射頻微波濾波器（3）-薄膜體聲波濾波器

2016-10-31 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

薄膜體聲波濾波器 (FBAR Filter)和 SAW 同樣利用了壓電效應(yīng),其在器件的壓電層中,實(shí)現(xiàn)了電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化,使電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波的形式在壓電層中傳導(dǎo)并形成駐波,當(dāng)聲波的頻率和外加電壓的頻率相同(聲波半波長(zhǎng)為壓電層厚度奇數(shù)倍)時(shí)即可產(chǎn)生諧振。由于壓電薄膜的厚度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單位時(shí)間內(nèi)聲波的傳輸?shù)木嚯x,FBAR 的諧振點(diǎn)通常在 GHz 頻段,最高可達(dá) 20GHz,可以很好的滿足 RF 通訊系統(tǒng)的需求。而 FBAR最大優(yōu)勢(shì)在于有高度的集成潛力,基本與傳統(tǒng)的 SOC(System On Chip,片上系統(tǒng)集成)技術(shù)兼容。另外,由于在諧振點(diǎn)的阻抗很高,FBAR 在諧振點(diǎn)能獲得較好的品質(zhì)因數(shù)。FBAR 損耗低、溫度系數(shù)小、工作耐壓高,是未來(lái)通訊系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。其唯一不足之處在于 MEMS 工藝本身還不夠成熟,工藝制造的成本較高。

圖1 三種濾波器的特性比較

為了獲得無(wú)雜波反射干擾的器件,FBAR 工作區(qū)域必須有理想的三明治結(jié)構(gòu),即電極——壓電層——電極。通常有兩種方法來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn):空氣結(jié)構(gòu)和布拉格反射層結(jié)構(gòu)。以這兩種原理為基礎(chǔ),當(dāng)下主流衍生出的體聲波諧振器結(jié)構(gòu)主要有薄膜體聲波諧振器(FBAR)和固態(tài)裝配型諧振器(Solid Mounted Resonator,SMR)兩種,前者使用空氣作為下邊界,后者使用布拉格反射層作為下邊界。而 FBAR 按照工藝條件不同,又可以分為以體硅刻蝕技術(shù)為基礎(chǔ)的背面刻蝕型 FBAR 和以表面硅加工技術(shù)為基礎(chǔ)的空腔型 FBAR 兩種。

圖2 主流衍生出的體聲波諧振器結(jié)構(gòu)

FBAR 與晶體諧振器的工作原理相一致,雖然體積大小不同,但其基本結(jié)構(gòu)都是電極——壓電膜層——電極構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)。FBAR 壓電層典型厚度一般在微米量級(jí)甚至更低。當(dāng)在 FBAR 的上下電極接通正弦交流電時(shí),由于壓電材料的正壓電效應(yīng),電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,壓電層發(fā)生機(jī)械形變,激勵(lì)出相應(yīng)頻率的體聲波在壓電膜層,即電極的上下表面內(nèi)縱向來(lái)回傳輸。若該體聲波頻率與交流電頻率相同,就會(huì)疊加形成諧振。理想情況下,FBAR諧振器的諧振波長(zhǎng)為壓電膜層厚度一半的奇數(shù)倍,即d= λ/2 =v/2*f,通常FBAR 利用的是波長(zhǎng)恰好等于壓電層厚度一半的一次諧波。

圖3 FBAR的工作原理與BVD模型等效電路

理想情況下 FBAR 器件只有壓電層結(jié)構(gòu),無(wú)電極干擾,而在實(shí)際制備中,我們需要使用金屬電極,支撐層實(shí)現(xiàn) FBAR 的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。我們對(duì)壓電層理想狀態(tài),依次增加上下電極,支撐層結(jié)構(gòu)后的 FBAR 分別進(jìn)行了仿真,對(duì)比其變化。

圖4 理想和實(shí)際情況下 FBAR 波形對(duì)比

以單個(gè)的 FBAR 諧振器為基礎(chǔ),將其連接或耦合,就能構(gòu)成濾波器。常見(jiàn)的濾波器結(jié)構(gòu)有 4 種,其中梯型(ladder)和網(wǎng)型(lattice)濾波器是將 FBAR 諧振器看做簡(jiǎn)單的諧振單元,分別通過(guò)級(jí)聯(lián)和橋接的方式構(gòu)成;而層疊型(StackedCrystal Filter)和耦合型(Coupled Resonator Filter)則利用了 FBAR 特有的聲學(xué)耦合特點(diǎn),將兩個(gè)壓電震蕩堆直接或間隔一定的聲學(xué)介質(zhì)層后層疊而成。

圖5 FBAR濾波器類(lèi)型

在設(shè)計(jì)中,通常在整體調(diào)整串并聯(lián)諧振器面積比基礎(chǔ)上再逐一調(diào)整各個(gè)諧振器面積對(duì)濾波器進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。最后仿真得出的濾波器參數(shù)為帶寬 1.48GHz~1.53GHz,相對(duì)帶寬 0.13%,帶內(nèi)插損小于 1dB,帶外抑制小-57dB,達(dá)到主流濾波器,如 GPS濾波器的基本要求