基于微机电系统的薄膜体声波谐振器技术

郭晓慧

摘 要 随着我国无线通讯的飞速发展，通讯器件的微型化、低功耗、低成本、高性能与集成化等越来越受人们关注。基于微机电系统的薄膜体声波谐振器技术是实现系统低功耗与微型化的重要技术，薄膜体声波谐振器具有体积小、频率高、换能效率高等诸多优势。为了对基于微机电系统的薄膜体声波谐振器有一个更深层次的认识，文章阐述了薄膜体声波谐振器的基本结构与工作原理，并分析了薄膜体声波谐振器及技术的应用与发展趋势。

关键词 微机电系统；薄膜体声谐振器；技术；原理；应用

中图分类号：TN015 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0007-02

薄膜体声谐振器及相关技术是现今技术领域的研究热点，其具有频率高、承受功率大、体积小等多种优势，因此越来越引起相关研究者的重视。在市场需求不断增加和微加工技术的日益成熟，薄膜体声谐振器技术在各种器件生产制造中的应用也越来越广泛，对实现各种器件的低成本制造具有一定的经济学意义。

1 薄膜体声波谐振器的工作原理与基本结构

1.1 薄膜体声谐振器的工作原理

薄膜体声谐振器英文简称FBAR，其是利用声学谐振实现电学选频的一种器件，该器件的工作区主要是由压电膜、金属底电机、金属上电级等元件组成。薄膜体声谐振器的工作原理是当电信号加载到薄膜体声谐振器上时，该器件内部的压电薄膜会利用逆压电效应把电信号转换成声信号，并根据器件特有的声学结构对不同频率的声信提供可选择性。薄膜体声谐振器在工作过程中声信号若满足声波全反射条件，那么其将会器件内部产生谐振，若声信号不满足谐振条件，那么其声信号就会相对衰减，在频谱上声信号与谐振的频率差距越大，那么声信号的衰减速度会越来越快。在薄膜体声谐振器内部幅度相位存在差异的声信号可以利用压电薄膜转变为电信号，并将其等比例输出。薄膜体声谐振器与陶瓷滤波器及晶体谐振器的工作原理具有一定的共通，不同的是，薄膜体声谐振器的压电膜厚度属于微米量级，其在工作中的频率可以达到吉赫兹级。

1.2 薄膜体声谐振器的基本结构

薄膜体声谐振器在不同时期其基本结构也是不同的，目前薄膜体声谐振器主要有三种结构形式，分别是横膈膜型、空气腔型与反射阵型。

横膈膜型是薄膜体声谐振器早期应用较为普遍的一种结构模式，这种结构主要是采用Si材料的各向异性，并通过MEMS方法对衬底材料进行刻蚀，从而形成仅有几微米厚度的横膈膜。这种结构方式在应用中具有一定的局限性，在薄膜体声谐振器工作区域，若将比工作区域面积大的衬底移除，那么会造成薄膜体声谐振器整体不稳定，致使其可靠性下降。并且横膈膜的厚度与压电膜厚度相比，其厚度较大，这样很容易造成声泄露。

空气腔型是薄膜体声谐振器最成功的结构形式，电极与压电膜加工完毕后移除其下方位置的牺牲层材料，从而形成空气腔，这样可以有效减少声泄露。该结构与横膈膜结构相比存在较大的差异性，空气腔结构面积与薄膜体声谐振器工作区面积之比接近1：1，然而横膈膜结构压电膜与隔膜厚度之间的比值则远远小于1，空气腔结构比横膈膜结构的稳定性较强。

反射阵型是一种基于布喇格谐振腔原理的结构，在薄膜体声谐振器中声波会沿着衬底进行传播，因此可以在衬底上部设置一定的反射层，尽可能的将声波能量反射回去。若其在工作中满足布喇格谐振的条件，那么声波将会在反射层与压电膜形成驻波，从而实现器件的谐振。另外，薄膜体声谐振器在声波传播中，在声阻抗不连续的状况下声波会产生一定的反射，一般情况下声阻抗差异性越大，那么其反射的效率也会随之增高。

2 基于微机电系统的薄膜体声波谐振器技术应用

2.1 基于薄膜体声谐振器技术的滤波器

基于薄膜体声谐振器技术的滤波器工作频率较高，并且损耗量较低，功率承受能力较强、并且温度十分稳定。那么在工作中要提高滤波器的频率，可以将多个谐振频率不同的薄膜体声谐振器级联在一起，通过这种方法可以满足射频滤波器的要求。

现今基于薄膜体声谐振器技术的滤波器有三种基本架构，分别是梯形结构、桥式结构、桥式结构与梯形结构组合的结构形式。其中梯形结构的滤波器是基于薄膜体声谐振器技术的滤波器常用的机构，该结构具有陡峭抑制的响应。桥式结构的滤波器的滚降系数较低，但是其无用频带抑制与梯形结构滤波器相比更高。三种结构各有其优势及局限性，利用WCDMA射频前段技术将梯形结构与桥式结构的滤波器合理结合，可以使滤波器在接近通带的位置产生陡峭响应，同时还可以实现无用频带的隔离。

2.2 基于薄膜体声谐振器技术的双工器

双工器是通讯系统中的重要设备，在通讯系统中发挥着重要性作用。合理利用薄膜体声谐振器技术可以实现产品的大规模生产制造，双工器就是在薄膜体声谐振器技术的基础上产生的。新一代依据薄膜体声谐振器技术生产制造的双工器面积仅仅有1.6 mm×2.0 mm，高度在1.0以下，但其在工作中的频率却可以达到1850～1910 MHz，典型插入损耗量为2.5dB，该器件发送功率的处理能力较强，因此在市场上非常受企业及人们的欢迎。

2.3 基于薄膜体声谐振器技术的振荡器

振荡器与低抖动率都是无线通信与有线通信领域中必不可少的设备，基于薄膜体声谐振器技术的振荡器具有低成本、小尺寸以及高性能等诸多优势，是在SAW与陶瓷等多种振荡器上发展起来的。现今已有公司利用薄膜体声谐振器技术制作出固定频率的振荡器，经过进一步的研发得出，中心频率在1985 MHz的电压可以实现对振荡器的调节，其可调范围在2.5 MHz，而其在工作中所产生的相位噪声则在-112dBc。

3 基于微机电系统的薄膜体声波谐振器技术发展趋势

利用薄膜体声谐振器技术不仅可以生产制作滤波器、双工器以及振荡器等多种小体积、高性能的微波器件，完善微机电系统，同时还可以利用该技术，结合低噪声功率放大器等一些有源器件进行集成操作，从而建立体积更小，性能更高的射频系统。薄膜体声谐振器技术性较强，应用较为广泛，目前薄膜体声谐振器技术与辅助电路基本上都是单独制作，将其有科学组装在一起，形成片上集成电路薄膜体声谐振器技术，这种集成性技术不仅能够缩小射频前端的体积及成本，同时还有可能实现系统单芯片集成。

薄膜体声谐振器技术还有一个全新的发展方向，那就是其在更高频段的应用。目前我国滤波器所运用的薄膜体声谐振器技术仅是该技术的基本谐振模式，大大限制了滤波器的工作频率。在技术研究中可以往更高次谐波模式方向发展，这样滤波器就可以在更高层频段上应用，扩大滤波器的使用范围。同时利用薄膜体声谐振器技术实现高次谐波谐振磨模式还可以有效降低该器件在工作中的机电耦合系数，限制滤波器的相对通带，提高滤波器在工作运行中的安全性。

4 总结

薄膜体声谐振器技术是由多学科交叉的一种先进技术，迄今为止，薄膜体声谐振器的基本结构有三种，这三种基本结构各有其功能性，也因此造就了薄膜体声谐振器的技术优势。将该技术应用到生产制作中，可以制作出多种不用功能的器件，例如滤波器、双工器、振荡器等。就薄膜体声谐振器技术现今的发展趋势而言，其电性满足了移动通讯的要求，具有十分广泛的发展空间。

参考文献

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