文献综述样本.docx

(文献综述样本一)：

无源SAW滤波器的插入损耗及常用的补偿方法

插入损耗（Insertion Loss，IL）是衡量SAW滤波器性能的重要技术指标，所以，研究压电材料及IDT的各个参数对器件插入损耗的影响就变得极为重要。我们知道，不管何种类型的滤波器，在理想情况下，都希望使有用信号无损耗地通过，并滤除不需要的信号。但由于受制作滤波器的材料性能、叉指结构及制备工艺的影响，实际制作的滤波器都是有损耗和偏差的。为了表征这些损耗和偏差，常用通带宽度、通带插入损耗、中心频率、群延迟、旁瓣抑制等参数来说明SAW滤波器的实际特性[1]相对于理想特性的偏离。此外，有些参数也显示出相互制约的特性，如器件Q值高，窄带滤波特性好，器件Q值低，通带内插入损耗较大、旁瓣抑制较低。
降低插入损耗的主要方法，一是改进IDT的结构特性，二是提高声表面波在压电介质中的传播速度，三是在具体应用时，为了保证获得足够的增益，外接有源电路来对插入损耗进行补偿。为此，对SAW滤波器的IDT结构，高声速的压电材料及有源补偿方法进行研究，可以优化声表面波器件的设计参数。
对于无源SAW器件插入损耗的补偿方法，国内外的科技人员做了大量的研究工作，这些工作主要集中在IDT结构及制作工艺的改进，SAW器件与外电路的匹配及压电薄膜材料的选择和制备等方面。
A、通过改进IDT结构来降低SAW滤波器的插入损耗
SAW滤波器的应用领域越来越广，而开发SAW器件的关键技术是换能器的结构及加工技术， 只有采取先进而实用的IDT结构，利用高精度的制版及光刻技术才能使其达到更高水平 [2]，上世纪八十年代初，K.Yamanouchi等人发明了降低SAW插入损耗的浮动电极单向换能器[3]（Floating-Electrode-Type UDT，FEUDT），如图1-1所示，这种结构是在PUDT的结构中，插入开路和短路金属条带（称作浮动电极）在每对分裂的叉指电极指中浮动一根指条。浮动电极的声阻抗比自由表面的声阻抗大，SAW被浮电极反射。反射位置与激励位置不同，取适当的值，便可获得最佳单相换能效果。当把浮电极短路时，短路叉指电极（金属）的声阻抗比自由表面小，正向的SAW幅度比反向的大。当把浮电极开路和短路叉指条相结合时，它们的反射系数之间存在180°的相差，可获得更佳的单向性。

图1-1 能降低插入损耗的浮动电极（FEUDT）结构
Fig.1-1 The floating electrode (FEUDT) structure of reduce the insertion loss
C.S.Hartmann 在1989年的IEEE超声会议上，提出了控制电极宽度的单相单向IDT结构（EWC/SPUDT）[4]，图1-2所示。在这种结构中，三根指条组成一个叉指周期，其中，反射栅条的宽度为，也有人把反射栅条的宽度定为。通过控制反射栅条的宽度来获得最佳的反射幅度。该结构的单向性是在每一个声波长中，设计的SAW器件的带宽不受基片材料的机电耦合系数限制；输入和输出IDT可以单独加权，以获得高的带外抑制。

图1-2 SPUDT结构
Fig.1-2 SPUDT structure
另外，在IDT结构上，相继发展了交错对插组合型叉指换能器（IIDT）结构和镜像阻抗连接型IDT结构。对于IIDT，它是将常规滤波器的输入和输出IDT交错级联起来，利用多次重复来减少IDT的双向损耗。其存在的问题是阻带特性会受到杂波激励的影响与阻抗失配时声反射增大，导致通带波动增大。而镜像阻抗连接IDT结构是一种双通道IDT结构，由两组相同的IDT和反射器组成。当叉指宽度固定时（一般为），IDT的输入阻抗取决于IDT指对数，有三种类型，每种类型都有不同的频率特性。指对数N满足时，其频带宽度较宽。在这一频带范围内，由IDT的静电容产生的电纳与IDT的声纳相抵消，耦合IDT在通带内的阻抗呈电阻性，使声波能量得到完全转移，从而降低插入损耗。当时，总电纳呈容性；当时，总电纳呈感性。对于这两种情况，在滤波器通带内可观察较大的通带波动。在IDT的外侧增加反射金属指条，合理选择反射器与输入或输出IDT第一根叉指中心的距离，使 ，这样，就可以形成谐波腔体来限制声波能量。通过IDT的镜像阻抗连接，可获得较陡的过渡带、带外抑制和通带平顶特性。可以增加重复级数，消除双向性，减少插入损耗，重复级数越多，插入损耗越小。
B、通过外接有源电路来补偿SAW滤波器的插入损耗
在电视播放设备中，为了补偿射频信号经SAW滤波器滤波后产生的插入损耗，专门设置了前置中放。例如[5]，在单次变频的数字电视调谐器中，混频器输出的信号经过声表面波滤波器后产生了很大的衰减，幅度无法满足后级电路的要求，为此，在声表面波滤波器的前面加上一级放大电路来补偿声表面波滤波器的插入损耗。
而在GPS和微波系统[6]中使用微波有源滤波器，利用有源器件的负阻特性去抵消谐振电路的损耗来改善Q值，与无源滤波器相比，有源滤波器的性能价格比高，能有效地解决通带宽度与插入损耗之间的矛盾，在确定的通带带宽内能补偿损耗，使选择性得到提高[7]。
上述所列的通过外接放大器来补偿SAW滤波器的插入损耗及利用有源器件的负阻特性去抵消谐振电路的损耗来改善Q值等方法虽然改善了滤波器的性能，但其明显的不足是体积大，需要PCB板的支持，由于放大电路由PCB板承载，不但其抗电磁干扰能力降低，而且还会对周围电路产生干扰，另外一个不足是外电路的调试受电路元件的寄生参数，分布参数及电路元件一次性特性和可重复性加工等因素的影响，调试难度增加、可重复性降低、生产工序增加、工艺变复杂，不利于设备可靠性的提高。为此，研究有源SAW滤波器的方法就是如何把用于补偿和匹配的有源电路与无源SAW器件进行有机地结合，在基本不增加器件封装体积的情况下（因为有源电路芯片的面积很小）将其封装在一起。由于SAW器件和有源补偿电路是采用标准化工艺生产的，可重复性高，性能稳定，这样，既可降低外接电路带来的体积增大，调试困难，又解决高频电路带来的电磁干扰问题，同时也实现插入损耗的补偿及外电路的匹配。为了实现补偿损耗这个目的，本文拟从压电材料的制备（高择优取向的AlN薄膜）、IDT结构及算法的改进、有源放大电路的设计等几个方面来进行研究。根据文献报道，在2007年，贵州大学的刘桥等人使用AlN压电薄膜作为声表面波传播载体，结合MOS 集成电路工艺，在制作SAW滤波器的IDT叉指结构时集成MOS 单元电路,利用MOS管的高输入阻抗及沟道电阻来提高有源 SAW 滤波器的增益和匹配有源SAW滤波器的外电路损耗[8]，这就是研究思路的根据所在。
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(文献综述样本二)：
压电材料的种类及特性
对单晶压电材料而言，其优点是重复性好、可靠性高、声表面波传播损耗小，但要求其（机电耦合系数）值大，而温度系数又要小，这是相互矛盾的，通常难以同时满足。单晶材料价格昂贵，且是各向异性材料，需要有高精度的定向切割技术，这也是它的缺点。自1880年法国科学家居里兄弟在石英和电气石等晶体上发现了压电效应[1]以来，研究人员相继开发了许多新型压电晶体。如钛矿结构的, 等，钨青铜结构的铌酸锂钡(), 铌酸钡钠(),铌酸锂钾()等以及层状结构的锗酸铋()等。由于各种原因，能够实现产业化生产的压电晶体还很少，主要还是石英、、等几种材料。
压电陶瓷是现有压电材料中机电藕合系数[2]最大的一种，而且容易制成任意形状。与单晶相比，其价格低廉。在垂直于极化轴平面内的任意方向上传播速度为常量，也不需要考虑加工及形成电极的方向。但是，用压电陶瓷制作SAW器件要满足前面所说的条件是很困难的。首先压电陶瓷是多晶多相材料，内部有气孔存在。经表面研磨后气孔就会显露出来，使其难以满足亚微米级电极所需的表面均匀度。其次，因其为多晶材料，在高频下损耗较大(一般认为损耗正比于粒子直径与波长之比)。另外压电陶瓷的性能重复性较差，很难达到声表面波器件所需的产品合格率。目前PZT系压电陶瓷只在低频SAW器件领域有应用报道[3]。
在声表面波器件中，声表面波的能量集中在压电基片的表层内。该表面层的厚度为一至两个表面波的波长。因此，可以不用压电单晶或压电陶瓷作基片，而采用无压电特性的衬底，在上面沉积厚度约一个至两个波长的压电薄膜就可制作声表面波器件。在这种薄膜材料中，压电薄膜和非压电衬底形成了多层结构，而声表面波传播特性则由压电薄膜和衬底的特性共同决定。常用的压电薄膜材料有ZnO, CdS, ZnS, AlN等。其中，适合于制作高频滤波器的压电薄膜材料有AlN压电薄膜和ZnO薄膜。要制作高频（如射频）SAW滤波器，就必须要选择声表面波波速快，稳定性好的压电材料，本研究要制作的是有源SAW滤波器，因此，在压电材料的选择上，首先要具有稳定的物理化学性能，高的声表面波传播速度，合适的机电耦合系数，由于要与有源电路集成，为了将其相互影响降到最低，材料的电阻率和击穿场强要高。
择优取向的AlN压电薄膜属于Ⅲ-V族化合物，具有纤锌矿结构，具有多种突出的物理化学性能，其性质包括:与硅相近的低热膨胀系数（4.5×10-6K-1）、击穿场强大（达1.4×107V/cm）、带隙宽（300K时为6.28eV ）、热传导率（3.0W/（cm·℃）高、化学稳定性好，是优异的介电材料。可用于电子器件和集成电路的封装、介电隔离和绝缘，尤其适用于高温大功率器件。A1N薄膜的另一优越性能是其优异的压电和表声波特性[4]。A1N薄膜的声表面波速度是所有无机非铁电性压电材料中最高的，几乎是表声波器件常用压电薄膜ZnO和CdS的2倍。这样，采用A1N薄膜来制作SAW器件，在不减小叉指电极宽度的情况下，就可将SAW的中心频率提高一倍，达到当前通讯业发展所需要的GHz级，可见，A1N薄膜有着重要和独特的应用前景。根据AlN的这些特性，本研究选用目前已知声表面波传播速度最快的AlN压电薄膜来作为SAW的传播载体，通过集成有源电路来对SAW的损耗进行补偿。因此，本文只对应用在SAW中的AlN压电薄膜的研究现状进行分析。表1-1所示列出几种压电薄膜的特性参数。
早在1818年，Cady研究了罗息盐压电晶体在机械谐振频率附近的电性能，导致罗息盐电声器件问世。1880年，J. Curie和R. curie就在α石英晶体上发现了压电效应。1916年，Langevin用压电石英晶体成功研制了在水下发射和接收超声波的换能器。1921年，石英谐振器和滤波器相继研制成功，开创了压电效应在稳频、计时和电子技术方面的应用。1947年，出现了钛酸钡压电陶瓷拾音器。1969年，发现了有机薄膜材料聚偏氟乙烯薄膜制成的驻极体具有优良的压电性。同时也发现生物体本身是个复杂的压电体。
压电薄膜的应用历史是从CdS开始的，1963年，美国贝尔实验室的Foster
报道了利用CdS薄膜实现VHF及UHF频带的体超声波换能器研究成果[5]。此后，以贝尔实验室的Foster等和西屋公司的Klerk等为首的许多研究者进行了CdS薄膜的
制作和应用研究[6]。1965年，通过反应磁控溅射金属Zn，制备了Zn0压电薄膜[7]。
表1-1 几种压电薄膜材料的特性参数对比
Table1-1 Several piezoelectric thin film materials properties parameters compare

随着国防、通讯以及微电子行业的迅速发展，对高温高频压电器件的需求越来越大，1968年，Wauk和Winslow[8]首次采用真空蒸发的方法，在N2和NH3气氛中蒸镀金属Al，成功制作了AlN压电薄膜。其基板为蒸镀有金属的蓝宝石条，基板温度为300-1200℃。1979年，日本的Shiosaki等人[9]采用射频磁控溅射方法，成功地在玻璃和金属基板上制备了性能较好的AlN压电薄膜，其表声波机电偶合系数K2可达0.09-0.12%。上世纪70年代起，CdS和ZnO薄膜已经进入了实用化的阶段，而AlN薄膜还处在研究初期。1989年，Ya.manouchi等人研究了SAW在ZnO/Dia-
mond和AlN/Diamond结构上的传播特性，其声速高达10000m/s,这个速度约为等传统基片的3倍[10]。1992年，Nakahata等在硅基上沉积了多晶Diamond，并成功制成了中心频率1.5GHz的SAW滤波器。2000年，日本科技人员利用SiO2
-IDT-ZnO-Diamond-Si试制了中心频率为5GHz到10GHz的高频器件。
现在，美国、日本、法国等发达国家对高频器件的研究主要集中在多层结构的薄膜上，如ZnO/Diamond，LiNbO3/Diamond、AlN/Diamond等。其中，日本是研究ZnO/Diamond多层膜结构SAW器件的领先国家；而美国是研究高频LiNbO3-
Diamond多层薄膜结构SAW器件的领头羊，美国的Rice大学的Wang-Shuxi,Robson
Thomas.A等人研究了在Diamond衬底上沉积LiNbO3薄膜，但未见到用该薄膜制成的SAW器件的报道[11,12]；在研究AlN-Diamond多层膜结构高频SAW方面，法国处于领先地位。2003年，V.Mortet等报道了AlN/Diamond多层结构薄膜SAW器件的研究[13]，2004年，巴黎大学的F.Benedic, O.Elmazria等人报道了在纳米级金刚石薄膜上制备AlN薄膜并制成了SAW器件的样件，其声相速高达9472m/s[14]。
AlN薄膜的声表面波波速是所有无机非铁电压电材料中最高的，是GHz级声表面波(SAW)和体声波器件(BAW)的首选材料。因而AlN薄膜在SAW和BAW器件的应用又掀起了一个新的研究热点[15]。
自上世纪末以来,国内外对AlN 薄膜的研究主要集中在压电材料领域。作为GHz级声表面波器件压电薄膜的优选材料, AlN压电薄膜特别适合于制作声波传感器、GHz级频率的SAW 器件和BAW器件。当AlN压电薄膜应用于声表面波器件时,它的晶体结构和晶格取向显著影响其声学及其他物理性能,因而,国内外许多科研小组都把研究重心放在控制AlN 薄膜的择优生长过程上[16]。许小红,武海顺等[17]采用直流磁控反应溅射方法,在Si(111)片上成功地制备了(100)面择优取向的AlN 薄膜。用X射线衍射的方法研究了实验参数对薄膜晶面取向的影响。结果表明,工作气体总压、氮气分压、靶功率以及靶、基距等实验参数对薄膜晶面取向、结晶状况、沉积速率和晶粒尺寸有较大的影响。他们还发现不同种类的基片对薄膜的择优取向也有较大影响[18] ,在金属表面和Si(111)片上沉积的AlN 薄膜的结晶性、取向性、衍射强度均优于在盖玻片上沉积的AlN 薄膜。这为进一步利用直流磁控反应溅射方法，制备高质量择优取向的AlN 薄膜奠定了基础。王忠良,刘桥等[34]研究发现,采用直流磁控反应溅射法在Si(111) 衬底上沉积AlN 薄膜,在五种不同的衬底温度下,AlN均以(100)面取向,衬底温度的升高有利于薄膜结晶性的改善,在600℃以上时，薄膜中AlN的B2键断裂,仅出现(100) 衍射峰,在600℃时，平均晶粒尺寸为90nm,z轴最高凸起仅为23nm。研究结果表明，衬底温度对AlN 薄膜的择优取向有较大的影响。王代强，陈雨青等研究了N2-Ar流量比对磁控溅射硅基AlN薄膜元素种类与含量的关系[19]，结果表明，N2，Ar质量比在1.07左右时，AlN中元素含量接近AlN中Al和N的理论计算值。根据测试结果，选择流量比为N2/Ar=1.526左右时，可制备出择优取向（100向）的AlN薄膜。杨保和，徐娜等研究了射频功率，N2/Ar比率，衬底负偏压，工作总压等参数对AlN薄膜C轴择优取向生长的关系，研究结果表明，N2/Ar较小，衬底负偏压较大，工作总压较小时，薄膜以（002）择优取向生长，反之，薄膜以（100）择优取向生长[20]。另外,瑞士、意大利等的科研团队也进行了类似的研究,其中意大利的M. Benetti 等[21]用磁控溅射法在钻石衬底上淀积AlN 薄膜,得到了表面十分光滑的样品,并发现仅当衬底温度高于300℃才能得到沿c 轴的择优取向薄膜,而且随温度的升高出现了(002) 面取向。
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