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(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧 本溪117004）

0 引 言

近年來，無線通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，無線收發(fā)機系統(tǒng)中應(yīng)用了大量外置濾波器。隨著各種微型化技術(shù)的發(fā)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(fā)機的尺寸。在無線通信系統(tǒng)中的濾波器，介質(zhì)濾波器尺寸在厘米量級，只能遠離射頻前端轉(zhuǎn)去別的領(lǐng)域拓展方向；CMOS工藝下的有源濾波器速度慢、噪聲大，尚待發(fā)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(shù)中受益，在射頻前端3G、4G、5G方面有很大的發(fā)展[1-2]。本文在闡述SAW諧振器基本原理的基礎(chǔ)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(shè)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(nèi)。如果在同一個基片上生產(chǎn)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(yōu)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(zhì)的表面而激發(fā)、產(chǎn)生、傳播，表面波的波長和頻率隨著在基片材料內(nèi)的傳播深入迅速衰減[4]。對于單端口的SAW諧振器，主要結(jié)構(gòu)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(yīng)，進而激發(fā)基片表面彈性振動。聲表面波則是彈性振動在基片表面?zhèn)鞑サ膫鞑バ问健?/p>

2 諧振器手工計算

設(shè)計一個工作頻率2.5 GHz、阻抗為50 Ω的AlN諧振器。理想狀態(tài)下，SAW的基本結(jié)構(gòu)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(shè)壓電介質(zhì)基片與空氣的界面為一個優(yōu)良的聲學(xué)反射界面，界面上的聲學(xué)和電學(xué)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(yīng)激發(fā)薄膜表面振動傳播出聲學(xué)波。該聲表面波被限制在兩個聲學(xué)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(shù)、壓電應(yīng)力系數(shù)和剛度系數(shù)等）。

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

3 無損耗條件下的設(shè)計

不考慮元器件損耗的情況下，設(shè)有如下參數(shù)[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(shù)，λ0和λr分別為真空和該層狀結(jié)構(gòu)中的相對介電常數(shù)，W為孔徑。

根據(jù)上述參數(shù)初步計算得出版圖設(shè)計參數(shù)：IDT的對數(shù)為90，靜態(tài)電容C0=1.2 pF，反射柵的對數(shù)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(jié) 論

關(guān)于聲表面波諧振器原理設(shè)計歸納如下：

（1）闡述聲表面波同步諧振器波的激發(fā)原理、傳播途徑和衰變規(guī)律，表面波在介質(zhì)表面波幅和頻率最大，介質(zhì)內(nèi)部無窮深處波的質(zhì)點位移衰變?yōu)?；

（2）設(shè)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(tài)下實際元器件的計算，得出版圖設(shè)計參數(shù)：IDT的對數(shù)為90，靜態(tài)電容C0=1.2 pF，反射柵的對數(shù)為50，孔徑W=20λ=40 μm。無損情況下工作頻率為2.655 GHz，K2=6.0%。