科大研發新型晶片架構 突破聲學器件功率限制 助衛星直連手機

香港文匯報訊（記者 莫楠）晶片架構對智能手機的運算效能、電池續航力至關重要。香港科技大學研究團隊研發出的新型晶片架構，令智能手機內的微型聲學器件可承受逾12倍的功率負載，同時運作更低溫、更穩定。團隊在每秒振動逾20億次的換能器測試中驗證，新平台「層狀聲波」（Layered Acoustic Wave，簡稱LAW）可將工作溫升降低七成，並創下每平方毫米36.4瓦的閾值功率密度紀錄，突破了聲學晶片數十年來只能處理小訊號的限制，為衛星直連手機通訊、6G網絡及小型化功率轉換等應用開路。有關成果已刊於國際期刊《自然通訊》。

聲波器件是現代最普及卻不易察覺的晶片之一，其原理是把電磁訊號轉換為以吉赫頻率振動的聲波，為每部手機與通訊基站篩選射頻訊號。由於聲速較光速慢約十萬倍，器件可將吉赫頻率的能量壓縮至晶片尺寸，體積細小且難以替代。近年聲學器件更延伸至跨學科前沿，包括與量子位元耦合處理量子資訊、驅動微流控與聲光系統，以及作為非磁性能量儲存單元，用於可持續功率轉換。

近年來業界亦加快在此布局，2025年SpaceX便收購聲學濾波器公司Akoustis Technologies，以開發用於衛星直連手機網絡的高性能聲學濾波器。在此類場景下，器件的功率承載能力直接關乎通訊鏈路的可靠性、覆蓋範圍與傳輸效率。

而由科大電子及計算機工程學系助理教授楊岩松領導、博士生錢芳晟為第一作者的研究團隊，提出的LAW架構關鍵在於重塑器件的上方邊界。傳統設計多把改善重點放在器件底部，LAW則把鈮酸鋰薄膜器件的振動表面埋入複合頂部邊界之下，先鋪設二氧化矽隔離層，再覆蓋厚度遠超聲學波長的非晶矽覆蓋層。理論與模擬顯示，聲波仍能被有效約束於表面附近，而新增疊層同時帶來三重效益。

其一，厚非晶矽層作為機械約束層，重塑應力場分布，令電極界面峰值應力降至原來約四分之一，削弱聲致遷移的驅動力。其二，該層兼作集成散熱層，導熱率較空氣高約兩個數量級，打通垂直散熱通道，迅速把熱量帶離熱點。其三，它亦是熱膨脹補償層，使頻率在溫度大幅波動下仍保持穩定。團隊指出，重新設計邊界不但無損性能，反而令同一波長下工作頻率提升約四分之一、阻尼損耗降低約三成，並可延伸至6吉赫以下頻段，且可透過標準、低成本製程實現。

楊岩松表示，學界長期存在兩個「定論」，一是聲波器件表面必須向空氣開放，以及高功率運作難以實現。團隊證明兩項假設可同時被打破，不再在器件底部追逐愈來愈昂貴、且僅能輕微改善散熱的基板材料，而是重新定義器件上方的邊界，把最脆弱、最難散熱的區域轉化為可靠度的來源，令聲學技術由小訊號元件邁向高功率平台，回應衛星直連手機、6G與能量轉換等需求。

測試結果亦充分顯示LAW的優勢。在相同功率負載下，LAW換能器穩態溫升僅5.2度，而薄膜表面聲波對照器件為17.4度。LAW器件可承受每平方毫米36.4瓦的注入功率密度，為對照器件閾值的12.73倍；並能在零下150度至325度、橫跨475度的溫區內維持穩定的頻率溫度係數。在零下85度低溫下，閾值更升至每平方毫米88.11瓦。失效分析亦印證機理，對照器件出現電極遷移及壓電薄膜開裂，而LAW在更高功率下未見同類嚴重遷移。

錢芳晟表示，架構巧妙之處在於以一層簡單且低成本的物料，同時達成散熱、補償頻率漂移及重分布機械應力三項任務，「我們不僅透過降溫延緩失效，更從物理根源上消除失效本身。」

由於設計原理着眼於邊界條件而非特定材料，團隊指其可廣泛套用於各類以叉指換能器為核心的聲學系統，並預期LAW平台可支撐新一代射頻濾波器、低溫量子聲學電路、片上聲光與微流控系統，以及微型化非磁性功率轉換模組的發展。