射频微波滤波器（3）-薄膜体声波滤波器

2016-10-31 by:CAE仿真在线来源:互联网

薄膜体声波滤波器 (FBAR Filter)和 SAW 同样利用了压电效应,其在器件的压电层中,实现了电能到机械能的转化,使电信号转化为声波的形式在压电层中传导并形成驻波,当声波的频率和外加电压的频率相同(声波半波长为压电层厚度奇数倍)时即可产生谐振。由于压电薄膜的厚度通常远远小于单位时间内声波的传输的距离,FBAR 的谐振点通常在 GHz 频段,最高可达 20GHz,可以很好的满足 RF 通讯系统的需求。而 FBAR最大优势在于有高度的集成潜力,基本与传统的 SOC(System On Chip,片上系统集成)技术兼容。另外,由于在谐振点的阻抗很高,FBAR 在谐振点能获得较好的品质因数。FBAR 损耗低、温度系数小、工作耐压高,是未来通讯系统的发展趋势。其唯一不足之处在于 MEMS 工艺本身还不够成熟,工艺制造的成本较高。

图1 三种滤波器的特性比较

为了获得无杂波反射干扰的器件,FBAR 工作区域必须有理想的三明治结构,即电极——压电层——电极。通常有两种方法来进行实现:空气结构和布拉格反射层结构。以这两种原理为基础,当下主流衍生出的体声波谐振器结构主要有薄膜体声波谐振器(FBAR)和固态装配型谐振器(Solid Mounted Resonator,SMR)两种,前者使用空气作为下边界,后者使用布拉格反射层作为下边界。而 FBAR 按照工艺条件不同,又可以分为以体硅刻蚀技术为基础的背面刻蚀型 FBAR 和以表面硅加工技术为基础的空腔型 FBAR 两种。

图2 主流衍生出的体声波谐振器结构

FBAR 与晶体谐振器的工作原理相一致,虽然体积大小不同,但其基本结构都是电极——压电膜层——电极构成的三明治结构。FBAR 压电层典型厚度一般在微米量级甚至更低。当在 FBAR 的上下电极接通正弦交流电时,由于压电材料的正压电效应,电能转化为机械能,压电层发生机械形变,激励出相应频率的体声波在压电膜层,即电极的上下表面内纵向来回传输。若该体声波频率与交流电频率相同,就会叠加形成谐振。理想情况下,FBAR谐振器的谐振波长为压电膜层厚度一半的奇数倍,即d= λ/2 =v/2*f,通常FBAR 利用的是波长恰好等于压电层厚度一半的一次谐波。

图3 FBAR的工作原理与BVD模型等效电路

理想情况下 FBAR 器件只有压电层结构,无电极干扰,而在实际制备中,我们需要使用金属电极,支撑层实现 FBAR 的结构和电学性能。我们对压电层理想状态,依次增加上下电极,支撑层结构后的 FBAR 分别进行了仿真,对比其变化。

图4 理想和实际情况下 FBAR 波形对比

以单个的 FBAR 谐振器为基础,将其连接或耦合,就能构成滤波器。常见的滤波器结构有 4 种,其中梯型(ladder)和网型(lattice)滤波器是将 FBAR 谐振器看做简单的谐振单元,分别通过级联和桥接的方式构成;而层叠型(StackedCrystal Filter)和耦合型(Coupled Resonator Filter)则利用了 FBAR 特有的声学耦合特点,将两个压电震荡堆直接或间隔一定的声学介质层后层叠而成。