治”结构各物质的弹性模量和热膨胀系数不同及其它因素所致，有压应力和张应力两种情况。严重时会直接导致结构开裂、脱落，轻微会使衬底发生变形、扭曲，从而使性能发生变化。微谐振悬盘要求低的压应力状态，以保持结构的长期稳定性，这是我们必须一直关注的要素。

5.3 软件分析

声波谐振器分析虽然有多种方法如Mason模型、MBVD模型及有限元压电分析等，软件也有如ADS、ANSYS、conventor等，但因各有利弊而未能准确与实际制作的一致。而通过实际制备提取参数再设计，一需要稳定的工艺，二需要大量的时间精力进行模型库的建立。所以集材料、声学、电路学等专业化、一体化软件分析尤其重要，它是器件精确、快速设计的关键。

6 结语

本文阐述了基于AlN微谐振技术的国内外现状、原理及结构特点及应用前景，并且提出了面临的技术关键。相信随着国内研究人员不断深入的研究，MEMS工艺的不断成熟完善，这一新模式的谐振技术将会紧跟国际技术，尽早实现滤波芯片化和组件小型化，以推动国内民用无线通信和国防军工技术的发展。

参考文獻

[1]金浩.薄膜体声波谐振器（FBAR）技术的若干问题研究[D].浙江大学，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，FERROELECTRICS，AND FREQUENCY CONTROL，VOL，57，NO.1，JANUARY 2010：38-45.

[3]张亚非，陈达.薄膜体声波谐振器的原理、设计与应用[M].上海交通大学出版社，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]许小红，武海顺.压电薄膜的制备、结构与应用[M].科学出版社，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