薄膜体声波谐振器 :薄膜体声波谐振器

更新时间:2024-09-21 08:58

薄膜体声波谐振器,其英文全称是Film Bulk Acoustic Resonator,缩写为FBAR。不同于以前的滤波器,是使用硅底板、借助MEMS技术以及薄膜技术而制造出来的。在无线收发器中实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能,有较高Q值和易实现微型化等特点。

简介

随着薄膜与微纳制造技术的发展,电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。近年来发展起来的薄膜体声波谐振器(FBAR)采用一种先进的谐振技术,它是通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振,这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件,薄膜体声波谐振器(FBAR)声波器件具有体积小,成本低,品质因数(Q)高、功率承受能力强、频率高(可达1-10GHz)且与IC技术兼容等特点,适合于工作在1-10 GHz的RF系统应用,有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波(SAW)器件和微波陶瓷器,因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。

研究进展

早在1965年Newell便制成了布拉格反射形的薄膜谐振器。1967年制成cds薄膜谐振器,1980年实现了在 Si芯片上生长znO制成谐振频率为500MHz,Q值为9000的薄膜谐振器。

目前国际上的体声波谐振器技术发展很快,微型化、性能优良和 VLSI工艺兼容的体声波谐振器及其滤波器 日益成为当今国际研究的热点,出现了一批具有代表性的研究成果。其中以麻省理工学院微系统实验室采用A1N作为压电材料制成的体声波谐振器为代表。他们于 1997年采用硅刻蚀技术和键合技术,构造出使压电膜悬空的密封腔,得到了中心频率为1.35GHz、Q值为540、Keff为6.4、插损为3dB的薄膜体声波谐振器。

1998年他们利用布拉格反射层技术得到的体声波谐振器频率在1.8GHz,带宽为3.6Ao(即25MHz),Q值为400 P.B.Kirby等于2000年研制的体声波滤波器则采用 PZT作为压电材料,在频率1.6GHz时,Q值为53,Kt为19.1%,带宽 IOOMHz,插损为 3dB。

2001年安捷伦科技公司公司利用AIN FBAR制造的 Duplexer,现在已经开始销售,频率约1.9GHz,其 Q值高达 2500,Kt为6.5,插损小于3dB。

韩国的K.W.Kim等在 2002年研制了用于2GHz频段的AlNTFBAR,Q值为 577.18,Kt为4.3 ,带宽52MHz,插损为 2~3dB。

2003年日本的 Motoaki Hara等在 Transducer0上发表了他们关于AINTFBAR的研究成果。该谐振器的基模位于2GHz,Q值达780,Keff为 5.36。

2003年韩国的LG公司研究得到了AINTFBAR,中心频率约1.9GHz,Q值为1530,Keff为 6.8 ~7.3 ,插损0.45dB,隔离度 28dB。

2004年韩国科技研究所微系统研究中心在超薄硅基片(50~m)上制作 了薄膜体声波谐振器,中心频率达 2.5GHz,具有很好的柔韧性,通过MEMS工艺加工易与MMIC集成,降低了器件的损耗。2005年富士通株式会社Laboratories ltd利用A1N薄膜作的TFBAR。中心频率达到10.3GHz,Q值为508,插入损耗仅为ldB。

结构原理

FBAR的工作区由金属底电极-压电膜-金属上电极组成,器件工作于能陷-厚度振动模式,工作频率与压电材料的厚度成反比。当电信号加载到FBAR上时,器件中的压电薄膜通过逆压电效应将电信号转变为声信号,器件特点的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性,其中的器件内满足声波全反射条件的声信号将在器件内实现谐振,而不满足谐振条件的声信号就会衰减,在频谱上与谐振声信号频率相差越多的声信号衰减越快。最后,在器件内幅度相位已产生差异的声信号又通过压电薄膜等比例地转变成输出电信号,这样FBAR最终就表现出对电信号的选频作用。

FBAR与工作在千赫兹~兆赫兹的晶振中晶体谐振器及陶瓷滤波器中的陶瓷谐振器的工作原理是相同的。不同的是,一方面,FBAR的压电膜厚度在微米量级,从而使其工作频率可提高到吉赫兹级。另一方面,由于压电膜太薄,使FBAR不可能象晶体谐振器那样由压电晶片来承托上下电极,因此FBAR必须有一个衬底,加工时先将金属底电极蒸发或溅射到衬底上,然后在电极上沉积压电薄膜,最后再在压电薄膜上形成金属上电极。

优点及特性

FBAR具有体积小、工作频率高、效率高、插入损耗低、带外抑制大、高Q、大功率容量、低温度系数以及良好的抗静电冲击能力和半导体工艺兼容性等优点。利用FBAR技术可以制作滤波器、振荡器、双工器等多种高性能频率器件。与当前传统的介质滤波器和声表滤波器(SAW)相关技术相比,FBAR技术能提供更完善的功率处理能力、插入损耗和选择度特性。

应用领域

FBAR的主要应用领域有PCS,CDMA和W-CDMA用射频滤波器,FBAR振荡器等,在手机滤波器,双工器,射频前端PGS接收前端模块已大量使用。当今的无线移动产品除了对体积,省电要求越来越高之外,频率资源也越来越拥挤。高性能的FBAR滤波器,应用也更加充分。

事件

美国司法部网站2015年5月19日公布,天津大学教授张浩16日从中国飞到洛杉矶入关时被警方逮捕,并被当地法院以涉嫌经济间谍罪起诉,一同被起诉的还有包括另外两名天大教师在内的5名中国公民。

20日,中国外交部回应称,中国政府对有关事态严重关切,正进一步了解有关情况。中国政府将确保中国公民在中美人员交往中的正当权益不受损害。

参考资料

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