Орлов А. Т. Національний технічний університет України «КПІ» Проспект Перемоги, буд.37, Київ – 03056, Україна Тел.: +38 (044) 4951812; e-mail: gener@trirema.kiev.ua

Анотація – Розглянуто сучасні тонкоплівкові п’єзоелектричні резонатори об’ємних акустичних хвиль, пасивні і активні фільтри на їх основі, сумісні з технологією інтегральних мікросхем.

I. Вступ

П’єзоелектричні резонатори широко використовуються в сучасній апаратурі зв’язку для створення фільтрів і генераторів. Освоєння діапазону частот 0,8 … 2,0 ГГц для мобільного зв’язку і більш високих для широкосмугового доступу зажадало створення нових мініатюрних пристроїв частотної селекції для заміни існуючих фільтрів на коаксіальних діелектричних резонаторах (КДР) і поверхневих акустичних хвилях (ПАР), відрізняються більш високою вибірковістю при малих втратах і габаритах. Технологія ПАР фільтрів досить проста і має високу повторюваність, однак з підвищенням частоти зростають вимоги до роздільної здібності фотолітографії і обробці поверхні п’єзоелектрика. Високовибірково ПАР фільтри звичайно характеризуються високими втратами. Пристрої на об’ємних акустичних хвилях (ОАВ) мають ряд переваг: більш високою добротністю, меншим впливом зовнішніх полів, кращою здатністю до “захоплення” акустичної енергії. Переваги годину-тотно-виборчих пристроїв на ОАВ широко використовуються на більш низьких частотах при створенні монолітних і дискретних фільтрів на кристалічних резонаторах з кварцу, танталата літію, Ланге-сита і п’єзокераміки. Однак підвищення робочих частот вище декількох сотень МГц для таких приладів пов’язане з неприпустимим з точки зору міцності зменшенням їх товщини. У той же час сучасні досягнення в нанесенні п’єзоелектричних плівок і мікромашин обробки кремнію (MEMS-технологій) привели до створення і швидко збільшується виробництва тонкоплівкових п’єзоелектричних резонаторів ОАВ (FBAR або TFBAR

– thin-film bulk-wave acoustic resonators). Працює таких пристроїв зі стандартною напівпровідникової технологією ІС робить їх перспективними для створення радіочастотних систем в одній інтегральної мікросхеми (SoC – System on Chip).

II. Основна частина

В даний час використовуються три основні конструкції FBAR-резонаторів. У перших двох використовуються коливання вільно підвішеного резонатора. При цьому для створення резонаторів першого типу використовується об’ємне стоп-травлення з нижньої сторони підкладки (Мал. 1, а), що призводить до зменшення механічної міцності і великої площі резонатора. У другому випадку (Рис. 1, Ь) напилення електродів і п’єзоелектричної плівки проводять на ділянки підтримує матеріалу з подальшим його поверхневим травленням через отвори по краях резонатора. Така технологія використовується компанією Agilent Technologies з 2001

р. в масовому (кілька млн. в місяць) виробництві Дуплексери мобільних терміналів CDMA [1]. У третьому варіанті резонатор напилюється на відображатиме акустичні хвилі Брегговскую грати, що складається з декількох чергуються чвертьхвильові шарів з високим і низьким акустичними імпедансу. Виробництво фільтрів на таких резонаторах, що використовує лише операції напилення і фотолітографії освоєно, зокрема, компанією TFR Technologies [2].

Рис. 1. Конструкції тонкоплівкових резонаторів з нижнім травленням (а), з поверхневим травленням (Ь), з відбивають шарами (с) і сходова схема фільтра (d).

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

Частота FBAR-резонаторів визначається товщиною пьезопленкі і електродів. Підстроювання частоти в межах до 2% здійснюється напиленням додаткової маси поверх резонатора. На основі FBAR отримують фільтри в діапазоні частот 0,5 … 10 ГГц з відносною шириною смуги пропускання до 3 … 4% працюють на потужностях не більше 1Вт. Як матеріал пьезопленкі найчастіше використовують високоорієнтивані полікристалічні нітрид алюмінію AIN і оксид цинку ZnO. Вони мають такі параметри: швидкість ОАВ 11, 3×105 см / сек і 6,08 x105 см / сек, k2t– Квадрат коефіцієнта електромеханічного зв’язку 6% і 8,5%, температурний коефіцієнт частоти (ткч) мінус 25 ррт / ° С і мінус 60 ррт / ° С відповідно. Плівки цирконату-титанату свинцю (ЦТС) мають більший k2t, Що важливо для збільшення максимально досяжної смуги пропускання, але мала добротність і високий ткч роблять їх малоперспективними для застосування у фільтрах. Добротність QM плівки AIN досягає 2000 одиниць, але додаткові шари (електроди, що підтримують і настроювальні) зменшують як QM, Так і до \ Для побудови фільтрів на FBAR використовують в основному сходові схеми (Рис. 1, d). Для збільшення смуги пропускання використовують розширювальні напилені або MEMS-індуктивності. Бруківку еквівалентну схему заміщення мають фільтри на основі FBAR з розділеним верхнім електродом.

Використання активних елементів і схем у фільтрах на основі FBAR дозволяє зняти ряд обмежень, пов’язаних з властивостями пьезоматеріалов і конструкцією резонатора [3]. Додаткові можливості при створення активних фільтрів можуть бути отримані для багатоелектродних резонаторів з кількома п’єзоелектричними шарами [4]. На Рис. 2 наведено результати аналізу схеми активного мостового фільтра на основі 3-х FBAR з використанням моделі BVD. Смуга пропускання такого фільтра за рівнем-ЗдБ склала 400 МГц або близько 20%, що недосяжно для пасивних фільтрів на FBAR.

Рис. 2. Частотна характеристика загасання і вхідний імпеданс трехрезонаторного активного фільтра на тонкоплівкових п’єзоелектричних резонаторах.

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

I. Висновок

Фільтри на тонкоплівкових п’єзоелектричних резонаторах мають незаперечні переваги в порівнянні з аналогами в діапазоні частот 0,5 … 10 ГГц. Розширення їх можливостей досягається в активних схемах. Особливо привабливою є можливість їх виготовлення на єдиній напівпровідникової підкладці і інтеграція з іншими схемами в одній ИС.

II. Список літератури

[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. І., Клочко С. Ф. Смуговий фільтр, 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»