本书主要讲述压电薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonators，FBAR)的工作原理，推导FBAR 的电学阻抗表达式，由此构建其Mason 模型，对其底电极、顶电极、压电层的结构参数，以及有效谐振面积对器件谐振频率的影响进行模拟仿真与验证，并针对FBAR 的温度漂移提出有效的温度补偿措施；其次介绍FBAR 的二维与三维建模过程，利用有限元分析法研究FBAR 的电极形状、面积及器件结构对谐振模态的影响，并从有限元分析中提取相关损耗参数，修正和提高Mason 电学模型的精度；最后分析FBAR 滤波器的工作原理，从滤波器的级联方式、串并联FBAR 的有效谐振面积比、滤波器的级联阶数等方面进行研究，给出FBAR 滤波器优化设计过程。
本书可以作为从事FBAR 器件研究与设计，特别是FBAR 滤波器设计人员、微电子工程技术人员的参考用书，也可以作为相关专业研究生的参考用书。

第1章 绪论 1
1.1 无线通信技术及滤波器简介 3
1.2 国内外研究现状 6

第2章 压电薄膜体声波谐振器与滤波器设计基本理论 23
2.1 压电效应与压电方程 25
2.1.1 压电效应 25
2.1.2 压电方程 26
2.2 声波传输理论 28
2.2.1 普通弹性体的声波传输 28
2.2.2 压电体的声波传输 32
2.3 FBAR 的工作原理及结构 35
2.3.1 FBAR 的工作原理 35
2.3.2 FBAR 的结构 36
2.4 FBAR 的主要性能指标 37
2.4.1 品质因数 37
2.4.2 有效机电耦合系数 38
2.5 FBAR 滤波器理论 39
2.5.1 二端口网络 39
2.5.2 通信滤波器的主要性能指标 41
2.5.3 FBAR 滤波器的原理分析 41

第3章 FBAR 的电学阻抗模型建立与设计分析 43
3.1 FBAR 的电学阻抗模型建立 45
3.1.1 FBAR 复合结构下电学输入阻抗解析式 45
3.1.2 压电薄膜层的等效电路 47
3.1.3 普通声学层的等效电路 48
3.2 ADS 简介 50
3.2.1 ADS 工作窗口 51
3.2.2 S 参数仿真器设置 53
3.3 FBAR 模型建立示例 54
3.3.1 新建工程 55
3.3.2 建立FBAR 模型 55
3.4 FBAR 的完整Mason 模型建立及分析 59
3.4.1 不同压电材料的影响分析 59
3.4.2 不同电极材料的影响分析 61
3.4.3 压电层厚度影响分析 62
3.4.4 电极层厚度影响分析 63
3.4.5 有效谐振面积影响分析 63
3.4.6 电极层与压电层的厚度比影响分析 65

第4章 FBAR 温度补偿效应研究及电学热模型建立 67
4.1 常见的温度补偿方法 69
4.2 考虑温度效应的电学模型的建立 70
4.3 温补层设置及FBAR 结构改进 74
4.3.1 确定温补层位置以及FBAR 的膜层结构 74
4.3.2 确定温补层厚度 76
4.3.3 FBAR 结构参数的初步确定 77

第5章 FBAR 的有限元模型建立与设计分析 79
5.1 COMSOL Multiphysics 概述 81
5.1.1 有限元简介 81
5.1.2 基础物理场核心名词 83
5.2 有限元仿真原理 84
5.3 二维模型建立与分析 87
5.3.1 二维建模过程 87
5.3.2 不同压电材料的FBAR 仿真分析 89
5.3.3 不同横向尺寸的FBAR 仿真分析 91
5.3.4 FBAR 二维有限元仿真的验证 94
5.4 FBAR 有限元模型建立操作示例 96
5.4.1 COMSOL 仿真预处理 96
5.4.2 FBAR 模型建立 98
5.4.3 FBAR 材料设置 105
5.4.4 固体力学物理场参数设置 108
5.4.5 仿真后处理 116
5.5 三维模型建立与分析 118
5.5.1 三维建模过程 118
5.5.2 不同电极形状的仿真研究 119
5.5.3 不同谐振面积的仿真分析 126
5.5.4 不同变迹角的仿真分析 129
5.5.5 不同FBAR 结构的仿真分析 130
5.6 FBAR 电极负载结构的优化设计 133
5.7 压电薄膜层的损耗提取及电学模型的改进 136

第6章 基于FBAR 的微声压电薄膜滤波器设计 139
6.1 微声压电薄膜滤波器的设计指标 141
6.2 FBAR 滤波器的结构研究与分析 141
6.2.1 滤波器的级联方式影响分析 142
6.2.2 串、并联FBAR 的谐振面积比的影响分析 144
6.2.3 滤波器的级联阶数的影响分析 145
6.3 FBAR 滤波器的性能优化 146

第7章 FBAR 滤波器的加工版图及工艺 153
7.1 FBAR 单元版图绘制 155
7.2 FBAR 滤波器版图绘制 156
7.3 薄膜制备工艺 158

参考文献 163

随着集成电路（Integrated Circuit，IC）与MEMS工艺的不断发展，在体声波谐振器的基础上采用微细加工技术可以制成工作频率与品质因数更高、插入损耗更低以及性能更加优良的FBAR，并且能与目前的IC工艺集成，从而使射频器件微型化更具现实意义。
本书为压电薄膜体声波谐振器及滤波器设计，主要讲述了FBAR的工作原理，推导了该器件的电学阻抗表达式，由此构建了其Mason模型，对其底电极、顶电极、压电层的结构参数，以及有效谐振面积对器件谐振频率的影响进行了模拟仿真与验证，并针对FBAR的温度漂移，提出了有效的温度补偿措施；其次，对FBAR的二维与三维建模方法与过程进行了介绍，基于有限元分析法研究了FBAR的电极形状、面积及器件结构对谐振模态的影响，并提取了相关损耗参数以修正和提高Mason电学模型的精度；最后分析了FBAR滤波器的工作原理，从滤波器的级联方式、串并联FBAR的有效谐振面积比、滤波器的级联阶数等方面进行研究，给出了FBAR滤波器优化设计过程。
本书由浙江水利水电学院吴秀山教授撰写。本书的很多工作是在“南浔学者”（RC2022010935）和浙江省自然科学基金（Y21F040001）项目支持下开展的。浙江水利水电学院与中国计量大学联合培养的20级硕士研究生徐霖和21级硕士研究生周晓伟为本书的编写做了很多工作，在此表示衷心感谢。
基于FBAR器件设计的通信用滤波器是一项备受瞩目的新型滤波器解决方案，它非常适合目前通信技术的发展需求，但在FBAR滤波器的工作带宽提高、有效机电耦合系数提升、FBAR谐振器结构的优化、FBAR滤波器的相关理论和制备方法等多方面仍需不断地研究和发展，加之作者的水平和能力有限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。

吴秀山
2024年10月