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一、引言
声板波（PAW）、声表面波（SAW）和体声波（BAW）等声学器件在移动通信中起着至关重要的作用。对于更高频率、更宽带宽（BW）、更高品质因数（Q）、更低频率温度系数（TCF）以及更小杂散特性的需求从未停止。为满足这些要求，将压电薄板与不同材料的支撑衬底相结合已成为一项使能技术。如果键合强度足够，键合技术能够实现对衬底上超薄压电薄板的研磨。通过将不同材料与压电薄板相结合，可以实现具有新颖特性的声波器件。
声板波和声表面波器件的频率由衬底的相速度和叉指换能器（IDT）的波长（λ）决定。由于功率处理方面的限制，最小波长实际上被限制在 1.2μm。因此，如图 1 所示，由于声表面波速度较低，使用传统声表面波衬底的声表面波器件的最高频率为 3.0 - 3.2 GHz [1]。然而，当压电板厚度小于 0.1λ（要实现 5 GHz 器件，要求 IDT 的 λ<4μm 且板厚度 < 0.4μm）时，声板波呈现出超高速度（>20,000 m/s）和较大的耦合系数（k²>50%）[2]。为了获得良好特性，理想的做法是使用诸如铌酸锂（LN）等单晶薄板，其相比沉积的多晶薄膜具有更高的 k²。在 2009 年之前，制造适用于声板波的超薄铌酸锂板颇具挑战性，导致鲜有关于高频声板波的报道。因此，角田（Kadota）等人尝试通过化学气相沉积（CVD）来沉积 c 轴外延铌酸锂薄膜。2010 年，他们利用超薄 c 轴外延铌酸锂成功开发出了高频一阶反对称模（A1）模式兰姆波声板波谐振器 [3]。随后键合技术和精密抛光方法的进步进一步使得超薄铌酸锂板的制造成为可能。2011 年，角田和小上（Ogami）取得了一项突破，他们使用超薄铌酸锂单晶板实现了中心频率（fc）为 5.8 GHz 的 A1 模式兰姆波声板波谐振器 [4]。在此报道之后，大量的声板波器件被相继报道。
为了制造可调谐滤波器所必需的宽带谐振器，我们利用了超薄铌酸锂板上呈现出极高 k² 的零阶水平剪切模（SH0）的特性。这种方法有助于利用薄铌酸锂板实现超宽带声板波器件 [5]。
由于薄声板波器件较为脆弱，自悬浮式器件存在诸多挑战。作为一种解决方案，我们考虑制造固态装配（SM）型声表面波器件。通过对铌酸锂薄板的欧拉角和厚度以及声学层的厚度和层数进行计算优化，我们制造出了 SM - SH - SAW 谐振器。其特性展现出与 SH0 声板波谐振器相似的宽带宽 [6]。
不同材料的组合能够实现具有前所未有的特性的声表面波器件。例如，在玻璃、蓝宝石或石英衬底上沉积氧化锌（ZnO）多晶薄膜，相较于氧化锌薄膜本身，分别实现了更大的 k²、更高的速度和更低的 TCF [7][8][9][10]。在铌酸锂（LN）或钽酸锂（LT）上结合平整的二氧化硅（SiO₂）薄膜和高密度电极的结构显著改善了 TCF（温度补偿声表面波，TC - SAW）[11][12][13]。这些器件是在衬底上使用沉积材料（ZnO、SiO₂等）的薄膜，当时还没有关于在衬底上键合减薄的单晶材料制成的器件的报道。此外，氧化锌的 k² 相较于铌酸锂要小得多。
在最初使用单晶板的键合和抛光技术的例子中，采用了经过精确抛光的钽酸锂（LT）的蓝宝石上钽酸锂（LT - on - sapphire）和硅上钽酸锂（LT - on - Si）结构来改善 TCF [14][15]。此后，采用钽酸锂薄板 / 二氧化硅薄膜 / 硅以及钽酸锂薄板 / 石英结构的声表面波器件已展现出高 Q 值和接近零的 TCF [16][17][18]。
要实现高频体声波器件，需要极薄的压电薄膜。因此，自悬浮式体声波器件较为脆弱。为解决这一问题，人们采用了固态装配体声波（SM - BAW）器件 [19]。存在两种厚度模式，即伸缩（TE）和剪切（TS）模式。利用上述键合及抛光技术，我们采用基模制作了多种类型的固态装配体声波器件：（1）采用具有低温度系数的钽酸锂的剪切模式器件；（2）采用具有宽带宽的铌酸锂（LN）的剪切模式器件；（3）采用高频铌酸锂的伸缩模式器件。
在传统的固态装配体声波器件中，布拉格反射器各声学薄膜的最佳厚度为波长的四分之一（波长 λ 等于薄板厚度的两倍）。然而，通过将厚度减小至 λ/20，我们成功实现了对三倍于基频的泛音的强烈激发 [20]。
本文报道了利用压电薄板与不同衬底的键合以及薄板减薄技术制作的声板波、声表面波和体声波器件。在下文中，fr 和 fa 分别代表谐振频率和反谐振频率，带宽（BW）定义为（fa - fr）/fr.
图 1 在铌酸锂（LN）上欧拉角为（0º，θ，0º）的情况下，声板波（A1、SH1、A0、SH0、S0）、声表面波（瑞利声表面波（RSAW）、漏声表面波（LSAW））和体声波（伸缩模式（TE）、剪切模式（TS））的相速度。
图 2 使用化学气相沉积（CVD）法沉积的 c 轴外延铌酸锂（LN）薄膜制成的 4.5 - 6.4 GHz 高频 A1 模式兰姆波谐振器。
图 3 使用 ZX 铌酸锂（LN）薄板制成的 5.8 GHz 高频 A1 模式兰姆波谐振器。
图 4 在铌酸锂（LN）板厚度为 0.1λ 时，（0º，θ，0º）铌酸锂板中各种声板波模式下计算得出的耦合系数 k²
图 5 使用厚度为 500 纳米、切割角度为 30ºYX 的铌酸锂（LN）板的零阶水平剪切（SH0）模式声板波谐振器的频率特性
图 6 由 3 个谐振器组成的零阶水平剪切（SH0）模式 π 型梯形滤波器的频率特性，这些谐振器采用厚度为 520 纳米、切割角度为 25ºYX 的铌酸锂（LN）板（WR = 串联谐振器与并联谐振器的波长比）。
二、板声波器件
A. 高速 A1 模式兰姆波谐振器
薄板上存在两种声板波（PAWs）：兰姆波（A 和对称 S 模式）和水平剪切波（SH 波）。A1 和一阶水平剪切（SH1）模式声板波具有超高速度，而零阶水平剪切（SH0）模式具有超大耦合系数 k² [2][3][21]。图 1 展示了不同声板波、瑞利声表面波（RSAW）、漏声表面波（LSAW）以及铌酸锂（ZX LN）厚度上的横电（TE）和横声（TS）模式体声波（BAWs）的计算相速度。无论铌酸锂厚度如何，瑞利声表面波、漏声表面波以及横声、横电模式体声波的速度分别恒定为 3790、4550、4500 和 7320 米 / 秒。相比之下，A1 模式兰姆波和 SH1 模式声板波的相速度很大程度上取决于铌酸锂厚度，当铌酸锂厚度小于 0.1λ 时，A1 和 SH1 模式分别能获得超过 22600 和 18500 米 / 秒的超高速度，这比声表面波和体声波的速度高 2.5 - 6 倍。声板波还具有较大的耦合系数 k² [2][3]。在 21 世纪初，实现压电薄板与支撑基板之间的精确键合以及压电薄板的精确减薄是具有挑战性的。因此，角田（Kadota）等人研究了使用化学气相沉积（CVD）法沉积的铌酸锂薄膜。2010 年，角田等人报道了在硅衬底上用化学气相沉积法沉积的 c 轴取向外延铌酸锂薄膜（厚度为 340 - 480 纳米）上有叉指换能器（IDT）的 4.5 - 6.4 GHz（中心频率 fc）A1 模式兰姆波谐振器，如图 2 所示 [3]。
2011 年，角田和大上（Ogami）应用硅与铌酸锂的键合技术和铌酸锂减薄技术（395 纳米），在硅上制作了一个 5.8 GHz（中心频率 fc）A1 模式兰姆波谐振器，采用了 ZX 铌酸锂单晶薄板，如图 3 所示 [4]。尽管图 2 和图 3 中的铌酸锂取向相同，但使用单晶铌酸锂板的 A1 模式兰姆波器件表现出更高的阻抗（Z）比 [3][4]。这两篇报告可能是首次展示超过 5 GHz 且具有良好特性的声板波器件的论文。
此外，我们还报道了使用厚度为 400 纳米、切割角度为 132ºYX 的钽酸锂（LT）板的 5 - 5.8 GHz A1 模式谐振器，其具有高阻抗比（72 dB）和低温度系数（−42 至−48 ppm/℃）[22]图 5 和图 6 展示了零阶水平剪切（SH0）模式谐振器和由 3 个谐振器组成的 π 型梯形滤波器的频率特性，这些谐振器采用厚度为 500 - 520 纳米、切割角度为 25 - 30ºYX 的铌酸锂（LN）板。该谐振器展现出 22% 的超宽带宽（BW）和 80 分贝（dB）的高阻抗比（Z）。在高于 fa 频率处观察到的波纹是由于光栅反射器指数量不足，导致腔端硅衬底反射所造成的。通过改变串联谐振器与并联谐振器之间的波长比（WR），梯形滤波器具有 33 - 61% 的超宽 3 分贝带宽，完全覆盖了欧盟最宽的 59% 数字电视频段 [23]
图 7 展示了在（0º，θ，0º）方向上，零阶水平剪切（SH0）声板波（PAW）和单模 - 水平剪切 - 声表面波（SM - SH - SAW）在不同 θ 角度下的带宽（BW）。
图 8 展示了零阶水平剪切（SH0）声板波（PAW）和单模 - 水平剪切 - 声表面波（SM - SH - SAW）的带宽（BWs）随铌酸锂（LN）厚度变化的情况。
图 9 固态装配 - 水平剪切 - 声表面波（SM - SH - SAW）谐振器的实测频率特性。
三、声表面波（SAW）器件
A. 带有声学层的固态装配 - 水平剪切（SM - SH）型声表面波器件
上述利用超薄薄膜的声板波（PAW）器件非常脆弱。为解决这一问题，我们通过将铌酸锂（LN）板与声学多层膜以及支撑玻璃衬底相结合，开发出了具有超宽带宽（BW）的固态装配 - 水平剪切型声表面波器件，其带宽与图 5 所示的零阶水平剪切（SH0）模式声板波的带宽相似。图 7 展示了由 0.33λ 厚的铌酸锂板 / 声学多层膜 / 玻璃衬底构成的固态装配 - 水平剪切型声表面波器件以及作为参考的采用 0.1λ 厚铌酸锂板的零阶水平剪切模式声板波的计算带宽，它们是（0º，θ，0º）铌酸锂的 θ 角的函数。声学多层结构由 6 个交替层组成，其中二氧化硅（SiO₂）层厚 0.05λ，氮化铝（AlN）层厚 0.11λ。零阶水平剪切模式声板波在 θ 为 120º 时实现最宽带宽，而固态装配 - 水平剪切型声表面波器件在 θ 为 90º 时具有最宽带宽。
图 8 展示了它们在各自最佳铌酸锂欧拉角下的带宽随铌酸锂厚度变化的情况。声板波在铌酸锂厚度小于 0.1λ 时可实现较宽带宽，而固态装配 - 水平剪切型声表面波器件在 0.3 至 0.7λ 厚度范围内可实现较宽带宽。因此，后者不仅在结构带来的机械强度方面，而且在铌酸锂厚度方面都具有显著优势。它们的带宽还取决于电极材料。固态装配 - 水平剪切型声表面波器件使用高密度电极的铂（Pt）时可获得最宽带宽，而零阶水平剪切模式声板波使用低密度电极的铝（Al）模式声板波时可获得最宽带宽 [6]。
图 9 展示了由波长（λ）为 5.24μm、厚度为 0.21μm 的金（Au）叉指换能器（IDT）/0.7λ 厚的 YX 铌酸锂 / 厚度为 0.07λ 的二氧化硅多层膜和厚度为 0.07λ 的氮化铝多层膜 / 玻璃衬底构成的实测频率特性。获得了 20.3% 的超宽带宽，这几乎与图 5 所示的零阶水平剪切模式声板波谐振器的带宽相同，并且还获得了 83 分贝（dB）的高阻抗比（Z）。通过优化铌酸锂板厚度（约 0.35λ），可以改善 850MHz 处的杂散响应 [24]。
B. 使用键合钽酸锂（LiTaO₃，简称 LT）和石英（Quartz，简称 Qz）的高铝含量声表面波（HAL SAW）器件
高阻抗比（Z）和品质因数（Q）
1997 年，角田（Kadota）和神户（Kando）通过将具有负温度系数（TCF）的沉积氧化锌（ZnO）薄膜与具有正温度系数的石英衬底相结合，实现了零温度系数 [9][10]。类似地，我们认为通过将具有负温度系数的钽酸锂与具有正温度系数的石英进行键合也可实现零温度系数。图 10 展示了在（0º，θ，0º）和（0º，θ，90º）石英衬底上的漏声表面波（LSAW）的温度系数（以实线表示）以及（0º，λ，0º）钽酸锂的温度系数（以虚线表示）随第二欧拉角 θ 变化的情况。钽酸锂衬底无论 θ 为何值都呈现负温度系数，而石英衬底在较宽的 θ 范围内呈现正温度系数。（0º，θ，90º）石英的正温度系数比（0º，θ，0º）石英的更大。模拟结果表明，（0º，θ，90º）石英和钽酸锂的组合相比（0º，θ，0º）石英和钽酸锂的组合具有更宽带宽和更高的阻抗比。因此，我们制作了前者这种高铝含量声表面波谐振器的原型。
将直径为 100mm 的钽酸锂衬底和相同直径的石英衬底在空气中低温下无任何中间层地进行键合。键合后，将钽酸锂板抛光至所需厚度。接着，通过剥离工艺在钽酸锂板上形成铜（Cu）叉指换能器。图 11 展示了具有厚度为 0.22μm 的铜叉指换能器（λ 为 4.8μm）/ 厚度为 0.62μm 的 25ºYX 钽酸锂 / 60ºY90ºX 石英的高铝含量声表面波谐振器以及作为参考的具有厚度为 0.23μm 的铜叉指换能器（λ 为 3.78μm）/42ºYX 钽酸锂的声表面波谐振器的频率特性。前者的带宽比后者宽 7%，阻抗比高 33dB，波特品质因数（Bode Q）高 7 倍 [18]。图 12 展示了（a）20ºYX 钽酸锂声表面波、（b）42ºYX 钽酸锂声表面波和（c）20ºYX 钽酸锂 / 42º45’Y90ºX 石英高铝含量声表面波的位移分布。（a）带有漏声表面波成分的 20ºYX 钽酸锂会将剪切垂直（SV）成分的体波辐射到钽酸锂衬底中，而众所周知，（b）不带漏声表面波成分的 42ºYX 钽酸锂的 SV 成分则集中在衬底表面。另一方面，即使与带有漏声表面波成分的 20ºYX 钽酸锂相结合，（c）高铝含量声表面波的 SV 成分也比（b）42ºYX 钽酸锂更集中在钽酸锂表面。这就是高铝含量声表面波器件能实现高阻抗比和高品质因数的原因 [18]。
接近零温度系数
我们测量了高铝含量声表面波（HAL SAW）和谐振器以及作为参考的标准声表面波（SAW）谐振器的温度系数。前者由厚度为 0.15μm 的铜（λ 为 1.82 至 3.78μm）在厚度为 0.44μm 的 42°YX 钽酸锂上构成，该钽酸锂键合到 42°45’Y90°X 石英上。后者由厚度为 0.23μm 的铜（λ 为 3.78μm）在 42°YX 钽酸锂上构成。图 13 展示了在 25、45、65 和 85°C 时，对于不同归一化钽酸锂厚度，串联谐振频率（fs）的实测频移情况。在该图中，标准谐振器的温度系数以蓝色虚线表示。在此图中，根据归一化钽酸锂厚度对温度系数进行了总结。在钽酸锂厚度为 0.126λ 时，获得了 + 2 ppm/°C 的优异温度系数。平行谐振频率（fp）的温度系数在 -10 ppm/°C 时也非常低 [17][18]。它们的温度系数分别是标准 42°YX 钽酸锂声表面波在 fs 时为 -49 ppm/°C、在 fp 时为 -57 ppm/°C 的 1/25 和 1/6。高铝含量声表面波器件显示出优异的温度系数，因为 42°YX 钽酸锂具有负温度系数，而 42°45’Y90°X 石英具有正温度系数。
无杂散特性
图 14 展示了一个由铜（厚度为 0.07λ）/25ºYX 铌酸锂（厚度为 0.07λ）/42°45’Y90°X 石英构成的高铝含量声表面波谐振器在高达 14GHz（这是我们所使用的网络分析仪的频率极限）的频率特性。该特性不存在杂散响应。将钽酸锂和石英以不同欧拉角组合的高铝含量声表面波谐振器在高达 14GHz 时同样表现出无杂散特性 [17][18]。
因此，结合钽酸锂和石英的高铝含量声表面波器件具有高阻抗比（高 Q）、接近零温度系数和无杂散特性这三个优点
图 10 计算得出的（0º，θ，0º）钽酸锂（LT）和石英在第二欧拉角 θ 下的温度系数（TCF）。
图 11 测量得到的基于 25ºYX 钽酸锂（LT）/ 石英（Qz）的高铝含量声表面波（HAL SAW）谐振器（黑线）以及标准的 42ºYX 钽酸锂谐振器（红线）的频率特性。
图 12 （a）20ºYX 钽酸锂（LT）声表面波、（b）42ºYX 钽酸锂声表面波以及（c）20ºYX 钽酸锂 / 42º45’Y90ºX 石英（Qz）高铝含量声表面波的位移分布。
图 13 在 25、45、65 和 85°C 温度下，针对不同归一化钽酸锂（LT）厚度，测量得到的 42°YX LT/42°45’Y90°X 石英（Qz）以及 42°YX LT 声表面波的串联谐振频率（fs）的频移情况。
图 14 所测量的 42°YX 钽酸锂（LT）/42°45’Y90°X 石英（Qz）在高达 14 吉赫兹（GHz）频率下的频率特性。
图 15 （0º，132º，0º）钽酸锂（标记为–LT +）/60ºY90ºX 石英以及（0º，312º，0º）钽酸锂（标记为 +LT –）/60ºY90ºX 石英的实测带宽（BW）和模拟带宽（分别用白色圆圈与黑色实线，以及红色圆圈与虚线表示）
图 16 （0º，132º，0º）钽酸锂（标记为–LT +）/60ºY90ºX 石英以及（0º，312º，0º）钽酸锂（标记为 +LT –）/60ºY90ºX 石英的实测阻抗比（Z）和模拟阻抗比（分别用白色圆圈与黑色实线，以及红色圆圈与虚线表示）。
图 15 和图 16 分别展示了高铝含量声表面波谐振器根据钽酸锂归一化厚度计算得出的模拟带宽、阻抗比以及实测的带宽、阻抗比。需要注意的是，归一化的铝厚度会因波长不同而有所变化。白色圆圈和红色圆圈分别代表–LT + / Qz 和 + LT – / Qz 的实测数据。黑色实线和红色虚线分别展示了–LT + / Qz 和 + LT – / Qz 的模拟带宽和阻抗比。它们是在铝厚度恒定为 0.4μm 的情况下计算得出的，所以每个经波长归一化的铝厚度是不同的，但它们呈现出相同的趋势。数据显示出一些离散性，这可能是由于钽酸锂的差异以及制作工艺的不完善所致。然而，尽管实测的平均带宽和阻抗比与模拟值有所不同，但实测的带宽和阻抗比总体上与模拟值相符。在钽酸锂厚度为 0.1 - 0.15λ 时，实测结果表明，与 + LT – / Qz 相比，–LT + / Qz 的带宽宽约 5 - 11%，阻抗比高 3 - 6dB [25]。
（0⁰，132⁰，0⁰）钽酸锂和（0⁰，150⁰，90⁰）石英的组合在晶体学上等同于表 I 中 A 组的八种组合，并且（0⁰，312⁰，0⁰）钽酸锂和（0⁰，150⁰，90⁰）石英的组合也等同于 B 组的八种组合。表 I 展示了使用 0.12λ 厚的铝叉指换能器和 0.1λ 厚的钽酸锂的 16 种组合的高铝含量声表面波谐振器的模拟带宽和阻抗比。A 组相较于 B 组呈现出宽 21% 的带宽和高 3dB 的阻抗比。无论钽酸锂和石英的极性如何，关键因素在于钽酸锂和石英欧拉角的最佳组合。最后，以下几种组合展现出了理想的特性 [25]
表 I 使用 42ºYX 钽酸锂（LT）和 60ºY90ºX 石英（Qz）的 16 种组合的模拟特性。
图 17 固态装配 - 体声波（SM - BAW）器件的制造工艺
（0⁰，90 至 270⁰，0⁰）钽酸锂（标记为–LT +）/（0⁰，θQz，90⁰）石英
（0⁰，90 至 270⁰，0⁰）钽酸锂（标记为–LT +）/（0⁰，θQz，270⁰）石英
（0⁰，90 至 270⁰，180⁰）钽酸锂（标记为–LT +）/（0⁰，θQz，90⁰）石英
（0⁰，90 至 270⁰，180⁰）钽酸锂（标记为–LT +）/（0⁰，θQz，270⁰）石英
（0⁰，–90 至 90⁰，0⁰）钽酸锂（标记为 +LT –）/（0⁰，θQz，90⁰）石英
（0⁰，–90 至 90⁰，0⁰）钽酸锂（标记为 +LT –）/（0⁰，θQz，270⁰）石英
（0⁰，–90 至 90⁰，180⁰）钽酸锂（标记为 +LT –）/（0⁰，θQz，90⁰）石英
（0⁰，–90 至 90⁰，180⁰）钽酸锂（标记为 +LT –）/（0⁰，θQz，270⁰）石英
另一方面，由铌酸锂（LN）和石英构成的高铝含量声表面波（HAL SAW）相较于钽酸锂 / 石英的情况，其改进程度较小。
四、体声波（BAW）器件
如图 2 和图 3 所示，在单晶薄 ZX 铌酸锂（LN）板上的 A1 模式兰姆波 5.8 GHz 谐振器比在 c 轴外延铌酸锂薄膜上的 4 - 6 GHz 谐振器呈现出更高的阻抗比（Z）。类似地，在高频情况下，预计使用单晶薄板的体声波器件相较于使用沉积压电薄膜的体声波器件会展现出更好的特性。虽然已有大量关于使用钽酸锂（LT）和铌酸锂板的自悬浮体声波器件的报道，但要实现超过 5 GHz 的频率，对于横电（TE）和横声（TS）模式而言，分别需要厚度为 500 纳米和 270 纳米的更薄板材 [26][27][28][29][30][31][32]。因此，使用薄板的自悬浮体声波谐振器（BAWRs）较为脆弱。为解决这一问题，人们对固态装配 - 体声波（SM - BAW）器件进行了研究。
图 17 展示了固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）的制造工艺。在压电基板上沉积一层 100 - 200 纳米厚的铝（Al）膜作为公共电极、6 - 8 层声学薄膜用于布拉格反射器以及一层二氧化硅（SiO₂）膜用于键合。对二氧化硅进行镜面抛光后，将该基板的二氧化硅一侧与诸如硅（Si）和石英（Qz）等支撑基板进行键合。随后，将压电基板抛光至所需厚度，并在顶部形成两个 100 纳米厚的铝电极，以此制造出固态装配 - 体声波谐振器。两块基板可通过胶粘剂粘结或直接键合的方法进行连接。直接键合方法以及使用总厚度变化（TTV）低的支撑基板对于减轻基板抛光后压电板厚度的变化至关重要。
A. 使用钽酸锂（LT）的横声（TS）模式固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）
B. 使用铌酸锂（LN）的横声（TS）模式固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）
铌酸锂的机电耦合系数（k₂）比钽酸锂大，而且横声模式的机电耦合系数比横电模式大。我们制作了使用 X LN 和 170ºY LN 的横声模式固态装配 - 体声波谐振器，这两种材料的 k₂都较大 [37]。前者具有如下堆叠结构：两个铝电极、铝电极、厚度为 700 纳米的 X LN、8 层平均厚度为 250 纳米的二氧化硅和钽、SiO₂以及硅。后者具有如下堆叠结构：两个铝电极、厚度为 450 纳米的 170ºY LN、铝电极、6 层平均厚度为 180 纳米的二氧化硅和氧化铪（HfO₂）、SiO₂以及总厚度变化（TTV）较小的石英（Qz）。在 SiO₂/Si 和 SiO₂/Qz 的界面采用了直接键合方法。图 21 展示了它们的频率特性。X LN 器件在 3 吉赫兹（GHz）响应（fc）处的带宽为 17.4%，高阻抗比为 68 分贝。170ºY LN 器件在 3.3 吉赫兹响应处的带宽为 17.5%，阻抗比为 47 分贝。前者在共振频率（fr）和反共振频率（fa）之间有较大的杂散响应。使用 X - LN 的自悬浮体声波谐振器（BAWRs）也会产生相同的杂散响应 [38][39]。另一方面，后者没有这样的杂散响应。为了实现宽带固态装配 - 体声波器件，在 170ºY LN 上的横声模式比在 X LN 上的更有前景。
C. 使用铌酸锂（LN）的基本横电（TE）模式固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）
横电模式的波速大约是横声模式的两倍，这在高频应用方面具有优势 [37]。36ºY LN 板适用于横电模式体声波谐振器，因为它与横电模式强耦合，但与横声模式完全不耦合 [37]。我们制作了由上述相同结构组成的 4 吉赫兹和 7 吉赫兹的固态装配 - 体声波谐振器 [40]。对于 4 吉赫兹和 7 吉赫兹的固态装配 - 体声波谐振器，分别使用了厚度为 0.81 微米和 0.5 微米的 LN、由 8 层二氧化硅（以铝作为第一层）和钽组成且平均厚度分别为 380 纳米和 115 纳米的布拉格反射器、总厚度变化（TTV）分别为 0.1 微米和 0.2 微米的石英和硅支撑基板。布拉格反射器和基板通过直接键合方法进行键合。7 吉赫兹的器件被制作成泛音固态装配 - 体声波谐振器，它需要平均声学层厚度为 0.05λ 才能强烈激发第三泛音 [20]。第三泛音固态装配 - 体声波谐振器的 36ºY LN 板厚度变化较大，在 0.5 - 1.5 微米之间。其中，厚度为 0.5 微米的 36ºY LN 并没有强烈激发第三泛音，而是激发了 7 吉赫兹的基本模式，尽管声学层厚度为 0.12λ，与最佳厚度 0.5λ 相比非常薄。
图 22 展示了中心频率（fc）为 3.8 吉赫兹时的频率响应，其带宽为 8.4%，阻抗比为 54 分贝；以及中心频率为 6.9 吉赫兹时的频率响应，其带宽为 4.1%，阻抗比为 37 分贝 [34]。实线表示实测特性，而虚线表示通过去除修正的巴特沃斯 - 范戴克（mBVD）电路中的串联电阻（Rs）和并联电阻（R0）计算得出的特性。使用 36ºY LN 的横电模式基本模式在采用常规结构时未显示出能量捕获特性 [41]。因此，如果采用能量捕获结构以及低电阻铝电极和 / 或最佳声学层厚度，就有可能实现接近虚线所示的特性。
D. 使用铌酸锂（LN）的横电（TE）模式固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）的泛音
横电模式和横声模式理论上会产生泛音模式（第三、第五……）[42]。通过利用泛音，可以使用相同板厚的体声波器件实现比基本模式高三倍的频率。然而，第三泛音响应的阻抗比远小于基本响应的阻抗比。因此，本研究的目的是找到一种优先增强固态装配 - 体声波谐振器泛音响应的方法。我们证明了通过优化布拉格反射器的声学层厚度，固态装配 - 体声波谐振器可以产生较大的泛音响应。为了实现宽带宽和高频率，选择了使用铌酸锂的横电模式，仅仅是因为其波速高且机电耦合系数（k₂）较大
图 22 使用厚度为 0.81 微米和 0.5 微米的 36ºY 铌酸锂（LN）的固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）的实测频率特性（实线）以及通过去除修正的巴特沃斯 - 范戴克（mBVD）电路中的串联电阻（RS）和并联电阻（R0）计算得出的频率特性（虚线）。
图 23 声学层厚度分别为 λ/4 和 λ/20 的横电（TE）模式固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）的模拟频率特性。
图 24 使用 36ºY 铌酸锂（LN）以及由二氧化硅（SiO₂）和钽（Ta）制成且平均层厚为 0.06λ 的布拉格反射器的固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）的实测频率特性
图 23 展示了模拟的频率特性，假设二氧化硅（SiO₂）和钨（W）薄膜的厚度分别为 λ/4 和 λ/20。在后一种情况（λ/20）下，与基频模式相比，第三泛音被强烈激发出来。
在制作的由厚度为 0.5 - 1.5μm 的 36ºY 铌酸锂（LN）以及平均厚度为 120nm 的声学层构成的固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR）中，对一个厚度为 1μm 的 LN 固态装配 - 体声波谐振器进行了测量。图 24 展示了其实测的频率特性。这个归一化的平均声学层厚度为 0.06λ，接近最佳厚度 0.05λ。尽管使用的是 1μm 的厚度，但在 9.5GHz 处的第三泛音被大幅激发出来，其阻抗比（Z）为 31 分贝，机械品质因数（Q）为 400，机电耦合系数（k₂）为 2%。
五、结论
通过将不同材料与压电薄膜相结合，已经实现了具有新颖特性的声波器件。近来，借助键合技术可将经抛光减薄的压电薄板与支撑基板键合在一起。通过使用各种基板进行键合，我们已经实现了具备以下特性的声波器件：
(1) 在硅（Si）基板上使用厚度为 395 - 520 纳米的铌酸锂（LN）薄膜，制成了一个高频 5.8 吉赫兹（GHz）的 A1 模式兰姆波谐振器以及一个具有超宽 3 分贝带宽（达 61%）的 SH0 模式板波梯形滤波器。
(2) 利用铌酸锂薄板、声学多层膜和玻璃基板制成了一个具有超宽 20% 带宽和高达 83 分贝阻抗比（Z）的固态装配 - 剪切水平声表面波（SM - SH - SAW）谐振器。
(3) 将钽酸锂（LT）薄板与石英（Qz）基板相结合的高铝含量声表面波（HAL SAW）谐振器，呈现出接近零的温度系数（TCF）、高 Q 值以及无杂散特性。
(4) 使用 X LT 制成的 1 - 3.5 吉赫兹横声（TS）模式固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR），具有高阻抗比和低温度系数（在共振频率 fr 处为 -16 ppm/℃）。
(5) 使用 X - LN 和 170ºY - LN 制成的 3 吉赫兹横声（TS）模式固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAR），具有超宽 17% 的带宽。
(6) 3 - 7 吉赫兹高频横电（TE）模式固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAR），具有高阻抗比。
(7) 一个 9.5 吉赫兹的固态装配 - 体声波谐振器（SM - BAWR），通过使用厚度为 0.06λ 的布拉格反射器声学层（其厚度是传统的五分之一）激发了第三泛音模式。
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OMeda成立于2021年，由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺，项目人员创立。目前拥有员工15人，在微纳加工（涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合）等领域拥有丰富的经验。 同时，我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验，为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务
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