薄膜谐振器技术概述

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1、薄膜谐振器技术概述薄膜谐振技术的进展已经超过40年，相关于传统的石英晶体技术可取得的频 率，该技术达到更高的频率。利用微电子进程的先进性，采纳压电材料的薄膜用 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通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份，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。但是，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周围，一个

2、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利用压 电材料作为介质和适合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，其运动极为微小，电极极可能关闭。金属电极能够直接制造到谐振器上，该 技术已经有50连年。大部份压电谐振

3、器是厚模式类型，这意味着体声波（BAW）反射在要紧的平 板表面之间。边界条件要求波高效率地反映在表面，为了在空气或真空下维持高 共振，提供极好的外部边界表面。GCaCoO（a）（b）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

4、态臂的串联共振，频率稍高的地址， 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，压电谐振器能够产生两个电气等效共振，在不存在真实的电感器 件情形下产生一个电感响应。最重要的是，产生的那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操纵的要紧缘故。第二个缘故是谐 振器面积很小，因为在一个晶体中，声音的波长可能是一个电磁波波长的4个数 量级左右。可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全 然难题。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一一在微波频率 金属板超级薄。20世纪60年代，由于晶体减薄技术的限制，注

5、意力转移到能够 以薄膜形式生长的压电材料，例如CdS和ZnO。由于膜结构必需生长在基板上， 而且不能立马显现如何支持那些薄膜结构，初期的膜结构第一次应用于雷达的声 波延迟线的能量转换器，那个应用维持了相当长的时刻。关于基板和延迟线，机 制支持不是一个问题。随着微电子的进展，压电膜最后能够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，关于给定频率生长压电薄膜已经 成为谐振器制造的首选方式。最重要的是，成立技术支持膜结构的方式以致能够 作为谐振器利用，而不单单是能量转换器。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）要求适合的接

6、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，石英晶体平板能够变薄至适合的厚度。在更高的微波频 率段，膜能够在适当的基板上生长成适合的厚度。例如，一个工作在1,600MHz 的氮化铝谐振器可能3“m厚，铝电极为“m厚，典型面积为0.25 x 0.25 mm。这 种薄膜取得简单。实现薄膜BAW技术的真正挑战是设备的制造，要求这种设备 的接口条件取得一个高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式。在制造方 面，在基板上形成短时间的支持，第二是一个较低的电极、

7、压电薄膜沉积和一个 高电极。支持排除后，薄膜谐振器留在适合的位置，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“m）和四层氮化铝（1.7 “m）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 抗转变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 他阻碍谐振器设计和应用的稳固因素都有明显的限制。在低频谐振器或表面声波 （SAW）设备中利用的单晶体材料中，能够发觉那些有理想温度特性的晶体取 向。但是，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。但）Llectrode P

8、atterns* R咯zoelecMB/ZqReflector Lavers(b图2.薄膜谐振器.（a）在基板电极和压电层之前的适合的基板上的临时支持。（b）SMR利用一个四分之一波长 的序列，取得谐振器的反射接口。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 他阻碍谐振器设计和应用的稳固因素都有明显的限制。在低频谐振器或表面声波 （SAW）设备中利用的单晶体材料中，能够发觉那些有理想温度特性的晶体取 向。但是，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。Fseries, MHz FparalleL MHz K2, % Qseries Qparallel1540

9、691573 565 041152 48 223 184图.600MHz频率周围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。1B0 160 140 120 1O0&0 60 40 200 -20->O -100 -120 -U0 -160 18。 -2000255075 100 125 150Temparature, :,-C10-75 -50 -25图4.一个AlN/SiO2复合谐振器相关于温度转变的微小频率转变，石英晶体作为一个参考。Ladder Firter yr(aS

10、tacked Crystal FilterCoupled Resonator FilterPiezaelectric/77:|顶_W.M-一 H-1WLaverswj.1-2TFlJr-!-.? Fl-T.: TIJS Fr: F.-l-l.1 普*一 F.匚:., I.- wr-:s Fr-r:- /.:=cj(d)图5,滤波器配置：（a）串联和分流谐振器的阶梯型滤波器，（b）平稳架，（c）SCF,（d）CRF。一个正和负温度系数（TC）材料设计的复合安排能够实现TFR的温度补偿， 一种材料的TC系数抵消另一种材料的TC系数从而达到全数的补偿。取得补偿的 进程是一边慢慢增加正TC材料一边减少

11、负TC材料，从而维持谐振频率不变。如 此做，所有材料达到差不多中意的平稳。图4表示一个名义上2GHz频率的谐振 器的实验结果。相似的TC谐振器已经能够工作在600MHz至12GHz。大多数的窄带阶梯型滤波器设计投入生产，利用薄膜TC复合谐振器实现窄带 和设计值，还提供了温度补偿的必要程度，保证滤波器适用于应用。滤波器滤波器能够有两种大体的结构，一种利用电气连接谐振器产生电路，另一种 利用波传播耦合谐振器（图5）。Frequency MHz图6.典型阶梯型滤波器的频率响应。在带内带宽，插入损耗和带外阻抗之间存在一个互换。图7.利用5个串联谐振器和4个并联谐振器的工作在3.35GHz频率上的阶梯型

12、滤波器。该滤波器利用在通信电 台的第一级IF链中。阶梯型滤波器通过谐振器不同的频率，综合成一个期望的带宽响应。最简单 的滤波器在相同的频率上具有所有的串联谐振器和工作在更低频率上的分流谐 振器，从而分流谐振器的并联共振和串联谐振器的串联谐振频率几乎一样。这种 滤波器的带阻被一个电容电压分压器性质的阶梯型电路操纵，这时谐振器等效为 简单的电容。图6和图7表示阶梯型滤波器的典型响应。图6中，具有最大带阻的滤波器包 括了5个串联谐振器和4个分流谐振器（5-4布局），只有20dB最终带阻的滤波器 是3-2布局。利用温度补偿谐振器，滤波器带宽更窄。图7表示高频滤波器的响应。阶梯型滤波器，依照系统应用的要

13、求能够实现更宽的频率范围。投产利用的 滤波器，最高频率可达3.5GHz，最低频率可达500MHz以下。最大的容量制造 应用于电话3,4。阶梯型滤波器的带宽第一级的谐振器的电机耦合系数（K2） 和谐振器技术决定。一样情形下，利用现存的薄膜材料，例如氮化铝或氧化锌， 滤波器带宽限制在0.5至4%，该带宽通常概念为窄带。电感调谐能够利用于更宽 带宽的调谐谐振器。声波耦合谐振滤波器堆叠晶体滤波器（SCF）是一种主模模式声波耦合谐振器。SCF如图5 （c） 所示，由压电和金属层的乘法器组成。-70-50-601425 1,475 1.525 1;575 1 625 1 675 1,7场 Frequenc

14、y, MHz0-10-20-300-1。一2。码-30祝-4。-&0-60一70-3090C1,3001,7002,1002,500Frequencyh MHz500图8X 0.7 umo结果显示在一个较大的封装上。在有限带宽反射阵列利用SMR格式能够改善SCF的响应。图8给出了两级GPS滤波器的实验响应。那个地址的要求是蜂窝传输频率的高带阻，可能为800 至1800MHz，提供在GPS L1频率提供低插入阻抗。图9给出了实验的SCF在12.4GHz的响应。那个地址，谐振器的有效面积只 有31 x 31如。地面信号（GSG）焊盘布局只增加到容纳测试中利用的微波探 头设置。以这种方式减少垂直排列

15、谐振器的耦合能够克服SCF结构固有的受限带宽， 从而它们开始作为独立的谐振器而不是单个模式谐振器。由此产生的配置称为耦 合谐振滤波器（图5（d），以区分于SCF （图5（c）。CRF中的顶端谐振器拥有独立的电极，许诺通用的输入/输出（I/O）电极分 成两个独立的电极。当I/O谐振器电气结构上隔离，除偏离电容，滤波器能工作 在一个全平稳模式或作为一个平稳不平稳转换。图9. 2.4GHz左右的SCF的实验响应。谐振器的有效面积为22 X 44 um。这极小的面积由测试中利用的微波 GCG探针决定。考虑到闭合I/O和设备布局，最终抑制下降为泄漏的最小值。Frequency, MHzFrequency, MHz(b)图10.利用氮化铝作为压电利用的四极点CRF的实验结果。3dB带宽为3.6%。从传统的微波观点动身，SCF类似一个微波腔，输入和输出耦合循环。CRF 类似两个腔，拥有虹膜和其他结构限制两个谐振器之间的耦合。图10给出了针对1,960MHz蜂窝电话频段所设计的CRF的测量响应。该滤波 器的3dB带宽大约为67M