薄膜谐振器技术概述

薄膜谐振器技术概述

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薄膜谐振技术的发展已经超过40年，相对于传统的石英晶体技术可获得的频率，该技术达到更高的频率。利用微电子进程的先进性，采用压电材料的薄膜用来制造频率段500MHz至20GHz的谐振器和滤波器。本文是一篇薄膜谐振（TFR）技术的review，描述了已制造成形或者经过论证的谐振器和滤波器的核心结构和问题。

背景

电机设备是电子系统种的重要部分，例如石英“晶体”，因为它们在电子终端表现出很高的Q值，这正是电子系统所需要的。然而，机械系统只有电子终端实现高Q值，通过机械和电子间的传输机制实现。显然，石英和其他所谓的压电材料中产生第一步的有效传输。在机械谐振的工作频率附近，一个AC信号应用到晶体使晶体产生一个机械振动，该振动反过来通过一个代表电气谐振的电流流显示在电气终端（图1）。

正如近期的文献所述[1],[2]，TFR技术的核心是压电谐振器having roots going back to the 传统的石英晶体。几何结构上，谐振器的形式是一个使用压电材料作为介质和合适的金属电极的简单电容形式。图1所示的晶体谐振器的传统电路符号沿用一个简单的等效电路。当压电平板真正固定在金属板之间不接触摇晃表面，开始有了电路符号的表示。因为事实上机械运动在微小的纳米级下测量，其运动极其微小，电极很可能关闭。金属电极可以直接制造到谐振器上，该技术已经有50多年。

大部分压电谐振器是厚模式类型，这意味着体声波（BAW）反射在主要的平板表面之间。边界条件要求波高效率地反应在表面，为了在空气或真空下保持高共振Q，提供极好的外部边界表面。

图1.晶体谐振器.(a)电路符号，谐振器结构的抽象代表，(b)任一种共振的等效电路。Co/Ca的比例由拓扑结构和谐振器的压电材料固定。Co由设计区域决定（几何电容）。La和Ca发生共振的频率由谐振器的厚度决定，Ra由损耗决定。

压电谐振器的等效电路[图1(b)]是一种复合结构，表现出传输机制和共振响应。Co是该结构的几何电容，接近共振，Ca La Ra串联电路（称为动态臂）描述了共振现象。在低频处，第一个共振是动态臂的串联共振，频率稍高的地方，存在一个额外的电感足以和Co发生并联谐振。在串联和并联谐振之间，电路产生电感。因此，压电谐振器可以产生两个电气等效共振，在不存在真实的电感器件情况下产生一个电感响应。最重要的是，产生的这个电感有一个很高的Q值。共振Q 值很高是晶体谐振器应用于这么多频率控制的主要原因。第二个原因是谐振器面积很小，因为在一个晶体中，声音的波长大概是一个电磁波波长的4个数量级左右。但是在很薄的结构中传输的短波，是晶体谐振器应用于微波频率的根本难题。

因为共振频率和金属板厚度成反比，高频率意味着薄金属板——在微波频率金属板非常薄。20世纪60年代，由于晶体减薄技术的限制，注意力转移到可以以薄膜形式生长的压电材料，例如CdS和ZnO。由于膜结构必须生长在基板上，并且不能立马显现如何支持那些薄膜结构，早期的膜结构首次应用于雷达的声波延迟线的能量转换器，这个应用保持了相当长的时间。对于基板和延迟线，机制支持不是一个问题。

随着微电子的发展，压电膜最后可以应用于适合滤波分析和其他应用的谐振器构造。技术不是减薄晶体板的厚度至微米级，对于给定频率生长压电薄膜已经成为谐振器制造的首选方法。最重要的是，建立技术支持膜结构的方法以致可以作为谐振器使用，而不仅仅是能量转换器。薄膜谐振器是低频谐振器在微波段的说法。

TFR结构

如前文所述，版图设计（板谐振器）要求合适的接口以达到很高的Q共振。另外高频段，平板厚度在微米段测量，和接口连接时，对制造工艺有很高的要求。低频段，500MHz以下，石英晶体平板可以变薄至合适的厚度。在更高的微波频率段，膜可以在适当的基板上生长成合适的厚度。例如，一个工作在1,600MHz的氮化铝谐振器大概3μm厚，铝电极为0.3μm厚，典型面积为0.25 × 0.25 mm。这种薄膜获得简单。实现薄膜BAW技术的真正挑战是设备的制造，要求这种设备的接口条件获得一个高Q值共振，结构中横向尺寸厚度比大于50:1。

图2(a)显示了支持一个或多个边的空运线谐振器的一种可行方法。在制造方面，在基板上形成短期的支持，其次是一个较低的电极、压电薄膜沉积和一个高电极。支持消除后，薄膜谐振器留在合适的位置，和空气边界和一些外围版图支持相邻。薄膜微电子重要的进步使一系列TFR技术成为可能。

图2(b)表示一个版面更加粗糙的固态谐振器（SMR）结构，它通过一个名义上的四分之一波长厚层组成的反射器隔离谐振器和基板。厚层的数量根据要求的反射参数和连续层之间特性阻抗的比例确定。例如，GPS1,575MHz的九层反射器应该有五层二氧化硅（0.93μm）和四层氮化铝（1.7 μm）多晶体层。

图3表示一个SMR类型的谐振器的典型响应。从响应看随着频率的升高，阻抗变化显然从电容到电感再回到电容。

谐振器最重要的应用是真塘栖和滤波器分析。在任意一种应用中，温度和其他影响谐振器设计和应用的稳定因素都有明显的限制。在低频谐振器或者表面声波（SAW）设备中使用的单晶体材料中，可以发现那些有理想温度特性的晶体取向。然而，这些材料中没有一种以适合制造的直接应用薄膜形式存在。

图2.薄膜谐振器.(a)在基板电极和压电层之前的合适的基板上的临时支持。(b)SMR使用一个四分之一波长的序列，得到谐振器的反射接口。

谐振器最重要的应用是真塘栖和滤波器分析。在任意一种应用中，温度和其他影响谐振器设计和应用的稳定因素都有明显的限制。在低频谐振器或者表面声波（SAW）设备中使用的单晶体材料中，可以发现那些有理想温度特性的晶体取向。然而，这些材料中没有一种以适合制造的直接应用薄膜形式存在。

图3.1.600MHz频率附近SMR类型谐振器的响应smith圆图。它是一个GPS滤波器晶圆的诊断谐振器。该响应是干净的，没有任何可能增加滤波器的群延时波纹的谐振。K2是有效压电耦合系数。