原标题：基于铌酸锂薄膜的5G谐振器和滤波器的设计方案

　　引言

　　无线通信技术在过去的几十年中，迅速发展，通信行业经历了从2G、3G、4G到5G的巨大跨越。滤波器作为选频滤波器件，直接决定了通信设备的工作频段和带宽，在射频前端扮演了举足轻重的角色。伴随5G通信极高的数据传输能力而来的是对滤波器高带宽需求。如今，对各种通信制式的支持，使得现代智能手机中需要的滤波器多达几十个。日益拥挤的Sub-6GHz通信频带，对射频系统提出了更严苛的要求。低插损、高带宽、高滚降系数和低温漂的滤波器成为了通信行业的迫切需求。

　　由微纳加工工艺制造的压电声学射频滤波器，凭借体积小、低成本等优势和出色的性能，在过去的30年中，广泛应用在各类移动便携设备的射频前端。其主流技术包括声表面波(surfaceacoustic wave，SAW)和体声波(bulkacoustic wave，BAW)器件。在早期，表面波滤波器占据了无线通信射频前端滤波器和频分双工器的主流，其性能完全符合当时的通信标准。然而，随着通信的载波频率的提高，SAW器件的缺点也随之暴露，首先是其体积大且无法与互补金属氧化物半导体集成电路工艺(CMOS)兼容，而更为致命的问题是其谐振频率受限于衬底表面波波速和叉指电极的光刻精度，因此很难实现很高的工作频率。此外，过小的电极会导致额外的欧姆损耗。BAW器件利用了厚度方向的纵波，纵波声速较高。而其频率由厚度决定，使用μm级别的薄膜就可以实现约GHz的频率，因此BAW在工作频率上拥有天然的优势。此外，基于氮化铝(AlN)的BAW器件还具有高功率容量、与CMOS工艺兼容、重复性好，品质因子(Q)高等优势，使其在过去的十几年中成为射频滤波器领域的主流器件。

　　然而5G通信的出现，给声学滤波器结构设计带来了新的挑战。首先，5G NR(new radio)使用了频率更高的频段，BAW滤波器的声学和欧姆损耗随着工作频率急剧上升，这将导致滤波器插入损耗的增加。更为关键的是，5G NR频段N78、N79和N77分别需要500、600和900 MHz的带宽。其要求的分数带宽(FBW)>10%，对目前市场上主流的基于AlN的BAW滤波器而言是难以实现的，因其带宽受限于AlN的机电耦合系数。本文最后一节所介绍的基于LiNbO3的横向体波激发器件(XBAR)或许是突破这一困境的有效解决方案之一。

　　图1展示了不同滤波器技术对应的频段和性能区间。传统SAW/TC-SAW的频率通常小于2.5 GHz，IHP-SAW使用高声速层/衬底部分弥补了这一缺点，但也仅能达到3.5 GHz。BAW器件则可以工作在约1~7GHz。而XBAR则可以工作在>3 GHz的区间内，在高频和高带宽应用上都有很大的优势。

　　压电谐振器作为压电滤波器的基本构成单元，直接决定了滤波器件的性能。本文将从压电材料的选择出发，讨论各类常见压电材料的特点，着重突出了LiNbO3薄膜的高耦合系数在高带宽滤波器应用中的优势。然后简单地涉及了声波谐振器的原理、类型、等效模型、关键参数等，以及基于压电谐振器的滤波器拓扑。最后，介绍了两种有望应用于5G频段的基于LiNbO3薄膜谐振器的相关技术，着重突出了横向电场激发体声波谐振器(XBAR)的原理、设计和实现，这一技术有望在5G的Sub-6GHz频段乃至毫米波频段下实现传统声学滤波技术所无法实现的高耦合系数的谐振器及高带宽滤波器。

　　图1 射频滤波器的市场应用和频段分配

　　1、压电谐振器/滤波器基本原理

　　1.1 压电材料的选择

　　压电谐振器结构与压电材料的选择是密不可分的，因为压电材料的材料特性决定了谐振器中可被电学激发的声波或声学模式，因此通常需要针对材料进行结构的设计以求最大程度地激发相应的声波或声学模式。

　　常见的压电材料包括锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和铌酸锂(LiNbO3)。表1总结了这几种压电材料的特性，下面将分别讨论各个材料的特性。

　　表1 几种常见压电材料的材料特性

　　PZT广泛应用于各种MEMS驱动器中，而且基于PZT的低频谐振器(<20 MHz)的应用曾经有过很成功的历史，但其在射频谐振器和滤波器中却鲜有应用。尽管有研究显示基于PZT的FBAR器件可以在GHz的频段下工作，并实现高达35%的机电耦合系数(kt2)，但材料损耗导致基于PZT的FBAR的实测和理论Q值均小于100。此外，复杂的制备工艺、与CMOS工艺兼容性以及较高的材料和机械损耗都阻碍了PZT的射频谐振器的进一步研究。

　　ZnO是一种直接带隙的宽禁带半导体材料，在SAW器件、传感器、液晶显示、发光显示器等领域有着广泛的应用。ZnO具有较稳定的介电常数(8.8)、略高于AlN的机电耦合系数(kt2=7.8%)，纵波声速约6350 m/s，横波声速2720 m/s。早期的FBAR研究都基于ZnO，但ZnO在声速及机电耦合系数(kt2)方面没有特别显著的优势，kt2虽略大于后面提及的AlN但远小于LiNbO3。此外，Zn在CMOS工艺容易引入污染，因此逐渐淡出了主流射频滤波器领域。

　　GaN拥有较好电学性能和机械性能，具有较宽的直接带隙(Eg=3.4 eV)，广泛用于高电子迁移率晶体管(HEMT)、高功率器件、发光二极管中。无下电极的GaN兰姆波谐振器的f·Q的值非常高。1.9GHzGaN兰姆波谐振器已经证实在真空条件可以实现高达1.56×1013的f·Q值，这是目前记录中最高的f·Q值之一，该值已经十分接近材料中由声子损耗所限制的f·Q的极限。唯一令人遗憾的是GaN的机电耦合系数仅有2%，是所介绍的材料中最小的。

　　AlN和ZnO晶格类似，都是纤锌矿结构，比后面提及的LiNbO3更容易以薄膜形式生长，材料机械Q值高，这些优点使其在GHz频段的压电滤波器应用中占有一席之地。AlN是一种由轻质原子构成的硬质材料，AlN声速约是ZnO的两倍，纵波声速约11300 m/s，横波声速约6000 m/s。由于AlN薄膜制备工艺成熟，沉积薄膜质量好，是迄今为止唯一在大批量生产中表现出极高的工艺稳定性、可重复性和可制造性的压电薄膜材料，所以目前为止AlN是BAW器件的首选压电材料。除非另有说明，本文中默认的BAW器件基于AlN材料。

　　LiNbO3因其拥有很高的压电系数和机械Q值而广受关注，是一种拥有很强压电性的铁电材料。与前面提到的ZnO、AlN、GaN相比，LiNbO3拥有明显更高的压电系数。高压电系数有利于实现高耦合系数的谐振器，从而实现高带宽的滤波器。因此LiNbO3在20世纪60年代晚期就已经广泛应用于SAW器件。但一方面 LiNbO3薄膜沉积效果很差，另一方面缺乏将高质量LiNbO3单晶薄膜转移到其他载体上的技术，因此关于LiNbO3的新型体声波器件的研究沉寂了一段时间。后来，受到绝缘体上硅(SOI)中使用的Smart-Cut离子切割技术的启发，研究人员用离子切割技术将不同切向的LiNbO3薄膜键合到其他衬底上，例如硅或碳化硅衬底等。LiNbO3压电系数在很多方向的分量都十分可观，得到LiNbO3薄膜后，除了可以实现利用e33的BAW器件外，还可以实现利用剪切波或兰姆波的横向振动谐振器。某些特定切向的LiNbO3 FBAR、横向振动谐振器表现出非常高的kt2和Q。

　　1.2 声波谐振器原理及类型

　　正/逆压电效应存在于某些晶格不对称的晶体中。当电压施加到这种晶体上时，静电力使晶体发生机械形变，由于逆压电效应，内部极化，过程中电场做功，电能转化为机械能。当晶体压缩或膨胀时，则由于正压电效应，产生极化电荷，机械能转化为电能。当激励信号频率等于固体结构的固有频率时，在每半个振动周期内，电能与机械能相互转换，产生了谐振现象。

　　交替的机械变形产生了以4000～12000 m/s的速度传播的声波。在固体内传播的弹性波有纵波和剪切波(横波)，剪切波根据质点振动方向与媒介表面垂直和平行，又可以分为竖直(SV)、水平剪切(SH)波。在媒介表面纵波和竖直剪切波耦合形成瑞利波，纵波和水平剪切波耦合形成LOVE波。这2种在媒介表面传播的声波统称为表面波(SAW)。而所谓的BAW器件中的“体声波”则特指固体内纵波。一般而言，纵波比2种剪切波以及2种表面波都更快。这使得体声波谐振器在同样的波长下，更容易实现较高的频率。

　　如图2所示，展示了不同的压电谐振器结构、声波类型、传播方向以及每种器件的工作频率范围。一般在谐振器结构中利用了表面波的器件称为SAW器件，利用了体声波则称为BAW器件。由此可看出基于SAW和BAW技术的器件可实现覆盖不同频率的应用，其中基于LiNbO3的XBAR器件由于可以实现超过3 GHz的工作频率而在5G应用中备受关注。图2中的SAW特指基于LiNbO3的SAW器件，而BAW则特指的是基于AlN的BAW器件。下面将对SAW和BAW器件结构进行展开讨论。

　　传统的SAW器件由叉指电极和压电衬底构成。其原理是叉指电极施加的交变电场使得压电衬底材料产生周期形变，形成了沿着衬底面内传播的表面波。温度补偿的表面波器件(temperature -compensated SAW，TC-SAW)则在压电材料表面覆盖了一层很薄的二氧化硅(SiO2)，用于实现温度补偿，并在一定程度上提高了Q值。然而由于LiNbO3表面波波速较低(<4000 m/s)，针对某一特定频率设计时，需要的波长就相对较小。因此，高性能声表面波器件(incredible high performance SAW，I.H.P.SAW)在压电晶体层下引入了高声速层和功能层。所谓功能层通常用于频率补偿，是可选项，高声速层则用于限制能量的传播，高声速层的存在提高了表面波的波速，一定程度上改善了SAW器件的频率表现。

　　图2 不同声波谐振器结构的示意图及工作频段

　　BAW器件核心是压电层被上下电极所夹持的三明治结构。上下电极施加周期电压时，压电层在面外方向产生周期性伸缩，形成体声波。根据实现方式，主要包含两类型：紧固型体声波谐振器(solidly mounted type resonator，SMR-BAW)和薄膜体声波谐振器(thin film bulk acoustic resonator，FBAR)。二者的区别在于其使用的下面的反射边界不同，前者利用1/4介质波长的高低声速交替生长的布拉格反射层作为反射边界;后者则使用固体—空气交界面作为反射边界。AlN FBAR从约2000年开始实现商业化后取得了巨大的成功，成为了主流的体声波技术。因为固体—空气反射界面相比布拉格反射层反射效果更好，使得FBAR在Q值和耦合系数方面更有优势。而SMR-BAW的优势则在于更高的功率容量和较好的温漂系数，因为布拉格反射器相比空气更利于热量传导，而且使用SiO2作为低声阻抗层可补偿部分温漂系数。

　　对高速无线通信的追求，推动了通信系统采用更高的载波频率和更高的信道带宽，催生了对高频和高带宽滤波器的需求。例如，最新投入使用的通信频段：3.3～3.8 GHz(B78)、3.3～4.2 GHz(B77)、4.4～5.0 GHz(B79)、24.25～29.5 GHz(B257，B258、B261)和37～40 GHz(B260)，无论是绝对带宽或相对带宽，都比传统通信服务高得多。如今的移动智能电话需要支持多个频段，需要大量的微型高性能滤波器。通常，频率小于2.5 GHz，是传统SAW和TC-SAW器件的应用场景，因其工艺简单，成本方面更有优势。2.5～3.5 GHz是SAW与BAW器件的过渡区。当频率高于3.5 GHz后，SAW器件需要越来越窄的电极，一方面导致更高的光刻成本，另一方面，窄电极引入了更高的损耗，电极发热的增加，又导致功率承受能力下降。在3~6 GHz是常规多晶BAW器件的应用场景，然而随着频率增加，多晶中的缺陷导致的介电损耗越来越不能忽视，因而出现了基于单晶的BAW器件。单晶BAW相比多晶BAW在功率容量、工作频率、器件Q值上都更有优势。

　　区别于前面提到的SAW和BAW器件，横向激发体声波器件(laterally-excited bulk-waveresonators，XBAR)是一种相对较新的谐振器。其用于激发模式的叉指电极类似SAW，而悬空的薄膜又使其更像FBAR器件。图3展示了基于XBAR结构5G射频器件展示的关键优势：高带宽、高频率范围、具有额定功率以及高Q。以上优势为基于声学谐振器的5G射频器件发展开拓了新的思路。XBAR器件的特性将在下一节进行详细讨论。

　　图3 基于XBAR结构的5G射频器件的关键优势

　　1.3 谐振器等效模型

　　在表征谐振器参数和滤波器拓扑仿真时，往往需要用到谐振器的电学等效模型。通过二阶微分方程对机电转换过程进行描述，将机械域参数等效到电学域中，便得到了butterworth–van dyke(BVD)模型。进一步添加电极的欧姆损耗和材料的介质损耗后，得到了MBVD模型。

　　图4(a)中显示了压电谐振器的MBVD模型，其中Lm、Cm、Rm分别称为动态电感、动态电容和动态电阻，分别由机械域中的有效质量、弹性系数、粘度等效而来;C0为电学静态电容;RS和R0分别对应电极的欧姆损耗和压电层的介电损耗。

　　典型的压电谐振器的导纳响应如图4(b)，导纳的幅值响应中有一个最大值和最小值，分别对应谐振器的谐振频率fs和反谐振频率fp。

　　图4 单个压电谐振器的等效响应

　　1.4 谐振器关键参数

　　在将谐振器构成滤波器前，有必要梳理谐振器的机电耦合系数和品质因子等关键参数。

　　(1)品质因子

　　谐振器的品质因子Q表示在一个周期内存储的峰值能量与耗散能量的比值，由器件的损耗机制决定。谐振器中存在几种不同的损耗机制，包括电极上的欧姆损耗、压电损耗、声学损耗和粘弹性损耗。以BAW谐振器为例，其主要损耗机制是剪切波和横向泄漏波导致面内方向的能量泄漏(声学损耗)，另一方面，BAW的声学反射边界并不理想也会导致在面外方向的能量泄漏，这使得SMR-BAW相比FBAR结构可能存在更多的损耗。在高频时，谐振器电极的厚度远小于电磁波在金属中的趋肤深度，频率的增加或者电极厚度的减小会让欧姆损耗增加，互连线电阻也引入了额外的欧姆损耗。此外，压电层不是完美晶体还会导致压电损耗和介电损耗。

　　实际中很难用品质因子的定义来测量谐振器的Q值。有几种方法可以估计谐振器的Q。常用的定义是基于3 dB带宽和Δfs谐振频率fs来定义的，即图4(b)中所示的Q=fs/Δfs。另一种方式利用相位求导来计算，但这种方法对测量数据的质量要求很高，且只能对谐振频率和反谐振频率的Q值进行表征。有一种计算在某个频率范围内的Q的方法，称为Bode-Q的方法，对此作了更具体的分析和讨论。

　　(2)机电耦合系数

　　机电耦合系数表示机械域和电学域之间的准静态能量转换效率，决定了由谐振器构成的滤波器的带宽。高的谐振器的机电耦合系数意味着由其组成的滤波器具有更高的带宽。另外耦合系数和品质因子的乘积还决定了压电滤波器的插入损耗和滚降系数。因此，高的机电耦合系数、高品质因子成为MEMS谐振器和滤波器研究的普遍追求。特别是在评估无线通信系统时都一致追求更宽的带宽，更低的插损以及在复杂的环境中对邻近频带更好的抑制。

　　首先，压电谐振器的压电耦合因子(K2)，K2用来描述材料在机械域和电学域之间的能量转换效率的无量纲数。从能量角度的定义为：

　　其中WM是压电材料中的机械能，WE是压电材料中的电能，值得注意的是公式(1)定义的是材料特性，与器件结构无关，但这样的定义很难直接应用于计算和测量。因此出现了许多不同类型的替代的定义。尤其是针对谐振器，有许多不同形式机电耦合系数的定义出现在公开发表的论文中。其中，最常用的形式包括等效耦合系数(k2eff)，压电耦合因子(K2)以及机电耦合系数(kt 2)。其中等效耦合系数keff2的计算公式为：

　　其中fs为某个模态的导纳最大值所对应的谐振频率，fp为某个模态的导纳最小值所对应的反谐振频率，同时K2也可以用keff2定义，具体表达为：

　　从公式中可以看出来压电耦合K2比有效耦合系数keff2要大，当keff2的值比较小时2个系数的值接近，可以使用K2估计keff2。

　　最后一种变化形式是机电耦合系数kt2，它最初在厚度拉伸模式的谐振器中，被定义为：

　　在其他的报告中有一些不同的近似的形式

　　对于这些不同的定义方式，当机电耦合系数较小时，这些不同的定义方式得到的结果差别不大，但是当耦合系数较大时，这几种方式计算的结果就会有较大差异，为了方便进行同一标准的比较，后文提及的机电耦合系数以及相应的计算方法全部采用机电耦合系数kt2。

　　1.5 滤波器拓扑结构

　　基于各种不同类型的滤波器拓扑，可将谐振器构成滤波器。主流的压电滤波器拓扑包括两种类型：梯型(Ladder)和格子型(Lattice)。梯型结构最为常用，因为与其他需要在机械域和电学域之间使用复杂耦合方式的结构不同，它所有的电学连接都在同一平面 ，很容易布局布线。尽管有时需要在插入损耗和带外抑制之间折衷选择，但多数情况下足够满足不同应用需求。事实上对于SAW 滤波器而言，其电极都分布在薄膜或衬底的同一侧平面，因此只能采用这种拓扑来实现滤波器。

　　图5(a)显示了一个简单的梯型滤波器的电路图、谐振器导纳响应和滤波器传输响应。该滤波器由串联谐振器和并联到地的谐振器组成，分别标记为Zs和Zp。所有串联和并联谐振器分别具有相同的谐振频率。Zs的谐振频率通常比Zp略低，使其谐振频率之间存在一定的偏移量，这一偏移量大致决定了压电带通滤波器的带宽。图5(a)中，阻抗曲线Z1和Z2表示了Zs和Zp的频率响应。在通带中心频率处，Z1最小，对信号通路的衰减最小，而Z2最大表现得像开路，因此几乎所有信号都可以从串联支路通过，极少信号会泄漏到地。通过降低谐振器谐振时的等效电阻，即提高Q值，可以降低通带的插入损耗。这也是为何Q值是谐振器的关键指标之一。

　　图5(b)显示了格子型滤波器拓扑的电路图、谐振器频率响应和滤波器传输响应。与梯型滤波器类似的，串联支路和并联支路的谐振器分别标记为Zs和Zp，Zp频率略低于Zs。所不同的是这一拓扑实现带外抑制比相同数量谐振器的梯型滤波器要高得多，但滚降系数变差。因此，在BAW滤波器中，通常结合这两种拓扑同时使用，从而实现较高的抑制比和滚降系数。

　　图5 主流压电滤波器滤波器拓扑

　　图6展示了一个BAW滤波器实例的拓扑、实物图和S参数频率响应。其应用了前面提到的两种拓扑，同时实现了高抑制比和高滚降系数的滤波器。

　　图6 实用的BAW滤波器

　　2 、基于LiNbO3薄膜的5G谐振器和滤波器

　　5G通信对单个射频前端器件的性能、功耗和频谱利用效率等方面都提出了更高的要求，因此开发下一代射频(RF)前端器件已经引起了广泛的研究兴趣。如今LiNbO3 SAW、AlN BAW，尤其是AlN BAW器件，正广泛应用于移动通信终端。然而，如今这些商业上主流的声学滤波技术在应对5G通信的高频和高宽带需求时捉襟见肘，因此亟需一种新型的技术来替代现有的技术。随着技术的进步，LiNbO3薄膜的制造逐渐成熟。人们已经可以将LiNbO3单晶薄膜高质量地转移到其他衬底上。LiNbO3拥有的高压电性，低损耗特性有助于实现高带宽、低插损的滤波器，这一点已经在SAW器件上得以体现，薄膜的出现意味着有望实现高频率器件。高频和高带宽双特性的加持，使LiNbO3有望成为可用于5G频段的高性能谐振器与滤波器。下面将介绍LiNbO3切向的选型，并以2种基于LiNbO3薄膜的器件来举例说明LiNbO3平台在5G应用前景。

　　2.1 LiNbO3切向选型

　　LiNbO3晶体具有高度各向异性，除了材料本身以外，还需要关注其切向。特定声学模式的激发与特定切向是密切相关的，因为当切向变化的时候，其材料参数也发生了变化。其中最为关键的是与压电效应有关的参数。

　　表2中显示了LiNbO3的几种常见切向的压电应力常数：e33、e15和e16。

　　表2 几种常见切向的LiNbO3的压电应力常数

　　如今，竖直方向纵波主要利用e33;厚度剪切波主要利用e15;水平剪切波主要利用e16。所以，理论上对于FBAR器件较为优选的切向是Y-36切向;厚度剪切波较为优选的是Z和Y-128切向;水平剪切(SH)波则可以是X，Y和Y-36。然而实际中的器件，由于压电系数在很多方向存在较大分量的缘故，常常导致在一个频率附近可能存在很多其他模式的谐振峰，导致导纳曲线看起来杂乱无章。因此压电系数的相对大小仅能给器件的切向选型做一个大致的参考。

　　事实上，压电系数只决定了耦合系数，而决定器件频率的另一个非常重要的指标是声波的波速。近期，基于LiNbO3薄膜的S0、SH0器件已经展示出了极高的耦合系数，但这些模式的低波速使得光刻精度较差条件下的实现的器件频率较低，尚未有合适的应用场景。纵波和高阶兰姆波都有较高的波速或许是可利用的声学模式，后面将详细对其进行讨论。

　　2.2 基于LiNbO 3薄膜的FBAR谐振器

　　AlN FBAR在商业上取得了巨大的成功，因此自然而然的，人们也设想将类似的结构应用在LiNbO3薄膜上。但由于LiNbO3无法实现高质量生长，且沉积技术局限于生长c轴取向(Z切)的薄膜，但基于Z切LiNbO3的FBAR效果并不理想。因而目前只能借助离子切割技术将LiNbO3单晶薄膜键合到所需的衬底上，这也给基于LiNbO3的FBAR制造造成了一定困难，因为通常LiNbO3薄膜会键合到整块金属层上，而很难对底电极进行图形化。尽管如此，还是有研究者通过较为复杂的工艺实现了FBAR的实例。

　　表3展示了部分基于LiNbO3薄膜的FBAR的研究成果。可以看到表中的器件大多都使用了在Y-36或其对称的Y-164附近的切向(由于晶格对称性Y-36与Y-164切向的材料属性完全一致)。值得一提的是，其中唯一的Z-切的FBAR使用的是由CVD生长的LiNbO3薄膜，与其他转移的单晶薄膜相比，无论是kt2还是Q都相形见绌。然而转移的LiNbO3薄膜厚度直接确定了FBAR的频率。受限于薄膜厚度，目前LiNbO3的FBAR尚未超过3 GHz，尽管仍然可应用于5G N41(2515-2675MHz)频段，但还无法满足5G其他频段(N77/N78/N79)的需求。

　　表3 LiNbO3薄膜的FBAR器件性能

　　2018 年，Yang等实现了一种基于LiNbO3薄膜的反对称兰姆波谐振器，2019年时也被Plessky等称为横向激发体声波谐振器(XBAR)。这一技术的出现有望解决FBAR所面临的困境。

　　2.3 LiNbO3薄膜的XBAR谐振器

　　2.3.1 反对称型兰姆波

　　在深入XBAR的技术细节之前，有必要了解其所利用反对称兰姆波。

　　兰姆波是板波的一种，是由两个平行表面限定的纵波和剪切波(横波)相互耦合形成的应力波。参与振动的质点位移，不仅在传播方向上存在分量，在垂直方向上也有，其运动轨迹呈椭圆形。兰姆波有2种基本类型，即对称型和反对称型兰姆波。两种类型的区别在于质点相对于板的中心线是做对称还是反对称型运动。

　　图7是典型的对称和反对称型兰姆波剖面图。图7(a)中，质点运动方向相对中心线是对称的(镜像对称，即中线两侧垂直分量相反，水平分量相同);图7(b)中质点运动相对中心线是反对称的(在中线两侧垂直分量相同，水平分量相反)。

　　图7 基本兰姆波模式

　　当兰姆波在垂直传播的方向存在n个半周期，称其为第n阶的兰姆波。将第n阶对称型兰姆波记为Sn，第n阶反对称型兰姆波记为An。特别的，若厚度方向不存在周期，则记为S0或A0。图8显示了从第1到第7阶的反对称型兰姆波，即 A1～A7的模态。这的二维模态在左右两侧都使用了周期边界条件，即对应无限大平面的情形。图中彩色表示位移量的大小，箭头表示位移方向，而黑色虚线表示应力分布。实际上，在偶次谐波中，电场和应力积分为零，机电耦合系数为零，偶次模态是无法被激发的。

　　从图8的模态中可以看出，高阶的反对称兰姆波主要表现为厚度剪切波，因此主要靠e15激发。

　　图8(a)~(g)分别表示第1到第7阶的反对称兰姆波模态，分别记为A1到A7(表面的彩色表示质点位移量，箭头表示位移方向。黑色虚线表示纵向的应力场强度)

　　2.3.2 LiNbO3薄膜XBAR谐振器

　　前面提到，XBAR利用的是反对称型兰姆波。事实上，尽管工作在射频频段的基于LiNbO3薄膜的A1谐振器最近才被展示，但早在1986年，Mizutaui已经对LiNbO3中的A1模式进行过理论研究，并且当时已说明Z和Y-128切向是较为优选的实现A1兰姆波的切向。1994年，Jin展示了基于Y-128切向LiNbO3体材料沿着x轴方向传播的A1模式谐振器，指出了厚度波长比越小，耦合系数和波速越高;并且进一步指出，当厚度波长比很小时，高阶反对称兰姆波主要进行厚度方向的剪切运动，即准厚度剪切波。

　　图9(a)显示了，Z切薄膜A1～A7的频率(f)与厚度(t)乘积和厚度波长比(t/λL)的关系。可以看到，当t/λL较小时，An模式的f·t几乎不变。这意味着当t/λL较小时，频率与横向的波长λL几乎无关。n阶模式的f·t相应地近似为一阶的n倍。图9(b)则显示，对A1模式而言，t/λL越小，耦合系数越高，而An (n>1)则几乎不随t/λ L变化。

　　如今，得益于LiNbO3薄膜转移技术的出现和微纳加工工艺的进步，使的工作在射频频段的A1模式谐振器即XBAR，成为了现实。图10展示了典型XBAR的器件结构，包括(a)俯视图、(b)正视图和(c)侧视图。

　　图9 Z切LiNbO3薄膜中A1，A3，A5和A7模式

　　图11(a)显示了典型的XBAR从A1～A7模式的频率响应。图11(b)则显示只有2个电极，两侧加周期边界条件时，薄膜在x方向的位移。与图9类似，在厚度A1～A7的位移分别形成了1、3、5和7个半周期。An模式的耦合系数随n的增加依次减弱。只是在电极下方横向电场变弱，因此位移看起来被电极隔断了。事实上，An模式耦合系数大约是A1模式的1/n2倍，即耦合系数与阶次n的平方成反比。

　　图10 XBAR的三视图

　　表4总结了一些较为突出的XBAR的工作，主要是A1模态，也有少量基于A3、A5模态。如前所述，Z和Y-128切向是厚度剪切波较为理想的切型，因此多数设计都基于这两个切向。另外，与表2所反映出的特性基本一致：Y-128切向的LiNbO3拥有最大的e15，所以表4中Y-128切谐振器拥有最高的耦合系数。

　　图11 基于XBAR的非对称模式(A1-A7)

　　表4 基于LiNbO3薄膜的XBAR性能

　　此外，从表4中可知大部分的设计使用的厚度波长比都远小于1，以实现较高的耦合系数。并且一些高阶的XBAR非对称模态已经接近或达到了5G毫米波对应的频段。

　　2.4 基于XBAR的5G滤波器

　　至此已经较为完整的讨论了基于LiNbO3薄膜XBAR的优选切向、声学模式、器件结构和不同切向下的性能，下面将讨论XBAR在5G滤波器中的应用。

　　在压电滤波器拓扑中，至少需要两种频率的谐振器构成滤波器。为了实现较高的耦合系数，大多情况下厚度波长比很小，使得XBAR频率几乎只与厚度相关，很难通过叉指实现较大范围的频率调整(大约是数百MHz)。为此，研究人员提出了类似AlN FBAR上的解决方案。一种方案是采取局部减薄的工艺，通过刻蚀使一部分压电薄膜减薄，实现较高的频率谐振器。另一种方案则在相对较低频率的谐振器上额外覆盖一层材料，例如SiO2。这样可以得到可用于构建滤波器的2种谐振器。

　　图12中显示了一种采用局部减薄工艺的XBAR滤波器制造。其流程为：(1)转移的LiNbO3薄膜衬底;(2)使用ICP-RIE工艺刻蚀释放孔;(3)对部分区域的LiNbO3薄膜进行减薄;(4)沉积顶电极和电感等;(5)～(7)为沉积和定义用于减小互连线;(8)气相刻蚀释放器件。此工艺通过控制LiNbO3薄膜不同区域的厚度实现了不同器件的工作频率进而实现了同一衬底上构建滤波器的目的。

　　图13展示了局部减薄工艺中所实现的XBAR滤波器实例，包括其在电磁仿真软件中的三维设计图，加工后器件的SEM图和滤波器的传输特性测量结果。所展示的基于7阶反对称Lamb波模式(A7)的谐振器具有0.7%的机电耦合，在19GHz时具有2.4%的3 dB FBW和1.4 mm2的占位面积。

　　图12 一种采用局部减薄的XBAR滤波器工艺流程

　　图14展示了一个实际的XBAR滤波器的电路拓扑、光学显微镜图像和实测图。这一滤波器采用了在部分区域沉积额外的SiO2，来降低图14(a)Sh1和Sh2谐振器谐振频率。该滤波器实现了约2 dB的插损，600 MHz的带宽，可满足5G N79频段的要求。

　　滤波器所关注的技术指标包括中心频率、带宽与插损等，表5总结了一些突出XBAR滤波器的工作。部分工作已经可以满足5G NR某些频段的需求。

　　图13 由局部减薄工艺所实现的XBAR滤波器实例

　　图14 一种局部增加SiO2的XBAR滤波器

　　表5 XBAR滤波器的性能

　　3、结论

　　基于铌酸锂(LiNbO3)的体声波谐振器/滤波器，其频率和带宽都与5G NR完美契合。基于LiNbO3薄膜的XBAR器件可实现现有的SAW和AlN BAW无法企及的高频率和高耦合系数，同时实现相对较高的Q。这些特性，使得这一技术有望在未来广泛应用于高性能的5G频段的谐振器/滤波器。

　　在本综述中，介绍了压电谐振器的原理、类型和关键参数。总结了有关压电谐振器的不同材料、设计和特性的详细信息，突出了基于LiNbO3薄膜的谐振器/滤波器具有高耦合系数、高带宽、高谐振频率的特性，这些特性使得LiNbO3平台有望满足5G通信对滤波器的需求。最后，以FBAR和XBAR两种有望应用于 5G频段器件为例，介绍了其相关技术与研究现状，着重突出了XBAR的原理、设计和实现。基于特定切向的LiNbO3薄膜的反对称Lamb波模式谐振器可实现3 GHz至毫米波频段的高、宽频率响应。借助局部减薄和氧化层覆盖2种工艺可在LiNbO3薄膜上得到两种以上的不同频率谐振器，实现了5G NR频段至毫米波频段的滤波器制造。基于XBAR技术的谐振器/滤波器已经在5G的应用中展示出强大潜力。