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摘要：薄膜体声波器件具有体积小，成本低，品质因数（Q）高，功率承受能力强，频率高且与IC技术兼容等特点，适合于工作在射频系统中，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波（SAW）器件和微波陶瓷器件。本文基于薄膜体声波谐振器（FBAR）的专利申请作为分析对象，分析了国内外关于薄膜体声波谐振器的申请信息、专利布局、核心专利、申请趋势等信息。
关键词：薄膜体声波谐振器;FBAR;射频;MEMS
一、引言
随着现代无线通讯技术，工作在射频波段的通讯器件的微型化，低功耗，低成本，集成化及高性能越来越受到人们的重视。近年来，微机电系统（MEMS）技术的端集成实现了射频系统的微型化。其中与超大规模集成电路工艺兼容的薄膜体声波谐振器（FBAR）最引人注目，其由顶电极和底电极夹杂一层压电薄膜组成，通过在压电薄膜中激发出体声波形成谐振来工作，它具有频率高、Q值高、体积小、承受功率大、换能效率高等诸多优点，为3G通讯技术及其发展所要求的“系统单芯片集成”提供了可靠有效的解决方案。
二、专利申请分布及技术发展
1、概述
薄膜体声波谐振器的前身是工作在厚度伸缩式模式下的石英谐振器，但由于石英谐振器不能被加工成更薄的厚度，其最高谐振频率一般只能达到500MHz，于是研究者将注意力转移到可以生长为微米级别厚度的压电薄膜。
2、专利申请分布
在2000年前全球范围的FBAR专利申请量较低，这是该技术的起步阶段。在2000年后，FBAR在无线电通信中应用技术日渐成熟，并在2001年首次以双工器的形式出现在PCS中的蜂窝电话中，从此专利申请量开始上升，直到2007年经历了第一次快速发展时期。在2008年左右，申请量有所下降，在此期间世界范围内的经济放缓，对全球半导体厂商的专利申请和技术研发带来了一定影响，但国内的申请量逐步提升。
申请来源地域排名前五位的是美国、日本、中国、韩国和德国。美国企业由于研究起步较早，因而在该领域的实力较明显，占有35%的申请量;其次是日本和中国（包括台湾），分别占有28%和19%的申请量。申请目标地域排名前五位的是美国、中国、日本、韩国和英国，共占据了专利申请量的83%，而美国则占据了专利申请量的26%。而中国也是近十几年来半导体市场发展最为迅速和规模最大的国家，以中国为目标国的申请量排名第二，占全部申请量的19%。
美国的安华高科技公司拥有的专利数远超其他同行，三星电子排名第二，而申请量排名前十的申请人全部来自于美国、日本、韩国和德国。安华高公司和安捷伦为最早申请FBAR相关专利的公司。三星电子在2003年的申请量为当时最高，且各主要申请人在2001到2005年间都申请了大量的专利。
3、薄膜体声波谐振器技术发展
（1）结构/工艺
1980年，T.W.Grudkowski报道了一种空腔声学隔离薄膜结构的FBAR（横膈膜结构），使得氮化硅与衬底形成声学隔离。此结构工艺上需要对衬底的底部进行腐蚀形成空腔，这需要刻穿整个硅片厚度（US2008169885）。富士通公司提出的空腔型FEAR提到一种薄的牺牲层工艺以及在镀压电薄膜过程中对压电薄膜讲行应力控制技术，压电层及其电极在牺牲层释放后拱起，从而形成一个拱形空腔（US2010060384）。1996年，诺基亚公司采用反射层声学隔离固定结构制造的FBAR具有更小的面积以及更低的中心频率误差（US6051907）。
（2）材料
对压电薄膜的改进，包括压电薄膜的厚度、材料。目前大部分FBAR选用A1N压电材料。在压电材料中掺杂多种稀土元素，能改进压电层的压电特性（US2014118090）。通过在压电层上增加质量负载从而改变FBAR的厚度（US2004189424），能调节FBAR谐振器的中心频率。
对电极的改进，包括电极形状和材料的改进。将多个电极放置在同一衬底平面上，可提高谐振频率（US5233259）。改变电极的形状对能陷行为有一定的影响，并提高器件Q值，因此出现了多边形电极以抑制寄生振动（US7561009），椭圆形或椭圆环形电极以改善电性能（US2008284543），以及环状电极（CN102621025）和近似椭圆形电极（CN101257287）。最初在电极上增加质量负载调节电极厚度（US5692279），为了精准地调频，通过改变质量负载的图案，对质量负载进行刻蚀孔以改变单位面积的負载量（WO9959244），施加多个质量负载层（US2002185936），或调节电极的厚度进行调频（KR20030032534）。目前Mo金属被广泛选为作电极的材料（US2004130847）。
（3）应用
安捷伦技术公司采用的梯形滤波器结构，并将一个FBAR滤波器与90°移相器级联后与另一个FBAR滤波器并联构成双工器（US6262637），这是FBAR首次以双工器的形式出现在PCS蜂窝电话中。
有线/无线通信对低抖动率时钟和振荡器有广泛需求，且由于FBAR能跟其他器件制作在同一晶片上，如与电容或电感集成（US2003205948），因此基于FBAR制作的振荡器在小尺寸、高性能和低成本等方而很有优势，且具有较宽的振荡频率范围（JPH08148968）。
1995年KIDDIE技术公司将FBAR应用于压力传感器中（WO199711444）。将FBAR配置成阵列的形式，可以精确地感应多种材料质量的变化（CN1517706）。2009 年密执安大学评议会的格罗什和利特雷在顶电极上涂敷聚偏氟乙烯作为敏感层，将传感器的灵敏度提高到了80KHz/10-6（WO2010002887）。
结语
本文主要对薄膜体声波谐振器的专利技术发展和分布作了初步分析，从以上分析中可以看出，目前国内外关于薄膜体声波谐振器的研究和发展才刚刚开始，我国在这个领域的探索仍旧有很大的空间。在关于薄膜体声波谐振器专利技术的研究主要集中于对其结构及外围电路的改进，能制造出高性能的FBAR薄膜体声波谐振器，日益成当今国际研究的热点。
关键词：薄膜体声波谐振器;FBAR;射频;MEMS
一、引言
随着现代无线通讯技术，工作在射频波段的通讯器件的微型化，低功耗，低成本，集成化及高性能越来越受到人们的重视。近年来，微机电系统（MEMS）技术的端集成实现了射频系统的微型化。其中与超大规模集成电路工艺兼容的薄膜体声波谐振器（FBAR）最引人注目，其由顶电极和底电极夹杂一层压电薄膜组成，通过在压电薄膜中激发出体声波形成谐振来工作，它具有频率高、Q值高、体积小、承受功率大、换能效率高等诸多优点，为3G通讯技术及其发展所要求的“系统单芯片集成”提供了可靠有效的解决方案。
二、专利申请分布及技术发展
1、概述
薄膜体声波谐振器的前身是工作在厚度伸缩式模式下的石英谐振器，但由于石英谐振器不能被加工成更薄的厚度，其最高谐振频率一般只能达到500MHz，于是研究者将注意力转移到可以生长为微米级别厚度的压电薄膜。
2、专利申请分布
在2000年前全球范围的FBAR专利申请量较低，这是该技术的起步阶段。在2000年后，FBAR在无线电通信中应用技术日渐成熟，并在2001年首次以双工器的形式出现在PCS中的蜂窝电话中，从此专利申请量开始上升，直到2007年经历了第一次快速发展时期。在2008年左右，申请量有所下降，在此期间世界范围内的经济放缓，对全球半导体厂商的专利申请和技术研发带来了一定影响，但国内的申请量逐步提升。
申请来源地域排名前五位的是美国、日本、中国、韩国和德国。美国企业由于研究起步较早，因而在该领域的实力较明显，占有35%的申请量;其次是日本和中国（包括台湾），分别占有28%和19%的申请量。申请目标地域排名前五位的是美国、中国、日本、韩国和英国，共占据了专利申请量的83%，而美国则占据了专利申请量的26%。而中国也是近十几年来半导体市场发展最为迅速和规模最大的国家，以中国为目标国的申请量排名第二，占全部申请量的19%。
美国的安华高科技公司拥有的专利数远超其他同行，三星电子排名第二，而申请量排名前十的申请人全部来自于美国、日本、韩国和德国。安华高公司和安捷伦为最早申请FBAR相关专利的公司。三星电子在2003年的申请量为当时最高，且各主要申请人在2001到2005年间都申请了大量的专利。
3、薄膜体声波谐振器技术发展
（1）结构/工艺
1980年，T.W.Grudkowski报道了一种空腔声学隔离薄膜结构的FBAR（横膈膜结构），使得氮化硅与衬底形成声学隔离。此结构工艺上需要对衬底的底部进行腐蚀形成空腔，这需要刻穿整个硅片厚度（US2008169885）。富士通公司提出的空腔型FEAR提到一种薄的牺牲层工艺以及在镀压电薄膜过程中对压电薄膜讲行应力控制技术，压电层及其电极在牺牲层释放后拱起，从而形成一个拱形空腔（US2010060384）。1996年，诺基亚公司采用反射层声学隔离固定结构制造的FBAR具有更小的面积以及更低的中心频率误差（US6051907）。
（2）材料
对压电薄膜的改进，包括压电薄膜的厚度、材料。目前大部分FBAR选用A1N压电材料。在压电材料中掺杂多种稀土元素，能改进压电层的压电特性（US2014118090）。通过在压电层上增加质量负载从而改变FBAR的厚度（US2004189424），能调节FBAR谐振器的中心频率。
对电极的改进，包括电极形状和材料的改进。将多个电极放置在同一衬底平面上，可提高谐振频率（US5233259）。改变电极的形状对能陷行为有一定的影响，并提高器件Q值，因此出现了多边形电极以抑制寄生振动（US7561009），椭圆形或椭圆环形电极以改善电性能（US2008284543），以及环状电极（CN102621025）和近似椭圆形电极（CN101257287）。最初在电极上增加质量负载调节电极厚度（US5692279），为了精准地调频，通过改变质量负载的图案，对质量负载进行刻蚀孔以改变单位面积的負载量（WO9959244），施加多个质量负载层（US2002185936），或调节电极的厚度进行调频（KR20030032534）。目前Mo金属被广泛选为作电极的材料（US2004130847）。
（3）应用
安捷伦技术公司采用的梯形滤波器结构，并将一个FBAR滤波器与90°移相器级联后与另一个FBAR滤波器并联构成双工器（US6262637），这是FBAR首次以双工器的形式出现在PCS蜂窝电话中。
有线/无线通信对低抖动率时钟和振荡器有广泛需求，且由于FBAR能跟其他器件制作在同一晶片上，如与电容或电感集成（US2003205948），因此基于FBAR制作的振荡器在小尺寸、高性能和低成本等方而很有优势，且具有较宽的振荡频率范围（JPH08148968）。
1995年KIDDIE技术公司将FBAR应用于压力传感器中（WO199711444）。将FBAR配置成阵列的形式，可以精确地感应多种材料质量的变化（CN1517706）。2009 年密执安大学评议会的格罗什和利特雷在顶电极上涂敷聚偏氟乙烯作为敏感层，将传感器的灵敏度提高到了80KHz/10-6（WO2010002887）。
结语
本文主要对薄膜体声波谐振器的专利技术发展和分布作了初步分析，从以上分析中可以看出，目前国内外关于薄膜体声波谐振器的研究和发展才刚刚开始，我国在这个领域的探索仍旧有很大的空间。在关于薄膜体声波谐振器专利技术的研究主要集中于对其结构及外围电路的改进，能制造出高性能的FBAR薄膜体声波谐振器，日益成当今国际研究的热点。