第33卷第3期2011年6月
压 电 与 声 光
PIEZO EL ECT RI CS &ACO U ST OO PT ICS
Vo l. 33No. 3Jun. 2011
03 文章编号:1004 2474(2011) 03 0347
薄膜体声波滤波器结构和设计
李彦睿, 石 玉, 杨 杰, 钟 慧
(电子科技大学微电子与固体电子学院, 四川成都610054)
摘 要:随着无线通信设备的小型化发展, 薄膜体声波谐振器(FBA R) 已成为国内外研究热点。该文综述了
FBAR 滤波器的拓扑结构、工作原理和仿真模型, 并选择梯形滤波器方案, 通过AD S 射频仿真软件建立起M BV D 一维等效电路模型模拟其传输特性。按照全球定位系统(G PS) 滤波器设计要求, 设计了频带为1530~1590M H z 的窄带滤波器。仿真表明, 增加串、并联谐振器阶数可有效提高带外抑制, 而减少其面积比在进一步增加带外抑制的同时, 减少了插损和器件整体面积。设计所得滤波器带宽60M H z, 带外抑制50dB, 插损3dB 。
关键词:薄膜体声波谐振器(FBAR ) 滤波器; M BV D 模型; 全球定位系统(GPS) ; 仿真中图分类号:T N713 文献标识码:A
Structure and Design of Thin Film Bulk Resonator
LI Yanrui, SHI Yu, Y ANG Jie, ZHONG Hui
(S chool of M icroelectronics and S olid S tate Electronics, U nivers ity of Electronic S cien ce and T echnology of China, Chen gdu 610054, China)
Abstract:With t he miniatur ization of wireless communicat ions system, F BA R is beco ming the hotspot bo th at
ho me and abroad. T his paper r eview ed to po lo gical structur e, basa l theory and simulatio n mo dels of F BA R, and es tablished one dimensional M BV D model by A DS to simulate the ladder ty pe filter. A cco rding to the desig n ta rg et o f GPS filter , a narr ow band filter w ith pass band 1530~1590M H z was designed. T he r esults sho wed that the in cr ease of stag e number o f ser ial par allel reso nato r could raise the o ut of band rejection remarkably ; and the decrease of area r atio co uld reduce the inser tion loss and the to tal dimensio n while ra ising t he band rejection also. T he pass band o f desig ned filt er was 60M H z; the out of band r ejection and the inser tion lo ss of w ere 50dB and 3dB respec tively.
Key words:F BA R filter ; M BV D model; G PS; simulatio n
0 引言
无线通讯技术的快速进步, 尤其是3G 技术的应用, 使射频滤波器的发展成为了当今研究的热点[1]。薄膜体声波谐振器(FBAR) 利用薄膜体声波波长远小于电磁波波长的特性制作而成, 很好地解决了传统射频滤波器所采用的微波陶瓷技术和声表面波(SAW) 技术面临的困难。FBAR 的体积小, 损耗低, 品质因数(Q ) 值高, 频率最高可达20GH z, 且结构与半导体技术工艺兼容, 便于射频集成电路(RFIC) 的集成, 成为了全新的滤波器技术解决方案。我们发现, 在以往文献的器件仿真中, 基本着重于FBAR 等效模型的推导[2]或仿真的结果数据分析
[3 4]
1 FBAR 器件介绍
理想FBAR 的主体结构由上电极、压电层和下电极组成。在实际器件中, 其通常使用FBAR 和固态装配型(SMR) 两种结构[1]实现声波在交界面的全反射, 达到近似理想结构。本文主要针对空气隙型FBAR 进行讨论, 其使用牺牲层释放(空气隙型, 见图1) 的方法形成空气腔, 利用空气的近似零阻抗形成全反射。
, 均未对仿真设计的过程进行描述。故本文详
图1 空腔型FBAR 结构示意图
细分析了仿真过程, 并探讨了其过程中可能面临的问题。
将单个的FBAR 谐振器连接或耦合, 就能构成
收稿日期:2010 07 13
作者简介:李彦睿(1986 ) , 男, 四川成都人, 硕士生, 主要从事压电薄膜材料与器件的研究。
348压 电 与 声 光2011年
滤波器。常见的滤波器结构有梯型、网型、层叠型和耦合型[5]。
图2为梯型和网型FBAR 滤波器结构示意图。梯型滤波器(见图2(a) ) 最为常用, 其包含并联谐振器和串联谐振器, 前者的的并联谐振频率和后者的串联谐振频率近似相等, 原理如图3所示。图中, Z 为谐振器阻抗。由图3可知, 梯形滤波器滚降快, 矩形系数好, 但带外抑制是设计中要注意的主要问题。网型滤波器(见图2(b) ) 有与梯形滤波器类似的工作原理, 但具有对称性结构, 双端口输入、输出平衡, 有良好的带外抑制,
缺点是滚降较差。
合型滤波器与之类似, 仅进一步在两个谐振器夹层
中加入了声学介质层以对带宽等系数进行调整。这种类型的滤波器集成度较高, 但设计难度相对较大, 应用范围不及梯型滤波器广泛。
2 FBAR 滤波器的仿真
FBAR 常用的仿真模型有Mason 模型和M B VD 模型[2]。MBVD 模型利用等效的器件模拟FBAR 的特性, 其将FBAR 模块简化, 减少了模型仿真计算的复杂性, 在电学系统, 如滤波器等的仿真中, 多采用MBVD 模型, 如图4所示。
图4 FBA R 仿真模型等效电路图
由于材料本身的限制, FBAR 器件带宽范围有限。这是因为改变电极材料、外接电感等方法[6]只能增加器件机电耦合系数(k 2eff ) , 无法增加材料机电耦合系数(k 2t ) , 超越带宽限制; 而调整串并联谐振频率重合度则会在增大带宽的同时带来插损的快速增大。所以, 采用FBAR 方案前需考察其可行性。
实际情况中, 全球定位系统(GPS) 因其0. 13%的相对带宽尤其适合使用FBAR 进行设计[7]。在此以GPS 滤波器的设计为例, 对FBAR 滤波器的设计进行分析。滤波器理论参数为:频带1530~1590M H z, 带外抑制50dB 以上, 插损小于3dB 。
根据滤波器中心频率要求, 计算得到串、并联谐振器中心频率应分别为1. 586GH z 和1. 548GH z, 以此计算出相应的M BVD 模型参数, 开始进行仿真。特别是如非滤波器频率较高等必要情况, 尽量不要采用过于薄的压电层, 如表1所示。由表可见, 随着压电层的减薄, 要使谐振器频率保持在近似范围内, 串、并联谐振器上电极厚度差值将不断减小。
表1 不同压电震荡堆厚度FBAR 电极厚度
组别1
压电层厚度/ m 2. 01. 5并联FBA R 顶电极厚度/nm
160280串联F BA R
中心频率/
顶电极
GH z
厚度/nm
1302601. 5071. 510
, 2
第3期李彦睿等:薄膜体声波滤波器结构和设计349
第3组中差值达到了5nm, 而磁控溅射AlN 薄膜的表面粗糙度约为5nm , 这将导致器件性能将难以控制。
2阶梯型滤波器仿真如图5(a) 所示, 滤波器通带为1. 540~1. 590GH z, 插损小于3dB, 带外抑制5dB 。增加滤波器阶数后的3、5、7阶滤波器分别如图5(b) ~(d) 所示, 带外抑制增加, 分别为15dB 、26dB 、39dB, 增量等于添加单个谐振器所带来增量之和, 带内损耗也略有增加, 7阶滤波器的插损约5dB 。提高滤波器阶数的缺点是增添FBAR 单元后, 实际滤波器面积也会增加, 影响RFIC 的集成
度。
3 结束语
由仿真可知, 梯形滤波器适用于窄带、高矩形系数、带外抑制要求不高的滤波器方案。在设计中, 添加FBAR 谐振器单元, 可有效改善滤波器带外抑制, 达到指标要求; 而更改串、并联谐振器面积比, 可在控制滤波器面积的基础上, 对器件性能进一步优化。本文综合利用两种方法, 对滤波器进行系统设计, 完善了当前研究在滤波器设计流程分析方面的不足。最终设计完成的GPS 滤波器频带为1530~1590M H z, 带外抑制50dB 以上, 插损小于3dB, 符合当下主流性能参数要求。参考文献:
[1]
L AK IN K M . A review of the thin film resonator technolog y[J]. I EEE M icr ow ave M ag , 2003, 4:333 336. [2]
L A RSO NIII J D, BR ADL EY P D, W A RT EN BERG S, et al. M odified butterw o rth van dy ke circuit for F BA R r eso nat ors and auto mated measur ement system [C]//Sanjuan, Puerto Rico:IEEE U ltr aso nic Sympo sium, 2000:863 868. [3]
DU BO IS M A , CA RPEN T IER J F, V IN CEN T P, et al. M onolithic above IC resonator techno log y for inte g rated architectures in mo bile and wireless co mmunica tion[J].IEEE Jo ur nal of Solid State Circuits, 2006, 41(1) :7 16. [4]
LA K IN K M , KL IN E G R , K ET CH M A N R S, et al. T hin film r esonators based lo w insertio n loss filt er s [C]//Colonial Williamsburg , U SA:IEEE U lt rasonics Symposium, 1986:371 376.
图5 不同阶数和面积比的滤波器仿真波形
[5][6]
金浩. 薄膜体声波谐振器(F BA R ) 技术的若干研究[D]. 浙江:浙江大学, 2006.
LA K IN K M , BEL SICK J, M CDO N A LD J F, et al. Impr oved bulk w ave resonato r co upling coefficient for wide bandwidth filter s [C]//Geor gia, Altant a, U SA:IEEE U ltrasonics Symposium, 2001, 1:827 831.
为抑制面积过量增大, 可改变FBAR 静态电容比, 增加带外抑制。调整串、并联谐振器面积比为1 3, 仿真得到结果如图5(e) 所示, 带外抑制为
56dB, 带内插损为5dB, 矩形系数略有减少。在此基础上, 再分别调整每个谐振器的面积, 继续进行优化, 得到结果如图5(f) 所示, 插损减小到3dB, 最终达到了设计要求。
通过仿真可完成滤波器参数的初步设计。此外, 实际设计中还需尽量去除不良因素如工艺影响、横波抑制、寄生效应等问题带来的影响, 使滤波器成品能与仿真理论设计值吻合。
[8]
[7]
[8]
H A N DT M A N N M , M ARK ST EIN ER S, KA N T IL L A J, et al. Bulk acoustic wav e filters for gps w ith ex tr eme sto pband attenuatio n[C]//Fo rt Wo rth, T ex as, U SA:I EEE M T T S Internatio nal M icro wav e Sy mpo sium D igest, 2004, 1:371 374.
吴碧艳. 电极形状对FBAR 横模特性的影响[J]. 传感技术学, 2006, 19(5) :1924 1929.
第33卷第3期2011年6月
压 电 与 声 光
PIEZO EL ECT RI CS &ACO U ST OO PT ICS
Vo l. 33No. 3Jun. 2011
03 文章编号:1004 2474(2011) 03 0347
薄膜体声波滤波器结构和设计
李彦睿, 石 玉, 杨 杰, 钟 慧
(电子科技大学微电子与固体电子学院, 四川成都610054)
摘 要:随着无线通信设备的小型化发展, 薄膜体声波谐振器(FBA R) 已成为国内外研究热点。该文综述了
FBAR 滤波器的拓扑结构、工作原理和仿真模型, 并选择梯形滤波器方案, 通过AD S 射频仿真软件建立起M BV D 一维等效电路模型模拟其传输特性。按照全球定位系统(G PS) 滤波器设计要求, 设计了频带为1530~1590M H z 的窄带滤波器。仿真表明, 增加串、并联谐振器阶数可有效提高带外抑制, 而减少其面积比在进一步增加带外抑制的同时, 减少了插损和器件整体面积。设计所得滤波器带宽60M H z, 带外抑制50dB, 插损3dB 。
关键词:薄膜体声波谐振器(FBAR ) 滤波器; M BV D 模型; 全球定位系统(GPS) ; 仿真中图分类号:T N713 文献标识码:A
Structure and Design of Thin Film Bulk Resonator
LI Yanrui, SHI Yu, Y ANG Jie, ZHONG Hui
(S chool of M icroelectronics and S olid S tate Electronics, U nivers ity of Electronic S cien ce and T echnology of China, Chen gdu 610054, China)
Abstract:With t he miniatur ization of wireless communicat ions system, F BA R is beco ming the hotspot bo th at
ho me and abroad. T his paper r eview ed to po lo gical structur e, basa l theory and simulatio n mo dels of F BA R, and es tablished one dimensional M BV D model by A DS to simulate the ladder ty pe filter. A cco rding to the desig n ta rg et o f GPS filter , a narr ow band filter w ith pass band 1530~1590M H z was designed. T he r esults sho wed that the in cr ease of stag e number o f ser ial par allel reso nato r could raise the o ut of band rejection remarkably ; and the decrease of area r atio co uld reduce the inser tion loss and the to tal dimensio n while ra ising t he band rejection also. T he pass band o f desig ned filt er was 60M H z; the out of band r ejection and the inser tion lo ss of w ere 50dB and 3dB respec tively.
Key words:F BA R filter ; M BV D model; G PS; simulatio n
0 引言
无线通讯技术的快速进步, 尤其是3G 技术的应用, 使射频滤波器的发展成为了当今研究的热点[1]。薄膜体声波谐振器(FBAR) 利用薄膜体声波波长远小于电磁波波长的特性制作而成, 很好地解决了传统射频滤波器所采用的微波陶瓷技术和声表面波(SAW) 技术面临的困难。FBAR 的体积小, 损耗低, 品质因数(Q ) 值高, 频率最高可达20GH z, 且结构与半导体技术工艺兼容, 便于射频集成电路(RFIC) 的集成, 成为了全新的滤波器技术解决方案。我们发现, 在以往文献的器件仿真中, 基本着重于FBAR 等效模型的推导[2]或仿真的结果数据分析
[3 4]
1 FBAR 器件介绍
理想FBAR 的主体结构由上电极、压电层和下电极组成。在实际器件中, 其通常使用FBAR 和固态装配型(SMR) 两种结构[1]实现声波在交界面的全反射, 达到近似理想结构。本文主要针对空气隙型FBAR 进行讨论, 其使用牺牲层释放(空气隙型, 见图1) 的方法形成空气腔, 利用空气的近似零阻抗形成全反射。
, 均未对仿真设计的过程进行描述。故本文详
图1 空腔型FBAR 结构示意图
细分析了仿真过程, 并探讨了其过程中可能面临的问题。
将单个的FBAR 谐振器连接或耦合, 就能构成
收稿日期:2010 07 13
作者简介:李彦睿(1986 ) , 男, 四川成都人, 硕士生, 主要从事压电薄膜材料与器件的研究。
348压 电 与 声 光2011年
滤波器。常见的滤波器结构有梯型、网型、层叠型和耦合型[5]。
图2为梯型和网型FBAR 滤波器结构示意图。梯型滤波器(见图2(a) ) 最为常用, 其包含并联谐振器和串联谐振器, 前者的的并联谐振频率和后者的串联谐振频率近似相等, 原理如图3所示。图中, Z 为谐振器阻抗。由图3可知, 梯形滤波器滚降快, 矩形系数好, 但带外抑制是设计中要注意的主要问题。网型滤波器(见图2(b) ) 有与梯形滤波器类似的工作原理, 但具有对称性结构, 双端口输入、输出平衡, 有良好的带外抑制,
缺点是滚降较差。
合型滤波器与之类似, 仅进一步在两个谐振器夹层
中加入了声学介质层以对带宽等系数进行调整。这种类型的滤波器集成度较高, 但设计难度相对较大, 应用范围不及梯型滤波器广泛。
2 FBAR 滤波器的仿真
FBAR 常用的仿真模型有Mason 模型和M B VD 模型[2]。MBVD 模型利用等效的器件模拟FBAR 的特性, 其将FBAR 模块简化, 减少了模型仿真计算的复杂性, 在电学系统, 如滤波器等的仿真中, 多采用MBVD 模型, 如图4所示。
图4 FBA R 仿真模型等效电路图
由于材料本身的限制, FBAR 器件带宽范围有限。这是因为改变电极材料、外接电感等方法[6]只能增加器件机电耦合系数(k 2eff ) , 无法增加材料机电耦合系数(k 2t ) , 超越带宽限制; 而调整串并联谐振频率重合度则会在增大带宽的同时带来插损的快速增大。所以, 采用FBAR 方案前需考察其可行性。
实际情况中, 全球定位系统(GPS) 因其0. 13%的相对带宽尤其适合使用FBAR 进行设计[7]。在此以GPS 滤波器的设计为例, 对FBAR 滤波器的设计进行分析。滤波器理论参数为:频带1530~1590M H z, 带外抑制50dB 以上, 插损小于3dB 。
根据滤波器中心频率要求, 计算得到串、并联谐振器中心频率应分别为1. 586GH z 和1. 548GH z, 以此计算出相应的M BVD 模型参数, 开始进行仿真。特别是如非滤波器频率较高等必要情况, 尽量不要采用过于薄的压电层, 如表1所示。由表可见, 随着压电层的减薄, 要使谐振器频率保持在近似范围内, 串、并联谐振器上电极厚度差值将不断减小。
表1 不同压电震荡堆厚度FBAR 电极厚度
组别1
压电层厚度/ m 2. 01. 5并联FBA R 顶电极厚度/nm
160280串联F BA R
中心频率/
顶电极
GH z
厚度/nm
1302601. 5071. 510
, 2
第3期李彦睿等:薄膜体声波滤波器结构和设计349
第3组中差值达到了5nm, 而磁控溅射AlN 薄膜的表面粗糙度约为5nm , 这将导致器件性能将难以控制。
2阶梯型滤波器仿真如图5(a) 所示, 滤波器通带为1. 540~1. 590GH z, 插损小于3dB, 带外抑制5dB 。增加滤波器阶数后的3、5、7阶滤波器分别如图5(b) ~(d) 所示, 带外抑制增加, 分别为15dB 、26dB 、39dB, 增量等于添加单个谐振器所带来增量之和, 带内损耗也略有增加, 7阶滤波器的插损约5dB 。提高滤波器阶数的缺点是增添FBAR 单元后, 实际滤波器面积也会增加, 影响RFIC 的集成
度。
3 结束语
由仿真可知, 梯形滤波器适用于窄带、高矩形系数、带外抑制要求不高的滤波器方案。在设计中, 添加FBAR 谐振器单元, 可有效改善滤波器带外抑制, 达到指标要求; 而更改串、并联谐振器面积比, 可在控制滤波器面积的基础上, 对器件性能进一步优化。本文综合利用两种方法, 对滤波器进行系统设计, 完善了当前研究在滤波器设计流程分析方面的不足。最终设计完成的GPS 滤波器频带为1530~1590M H z, 带外抑制50dB 以上, 插损小于3dB, 符合当下主流性能参数要求。参考文献:
[1]
L AK IN K M . A review of the thin film resonator technolog y[J]. I EEE M icr ow ave M ag , 2003, 4:333 336. [2]
L A RSO NIII J D, BR ADL EY P D, W A RT EN BERG S, et al. M odified butterw o rth van dy ke circuit for F BA R r eso nat ors and auto mated measur ement system [C]//Sanjuan, Puerto Rico:IEEE U ltr aso nic Sympo sium, 2000:863 868. [3]
DU BO IS M A , CA RPEN T IER J F, V IN CEN T P, et al. M onolithic above IC resonator techno log y for inte g rated architectures in mo bile and wireless co mmunica tion[J].IEEE Jo ur nal of Solid State Circuits, 2006, 41(1) :7 16. [4]
LA K IN K M , KL IN E G R , K ET CH M A N R S, et al. T hin film r esonators based lo w insertio n loss filt er s [C]//Colonial Williamsburg , U SA:IEEE U lt rasonics Symposium, 1986:371 376.
图5 不同阶数和面积比的滤波器仿真波形
[5][6]
金浩. 薄膜体声波谐振器(F BA R ) 技术的若干研究[D]. 浙江:浙江大学, 2006.
LA K IN K M , BEL SICK J, M CDO N A LD J F, et al. Impr oved bulk w ave resonato r co upling coefficient for wide bandwidth filter s [C]//Geor gia, Altant a, U SA:IEEE U ltrasonics Symposium, 2001, 1:827 831.
为抑制面积过量增大, 可改变FBAR 静态电容比, 增加带外抑制。调整串、并联谐振器面积比为1 3, 仿真得到结果如图5(e) 所示, 带外抑制为
56dB, 带内插损为5dB, 矩形系数略有减少。在此基础上, 再分别调整每个谐振器的面积, 继续进行优化, 得到结果如图5(f) 所示, 插损减小到3dB, 最终达到了设计要求。
通过仿真可完成滤波器参数的初步设计。此外, 实际设计中还需尽量去除不良因素如工艺影响、横波抑制、寄生效应等问题带来的影响, 使滤波器成品能与仿真理论设计值吻合。
[8]
[7]
[8]
H A N DT M A N N M , M ARK ST EIN ER S, KA N T IL L A J, et al. Bulk acoustic wav e filters for gps w ith ex tr eme sto pband attenuatio n[C]//Fo rt Wo rth, T ex as, U SA:I EEE M T T S Internatio nal M icro wav e Sy mpo sium D igest, 2004, 1:371 374.
吴碧艳. 电极形状对FBAR 横模特性的影响[J]. 传感技术学, 2006, 19(5) :1924 1929.