ФИЛЬТРЫ НА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ ОБЪЕМНЫХ ВОЛН

May 13, 2012 by admin Комментировать »

Орлов А. Т. Национальный технический университет Украины «КПИ» Проспект Перемоги, д.37, Киев – 03056, Украина Тел.: +38 (044) 4951812; e-mail: gener@trirema.kiev.ua

Аннотация – Рассмотрены современные тонкопленочные пьезоэлектрические резонаторы объемных акустических волн, пассивные и активные фильтры на их основе, совместимые с технологией интегральных микросхем.

I.  Введение

Пьезоэлектрические резонаторы широко используются в современной аппаратуре связи для создания фильтров и генераторов. Освоение диапазона частот 0,8…2,0 ГГц для мобильной связи и более высоких для широкополосного доступа потребовало создания новых миниатюрных устройств частотной селекции для замены существующих фильтров на коаксиальных диэлектрических резонаторах (КДР) и поверхностных акустических волнах (ПАВ), отличающихся более высокой избирательностью при малых потерях и габаритах. Технология ПАВ фильтров достаточно проста и имеет высокую повторяемость, однако с повышением частоты возрастают требования к разрешающей способности фотолитографии и обработке поверхности пьезоэлектрика. Высокоизбирательные ПАВ фильтры обычно характеризуются высокими потерями. Устройства на объемных акустических волнах (ОАВ) обладают рядом преимуществ: более высокой добротностью, меньшим влиянием внешних полей, лучшей способностью к “захвату” акустической энергии. Преимущества час- тотно-избирательных устройств на ОАВ широко используются на более низких частотах при создании монолитных и дискретных фильтров на кристаллических резонаторах из кварца, танталата лития, ланга- сита и пьезокерамики. Однако повышение рабочих частот выше нескольких сотен МГц для таких приборов связано с недопустимым с точки зрения прочности уменьшением их толщины. В то же время современные достижения в нанесении пьезоэлектрических пленок и микромашинной обработки кремния (MEMS- технологий) привели к созданию и быстро увеличивающемуся производству тонкопленочных пьезоэлектрических резонаторов ОАВ (FBAR или TFBAR

–    thin-film bulk-wave acoustic resonators). Совместимость таких устройств со стандартной полупроводниковой технологией ИС делает их перспективными для создания радиочастотных систем в одной интегральной микросхеме (SoC – System on Chip).

II.  Основная часть

В настоящее время используются три основные конструкции FBAR-резонаторов. В первых двух используются колебания свободно подвешенного резонатора. При этом для создания резонаторов первого типа используется объемное стоп-травление с нижней стороны подложки (Рис. 1,а), что приводит к уменьшению механической прочности и большой площади резонатора. Во втором случае (Рис. 1,Ь) напыление электродов и пьезоэлектрической пленки проводят на участки поддерживающего материала с последующим его поверхностным травлением через отверстия по краям резонатора. Такая технология используется компанией Agilent Technologies с 2001

г.  в массовом (несколько млн. в месяц) производстве дуплексеров мобильных терминалов CDMA [1]. В третьем варианте резонатор напыляется на отражающую акустические волны Брегговскую решетку, состоящую из нескольких чередующихся четвертьволновых слоев с высоким и низким акустическими импедансами. Производство фильтров на таких резонаторах, использующее только операции напыления и фотолитографии освоено, в частности, компанией TFR Technologies [2].

Рис. 1. Конструкции тонкопленочных резонаторов с нижним травлением (а), с поверхностным травлением (Ь), с отражающими слоями (с) и лестничная схема фильтра (d).

Fig. 1. FBAR constructions: bulk etched (a), surface etched (b) and solidly mounted (c).Ladder filter (d)

Частота FBAR-резонаторов определяется толщиной пьезопленки и электродов. Подстройка частоты в пределах до 2% осуществляется напылением дополнительной массы поверх резонатора. На основе FBAR получают фильтры в диапазоне частот 0,5… 10 ГГц с относительной шириной полосы пропускания до 3…4% работающие на мощностях не более 1Вт. В качестве материала пьезопленки чаще всего используют высокоориентированные поликристаллические нитрид алюминия AIN и оксид цинка ZnO. Они имеют следующие параметры: скорость ОАВ 11, 3×105 см/сек и 6,08×105 см/сек, k2t– квадрат коэффициента электромеханической связи 6% и 8,5%, температурный коэффициент частоты (ТКЧ) минус 25 ррт/°С и минус 60 ррт/°С соответственно. Пленки цирконата- титаната свинца (ЦТС) имеют больший k2t, что важно для увеличения максимально достижимой полосы пропускания, но малая добротность и высокий ТКЧ делают их малоперспективными для применения в фильтрах. Добротность QM пленки AIN достигает 2000 единиц, но дополнительные слои (электроды, поддерживающие и настроечные) уменьшают как QM, так и к\ Для построения фильтров на FBAR используют в основном лестничные схемы (Рис. 1,d). Для увеличения полосы пропускания используют расширительные напыленные или MEMS-индуктивности. Мостовую эквивалентную схему замещения имеют фильтры на основе FBAR с разделенным верхним электродом.

Использование активных элементов и схем в фильтрах на основе FBAR позволяет снять ряд ограничений, связанных со свойствами пьезоматериалов и конструкцией резонатора [3]. Дополнительные возможности при создании активных фильтров могут быть получены для многоэлектродных резонаторов с несколькими пьезоэлектрическими слоями [4]. На Рис. 2 приведены результаты анализа схемы активного мостового фильтра на основе 3-х FBAR с использованием модели BVD. Полоса пропускания такого фильтра по уровню -ЗдБ составила 400 МГц или около 20%, что недостижимо для пассивных фильтров на FBAR.

Рис. 2. Частотная характеристика затухания и входной импеданс трехрезонаторного активного фильтра на тонкопленочных пьезоэлектрических резонаторах.

Fig. 2. Frequency response of active filter based on three FBARs

I.    Заключение

Фильтры на тонкопленочных пьезоэлектрических резонаторах имеют неоспоримые преимущества по сравнению с аналогами в диапазоне частот 0,5… 10 ГГц. Расширение их возможностей достигается в активных схемах. Особенно привлекательной является возможность их изготовления на единой полупроводниковой подложке и интеграция с другими схемами в одной ИС.

II.   Список литературы

[1]  http://www.agilent.com/

[2]  http://tfrtech.com/

[3]  Orlov А. Т., Skripov V. F. Use of Active Networks to Widen the Spectrum of Application of Piezoelectric Filters, 1994 IEEE International Frequency Control Symphosium, pp. 411-414.

[4]  Орлов А. Т., Якименко Ю. И., Клочко С. Ф. Полосовой фильтр, а. с. № 1096756.

THIN FILM BULK WAVE ACOUSTIC RESONATORS (FBAR) BASED FILTERS

Orlov A. T.

National State University of Ukraine (KPI)

37, Peremogy Avenue, Kiev – 03056, Ukraine Tel.: +380(44) 495 18 12 e-mail: gener@trirema.kiev. ua

Abstract-The advantages, constructions, materials for production of FBARs are analyzed. Active schemes of filters based on FBARs have been proposed, the results of modeling of active piezoelectric filter are discussed.

I.  Introduction

Piezoelectric resonators are widely used in modern communications equipment for filters and oscillators. Wireless networks are growing rapidly in the spectrum from 0.8 to 10 GHz. Last progress in IC process shows the need for development of high performance, miniature, chip filters operating in the low and medium GHz frequency range. Filters for mobile communications and wireless access are typically based on surface acoustic wave (SAW) and ceramic resonators. SAW technology is simple, but sensitive to surface quality and lithography resolution. Bulk acoustic wave (BAW) devices are electric fields insensitive and have low insertion loss. BAW advantages are widely used in monolithic and discrete crystal filters at frequencies up to hundreds MHz. At higher frequency range crystalline substrates become especially susceptible to breakage due to small thickness. Recent progress in thin piezoelectric films deposition and silicon micromachining (MEMS-technologies) have made thin film bulk wave acoustic resonators (FBAR) filters getting very attractive for IC compatible wireless systems at single semiconductor substrate – systems-on-chip (SoC).

II.  Main part

There are three known structures are used for FBAR resonators. First based on backside silicon substrate bulk stop etching (Fig. 1, a). Surface-machining techniques would eliminate the need for backside etching using a sacrificial layer which can be removed through holes near the resonator (Fig. 1, b). Agilent Technologies [1 ] is the first company to start mass production of FBAR duplexers in 2001 using such structure. The third structure applies an acoustic reflector to send the BAW back into FBAR (see Fig. 1, c). This technique is usually referred to as solidly mounted resonator and has been developed by TFR Technology, Inc. [2]. The thickness of thin piezoelectric film determines the frequency of FBAR. Other films (electrodes, supporting and tuning) decrease both K2t and quality factor of resonator. AIN and ZnO are usually used as piezoelectric films. They have BAW velocity 11,3×105 cm/sec and 6,1 x105 cm/sec, K2t– 6% and 8,5%, temperature coefficient -25 ppm/°C and -60 ppm/°C respectively. Quality factor of AIN film reaches 2000. Ladder (Fig. 1, d) and stacked electrodes networks are basic for FBAR filters. Sputtered and MEMS inductors are usual for bandwidth widening.

Use of active elements and networks in FBAR filters allows somebody to overcome the restrictions imposed by piezoelectric materials [3]. Multiport FBARs using more than one piezoelectric film layers are proposed to extend the spectrum of applications of active BAW filters [4].

The frequency response of active three resonators filter as a result of simulation using BVD FBAR model is shown on Fig.

1.  The filter bandwidth reaches 20% (400 MHz).

III.  Conclusion

BAR filters are getting very attractive for wireless applications in the frequencies 0.5-10 GHz and start competing SAW devices. Using active networks with FBARs one can obtain IC compatible filters with wider spectrum of characteristics.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты