盖世汽车讯 据外媒报道，香港科技大学（Hong Kong University of Science and Technology）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倍的功率负载，同时保持更低的温度和更稳定的运行状态。

该新型平台名为“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，结果显示其工作温度升高降低了70%，并创造了36.4 W/mm²的功率密度新纪录。

图片来源：香港科技大学

这项突破打破了数十年来声学芯片只能用于小信号处理的限制，为从直接面向蜂窝的卫星通信、6G网络到小型功率转换等一系列应用铺平了道路。

这项研究由香港科技大学电子及计算机工程系助理教授杨岩松领导的团队完成，其博士生Fangsheng Qian为第一作者。

研究成果以“抑制声迁移和温度升高以实现高功率鲁棒声学”为题发表于期刊《自然通讯》。论文所有作者均为香港科技大学电子及计算机工程系射频微系统实验室（RFMY）的成员。

声学芯片为何面临极限

声波器件是现代生活中应用最广泛却鲜为人知的芯片之一。它们将电磁信号转换为千兆赫兹 (GHz) 频率的声波，为智能手机和移动基站过滤射频信号。由于声速比光速慢约10万倍，声学器件可以将GHz频率的能量压缩到芯片尺寸，使其具有独特的紧凑性。

如今，声学器件的应用领域也在不断拓展——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实现可持续的能量转换。

高功率声学技术的战略价值日益凸显：SpaceX于2025年收购了声学滤波器公司Akoustis Technologies，旨在为直接面向蜂窝的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着卫星与用户手机之间链路的成败。

然而，一个根本性的瓶颈问题几十年来一直未能解决：声学器件在高功率下难以可靠运行。正如剧烈震动会使物体破碎并产生热量一样，高功率GHz振动会将巨大的能量密度集中在极小的体积内，从而引发三种相互关联的失效机制：

• 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隙，导致电路失效。

• 累积的热量会改变声速，导致工作频率偏离目标值。

• 集中的应力会使压电薄膜开裂或分层。

现有的应对措施几乎完全集中在器件底部——例如改用昂贵的高导热性衬底，如碳化硅或金刚石。但压电层本身的导热性很差，因此热量和应力会滞留在器件实际振动的顶面附近。

与此同时，该领域长期以来的共识是，声波器件的顶面必须与空气保持接触才能限制声能。这种观点似乎排除了通过工程手段来改变失效源头的可能性。

重新思考振动表面

杨教授领导的研究团队颠覆了这一共识。他们提出的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，然后是远大于声波波长的“准无限”非晶硅覆盖层。

通过理论分析和模拟，该团队发现，与预期相反，声波被牢牢地限制在表面附近——而新增的堆叠层同时发挥了三种作用。

首先，厚厚的非晶硅覆盖层起到机械约束层的作用，重塑应力场分布，将电极界面处的峰值应力降低到大约四分之一——直接消除了声迁移的驱动力。

其次，它还起到集成散热器的作用：其导热系数比空气高出约两个数量级，能够形成垂直通道，迅速将热量从热点区域带走。同时，它还能作为热膨胀补偿层，在大幅度的温度波动下保持频率稳定。

重新设计的边界不仅没有牺牲性能，反而使给定波长下的工作频率提高了约25%，阻尼损耗降低了约30%，并且能够扩展到6 GHz以下的频段——所有这些都通过标准的低成本制造工艺实现。

功率测试中性能提升显著

在标准化的元件级高功率测试中，LAW的优势令人瞩目。在相同的功率水平下，LAW换能器的稳态温升仅为5.2°C，而目前最先进的薄膜表面声波(TF-SAW) 控制器件的稳态温升则高达17.4°C，降幅达70%。

LAW器件能够承受45.61 dBm/mm² (36.4 W/mm²)的注入功率密度，是TF-SAW控制器件阈值的12.73倍，同时在-150°C至25°C (-238°F至617°F)的温度范围内保持-13 ppm/°C的一阶频率温度系数。

在−85°C (−121°F) 时，阈值进一步攀升至49.45 dBm/mm² (88.11 W/mm²)，比TF-SAW控制阈值提高了13.85倍，这对低温量子声学系统具有重要意义。失效分析证实了其潜在机制：TF-SAW器件表现出严重的电极迁移和压电薄膜开裂，而工作功率远高于TF-SAW的LAW器件则未出现类似的迁移现象。

杨教授表示：“几十年来，业界普遍接受两个‘既定事实’：声波器件的表面必须与空气接触，以及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。我们没有一味追求器件底部日益昂贵的基板材料（这些材料只能略微改善散热），而是选择重新定义器件顶部的边界——将器件最脆弱的区域（散热最差的区域）转化为其最强大的优势。这使得声波技术从小信号器件发展成为真正的高功率平台，满足了诸如直接到蜂窝卫星连接、6G网络和能量转换等新兴应用的需求。”

论文第一作者Qian表示：“这种架构的精妙之处在于，一层简单、低成本的材料就能同时完成三项任务：它能将热量从热点区域带走，补偿频率漂移，而且——最重要的是——重新分配机械应力，将导致金属迁移的峰值应力降低到原来的四分之一左右。我们不仅仅是通过冷却器件来延缓失效；我们是从物理根源上消除失效本身。”

超越手机滤波器的平台

由于该方法重新定义了边界条件，而非依赖于任何特定材料，因此其设计原理广泛适用于基于叉指换能器的声学系统系列。

该团队设想，LAW平台将成为下一代射频滤波器、低温量子声学电路、片上声光和微流控系统以及微型化非磁性功率转换模块开发的基础。