陶桂龙, 支国伟, 罗添友, 欧阳佩东, 衣新燕, 李国强

无机材料学报 2025, 40 (2): 128-144. DOI:10.15541/jim20240355

摘要（332）

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随着通信技术升级以及5G通信应用的驱动, 各种智能设备所需的滤波器数量激增, 促进了滤波器市场的繁荣, 但对其性能要求也越来越高, 例如大带宽、高频率、高功率容量、微型化、集成化以及低成本等指标是学术界与产业界重点关注的方向, 而基于薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)技术的FBAR滤波器已成为最有前景的滤波器之一。另外, 当前空腔型FBAR滤波器已取得了一定的商业成功, 但是仍面临性能不足、工艺复杂、成本略高、技术受限等困境。为此, 本文试图从器件理论研究与结构优化、高性能压电材料制备与优化、新型工艺开发及技术融合三方面对FBAR滤波器的相关问题与关键技术进行综述, 旨在为该研究领域的学者梳理FBAR滤波器技术进阶与迭代的脉络, 以期为未来研究的路径与方向提供若干启发性思考。

FBAR的原理性结构如图2(a)所示, 其核心是顶电极/压电薄膜/底电极组成的复合叠层结构。为提升FBAR滤波器的性能, 可从FBAR的等效电路模型进行数学分析。理想情况下, FBAR中压电薄膜的Mason等效电路模型如图2(b)所示, 其电学阻抗特性如公式(1)[7]所示。

式中,

ω

为信号的角频率;

C_{0}

为FBAR的静态电容,

C_{0} = ε_{zz}^{S} \cdot A / 2 h

, 其由材料的夹持介电常数

ε_{zz}^{S}

、FBAR的有源区面积

A

、压电薄膜的厚度h共同决定;

n

为简化系数, 可理解为图2(b)中变压器线圈的匝数,

n^{2} = 2 θ / k_{t}^{2} ω C_{0} Z_{p}

, 其由声波在传播时产生的相位角

θ

、压电薄膜的本征机电耦合系数

k_{t}^{2}

、

ω

、

C_{0}

和压电薄膜的特征声学阻抗

Z_{p}

求得;

θ = ω / v_{a} = ω h / \sqrt{\frac{c_{33}^{E} + e_{z 3}^{2} / ε_{zz}^{S}}{ρ}}

v_{a}

为材料的纵波声速,

c_{33}^{E}

为材料的弹性劲度常数,

e_{z 3}^{2}

为材料的压电应力常数,

ρ

为材料的密度;

Z_{p} = \sqrt{ρ (c_{33}^{E} + e_{z 3}^{2} / ε_{zz}^{S})}

;

Z_{t}

为从压电薄膜上表面往上看的归一化声学阻抗;

Z_{b}

为从压电薄膜下表面往下看的归一化声学阻抗。此外, 在图2(b)中

Z_{a} = j Z_{p} tan θ

Z_{c} = ? j Z_{p} csc 2 θ

。

事实上, 实用的FBAR是基于图2(a)所示的原理性结构进行优化而得到的一个具有复合叠层结构的器件, 其整个叠层结构除压电薄膜与顶/底电极之外, 还有温补层、调频层等其他结构层。声波将在除压电薄膜层之外的其他结构层中传播, 但这些其他结构层不具备压电效应, 其等效电路模型中不包含电学支路与机电耦合项, 故实际的FBAR的Mason等效电路模型是以图2(b)所示模型为基础的一个更复杂的模型, 其

Z_{t}

、

Z_{b}

涉及各叠层的材料参数, 而这些材料参数都会影响FBAR的综合性能。