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        薄膜體聲波諧振器的研究與仿真

        2019-06-25 09:28:12陳鵬光陳劍鳴
        壓電與聲光 2019年3期
        關(guān)鍵詞:插入損耗諧振器壓電

        陳鵬光,王 瑞,馬 琨,陳劍鳴

        (昆明理工大學(xué) 理學(xué)院,云南 昆明 650504)

        0 引言

        近年來,個人通信、衛(wèi)星通信以及其他形式的無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展,特別是即將到來的第五代移動通信系統(tǒng)(簡稱“5G系統(tǒng)”),其工作頻率不斷向中高頻擴(kuò)展,頻率選擇控制成為射頻前端的關(guān)鍵問題[1]。薄膜體聲波諧振器(FBAR)在射頻前端器件市場中具有廣闊的應(yīng)用前景。

        傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器的體積較大,且不能與信號處理電路集成,因而成為其系統(tǒng)微型化發(fā)展的瓶頸。聲表面波(SAW)濾波器只能用在低頻段,在更高頻率遇到了困難[2]。FBAR濾波器可工作在500 MHz~20 GHz,甚至更高頻段內(nèi),且具有品質(zhì)因數(shù)(Q)值高,尺寸小,加工工藝與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)微型化的一個重要途徑[3-4]。該文從FBAR的基本理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料的選擇、建模及仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究,由FBAR諧振單元構(gòu)建FBAR濾波器,分析其性能參數(shù)指標(biāo)是否滿足5G通信對射頻前端濾波器的要求。

        1 FBAR的基本原理和結(jié)構(gòu)

        FBAR是基于體聲波理論,利用壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行電能量與聲波之間的轉(zhuǎn)換,從而形成諧振。通過電極間的壓電薄膜在垂直方向上的諧振進(jìn)行選頻,實(shí)現(xiàn)高Q值及小體積諧振器[5]。FBAR常用的結(jié)構(gòu)有背刻蝕型、空腔型和布喇格反射層型3種形式。本文以應(yīng)用最為廣泛的空腔型結(jié)構(gòu)FBAR進(jìn)行研究,空腔型結(jié)構(gòu)FBAR主要由下電極-壓電層-上電極支撐層及襯底組成(見圖1),其工作頻率f與壓電薄膜層的厚度成反比,即

        (1)

        式中:v為縱波聲速;2d為壓電薄膜層厚度。

        圖1 空腔型FBAR結(jié)構(gòu)

        2 FBAR的設(shè)計(jì)及建模

        2.1 材料的選擇

        表1 常見壓電薄膜材料的性質(zhì)參數(shù)

        FBAR的電學(xué)阻抗值由相對介電常數(shù)、諧振器的尺寸和壓電薄膜的厚度共同決定,較高的相對介電常數(shù)可減小FBAR的整體尺寸。由表1可見,AlN優(yōu)勢明顯。

        2.1.3 縱波聲速(v)

        根據(jù)v=λ×f(其中λ,f分別為波長和頻率),在f一定時,v越大,對FBAR要求的厚度和尺寸范圍越大,工藝難度相應(yīng)地會降低。由表1可見,A1N最大。

        2.1.4 材料固有損耗

        材料的固有損耗越小,則FBAR組建的濾波器的插入損耗越小[10]。由表1可見,AlN的材料損耗最小。

        綜合各參數(shù)考慮,AlN是最合適的壓電薄膜材料,特別是對集成到CMOS工藝中的FBAR器件。對于電極材料的選擇,在器件結(jié)構(gòu)相同的情況下,Mo作為電極時諧振器的諧振頻率高,Q值最高[11],并且Mo和AlN薄膜之間不會形成如Al和AlN薄膜之間的無定形層。綜合考慮,Mo是最理想的電極材料。

        2.2 等效電路模型

        為了FBAR的仿真研究,需要為FBAR器件建立相應(yīng)的電學(xué)模型。常見的一維電學(xué)模型有BVD模型和MBVD模型。然而,F(xiàn)BAR在實(shí)際制備過程時,不僅需要考慮機(jī)械損耗,壓電薄膜的介電損耗和電極損耗的影響也同樣不能忽略,而BVD模型僅考慮了FBAR的機(jī)械損耗,因此,仿真得到的S參數(shù)準(zhǔn)確度不夠。為了更精確地描述FBAR的電學(xué)性能,發(fā)展出了一種改進(jìn)的MBVD模型[12],如圖2所示。與BVD等效電路模型相比,MBVD增加了壓電薄膜的介電損耗R0和電極損耗Rs。

        圖2 MBVD模型

        MBVD模型的FBAR的阻抗為

        (2)

        式中:C0為諧振器的靜態(tài)電容;Cm和Lm分別為機(jī)械相關(guān)的動態(tài)電容和動態(tài)電感;Rm為FBAR的機(jī)械損耗。其中,

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        本文研究的FBAR采用空腔型結(jié)構(gòu),上、下電極材料為Mo,壓電層材料為AlN,設(shè)置上、下電極厚度均為0.1 μm,諧振面積均為154 μm×154 μm,壓電層厚度分別為2.0 μm,2.1 μm,2.2 μm,2.3 μm,2.4 μm,2.5 μm的6組模型參數(shù)進(jìn)行仿真,探究壓電層厚度與諧振頻率之間的關(guān)系。不同壓電層厚度下仿真阻抗(Z)-頻率曲線如圖3所示。

        圖3 Z-頻率曲線

        由圖3可見,壓電層的厚度越大,其諧振頻率越小。logZ4的諧振頻率為4.8~5.0 GHz,符合本文設(shè)計(jì)要求,諧振頻率在5G通信選頻范圍。因此,采用壓電層厚為2.3 μm進(jìn)行后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)研究。

        2.3 FBAR的性能指標(biāo)

        (7)

        2.3.2 品質(zhì)因數(shù)(Q)值

        Q值是衡量諧振器損耗的參數(shù)。它決定了共振峰的銳度和通帶曲線的陡度。給出的Q值定義與諧振器的阻抗相位斜率有關(guān),稱為阻抗相位微分法[14],即

        (8)

        諧振器單元的Q值越高,所構(gòu)成的濾波器的插入損耗越小,滾降曲線(傳輸系數(shù)曲線從通頻帶邊沿到鄰近零點(diǎn)的下滑水平,越陡越好)陡峭性越好。

        在射頻仿真軟件ADS的“Trace Expression”中輸入“abs(diff(phaserad(50 *((1+S(1,1))*(1+S(2,2))-S(1,2)*S(2,1))/(2*S(2,1)))))”,可得FBAR阻抗相位頻率微分的絕對值。將分別得到的fs和fp值代入式(8)即可得到Qs、Qp值[15]。

        3 實(shí)驗(yàn)

        3.1 FBAR的實(shí)驗(yàn)仿真

        基于射頻仿真軟件ADS建立FBAR的庫文件,利用該庫文件便于組合出各種可能結(jié)構(gòu)的復(fù)合,ADS能夠便捷地設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)FBAR的單元器件。

        等效電路搭建過程:在一個“cell”文件夾下新建“Schematic”電路模型界面,在ADS的元器件欄“Lumped-Components”元件面板中選擇電阻、電容和電感等元器件。給MBVD模型定義兩個端口(P1、P2),便于對等效電路模型進(jìn)行封裝,定義其6個參數(shù)Rs、R0、Rm、C0、Cm、Lm的值按照式(3)~(6)進(jìn)行參數(shù)值提取,Rm=0.56 Ω,C0=0.98 pF,Cm=56.4 fF,Lm=19.1 nH。R0、Rs取自文獻(xiàn)[11]中FBAR的性能測試結(jié)果。圖4為MBVD等效電路模型。在“Schematic”界面添加各元件的參數(shù)值并進(jìn)行封裝,對MBVD等效電路的實(shí)驗(yàn)仿真。圖5為封裝后的FBAR。

        圖4 MBVD等效電路模型

        圖5 封裝后的FBAR

        在ADS仿真庫文件里采用“S-Parameters”仿真儀對所設(shè)計(jì)的FBAR進(jìn)行S參數(shù)仿真,設(shè)置仿真頻率為4.2~5.6 GHz,仿真步長為1.0 MHz,如圖6所示。S(2,1)參數(shù)曲線是描述諧振器以及濾波器性能指數(shù)中最常用的頻率響應(yīng)特性曲線,對于本文的FBAR同樣適用。S(2,1)代表端口1到端口2的正向傳輸系數(shù),表示有多少能量被傳輸?shù)侥康亩?,這個值越大,傳輸?shù)男示驮礁撸话憬ㄗhS21>-3 dB。

        圖6 S(2,1)參數(shù)曲線

        對ADS仿真得到的初步數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可得到雙端口FBAR器件的Z與其S參數(shù)的關(guān)系:

        (9)

        式中:Z0=50 Ω為仿真S參數(shù)時所用特征阻抗;Sij(i,j=1,2)是4個S參數(shù)。

        在ADS軟件的仿真界面,輸入仿真參數(shù)方程式:“Z=50*((1+S(1,1))* (1+S(2,2))-S(1,2)*S(2,1))/(2*S(2,1))”,得到FBAR的阻抗-頻率仿真曲線如圖7所示。

        圖7 阻抗-頻率仿真曲線

        由圖6可知,除了諧振區(qū)間外,曲線接近0,F(xiàn)BAR的插入損耗非常小。由圖7可見,串、并聯(lián)諧振頻率間的帶寬約為138 MHz,F(xiàn)BAR的諧振區(qū)間為4.8~5.0 GHz。將fs和fp代入式(7)、(8),計(jì)算可得FBAR的性能參數(shù),如表2所示。

        表2 FBAR性能參數(shù)

        3.2 FBAR濾波器的實(shí)驗(yàn)仿真

        在FBAR濾波器的設(shè)計(jì)中,并聯(lián)FBAR單元的諧振頻率略高于串聯(lián)FBAR單元的諧振頻率[16]。通過對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),并聯(lián)諧振器MBVD模型的Lm=19.8 nH較合適。由上述封裝后FBAR諧振單元通過梯型級聯(lián)方式搭建濾波器結(jié)構(gòu),其他元器件的參數(shù)值仍按照上面提取的參數(shù)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真,其仿真結(jié)果是一個典型的高頻窄帶濾波器的頻率響應(yīng)曲線,如圖8所示。

        圖8 FBAR濾波器的S(2,1)參數(shù)曲線

        由圖8可見,該濾波器通頻帶內(nèi)插入損耗僅為-0.888 dB。其滾降曲線較陡峭,但其帶外衰減非常小,左邊阻帶為-12.369 dB,右邊阻帶為-12.131 dB,不能滿足濾波器對帶外信號衰減的性能要求,因此需要增加FBAR的級聯(lián)階數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

        通過增加FBAR的級聯(lián)階數(shù)得到2串2并、3串3并、4串4并的體聲波濾波器的頻率響應(yīng)特性曲線,如圖9所示。由圖可見,隨著梯形濾波器的級聯(lián)階數(shù)的遞增,帶外衰減明顯,左邊帶的帶外衰減為-20.870~-37.962 dB,每增加一個級聯(lián)階數(shù),就增加約8.5 dB的衰減,右邊帶的帶外衰減也有同樣的規(guī)律。其通頻帶內(nèi)中心插入損耗的變化很小(-1.271~-2.134 dB),插入損耗大于-3 dB,符合FBAR濾波器的性能參數(shù)要求。

        圖9 不同階數(shù)FBAR濾波器的S(2,1)參數(shù)曲線

        4 結(jié)束語

        FBAR技術(shù)是貫穿MEMS技術(shù)、通信學(xué)、材料學(xué)、信號處理和COMS工藝等多學(xué)科的研究領(lǐng)域,F(xiàn)BAR濾波器的性能指數(shù)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器和聲表面波濾波器。本文實(shí)驗(yàn)仿真出FBAR的頻帶為4.849~4.987 GHz,濾波器的帶外抑制為-37.962 dB,插入損耗大于-3 dB,滿足工信部劃分的5G通信頻段以及當(dāng)下主流濾波器的性能參數(shù)要求。在實(shí)驗(yàn)仿真過程中得出增加FABR諧振單元的級聯(lián)階數(shù),可以有效地改善濾波器的帶外抑制。在生產(chǎn)制造中,通過增加FBAR的級聯(lián)階數(shù)可制造性能參數(shù)較好的FBAR濾波器。

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