求一种基于铌酸锂薄膜的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（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。
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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（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。
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