聲表面波同步諧振器原理與設計

李秋良，董志貴

（1.中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，上海 201203；2.遼寧科技學院創新創業學院，遼寧 本溪117004）

0 引 言

近年來，無線通信系統發展迅速，無線收發機系統中應用了大量外置濾波器。隨著各種微型化技術的發展，外置濾波器尺寸一縮再縮，但是不能把它集成在一個芯片中縮小收發機的尺寸。在無線通信系統中的濾波器，介質濾波器尺寸在厘米量級，只能遠離射頻前端轉去別的領域拓展方向；CMOS工藝下的有源濾波器速度慢、噪聲大，尚待發展，可以參與無線通信的中頻濾波等；聲表面波（SAW）濾波器將從深亞微米光刻技術中受益，在射頻前端3G、4G、5G方面有很大的發展[1-2]。本文在闡述SAW諧振器基本原理的基礎上，通過SAW實例介紹諧振器手工計算方法，并進行無損耗條件下的實際器件設計。

1 聲表面波諧振器原理

聲表面波諧振器采用壓電薄膜作為壓電襯底，聲表面波諧振器諧振頻率由叉指電極的寬度和距離決定[3]，且薄膜厚度不會制約諧振頻率，因為聲波只集中在表面一個波長深度范圍內。如果在同一個基片上生產幾個頻率的諧振器，只要改變叉指電極寬度和距離即可，無需如體聲波諧振器制作不同的厚度。從集成方面看，相比于體聲波濾波器，SAW濾波器也具有明顯優勢。

SAW是一種彈性波，聲表面波通過叉指換能器作用于壓電基片介質的表面而激發、產生、傳播，表面波的波長和頻率隨著在基片材料內的傳播深入迅速衰減[4]。對于單端口的SAW諧振器，主要結構包括壓電基片、叉指換能器和反射器[5]。交變的激勵電壓加到IDT上后建立交變電場，引起基片的逆壓電效應，進而激發基片表面彈性振動。聲表面波則是彈性振動在基片表面傳播的傳播形式。

2 諧振器手工計算

設計一個工作頻率2.5 GHz、阻抗為50 Ω的AlN諧振器。理想狀態下，SAW的基本結構為1層壓電薄膜和2個叉指換能器組成[6]，叉指換能器的厚度相等且阻抗為0。設壓電介質基片與空氣的界面為一個優良的聲學反射界面，界面上的聲學和電學損耗為0。當交流信號作用到壓電基片電極時，將在壓電薄膜中建立一個時變電場，引起的逆壓電效應激發薄膜表面振動傳播出聲學波。該聲表面波被限制在兩個聲學反射界來回反射形成駐波，來回反射傳播。該聲表面波的波幅取決于交流電壓的頻率、叉指寬度、聲波孔徑以及材料特性（包括密度、壓電基片常數、壓電應力系數和剛度系數等）。

AlN的2個諧振模態中心頻率和諧振器的叉指距離寬度成反比例關系。如果叉指寬度距離減小一半，則模態下基片聲表面波的頻率擴大為初始值的一倍。聲學駐波的幅值頻率在基片介質的每一個諧振波模態點周圍存在局部的阻抗最小值和最大值，且這些模態頻率點附近復制頻率比較大[7]。

3 無損耗條件下的設計

不考慮元器件損耗的情況下，設有如下參數[8-9]：波長λ=2p=2 μm，指寬a/λ=0.25、a=0.5 μm，薄膜厚度hScAlN=0.6λ=1.2p=1.2 μm，金屬鋁電極的厚度hAl=0.12λ=0.24 μm，容抗R0=1/λrC0=50 W，C0=Nλ0λrW。其中，N為IDT的對數，λ0和λr分別為真空和該層狀結構中的相對介電常數，W為孔徑。

根據上述參數初步計算得出版圖設計參數：IDT的對數為90，靜態電容C0=1.2 pF，反射柵的對數為50，孔徑W=20λ=40 μm。無損情況下，工作頻率2.655 GHz，K2=6.0%。

4 結 論

關于聲表面波諧振器原理設計歸納如下：

（1）闡述聲表面波同步諧振器波的激發原理、傳播途徑和衰變規律，表面波在介質表面波幅和頻率最大，介質內部無窮深處波的質點位移衰變為0；

（2）設計工作頻率2.5 GHz、阻抗為50 Ω的AlN諧振器；

（3）進行無損狀態下實際元器件的計算，得出版圖設計參數：IDT的對數為90，靜態電容C0=1.2 pF，反射柵的對數為50，孔徑W=20λ=40 μm。無損情況下工作頻率為2.655 GHz，K2=6.0%。