基于三维振动模型构建的新型压电薄膜体声波谐振器及其射频信号处理器研究

As the advanced technology of acoustic signal processor, piezoelectric film bulk acoustic wave resonator is hopeful to take the leading place of the SAW in the micro-acoustic devices. Now the one-dimensional Mason transmission line model is widely used to simulate and design the bulk acoustic wave resonator in the world. This model can't correctly simulate the Q value because the lateral mode acoustic wave is not considered. Also, it can't be used to the optimal design of the lateral dimensions. In this project, the novel piezoelectric film bulk acoustic wave resonator is presented constructed by the 3D vibration model. The theoretical basis of spurious mode suppression in BAW resonators will be get by the building of the 3D model and analysis of the dispersion properties. The FBAR and HBAR design based on optimal lateral shape and frame structure will be designed. The design results will be used in the RF signal processors. the RF filters based FBAR technology will be fabricated using MEMS process. The key process problem, deposition of the piezoelectric film with highly c-axis oriented crystallization and minimum internal stress, will be solved. The low noise oscillator based on the optimally designed HBAR will be developed. The original results obtained from the above mentioned work will form the theoretical and technical support for the RF signal processors based on the piezoelectric film bulk acoustic wave resonator.

压电薄膜体声波谐振器技术是现今声学信号处理器的热点技术，有望取代SAW技术成为下一代微声学器件的主导技术。目前国内外仍主要采用一维Mason传输线模型对其进行模拟和设计，因没有考虑横向声波模式的影响，使其不能对Q值等性能进行正确的模拟，也不能对器件的横向尺寸进行优化设计。本项目提出基于三维振动模型构建的新型压电薄膜体声波谐振器，通过建立三维模型以及对其频散特性的分析，为器件带内杂波的抑制提供理论基础；设计新型的具有优化的横向形状及边框结构的FBAR和HBAR；将此优化设计的谐振器用于射频信号处理器中，采用MEMS工艺制作基于FBAR技术的射频滤波器，解决压电三明治膜片的关键工艺问题，即保证压电薄膜具有高度的c轴择优取向的同时具有最小的内应力；研制基于优化设计的HBAR的低相噪振荡器。上述研究将形成若干原创性成果，为压电薄膜体声波谐振器及其射频型号处理器性能的提升提供理论依据和技术支持。

压电薄膜体声波谐振器技术是现今声学信号处理器的热点技术，有望取代SAW技术成为下一代微声学器件的主导技术。压电薄膜体声波谐振器包括薄膜体声波谐振器（FBAR）和高次谐波体声波谐振器（HBAR）两种类型。在压电三明治结构有限元方程的基础上建立了表征FBAR器件各振动模式振动强度的模态常数表达式；建立了基于三维有限元分析的FBAR器件频散曲线提取方法；分析了FBAR谐振频率附近横向杂散模式声波；讨论了采用降低横向平行边界长度比来抑制器件带内波动以及采用边框结构抑制厚度伸缩模式（TE1）声波的机理。结果表明，对于具有正方形结构的FBAR，在主谐振串联谐振频率fs附近，存在多个Lamb波横向振动模式声波；随着横向平行边界长度比的降低，横向声波振动在频域上的分布更密集，强度降低并趋于均匀；合理选择“凸”形边框结构的厚度和宽度可以显著抑制TYPE I型FBAR器件的带内波动。系统地研究HBAR的两个主要的性能参数，即有效机电耦合系数Keff2和机械品质因数QM随其各层的材料参数（特性阻抗和机械衰减因子等）和厚度变化的谐振谱特性。Keff2随基底或压电薄膜的厚度变化均表现为一系列对应不同阶数的曲线，其构成了Keff2的谐振谱特性。基底或压电薄膜材料对Keff2的谐振谱特性的影响较大，具有低阻抗的熔融石英基底和高机电耦合系数的ZnO压电薄膜的HBAR可以获得较大的Keff2。QM随基底或压电薄膜的厚度变化也表现为一系列对应不同阶数的曲线，其构成了QM的谐振谱特性。基底和压电薄膜材料对QM的谐振谱特性的影响较大，具有低机械损耗的蓝宝石基底和AlN压电薄膜的HBAR可以获得较大的QM。研制的FBAR的质量灵敏度为1116.55 ，约为传统石英晶体微天平质量灵敏度的80倍。基于研制的HBAR，实现了2.962GHz的微波点频源以及步进频率为14MHz的跳频源，相位噪声达到了-112dBc／Hz@10 kHz，在跳频通信系统中将得到广泛的应用。