薄膜體聲波諧振器的研究與仿真

陳鵬光，王 瑞，馬 琨，陳劍鳴

(昆明理工大學 理學院，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展，頻率選擇控制成為射頻前端的關鍵問題[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，是實現(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)設計、材料的選擇、建模及仿真實驗進行研究，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進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行選頻，實現(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。本文以應用最為廣泛的空腔型結(jié)構(gòu)FBAR進行研究，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的設計及建模

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器件建立相應的電學模型。常見的一維電學模型有BVD模型和MBVD模型。然而，F(xiàn)BAR在實際制備過程時，不僅需要考慮機械損耗，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的機械損耗，因此，仿真得到的S參數(shù)準確度不夠。為了更精確地描述FBAR的電學性能，發(fā)展出了一種改進的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分別為機械相關的動態(tài)電容和動態(tài)電感；Rm為FBAR的機械損耗。其中，

(3)

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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)進行仿真，探究壓電層厚度與諧振頻率之間的關系。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，符合本文設計要求，諧振頻率在5G通信選頻范圍。因此，采用壓電層厚為2.3 μm進行后續(xù)仿真實驗研究。

2.3 FBAR的性能指標

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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，稱為阻抗相位微分法[14],即

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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 實驗

3.1 FBAR的實驗仿真

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)的復合，ADS能夠便捷地設計和調(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[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)值并進行封裝，對MBVD等效電路的實驗仿真。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”仿真儀對所設計的FBAR進行S參數(shù)仿真，設置仿真頻率為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)侥康亩耍@個值越大，傳輸?shù)男示驮礁?，一般建議S21>-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)進行處理，可得到雙端口FBAR器件的Z與其S參數(shù)的關系：

(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濾波器的實驗仿真

在FBAR濾波器的設計中，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]。通過對比實驗發(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)值進行實驗仿真，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)進行實驗仿真。

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技術是貫穿MEMS技術、通信學、材料學、信號處理和COMS工藝等多學科的研究領域，F(xiàn)BAR濾波器的性能指數(shù)遠超過傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器和聲表面波濾波器。本文實驗仿真出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通信頻段以及當下主流濾波器的性能參數(shù)要求。在實驗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。