FBAR濾波器的工作原理及制備方法
聲波在上下界形成串聯(lián)諧振
在某交變電壓V(fs)作用下,其極化向量P與電場(chǎng)E同相位,聲波在上下界形成串聯(lián)諧振,此時(shí)體聲波諧振器的電學(xué)阻抗呈最小值。
在某交變電壓V(fp)作用下,其極化向量P與電場(chǎng)E反相位,聲波在上下界形成并聯(lián)諧振,此時(shí)體聲波諧振器的電學(xué)阻抗呈最大值。頻率fp處聲波損耗最小因此該聲信號(hào)能順利傳輸通過(guò)。
用以表征體聲波諧振器性能的參數(shù),除了上面所述的諧振頻率f(fs,fp)之外,還有有效機(jī)電耦系數(shù)Keff2和品質(zhì)因數(shù)Q,Keff2和Q分別定義為:
有效機(jī)電耦合系數(shù)Keff2用來(lái)表示體聲波諧振器串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp的相對(duì)頻率,同時(shí)也表示薄膜體聲波諧振濾波器的帶寬,Keff2越大,則諧振器構(gòu)成的濾波器的帶寬也越大,Keff2主要由壓電薄膜的材料參數(shù)決定。
品質(zhì)因素(Q)可用來(lái)判斷諧振器聲波損失的情形;主要有兩個(gè)原因會(huì)造成聲波的損失:
第一是薄膜本身品質(zhì)的好壞。一般來(lái)說(shuō),成長(zhǎng)品質(zhì)不好的薄膜會(huì)有高應(yīng)力、高密度的晶界以及大量的缺陷和雜質(zhì),這些缺陷都會(huì)造成聲波的散射,因而減低品質(zhì)因素。而高聲波波速的材料,由于聲波在傳遞時(shí)不易被吸收,因此有較高的品質(zhì)因素。
第二是薄膜的表面粗糙度。電極和壓電薄膜表面粗糙度大,會(huì)造成聲波的散射損失以及電極的電損失(Electrical Loss),而造成品質(zhì)因素的降低。因此,對(duì)于體聲波諧振器元件來(lái)說(shuō),只要是聲波傳遞的路徑,不論是壓電層或是反射層,各層薄膜的成長(zhǎng)品質(zhì)都會(huì)影響整體元件的品質(zhì)因素。
三種FBAR結(jié)構(gòu)
現(xiàn)在主流的FBAR結(jié)構(gòu)主要有三種:空氣隙型、硅反面刻蝕型和固態(tài)裝配型。
1、空氣隙型
此種FBAR是基于MEMS的表面微加工技術(shù)(surface micromachining),在硅片的上表面形成一個(gè)空氣隙以限制聲波于壓電震蕩堆之內(nèi)。通過(guò)先填充犧牲材料最后再移除之的方法制備空氣腔以形成空氣一金屬交界面。此方法可以傳統(tǒng)的硅藝兼容。
2、硅反面刻蝕型
此種FBAR是基于MEMS的體硅(Si)微加工技術(shù)(bulk micromachining),將Si片反面刻蝕。在壓電震蕩堆的下表面形成空氣一金屬交界面從而限制聲波于壓電震蕩堆之內(nèi)。此技術(shù)的缺點(diǎn)是由于大面積移除Si襯底,導(dǎo)致機(jī)械牢度降低。