射頻微波濾波器（3）-薄膜體聲波濾波器

2016-10-31 by:CAE仿真在線來源:互聯網

薄膜體聲波濾波器 (FBAR Filter)和 SAW 同樣利用了壓電效應,其在器件的壓電層中,實現了電能到機械能的轉化,使電信號轉化為聲波的形式在壓電層中傳導并形成駐波,當聲波的頻率和外加電壓的頻率相同(聲波半波長為壓電層厚度奇數倍)時即可產生諧振。由于壓電薄膜的厚度通常遠遠小于單位時間內聲波的傳輸的距離,FBAR 的諧振點通常在 GHz 頻段,最高可達 20GHz,可以很好的滿足 RF 通訊系統的需求。而 FBAR最大優勢在于有高度的集成潛力,基本與傳統的 SOC(System On Chip,片上系統集成)技術兼容。另外,由于在諧振點的阻抗很高,FBAR 在諧振點能獲得較好的品質因數。FBAR 損耗低、溫度系數小、工作耐壓高,是未來通訊系統的發展趨勢。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

為了獲得無雜波反射干擾的器件,FBAR 工作區域必須有理想的三明治結構,即電極——壓電層——電極。通常有兩種方法來進行實現:空氣結構和布拉格反射層結構。以這兩種原理為基礎,當下主流衍生出的體聲波諧振器結構主要有薄膜體聲波諧振器(FBAR)和固態裝配型諧振器(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為基礎的背面刻蝕型 FBAR 和以表面硅加工技術為基礎的空腔型 FBAR 兩種。

圖2 主流衍生出的體聲波諧振器結構

FBAR 與晶體諧振器的工作原理相一致,雖然體積大小不同,但其基本結構都是電極——壓電膜層——電極構成的三明治結構。FBAR 壓電層典型厚度一般在微米量級甚至更低。當在 FBAR 的上下電極接通正弦交流電時,由于壓電材料的正壓電效應,電能轉化為機械能,壓電層發生機械形變,激勵出相應頻率的體聲波在壓電膜層,即電極的上下表面內縱向來回傳輸。若該體聲波頻率與交流電頻率相同,就會疊加形成諧振。理想情況下,FBAR諧振器的諧振波長為壓電膜層厚度一半的奇數倍,即d= λ/2 =v/2*f,通常FBAR 利用的是波長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 器件只有壓電層結構,無電極干擾,而在實際制備中,我們需要使用金屬電極,支撐層實現 FBAR 的結構和電學性能。我們對壓電層理想狀態,依次增加上下電極,支撐層結構后的 FBAR 分別進行了仿真,對比其變化。

圖4 理想和實際情況下 FBAR 波形對比

以單個的 FBAR 諧振器為基礎,將其連接或耦合,就能構成濾波器。常見的濾波器結構有 4 種,其中梯型(ladder)和網型(lattice)濾波器是將 FBAR 諧振器看做簡單的諧振單元,分別通過級聯和橋接的方式構成;而層疊型(StackedCrystal Filter)和耦合型(Coupled Resonator Filter)則利用了 FBAR 特有的聲學耦合特點,將兩個壓電震蕩堆直接或間隔一定的聲學介質層后層疊而成。