背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器制备技术研究

随着移动通信技术的快速发展,薄膜体声波滤波器逐渐向高频和大带宽方向发展。该文研究了POI(LiNbO_(3)/SiO_(2)/Si)基片上背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器制作工艺,通过研究POI基IDT光刻、背腔硅刻蚀等工艺,确定了IDT层曝光量和背腔刻蚀等关键工艺参数。研制出的背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器,其谐振频率为4565 MHz,反谐振频率为5035 MHz,机电耦合系数为20.86%。此制备工艺对研究高频、大带宽薄膜体声波滤波器具有重要的参考意义。

框架结构对薄膜体声波谐振器性能提升的研究

本文研究了框架结构(Frame)对薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)提升性能的作用,从两种Frame结构对体声波能量的反射匹配基础理论出发,针对其功能特点,以实验的方式确定了低频和高频多组框架微结构的组合,对多组FBAR进行了版图绘制以及光刻流片,最终通过片上测试得到了所有分组的谐振器性能.对测试得到的性能进行了分组统计筛选,从测试结果来看,经过优选之后的Frame结构分组无论是对低频还是高频FBAR谐振器都具有提升性能的作用.对低频(1.7 GHz附近)FBAR来说,并联谐振品质因数可以提升1000以上.对高频(5.5 GHz附近)FBAR来说,并联谐振品质因数可以提升300以上.对横向寄生模式较强的高频FBAR,优选的Frame结构可以提升谐振器的横向寄生模式抑制,使串联谐振频率之下的阻抗相位波动减少5°以上.

边缘空气层薄膜体声波谐振器的设计与制备

压电薄膜存在固有的对压电效应的非线性迟滞响应,并且声波有向边缘传播的横波分量,二者都会产生声波的能量损耗。该文设计了一种具有边缘空气层结构的单晶氮化铝薄膜体声波谐振器,可以减小非线性迟滞的机电损耗并阻止横波能量泄露,提高谐振器的品质因数。使用COMSOL对设计的器件进行有限元模拟仿真,并成功制备出具有边缘空气层结构的谐振器进行测试验证。

双阶梯型薄膜体声波谐振器有限元仿真分析

为了抑制薄膜体声波谐振器(FBAR)的寄生谐振同时满足5G通信的高频需求,基于Comsol Multiphysics仿真软件建立薄膜体声波谐振器的二维和三维有限元模型,研究了压电材料、电极横向尺寸和电极形状对寄生谐振的影响,并讨论了电极框架结构对FBAR并联谐振频率(f_(p))处的品质因数(Q_(p))的影响。基于分析,提出并设计了一种双阶梯电极框架结构的FBAR,该结构的FBAR以AlN为压电材料,电极形状为五边形,中心频率为3.504 GHz,串联谐振频率为3.467 GHz,并联谐振频率为3.541 GHz,Q_(p)为1591。Q_(p)与未优化的FBAR相比提高了19.2%,实现了对寄生谐振的有效抑制。

杂模抑制薄膜体声波谐振器的仿真分析

该文研究了电极边界阶梯结构对薄膜体声波谐振器(FBAR)杂波的影响。采用有限元仿真法讨论了阶梯结构宽度尺寸对杂波的抑制效果,结合振型分析该结构能抑制声波能量的泄露,提高器件品质因数。为了进一步验证仿真结果,实验制备了FBAR器件。测试结果表明,当该阶梯结构凸起宽度为3μm,凹陷宽度为1.5μm时,谐振器杂波被有效抑制,反谐振频率处的品质因数约增大100。

C波段横向激励薄膜体声波谐振器设计与制备

针对未来移动通信对射频前端器件提出的多频率、高集成新要求,开展了兼具声表面波(SAW)谐振器和薄膜体声波谐振器(FBAR)技术特点的新型横向激励兰姆波谐振器研究。该文介绍了基于c轴择优取向氮化铝(AlN)压电薄膜的C波段横向激励薄膜体声波谐振器(XBAR)的结构设计、参数优化和制备方法,并进行了工艺验证。通过剥离和刻蚀等步骤制备了谐振频率4.464 GHz、品质因数3039、品质因数与频率之积(f×Q)达到1.56×10^(13)GHz、面积小于0.12 mm^(2)的低杂波XBAR谐振器,并仿真分析了其用于射频滤波器的可行性。该研究为进一步研制多频率、高集成的小型化XBAR滤波器组件提供了有效的设计技术和工艺技术支撑。

高品质因数薄膜体声波谐振器的仿真与制备

该文研究了双层反射结构对薄膜体声波谐振器性能的影响。采用有限元方法建立了以氮化硅为支撑层,氮化铝为压电层,钼为电极的器件模型。首先探究反射层的宽度对输入阻抗的影响,为了进一步验证仿真结果,制备了空腔型薄膜体声波谐振器。研究结果表明,当反射层的宽度为0.5μm时,器件的品质因数将得到极大增强。

空腔型压电薄膜体声波谐振器的仿真研究

微机电加工技术的迅速发展与集成电路技术的日益成熟,射频前端设备中的器件朝着小型化、集成化方向发展。压电薄膜体声波谐振器(Film bulk acoustic resonator, FBAR)逐渐成为通信滤波器的研究热点之一。首先基于射频仿真软件ADS 2019,首先采用一维Mason等效电路模型对FBAR器件的谐振频率特性进行模拟,得到FBAR的各膜层厚度以及谐振面积均对频率-阻抗特性有影响。其次以此Mason模型的仿真结果确定各膜层的材料与厚度,根据压电层的材料厚度对MBVD模型的参数提取过程进行了说明。最后以MBVD为模型设计的FBAR的频率达到了3.4GHz及以上,串联谐振频率fs为3.714GHz,并联谐振频率fp为3.811GHz,且S21的值优于-3dB,具体为-0.156dB,有效机电耦合系数约为6.28%,串联谐振因子Qs约为621.17,并联谐振因子Qp约为666.54。

薄膜体声波谐振器有限元仿真与设计

为了抑制薄膜体声波谐振器的寄生谐振,建立了薄膜体声波谐振器的二、三维有限元模型。通过频率响应仿真,分析了不同电极结构的谐振器在中心频率处的振动位移分布情况和频率响应曲线,评估了不同电极结构对谐振器寄生振动的影响,并完成谐振器电极结构的优化设计,实现了谐振器寄生振动抑制。根据仿真优化结果表明,设计并制作了工作频率在1.873GHz的薄膜体声波谐振器,谐振器插入损耗0.7dB,无明显寄生谐振,对设计进行了验证。

2．8GHz薄膜体声波谐振器的研究

通过采用微机电系统（MEMS）和微声电子方法，研究了硅基片上横膈膜结构薄膜体声波谐振器（FBAR）。器件的串联谐振频率fs=2．75GHz。并联谐振频率fp=2．8GHz，插入损耗IL=-3．7dB，并联谐振频率品质因子Qp=260，有效机电耦合系数Keff^2=4．5％。

AlN薄膜体声波谐振器的制备与性能分析

采用直流磁控反应溅射,在Pt电极上沉积了AlN压电薄膜,并制备了以SiO2为声反射层的体声波谐振器。用X-射线衍射(XRD)、电镜扫描(SEM)、原子力显微镜(AFM)测试表明,制备出的AlN薄膜具有高c轴择优取向、良好的柱状晶结构以及平滑的表面;用网络分析仪测试体声波谐振器得到较好的频率特性,即串、并联谐振频率分别为1.22 GHz1、.254 GHz,机电耦合系数为6.68%,带宽20 MHz。

1.8GHz AlN薄膜体声波谐振器的研制

提出了基于AlN压电薄膜多层结构的1.8 GHz射频薄膜体声波谐振器(FBAR),并进行了研究。采用修正后的MBVD等效电路模型对器件的谐振特性进行了分析和模拟。给出了采用半导体加工工艺制备器件的工艺流程,并实际制做谐振器样品,样品的测试结果:器件的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp分别为1.781和1.794 GHz,相应的有效机电耦合系数为1.8%;串联谐振频率处和并联谐振频率处的Q值分别为308和246。该谐振器样品实际尺寸为0.45 mm×0.21 mm×0.5 mm,可以用来制备高性能的滤波器、双工器和低相噪射频振荡器等。

L波段薄膜体声波谐振器纵波谐振频率计算

薄膜体声波谐振器(FBAR)电极层和压电层的厚度、材料是影响谐振频率的主要因素,确定各层的厚度和材料可得到期望的谐振频率。通过推导FBAR纵向运动应力方程,得到各层厚度、材料、频率参数与角频率相关的公式;采用MATLAB对FBAR各层应力和位移的边界、连续性条件方程组的行列式进行牛顿迭代,得到各层的频率参数。将确定的各层厚度、材料参数值及由牛顿迭代得到的频率参数值代入公式,可以得出谐振频率为1.453 8GHz。采用ADS对具有与公式计算相同厚度、材料的FBAR进行纵向振动Mason模型等效电路仿真,得到仿真模型的谐振频率为1.463GHz。仿真验证结果表明,谐振频率公式计算值和模型仿真值较近,可采用频率公式计算L波段FBAR纵波谐振频率。

薄膜体声波谐振器的电磁兼容性分析

随着薄膜体声波谐振器(FBAR)工作频率及FBAR器件集成度的不断提高,FBAR器件的电磁干扰问题显得尤为突出。常用电学模型和有限元模型都假定FBAR中的电磁场为无源准静态场,无法仿真模型的相关电磁特性。使用HFSS高频电磁仿真软件建立了FBAR的三维电磁仿真模型,采用一个包含声场特性的等效介电常数,实现了FBAR电磁场分布、电磁场耦合与压电效应的一体化仿真。分析了高频电磁场分布及电磁场耦合对谐振特性的影响,通过优化FBAR与临近元件的间距及采用不同介电常数的基板材料,减小了电磁场耦合的干扰。

薄膜体声波谐振器(FBAR)技术及其应用

薄膜体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）器件和微波陶瓷器件。该文综合阐述了薄膜体声波技术的基本原理、最新发展及应用。分析了FBAR器件的三种结构及其制作方法。还简要讨论了薄膜体声波技术的未来发展趋势及面临的挑战。

薄膜体声波谐振器的梯形射频滤波器设计

从Mason等效电路模型出发,研究了基于薄膜体声波谐振器的梯形结构射频滤波器的设计。以往的研究中都没有考虑到介质的声损耗,这样得到的滤波器频响中就未计入插入损耗的影响。采用射频网络方法对薄膜体声波谐振器建模,并在模型中加入了介质声损耗的影响,然后就基于薄膜体声波谐振器的梯形射频滤波器的传输响应、带宽、插入损耗、阻带抑制以及带内波纹情况进行了分析和讨论。

Si基薄膜体声波谐振器(FBAR)技术研究

介绍了目前国际上主流的薄膜体声波谐振器(FBAR)技术,分析了FBAR谐振器的结构设计和压电薄膜选取方案。依托Si基半导体工艺平台,采用牺牲层技术完成了空气腔的制作,利用磁控反应溅射技术制备的高质量(002)AlN薄膜作为压电材料,基于FBAR多层立体结构,实现了空气腔型FBAR谐振器的制作工艺,实际制作了FBAR谐振器样品。实测FBAR谐振器样品典型指标:Q值≥300,谐振频率为1.46 GHz,谐振频率覆盖L波段。测试结果验证了设计方案及工艺路径的正确性与可行性,为后续产品的研发提供了技术基础。

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

针对"FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁"结构悬臂梁厚度不足、"嵌入式FBAR"结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型"膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)"结构的微加速度计。其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性。通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度。进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数k Hz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性。

薄膜体声波谐振器温度-频率漂移特性分析

薄膜体声波谐振器(FBAR)的谐振频率会受外界环境温度的影响而产生漂移,对于FBAR滤波器而言,这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化,降低其在电学应用中的可靠性。应用ANSYS有限元分析软件,对一个典型Mo-AlN-Mo结构的FBAR进行温度-频率漂移特性的仿真,在-50^+150℃温度范围内得到其温度频率系数为-33.6×10-6/℃。通过在FBAR结构中添加一层正温度系数的补偿层,分析了补偿层厚度对FBAR温度-频率漂移特性、谐振频率和机电耦合特性的影响。设计的温度补偿FBAR其温度频率系数为0.872×10-6/℃,比未添加补偿层时有很大改善。

基于薄膜体声波谐振器的高灵敏度质量传感器

提出了一种针对于生物传感应用的薄膜体声波谐振(Thin film bulk acoustic resonator,FBAR)质量传感器。薄膜体声波谐振器谐振频率非常高(GHz数量级),同时具有很高的品质因数,因此基于这种器件的质量传感器具有非常高的质量灵敏度。提出了三对全金属Al-W层作为布拉格声学反射层的FBAR,采用AlN作为压电层,制备出了固态装配型FBAR传感器。通过淀积不同厚度Al层顶电极,对器件的质量灵敏度进行了分析,得到质量传感器串联谐振频率在2.8GHz附近,质量响应度达到5×10-4ng/Hz/cm2,可以实现分子量级的质量传感。