Silicon Compatible Acoustic Wave Resonators: Design, Fabrication and Performance

Abstract

Continuous advancement in wireless technology and silicon microfabrication has fueled exciting growth in wireless products. The bulky size of discrete vibrating mechanical devices such as quartz crystals and surface acoustic wave resonators impedes the ultimate miniaturization of single-chip transceivers. Fabrication of acoustic wave resonators on silicon allows complete integration of a resonator with its accompanying circuitry. Integration leads to enhanced performance, better functionality with reduced cost at large volume production. This paper compiles the state-of-the-art technology of silicon compatible acoustic resonators, which can be integrated with interface circuitry. Typical acoustic wave resonators are surface acoustic wave (SAW) and bulk acoustic wave (BAW) resonators. Performance of the resonator is measured in terms of quality factor, resonance frequency and insertion loss. Selection of appropriate piezoelectric material is significant to ensure sufficient electromechanical coupling coefficient is produced to reduce the insertion loss. The insulating passive SiO2 layer acts as a low loss material and aims to increase the quality factor and temperature stability of the design. The integration technique also is influenced by the fabrication process and packaging. Packageless structure using AlN as the additional isolation layer is proposed to protect the SAW device from the environment for high reliability. Advancement in miniaturization technology of silicon compatible acoustic wave resonators to realize a single chip transceiver system is still needed. ABSTRAK: Kemajuan yang berterusan dalam teknologi tanpa wayar dan silikon telah menguatkan pertumbuhan yang menarik dalam produk tanpa wayar. Saiz yang besar bagi peralatan mekanikal bergetar seperti kristal kuarza menghalang pengecilan untuk merealisasikan peranti cip. Silikon serasi gelombang akustik resonator mempunyai potensi yang besar untuk menggantikan unsur-unsur diskret kerana keupayaan untuk mengintegrasikan dengan litar yang disertakan itu. Integrasi ini membawa kepada peningkatan prestasi, fungsi yang lebih baik dengan pengurangan kos pada pengeluaran jumlah yang besar. Oleh itu, Karya ini mengkaji silikon resonator akustik yang serasi, yang bersepadu dengan muka litar untuk membolehkan integrasi yang lengkap. Resonator gelombang akustik yang digunakan adalah gelombang permukaan akustik ( SAW ) dan gelombang akustik pukal ( BAW ) resonator . Kriteria penting untuk menilai prestasi resonator seperti faktor kualiti, frekuensi resonans dan kehilangan sisipan juga digariskan dalam setiap kerja sebelumnya. Pemilihan bahan piezoelektrik yang sesuai adalah penting untuk memastikan pekali gandingan elektromekanik yang mencukupi dihasilkan untuk mengurangkan kehilangan sisipan. Lapisan tambahan pasif SiO2  yang bertindak sebagai bahan rendah sisipan dipercayai meningkatkan faktor kualiti dan kestabilan suhu reka bentuk. Teknik integrasi juga dipengaruhi oleh proses fabrikasi dan pembungkusan. Struktur tanpa pembungkusan menggunakan AlN sebagai lapisan pengasingan tambahan itu dicadangkan untuk melindungi peranti SAW dari persekitaran untuk kebolehpercayaan yang tinggi. Banyak lagi kemajuan perlu dilakukan dalam pengecilan silikon serasi resonator gelombang akustik untuk merealisasikan sistem cip transceiver tunggal.KEYWORDS: RF-MEMS; piezoelectric; resonator; surface acoustic wave (SAW);bulk acoustic wave (BAW); FBAR

Modeling and development of radio frequency planar interdigital electrode sensors

“…Depending on the substrate material, the interdigital capacitive sensors can be used either as electric field sensors or acoustic wave sensors. Acoustic wave sensors require the interdigital sensors to be placed on top of piezoelectric material so that the electrodes acts as a transducer and converts input electrical signal into mechanical acoustic waves [2]. The length of the periodic spacing in the interdigital pattern determines the frequency of the acoustic waves and it can be used for a wide range of applications such as sonar, surface acoustic wave sensors, acoustic-plate mode sensor, acoustic microscopes and surface acoustic wave signal processors [3].…”