科大研发新型晶片架构 突破声学器件功率限制 助卫星直连手机

杨岩松领导的研究团队成功研发一种崭新的晶片架构，能令智能手机内的微型声学器件承受逾12倍的功率负载，同时保持更低温、更稳定的运作。

晶片架构对智能手机的运算效能、电池续航力至关重要。香港科技大学研究团队研发出的新型晶片架构，令智能手机内的微型声学器件可承受逾12倍的功率负载，同时运作更低温、更稳定。团队在每秒振动逾20亿次的换能器测试中验证，新平台“层状声波”（Layered Acoustic Wave，简称LAW）可将工作温升降低七成，并创下每平方毫米36.4瓦的阈值功率密度纪录，突破了声学晶片数十年来只能处理小讯号的限制，为卫星直连手机通讯、6G网络及小型化功率转换等应用开路。有关成果已刊于国际期刊《自然通讯》。

声波器件是现代最普及却不易察觉的晶片之一，其原理是把电磁讯号转换为以吉赫频率振动的声波，为每部手机与通讯基站筛选射频讯号。由于声速较光速慢约十万倍，器件可将吉赫频率的能量压缩至晶片尺寸，体积细小且难以替代。近年声学器件更延伸至跨学科前沿，包括与量子位元耦合处理量子资讯、驱动微流控与声光系统，以及作为非磁性能量储存单元，用于可持续功率转换。

近年来业界亦加快在此布局，2025年SpaceX便收购声学滤波器公司Akoustis Technologies，以开发用于卫星直连手机网络的高性能声学滤波器。在此类场景下，器件的功率承载能力直接关乎通讯链路的可靠性、覆盖范围与传输效率。

而由科大电子及计算机工程学系助理教授杨岩松领导、博士生钱芳晟为第一作者的研究团队，提出的LAW架构关键在于重塑器件的上方边界。传统设计多把改善重点放在器件底部，LAW则把铌酸锂薄膜器件的振动表面埋入复合顶部边界之下，先铺设二氧化硅隔离层，再覆盖厚度远超声学波长的非晶硅覆盖层。理论与模拟显示，声波仍能被有效约束于表面附近，而新增叠层同时带来三重效益。

其一，厚非晶硅层作为机械约束层，重塑应力场分布，令电极界面峰值应力降至原来约四分之一，削弱声致迁移的驱动力。其二，该层兼作集成散热层，导热率较空气高约两个数量级，打通垂直散热通道，迅速把热量带离热点。其三，它亦是热膨胀补偿层，使频率在温度大幅波动下仍保持稳定。团队指出，重新设计边界不但无损性能，反而令同一波长下工作频率提升约四分之一、阻尼损耗降低约三成，并可延伸至6吉赫以下频段，且可透过标准、低成本制程实现。

杨岩松表示，学界长期存在两个“定论”，一是声波器件表面必须向空气开放，以及高功率运作难以实现。团队证明两项假设可同时被打破，不再在器件底部追逐愈来愈昂贵、且仅能轻微改善散热的基板材料，而是重新定义器件上方的边界，把最脆弱、最难散热的区域转化为可靠度的来源，令声学技术由小讯号元件迈向高功率平台，回应卫星直连手机、6G与能量转换等需求。

测试结果亦充分显示LAW的优势。在相同功率负载下，LAW换能器稳态温升仅5.2度，而薄膜表面声波对照器件为17.4度。LAW器件可承受每平方毫米36.4瓦的注入功率密度，为对照器件阈值的12.73倍；并能在零下150度至325度、横跨475度的温区内维持稳定的频率温度系数。在零下85度低温下，阈值更升至每平方毫米88.11瓦。失效分析亦印证机理，对照器件出现电极迁移及压电薄膜开裂，而LAW在更高功率下未见同类严重迁移。

论文第一作者钱芳晟表示新架构利用一层简单、低成本的材料同时完成三项任务：把热量从热点散走、补偿频率漂移，以及重新分布机械应力，令驱动金属迁移的峰值应力降至原来约四分之一。（科大图片）

钱芳晟表示，架构巧妙之处在于以一层简单且低成本的物料，同时达成散热、补偿频率漂移及重分布机械应力三项任务，“我们不仅透过降温延缓失效，更从物理根源上消除失效本身。”

由于设计原理着眼于边界条件而非特定材料，团队指其可广泛套用于各类以叉指换能器为核心的声学系统，并预期LAW平台可支撑新一代射频滤波器、低温量子声学电路、片上声光与微流控系统，以及微型化非磁性功率转换模组的发展。