空腔型薄膜体声波滤波器的关键技术进展
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
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。
View image in article
图5
具有边缘布拉格反射层结构的谐振器[31]
正文中引用本图/表的段落
在FBAR滤波器中主要考虑的是声波在压电薄膜厚度方向的传播, 理想情况下的理论分析也多基于厚度方向的纵波展开。然而, 实际情况下FBAR中既存在纵波也存在兰姆波[28-29], 虽然纵波为主模态, 但兰姆波在器件中传播引起的横向模态和寄生模态也不可忽视。Qiu等[30]利用LCR非线性等效电路分析了BAW器件中横向模态诱发的非线性机理, 研究显示横向模态产生的m次谐波大约被放大了m倍, 这是由横向模态和主模态的场分量之间产生的分量引起的。事实上兰姆波导致的声波能量泄漏极大降低了器件Q值, 为解决此问题, 研究人员试图通过在器件顶电极边缘增加某些框架结构来抑制声波能量泄漏, 从而尽可能将能量限制在FBAR的有源区[31??-34]。该框架结构多数为凸起的边缘电极及其变形结构或布拉格反射层结构, 其典型结构形式如图5所示[31]。为尽量减少寄生模态产生的杂波, 一种有效方法是在FBAR中采用不规则形状的电极。时至今日, 虽然该方法在一定频率范围内取得了显著成效, 但当面对较高频率范围时便无法改善FBAR滤波器的性能。
(a) Nonlinear circuit model; (b) Second harmonic response; (c) Third harmonic response ... Simulation of nonlinear resonance, amplitude-frequency, and harmonic generation effects in SAW and BAW devices 1 2019 ... 为解决该问题, Hashimoto等[25]基于本构方程的微扰分析提出了FBAR的一维非线性响应等效电路模型, 结果显示该模型可有效模拟二阶、三阶谐波响应, 如图4所示.此外, Pang等[26]基于三维非线性压电方程, 推导了适用于BAW器件的非线性耦合控制方程体系, 并通过比较COMSOL有限元仿真的模型结果、解析结果和实验结果, 证实了其可靠性.Schneider等[27]则将声学材料固有的线性以及非线性模型结合, 实现了声学滤波器的频率变换. ... Frequency conversion through nonlinear mixing in acoustic waves 1 2020 ... 为解决该问题, Hashimoto等[25]基于本构方程的微扰分析提出了FBAR的一维非线性响应等效电路模型, 结果显示该模型可有效模拟二阶、三阶谐波响应, 如图4所示.此外, Pang等[26]基于三维非线性压电方程, 推导了适用于BAW器件的非线性耦合控制方程体系, 并通过比较COMSOL有限元仿真的模型结果、解析结果和实验结果, 证实了其可靠性.Schneider等[27]则将声学材料固有的线性以及非线性模型结合, 实现了声学滤波器的频率变换. ... High velocity lamb waves in LiTaO3 thin plate for high frequency filters 1 2016 ... 在FBAR滤波器中主要考虑的是声波在压电薄膜厚度方向的传播, 理想情况下的理论分析也多基于厚度方向的纵波展开.然而, 实际情况下FBAR中既存在纵波也存在兰姆波[28-29], 虽然纵波为主模态, 但兰姆波在器件中传播引起的横向模态和寄生模态也不可忽视.Qiu等[30]利用LCR非线性等效电路分析了BAW器件中横向模态诱发的非线性机理, 研究显示横向模态产生的m次谐波大约被放大了m倍, 这是由横向模态和主模态的场分量之间产生的分量引起的.事实上兰姆波导致的声波能量泄漏极大降低了器件Q值, 为解决此问题, 研究人员试图通过在器件顶电极边缘增加某些框架结构来抑制声波能量泄漏, 从而尽可能将能量限制在FBAR的有源区[31??-34].该框架结构多数为凸起的边缘电极及其变形结构或布拉格反射层结构, 其典型结构形式如图5所示[31].为尽量减少寄生模态产生的杂波, 一种有效方法是在FBAR中采用不规则形状的电极.时至今日, 虽然该方法在一定频率范围内取得了显著成效, 但当面对较高频率范围时便无法改善FBAR滤波器的性能. ... Full 3D FEM simulation of thickness shear bulk acoustic resonators on LN assisted by hierarchical cascading technique 1 2021 ... 在FBAR滤波器中主要考虑的是声波在压电薄膜厚度方向的传播, 理想情况下的理论分析也多基于厚度方向的纵波展开.然而, 实际情况下FBAR中既存在纵波也存在兰姆波[28-29], 虽然纵波为主模态, 但兰姆波在器件中传播引起的横向模态和寄生模态也不可忽视.Qiu等[30]利用LCR非线性等效电路分析了BAW器件中横向模态诱发的非线性机理, 研究显示横向模态产生的m次谐波大约被放大了m倍, 这是由横向模态和主模态的场分量之间产生的分量引起的.事实上兰姆波导致的声波能量泄漏极大降低了器件Q值, 为解决此问题, 研究人员试图通过在器件顶电极边缘增加某些框架结构来抑制声波能量泄漏, 从而尽可能将能量限制在FBAR的有源区[31??-34].该框架结构多数为凸起的边缘电极及其变形结构或布拉格反射层结构, 其典型结构形式如图5所示[31].为尽量减少寄生模态产生的杂波, 一种有效方法是在FBAR中采用不规则形状的电极.时至今日, 虽然该方法在一定频率范围内取得了显著成效, 但当面对较高频率范围时便无法改善FBAR滤波器的性能. ... Emphasis mechanism of nonlinear responses caused by transverse modes in RF BAW devices 1 2020 ... 在FBAR滤波器中主要考虑的是声波在压电薄膜厚度方向的传播, 理想情况下的理论分析也多基于厚度方向的纵波展开.然而, 实际情况下FBAR中既存在纵波也存在兰姆波[28-29], 虽然纵波为主模态, 但兰姆波在器件中传播引起的横向模态和寄生模态也不可忽视.Qiu等[30]利用LCR非线性等效电路分析了BAW器件中横向模态诱发的非线性机理, 研究显示横向模态产生的m次谐波大约被放大了m倍, 这是由横向模态和主模态的场分量之间产生的分量引起的.事实上兰姆波导致的声波能量泄漏极大降低了器件Q值, 为解决此问题, 研究人员试图通过在器件顶电极边缘增加某些框架结构来抑制声波能量泄漏, 从而尽可能将能量限制在FBAR的有源区[31??-34].该框架结构多数为凸起的边缘电极及其变形结构或布拉格反射层结构, 其典型结构形式如图5所示[31].为尽量减少寄生模态产生的杂波, 一种有效方法是在FBAR中采用不规则形状的电极.时至今日, 虽然该方法在一定频率范围内取得了显著成效, 但当面对较高频率范围时便无法改善FBAR滤波器的性能. ... Design of high-Q thin film bulk acoustic resonator using dual-mode reflection 4 2014 ... 在FBAR滤波器中主要考虑的是声波在压电薄膜厚度方向的传播, 理想情况下的理论分析也多基于厚度方向的纵波展开.然而, 实际情况下FBAR中既存在纵波也存在兰姆波[28-29], 虽然纵波为主模态, 但兰姆波在器件中传播引起的横向模态和寄生模态也不可忽视.Qiu等[30]利用LCR非线性等效电路分析了BAW器件中横向模态诱发的非线性机理, 研究显示横向模态产生的m次谐波大约被放大了m倍, 这是由横向模态和主模态的场分量之间产生的分量引起的.事实上兰姆波导致的声波能量泄漏极大降低了器件Q值, 为解决此问题, 研究人员试图通过在器件顶电极边缘增加某些框架结构来抑制声波能量泄漏, 从而尽可能将能量限制在FBAR的有源区[31??-34].该框架结构多数为凸起的边缘电极及其变形结构或布拉格反射层结构, 其典型结构形式如图5所示[31].为尽量减少寄生模态产生的杂波, 一种有效方法是在FBAR中采用不规则形状的电极.时至今日, 虽然该方法在一定频率范围内取得了显著成效, 但当面对较高频率范围时便无法改善FBAR滤波器的性能. ...
另外, 实用的FBAR滤波器必须具备良好的散热能力.如 图6所示, FBAR在工作时产生的热量主要沿着压电薄膜横向传导[ 35], 导致器件温度由中心向四周大致呈梯度变化, 那么FBAR滤波器拓扑结构中不同位置器件产生的热量累积将对滤波器的整体性能产生巨大影响.随着器件体积的微缩以及工作频率的不断提高, FBAR滤波器的稳定性、可靠性等都将随温度及其功率容量的变化而变化.因此, 基于仿真软件计算器件的温度参数, 并建立相应的温度模型, 对深入开展FBAR滤波器热传导机制的理论研究分析十分必要. ... Use of double-raised-border structure for quality factor enhancement of type II piston mode FBAR 1 2018 ... 在FBAR滤波器中主要考虑的是声波在压电薄膜厚度方向的传播, 理想情况下的理论分析也多基于厚度方向的纵波展开.然而, 实际情况下FBAR中既存在纵波也存在兰姆波[28-29], 虽然纵波为主模态, 但兰姆波在器件中传播引起的横向模态和寄生模态也不可忽视.Qiu等[30]利用LCR非线性等效电路分析了BAW器件中横向模态诱发的非线性机理, 研究显示横向模态产生的m次谐波大约被放大了m倍, 这是由横向模态和主模态的场分量之间产生的分量引起的.事实上兰姆波导致的声波能量泄漏极大降低了器件Q值, 为解决此问题, 研究人员试图通过在器件顶电极边缘增加某些框架结构来抑制声波能量泄漏, 从而尽可能将能量限制在FBAR的有源区[31??-34].该框架结构多数为凸起的边缘电极及其变形结构或布拉格反射层结构, 其典型结构形式如图5所示[31].为尽量减少寄生模态产生的杂波, 一种有效方法是在FBAR中采用不规则形状的电极.时至今日, 虽然该方法在一定频率范围内取得了显著成效, 但当面对较高频率范围时便无法改善FBAR滤波器的性能. ... A design approach for high-Q FBARs with a dual-step frame 1 2018 ... 在FBAR滤波器中主要考虑的是声波在压电薄膜厚度方向的传播, 理想情况下的理论分析也多基于厚度方向的纵波展开.然而, 实际情况下FBAR中既存在纵波也存在兰姆波[28-29], 虽然纵波为主模态, 但兰姆波在器件中传播引起的横向模态和寄生模态也不可忽视.Qiu等[30]利用LCR非线性等效电路分析了BAW器件中横向模态诱发的非线性机理, 研究显示横向模态产生的m次谐波大约被放大了m倍, 这是由横向模态和主模态的场分量之间产生的分量引起的.事实上兰姆波导致的声波能量泄漏极大降低了器件Q值, 为解决此问题, 研究人员试图通过在器件顶电极边缘增加某些框架结构来抑制声波能量泄漏, 从而尽可能将能量限制在FBAR的有源区[31??-34].该框架结构多数为凸起的边缘电极及其变形结构或布拉格反射层结构, 其典型结构形式如图5所示[31].为尽量减少寄生模态产生的杂波, 一种有效方法是在FBAR中采用不规则形状的电极.时至今日, 虽然该方法在一定频率范围内取得了显著成效, 但当面对较高频率范围时便无法改善FBAR滤波器的性能. ... Research and design of high sensitivity FBAR micro-mass sensors 1 2021 ... 在FBAR滤波器中主要考虑的是声波在压电薄膜厚度方向的传播, 理想情况下的理论分析也多基于厚度方向的纵波展开.然而, 实际情况下FBAR中既存在纵波也存在兰姆波[28-29], 虽然纵波为主模态, 但兰姆波在器件中传播引起的横向模态和寄生模态也不可忽视.Qiu等[30]利用LCR非线性等效电路分析了BAW器件中横向模态诱发的非线性机理, 研究显示横向模态产生的m次谐波大约被放大了m倍, 这是由横向模态和主模态的场分量之间产生的分量引起的.事实上兰姆波导致的声波能量泄漏极大降低了器件Q值, 为解决此问题, 研究人员试图通过在器件顶电极边缘增加某些框架结构来抑制声波能量泄漏, 从而尽可能将能量限制在FBAR的有源区[31??-34].该框架结构多数为凸起的边缘电极及其变形结构或布拉格反射层结构, 其典型结构形式如图5所示[31].为尽量减少寄生模态产生的杂波, 一种有效方法是在FBAR中采用不规则形状的电极.时至今日, 虽然该方法在一定频率范围内取得了显著成效, 但当面对较高频率范围时便无法改善FBAR滤波器的性能. ... A high power circuit model of an FBAR resonator for use in filter design 3 2019 ... 另外, 实用的FBAR滤波器必须具备良好的散热能力.如图6所示, FBAR在工作时产生的热量主要沿着压电薄膜横向传导[35], 导致器件温度由中心向四周大致呈梯度变化, 那么FBAR滤波器拓扑结构中不同位置器件产生的热量累积将对滤波器的整体性能产生巨大影响.随着器件体积的微缩以及工作频率的不断提高, FBAR滤波器的稳定性、可靠性等都将随温度及其功率容量的变化而变化.因此, 基于仿真软件计算器件的温度参数, 并建立相应的温度模型, 对深入开展FBAR滤波器热传导机制的理论研究分析十分必要. ...
本文的其它图/表
|
