港科大团队打破声学芯片功率阈值 适用于6G与卫星网络
产业动态 | 2026/8/5 14:27:13
香港科技大学的研究人员开发出一种新型芯片架构，使智能手机内部的微型声学器件能够承受超过12倍以上的功率负荷，同时保持更低温、更稳定的运行。这一突破打破了数十年来将声学芯片局限于小信号处理的限制，为从手机直连卫星通信、6G网络到紧凑型功率转换等一系列应用铺平了道路。
该新平台名为“分层声波”（LAW），在每秒振动超过20亿次的换能器上进行了测试，结果显示工作温升降低了70%，并创下了36.4 W/mm²的功率密度阈值纪录。研究成果以题为《抑制声迁移与温升以实现高功率坚固声学器件》的论文发表在《自然·通讯》上。该研究由电子与计算机工程系助理教授杨岩松团队完成，第一作者名为Fangsheng Qian。
声学芯片为何触及极限
声学波器件是现代生活中最普遍却最不为人知的芯片之一。它们将电磁信号转换为以千兆赫频率振动的声波，为每一部智能手机和移动基站滤波射频信号。由于声波传播速度约为光速的十万分之一，声学器件可将千兆赫频率的能量压缩至芯片尺度，使其具有独特的紧凑性。
如今，声学器件也在向跨学科前沿扩展——与量子比特耦合以处理量子信息，驱动微流控和声光系统，并作为非磁性储能单元用于可持续功率转换。
高功率声学的战略价值日益显现：2025年，SpaceX收购了声学滤波器公司Akoustis Technologies，旨在为手机直连卫星网络开发高性能声学滤波器——在这些应用中，功率处理能力直接决定了卫星与用户手机之间链路的成败。
然而，一个根本性的瓶颈数十年来始终未解：声学器件在高功率下难以可靠运行。正如剧烈震动可使物体松散并产生热量，高功率千兆赫振动将巨大能量密度集中在微小体积内，引发三种相互交织的失效机制：机械应力和自热驱动“声迁移”，即电极中的金属原子迁移形成凸起和空洞，导致电路失效；积聚的热量改变声速，使工作频率偏离目标值；集中应力使压电薄膜开裂或分层。
现有对策几乎全部聚焦于器件底部——改用昂贵的高导热衬底，如碳化硅或金刚石。但压电层本身导热性差，因此热量和应力仍被困在器件实际振动的顶部表面附近。
与此同时，该领域长期以来的共识认为，声学波器件的顶部表面必须与空气接触以约束声能。这一观点似乎排除了对失效起源的边界本身进行工程改造的可能性。
关于振动表面的重新思考
研究团队推翻了这一共识。他们的LAW架构将铌酸锂薄膜器件的振动表面“埋藏”在复合顶部边界之下：首先是二氧化硅隔离层，然后是远厚于声波波长的“准无限”非晶硅覆盖层。
通过理论分析和仿真，团队发现声波出乎意料地仍被牢固地约束在表面附近——而附加堆叠层同时承担了三个作用。
厚的非晶硅覆盖层首先作为机械约束层，重塑应力场分布，将电极界面处的峰值应力削减至约四分之一——直接消除声迁移的驱动力。
其次，它充当集成式热扩散层：其热导率比空气高出约两个数量级，开辟垂直通道将热量迅速从热点带走。同时，它作为热膨胀补偿层，在大温度波动下保持频率稳定。
重新设计的边界非但没有牺牲性能，反而在给定波长下将工作频率提高了约25%，并将阻尼损耗降低了约30%，且具备扩展至6 GHz以下频段的能力——所有这些均采用标准、低成本的制造工艺实现。
功率测试中的创纪录成果
在标准化的器件级高功率测试中，LAW的优势十分显著。在相同功率水平下，LAW换能器的稳态温升仅为5.2°C，而采用最先进薄膜声表面波（TF-SAW）技术的对照器件则为17.4°C——降低了70%。
LAW器件承受的注入功率密度达到45.61 dBm/mm²（36.4 W/mm²），是TF-SAW对照器件阈值的12.73倍，同时在-150°C至325°C（-238°F至617°F）范围内保持-13 ppm/°C的一阶频率温度系数。
在-85°C（-121°F）下，阈值进一步升至49.45 dBm/mm²（88.11 W/mm²），较TF-SAW对照器件阈值提高13.85倍，这一结果对低温量子声学系统具有特别意义。失效分析印证了其内在机理：TF-SAW器件表现出严重的电极迁移和压电薄膜开裂，而工作在远更高功率下的LAW器件未显示出相当的迁移现象。
杨岩松表示：“几十年来，学界接受了两个‘既定事实’：声学波器件的表面必须对空气开放，且高功率运行遥不可及。我们已经证明，这两个假设可以同时被打破。”
“我们并未选择在器件底部追逐日益昂贵的衬底材料——那只能略微改善散热——而是决定重新定义其上方的边界，将器件最脆弱的区域（散热最差处）转化为其最强的优势。”
“这将声学技术从小信号元件带向真正的高功率平台，满足手机直连卫星、6G网络和能量转换等新兴应用的需求。”
该论文第一作者Fangsheng Qian表示：“这一架构的精妙之处在于，单一简单、低成本的材料层同时完成三项任务：将热量从热点带走，补偿频率漂移，以及——最为重要的是——重新分配机械应力，将驱动金属迁移的峰值应力降至约四分之一。我们并非通过冷却器件来延缓失效，而是从物理根源上消除失效本身。”
由于该方法重新定义了边界条件而非依赖任何特定材料，其设计原则广泛适用于基于叉指换能器的各类声学系统。
团队展望LAW平台将支撑下一代射频滤波器、低温量子声学电路、片上声光与微流控系统，以及小型化非磁性功率转换模块的开发。
该新平台名为“分层声波”（LAW），在每秒振动超过20亿次的换能器上进行了测试，结果显示工作温升降低了70%，并创下了36.4 W/mm²的功率密度阈值纪录。研究成果以题为《抑制声迁移与温升以实现高功率坚固声学器件》的论文发表在《自然·通讯》上。该研究由电子与计算机工程系助理教授杨岩松团队完成，第一作者名为Fangsheng Qian。
声学芯片为何触及极限
声学波器件是现代生活中最普遍却最不为人知的芯片之一。它们将电磁信号转换为以千兆赫频率振动的声波，为每一部智能手机和移动基站滤波射频信号。由于声波传播速度约为光速的十万分之一，声学器件可将千兆赫频率的能量压缩至芯片尺度，使其具有独特的紧凑性。
如今，声学器件也在向跨学科前沿扩展——与量子比特耦合以处理量子信息，驱动微流控和声光系统，并作为非磁性储能单元用于可持续功率转换。
高功率声学的战略价值日益显现：2025年，SpaceX收购了声学滤波器公司Akoustis Technologies，旨在为手机直连卫星网络开发高性能声学滤波器——在这些应用中，功率处理能力直接决定了卫星与用户手机之间链路的成败。
然而，一个根本性的瓶颈数十年来始终未解：声学器件在高功率下难以可靠运行。正如剧烈震动可使物体松散并产生热量，高功率千兆赫振动将巨大能量密度集中在微小体积内，引发三种相互交织的失效机制：机械应力和自热驱动“声迁移”，即电极中的金属原子迁移形成凸起和空洞，导致电路失效；积聚的热量改变声速，使工作频率偏离目标值；集中应力使压电薄膜开裂或分层。
现有对策几乎全部聚焦于器件底部——改用昂贵的高导热衬底，如碳化硅或金刚石。但压电层本身导热性差，因此热量和应力仍被困在器件实际振动的顶部表面附近。
与此同时，该领域长期以来的共识认为，声学波器件的顶部表面必须与空气接触以约束声能。这一观点似乎排除了对失效起源的边界本身进行工程改造的可能性。
关于振动表面的重新思考
研究团队推翻了这一共识。他们的LAW架构将铌酸锂薄膜器件的振动表面“埋藏”在复合顶部边界之下：首先是二氧化硅隔离层，然后是远厚于声波波长的“准无限”非晶硅覆盖层。
通过理论分析和仿真，团队发现声波出乎意料地仍被牢固地约束在表面附近——而附加堆叠层同时承担了三个作用。
厚的非晶硅覆盖层首先作为机械约束层，重塑应力场分布，将电极界面处的峰值应力削减至约四分之一——直接消除声迁移的驱动力。
其次，它充当集成式热扩散层：其热导率比空气高出约两个数量级，开辟垂直通道将热量迅速从热点带走。同时，它作为热膨胀补偿层，在大温度波动下保持频率稳定。
重新设计的边界非但没有牺牲性能，反而在给定波长下将工作频率提高了约25%，并将阻尼损耗降低了约30%，且具备扩展至6 GHz以下频段的能力——所有这些均采用标准、低成本的制造工艺实现。
功率测试中的创纪录成果
在标准化的器件级高功率测试中，LAW的优势十分显著。在相同功率水平下，LAW换能器的稳态温升仅为5.2°C，而采用最先进薄膜声表面波（TF-SAW）技术的对照器件则为17.4°C——降低了70%。
LAW器件承受的注入功率密度达到45.61 dBm/mm²（36.4 W/mm²），是TF-SAW对照器件阈值的12.73倍，同时在-150°C至325°C（-238°F至617°F）范围内保持-13 ppm/°C的一阶频率温度系数。
在-85°C（-121°F）下，阈值进一步升至49.45 dBm/mm²（88.11 W/mm²），较TF-SAW对照器件阈值提高13.85倍，这一结果对低温量子声学系统具有特别意义。失效分析印证了其内在机理：TF-SAW器件表现出严重的电极迁移和压电薄膜开裂，而工作在远更高功率下的LAW器件未显示出相当的迁移现象。
杨岩松表示：“几十年来，学界接受了两个‘既定事实’：声学波器件的表面必须对空气开放，且高功率运行遥不可及。我们已经证明，这两个假设可以同时被打破。”
“我们并未选择在器件底部追逐日益昂贵的衬底材料——那只能略微改善散热——而是决定重新定义其上方的边界，将器件最脆弱的区域（散热最差处）转化为其最强的优势。”
“这将声学技术从小信号元件带向真正的高功率平台，满足手机直连卫星、6G网络和能量转换等新兴应用的需求。”
该论文第一作者Fangsheng Qian表示：“这一架构的精妙之处在于，单一简单、低成本的材料层同时完成三项任务：将热量从热点带走，补偿频率漂移，以及——最为重要的是——重新分配机械应力，将驱动金属迁移的峰值应力降至约四分之一。我们并非通过冷却器件来延缓失效，而是从物理根源上消除失效本身。”
由于该方法重新定义了边界条件而非依赖任何特定材料，其设计原则广泛适用于基于叉指换能器的各类声学系统。
团队展望LAW平台将支撑下一代射频滤波器、低温量子声学电路、片上声光与微流控系统，以及小型化非磁性功率转换模块的开发。
本文来源：TechXplore