声表面波器件的研究进展

真　空　科　学　与　技　术第21卷　第5期

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　376() VAC UUM SCIE NCE AND TECH NO LOGY CHI NA 2001年9月　

声表面波器件的研究进展

李　晖　潘　峰

(清华大学材料科学与工程系　北京　100084)

Latest Progress of Surface Acoustic W ave Devices

Li Hui ,Pan (Department o f Materials Science and , , )

　　Abstract 　Recently , high frequency wave (S attracted considerable attention because of its many

strengths in G H z band S AW filters. The latest progress on S AW devices was re 2viewed.

　　K eyw ords film ,Interdigital 2transducer

摘要　声表面波器件作为一种新型的电子器件, 近年来引起了人们极大的关注, 在科学研究领域有了较大的进展, 在现　　

代无线通讯领域的应用范围日趋广泛。本文简述了目前国际上出现的声表面波器件的制备方法、性能研究及其应用, 展望了其今后的发展趋势。

关键词　声表面波器件　压电薄膜　叉指换能器

中图分类号:TN 65　　　文献标识码:A　　　文章编号:025329748(2001) 0520376205

　　表面波研究始于1885年由英国物理学家瑞利(Lord Rayleigh ) 的一篇题为“沿弹性体平滑表面传播的波”的论文[1]。其首次从理论上阐明了除人们早已熟知属于声体波的纵波和横波以外, 还可能存在另一种形式的波, 这种波沿着半无限体表面传播, 而且能量集中于表面。

声表面波是一种能量只集中在弹性体表面附近传播的波, 它具有很多优点[2]:其一, 它的传播速度比电磁波要小5个数量级, 利用这一特性不仅可以使电子设备体积缩小, 重量减轻, 而且还可使其性能大大改善; 其二, 在声表面波传播途中, 可任意存取信号; 其三, 完全可以利用集成电路技术制造声表面波器件。作为新型电子器件的声表面波器件, 近年来引起了人们的极大关注和广泛的应用。可以期望, 今后声表面波器件将会获得进一步的发展。

(叉指换能器) , 就得到了可以直接激励和接收声表

面波的换能器。换能器的中心频率f o 由声表面波的相速v s 和电极的周期λ0确定:

f o =v s /λ0在指条宽度和指间距离相等的情况下, 电极的指条

宽度由下式求得:

d =λ0/4用于制作声表面波器件的压电基片材料可分为

压电单晶、压电薄膜和压电陶瓷。

压电单晶材料有石英单晶(SiO 2) , LiNbO 3, LiT aO 3,Bi 12G eO 20,Bi 12SiO 20等。

单晶材料的一般特点

1　声表面波器件的基本构造及材料

声表面波器件的基本构造如图1所示[3]。在压电基片上制出由相互交叉的电极所组成的叉指电极

收稿日期:2000210216

图1　声表面波器件的基本构造

Fig 11　Schematic representation of a S AW device structure

第5期李　晖等:声表面波器件的研究进展377

是重复性好、可靠性高、声表面波传播损耗小等。声表面波器件通常要求材料具有大的机电耦合系数

K 和小的温度系数, 对于单晶材料而言两者通常是

2

2　近年来的研究进展

近年来, 由于无线通信行业的不断发展, 对于声表面波器件的需求显著增长。一些应用领域, 如个

人通讯服务(手机、全球范围通信) 、无线局域网络、卫星通讯、光纤通信等, 要求高频高性能的声表面波器件[6]。在学术界, 关于声表面波器件的制作、性能、应用的研究引起了人们极大的关注, 形成了一个极为活跃而繁荣的科研领域。下面分四个方面简述。211[7]研究了具有2。结果表明, 声表面波器件在基波和一次谐波条件下的时间延迟温度系数(T C D ) 、声速与ZnO 和非晶SiO 2薄膜的厚度有关。

πT C D 随kd SiO 2(k 为2/λ, λ为声表面波器件波长;

d SiO 2为非晶SiO 2薄膜的厚度) 的增加而减小, 随kd ZnO (d ZnO 为ZnO 薄膜的厚度) 的增加而增加, 当kd SiO 2和kd ZnO 取一定的值时, 可使T C D 为0。图2给

一对矛盾。此外由于单晶材料均具有各向异性, 需要有高精度的定向切割技术。

常用的压电陶瓷有PZT 陶瓷等, 其机电耦合系数大, 容易制成任意形状, 价格低廉, 在垂直于极化轴平面内的任意方向上, 传播速度为常量, 可以通过调整材料成分来控制包括温度系数在内的各种特性。其缺点是压电陶瓷在烧结中会产生气孔, 影响器件性能, 重复性也不够好。

目前研究较多的是压电薄膜材料, 如ZnO ,CdS , K NbO 3等。声表面波器件, 。利用压电薄膜驱动非压电材料制作的器件已经达到实用化阶段。目前批量生产薄膜表面波器件尚有一定困难, 原因在于其可靠性和稳定性的问题需要进一步解决。

在薄膜声表面波器件中, 薄膜厚度只是声波长的百分之几。由于压电薄膜和非压电衬底形成了多层结构, 其声表面波传输特性由压电薄膜和衬底的特性共同决定。也就是说, 即使用同一种压电薄膜材料, 当改变其薄膜厚度和衬底材料时, 声表面波的声速, 器件的中心频率及延迟时间温度特性也随之改变[4]。此外, 机电耦合系数也随换能器电极结构和压电薄膜膜厚的变化而变化, 倘若选用的条件合适, 其机电耦合系数甚至可比压电单晶基片的还大, 这就是很有意义的薄膜效应[2]。

目前已投入大批量生产的声表面波器件多以压电基片本身作为声导体, 并采用能在压电基片上直

[5]

接激励声表面波的“叉指换能器”。因为这种构造

出的是一次谐波模式下其T C D 随kd SiO 2的变化曲线。器件中声波传播速度随kd SiO 2和kd ZnO 的增加而减小, 当kd SiO 2和kd ZnO 较小时, 可以得到很高的声速(10000m/s 以上) , 图3为其计算结果

。

适于电路集成化, 所以被广泛采用。叉指换能器具有带通特性, 其特性取决于叉指电极间距、叉指电极宽度以及叉指电极对数。可以根据不同用途来修改图形, 设计出各种形状的叉指换能器。

制备能激励声表面波的金属电极是制作器件的关键技术。器件的一次特性是由叉指换能器的形状和加工精度决定的。叉指电极宽度一般为微米或纳米量级, 为了获得如此微细的电极, 通常沿用用于半导体集成电路领域的刻蚀技术, 依刻蚀精度的要求依次为光刻、电子束刻蚀和X 射线刻蚀。

在基波条件下, 当T C D 为0且声速较高(8000

～10000m/s ) 时, 器件的机电耦合系数很小。而在一次谐波模式下, 器件在满足0时间延迟温度系数和高声速8000～10000m/s 时, 机电耦合系数可以

图2　一次谐波模式下a 2S iO 2/ZnO/diam ond/S i 结构中时

间延迟温度系数随kd SiO 2的变化曲线

Fig 12　Calculated kd SiO 2dependences of T C D in a 2S iO 2/ZnO

(001) /diam ond (001) [100]/S i (001) [100]structurefor 1st m ode

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(e ) 沉积SiO 2薄膜; (f ) 腐蚀边缘部分的SiO 2薄膜。

1993年, K oike 等人[11]在蓝宝石单晶上外延ZnO 薄膜, 制出具有两个电极的中心频率为115G H z

的声表面波滤波器, 其插入损耗为113dB 。1995年又制成中心频率分别为115G H z 和214G H z 的含有5个叉指电极的纵向耦合声表面波滤波器。115G H z 的滤波器适用于个人移动电话系统终端,214G H z 的滤波器适用于无线局域网络适配器[12]。

1998年,Odagawa 等[13]在2X LiNbO 3上用

图3　一次谐波模式下a 2S iO 2/ZnO/diam ond/S i 结构中声

速随kd SiO 2的变化曲线

Fig 13　Calculated kd SiO 2dependences of phase velocity a 2S iO 2/ZnO (001) /diam ond () []/S i () [100]nm , 厚度为3010G H z , 其最

K NbO 3压电晶体、0温度系数的宽带通声表面波滤波器, 机电耦合系数达5310%, 中心频率约为200MH z [14]。

1998年, Y amanouchi 等[15]用MOC VD 法在ST O (SrT iO 3) 基体上沉积K NbO 3薄膜制作出中心频率为960MH z 的表面波器件。其机电耦合系数为211%,

达到110%～1998年o 用δ功能模型和等效电路

[8]

模型计算了ZnO/diam ond/Si 结构声表面波滤波器的声波传播性质, 计算结果和实验结果亦具有较好的一致性。

212　声表面波器件的制作

1994年,Nakahata 等

[9]

λ/h =0124(λ为声表面波器件波长, h 为K NbO 3薄

膜厚度) 。这个结果与用单晶压电常量理论计算的结果具有很好的一致性。同年,M orita 等[16]用磁性非晶薄膜(Fe 1-x C o x ) 89Z r 11制成永磁式声表面波器件, 此薄膜表现出了很强的磁致伸缩性能, x =014时内应力和局部退火效应对薄膜的磁各向异性有较大影响。

213　声表面波器件的性能

1997年,K imura 等[17]研究了在无线电话中广泛

首次在多晶Si 片上用化

学气相沉积方法沉积多晶金刚石薄膜, 再沉积ZnO 薄膜, 制成了中心频率为113G H z 的高频ZnO/dia 2m ond /Si 滤波器, 声表面波传播速度高达10000m/s , 机电耦合系数为418%, 温度系数为-28×10-6/℃。1998年, 他们用同样的技术制备出

中心频率为215G H z 的滤波器, 其电极宽度为019

μm , 声速为10000m/s , 机电耦合系数为114%, 最小插入损耗为617dB [10]。该器件的制作过程见图4。图4(a ) 沉积多晶金刚石薄膜并抛光; (b ) 沉积ZnO 薄膜; (c ) 沉积Al 膜; (d ) 将Al 膜布线成叉指电极;

使用的中心频率为900MH z 的双模式型声表面波滤波器的激励耐久性能, 电极用Al 2Cu 薄膜制作。发现高功率输入信号会减少器件的激励耐久寿命, 使器件出现非线性行为。当Al 2Cu 薄膜电极的晶界上有Cu 原子隔离时, 器件的激励耐久性能会显著提高。1998年又研究了Al 2W 电极的激励耐久性能, 结果表明,Al 2W (015%) (原子比, 下同) 合金电极的激励耐久寿命要比大家所熟知的耐激励的Al 2T i (015%) 合金电极寿命高。当W 的含量为015%时, 电极的寿命最长[18]。同年K imura 等[19]成功地在64°Y 2X LiNbO 3基体上用电子束蒸镀法沉积出激励

耐久性能非常高的Al/T i 单晶电极, 其激励耐久寿命约是Al 2Cu 合金电极的680倍。

图4　S iO 2/Z nO/diam ond/S i 结构声表面波器件的制造过程

Fig 14　Schematic diagram showing the fabrication

processes of a S AW filter

1997年,Higaki 等[20]研究了ZnO/diam ond/Si 结

构声表面波滤波器的激励耐久性能, 实验发现其声表面波滤波器的输入2输出线性关系一直能保持到

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输入功率为36dBm , 频率为2190G H z 。而对于LiT aO 3滤波器, 当输入功率为23dBm , 频率为822MH z 时, 已经出现了明显的非线性现象。

化阶段。以前用的电介质滤波器, 体积、重量都较大, 声表面波滤波器作为一种体积小、质量轻的器件使得无线通讯设备向小型化与轻量化快速发展[3]。

1998年, T ashtoush 等[26]将中心频率为50MH z

用射频磁控溅射法生产的ZnO (玻璃基体) 薄膜制成的声表面波滤波器, 即便中心频率相同, 频率2振幅特性也可能不同,1997年, K adota 等[21]发现抛光ZnO 薄膜表面能够减小频率振幅的偏离。

1999年, S pringer 等[22]优化i (i 2line ) 线光刻技术, 制备出线宽013μm 的叉指电路。在LiT aO 3基体上制出的梯形带通声表面波滤波器的中心频率达3115G H z , 最小插入损耗为117dB 。

的聚合物薄膜声表面波双重延迟振荡器成功地用于湿度探测, 聚合物薄膜沉积在裸露的或有一层金属

镀层的基体上。同年,Dickert 等[27]将高共振频率(1G H z ) 的声表面波滤波器应用于化学敏感装置, 当共

振频率从80MH z 增加到1G H z 随共振频率增加, , z/1×10-3的感应响应。

,Reindl 等[28]研究了无源声表面波无线

同年,Bausk [23]择性, , 该范围内选择最好的叉指换能器结构。

1999年, Y amanouchi 等[24]还研究了128°Y 2X LiNbO 3上制作的中心频率为10G H z 的声表面波滤

脉冲收发机作为传感器的理论和应用。声表面波无线脉冲收发机使从远程地点读取、识别或测量、评估信号成为可能。这种声表面波无线脉冲收发机的优势在于它的无源操作系统和对于难到达地点的无线装置的可能性, 操作相当自由。

1998年,K ipens 等[29]研究了宽带室内无线通信

波器的低温损耗性能:在低温下, 其插入损耗为85dB , 比室温下的插入损耗低34dB , 临界温度为T c =9123K, 在此温度下插入损耗显著降低。

中的声表面波整流信号传输调制解调器。整流信号传输是一个加强多程感应码间干扰的适用于无线数字通信的宽带扩展调制系统。通过多路不同的组合, 整流信号传输利用多路传输中的固有时差发挥作用。调制解调器使用不同的编码和直接序列传播频谱的形式可在数据传输速度40Mb/s , 芯片频率200MH z , 中心频率1G H z 的条件下工作。

1999年,Steindl 等[30]研究了用阻抗负载声表面

同年,T ong 等[25]研究了石英晶体表面的声表面

波在异常传播方向的准纵向泄漏(Q LLS AW ) , 在欧拉角为0°,124°,50°时, 声速为6992m/s , 此传播方向上的传播损耗为1×10-4dB/λ。研究还表明, 在这个纵向偏振转移的波模型基础上, 声表面波传感器可用在液体中, 正规声表面波和泄漏声表面波的伪干涉可以被消除。214　声表面波器件的应用

波传感器测量光强、压力、温度的方法和应用。声表面波叉指电极可以作为传统电容型、电感型、电阻型传感器的无源脉冲收发机:叉指换能器的一极作为负载反射极, 另一极作为存储极, 负载的程序反映了反射波的相位和振幅的影响。

2000年, Hikita 等[31]研制成功一种用128°Y 2X LiNbO 3制作的新型高效声表面波卷积器, 其具有高

由于声表面波器件的出现, 以前固化困难的LC 滤波器电路已能够容易地被固化, 由于它在频带内具有优良的振幅与相位特性, 并且可以进一步小型化, 可靠性不断提高, 声表面波器件的开发迅速地发展起来。这类器件的应用在欧美是由军工、宇宙通讯等部门的需要而带动起来的, 在日本是由彩电用视频中频(video 2intermediate 2frequency ,VIF ) 滤波器等民用产品而进入实用化的[3]。

VIF 滤波器要求频率比较复杂, 以前多用许多LC 谐振电路和陶瓷滤波器组合而成, 而S AW VIF 滤

换算效率和自动温度补偿性能。适用于高存储速率和宽带传播频谱密码分离多重选取传输系统。

同年,P ohl [32]发现具有无源声表面波传感器的无线测量系统在远程监测和移动控制领域显示出了新的激动人心的前景。

波器仅用1个器件就实现所有要求的频率特性, 所需元件数大大减少, 并且无须调整

[3]

3　今后的发展趋势

高频声表面波器件在现代无线通讯领域的应用范围越来越广泛, 在要求高频的同时, 也要求较高的

。

声表面波滤波器推动了无线电话系统进入实用

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稳定性和较好的综合性能。

针对声表面波器件的频率越来越高, 高频声表面波器件的制备研究正沿着3个方向进行:

(1) 薄膜材料的应用, 随着声表面波器件使用频率的提高, 各种性能的薄膜材料将越来越多地应用于声表面波器件的制作。

(2) 电极的刻蚀技术, 由光刻到电子束刻蚀、X 射线刻蚀等, 能够制出周期越来越小的电极。

(3) 基体材料越来越硬, 以便获得很高的声速, 金刚石在所有材料中具有最高的杨氏模量, 能够得到最高的声表面波传播速度, 成为制作高频声表面波器件基体的首选材料。

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