基于薄膜体声波谐振传感器的生化检测技术研究(3)
下电极和夹于上下电极之间的压电薄膜构成的三明治结构的压电振荡堆。 在上下电极
之间加射频电压。 (a) (b)
图1.1 FBAR的基本原理： （a）声波的激发示意图； （b）电学阻抗谐振特性
体声波谐振器的原理可以简述为[2,3]
：利用材料的压电性能，将电能转化为声能，
声波在介质与空气的界面上发生反射，在两个界面间形成驻波振荡，此时的声波损耗
最小，并由逆压电效应转化为电能。谐振器只能使特定频率的波通过，谐振频率 f 为
其中vl为谐振器中进行传输的纵声波速度，d为薄膜厚度。图1.2（b）给出了典
型的FBAR 电学阻抗特性曲线，其中有两个相隔很近的谐振频率：串联谐振频率（fs）
和并联谐振频率（fp）。利用这一阻抗特性，将若干谐振器级联就可以设计出满足无线
通信要求的射频滤波器和双工器[4]
。
1.2.3 FBAR典型结构
为了产生声波的谐振，需要将声波限制在如图 1.1 所示的由电极-压电薄膜-电极
组成的压电振荡堆中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射。
压电振荡堆的上表面一般都与空气交界，空气的声阻抗近似等于零，自然形成良好的
声波限制边界，下表面因需置于硅等衬底材料之上而需要人为形成声波限制边界[2]
。
一种典型结构是将衬底掏空或引入空气隙，使压电堆悬空，仍以空气作为反射层。
另一种获得零值或无穷大声学阻抗的方法是采用类似于光学工程中所用的布拉格反
射层。布拉格反射层由厚度均为四分之一波长的高声学阻抗层和低声学阻抗层交替叠
加构成，若从高阻抗层向下看，布拉格反射层的等效负载阻抗为无穷大，而从低阻抗
层向下看，布拉格反射层的等效负载阻抗则为零[5]。
FBAR 的三种构造方式如图 1.2所示。
图1.2 FBAR 的三种结构
（a）横隔模型谐振器；（b）空气隙型谐振器；（c）固体装配型(SMR)谐振器
图 1.2（a）为硅背面刻蚀型谐振器。采用 MEMS 的体硅工艺从硅片反面刻蚀去
除大部分的硅材料，以在压电振荡堆的下表面形成空气交界面，从而将声波限制于压
电振荡堆之内。由于大面积的硅衬底被去除，势必影响器件的机械牢度，并大幅降低
成品率。为了改善器件的机械牢度，往往将压电振荡堆置于低应力的支撑层之上，如
Si3N4 等。这种结构由于固有的机械牢度问题不太可能实现商业化，目前仅限于实验
室研究。
图 1.2（b）为空气隙型谐振器。采用 MEMS 的硅表面工艺在硅片的上表面形成
一个空气隙以限制声波于压电振荡堆之内。压电振荡堆底下可以有支撑层，也可以没
有支撑层。空气隙可以采用去除部分硅片表面形成的下沉型，也可以不去除硅，直接
在硅表面之上形成的上凸型。这种结构不但能很好地将声波限制于压电振荡堆之内，
获得很高的 Q 值，同时因为采用了硅表面工艺，与硅片背面刻蚀型相比，机械牢度
改善很多。
图1.2（c）为固态装配型（SMR）谐振器。这种器件结构采用布拉格反射层将声
波限制在压电振荡堆之内，布拉格反射层采用高低阻抗交替的声学层。声波在在反射
层中两种不同阻抗的声学层界面上发生多次反射，形成驻波。与前两类器件相比， SMR具有的优点有[6]：