S波段窄带带通体声波滤波器设计

针对无人机测控应用设计了一种S波段窄带带通体声波(BAW)滤波器,其技术指标为:中心频率2.46 GHz,带宽41 MHz,带内插损大于-3 dB,带内纹波小于1 dB,带外抑制小于-40 dB@2.385 GHz和2.506 GHz。采用Mason模型设计了BAW滤波器中各薄膜体声波谐振器(FBAR)的叠层结构;使用变迹法设计了各FBAR(电极)的形状;采用一种自行开发的自动布局方法得到紧凑的BAW滤波器布局;建立了BAW滤波器的声-电磁协同仿真模型,通过这种高保真的多物理场仿真方法对设计结果进行了性能验证。该设计流程是通用的,并且有两个特点:采用声-电磁协同仿真方法对设计阶段的BAW滤波器进行最终性能检验,可以及早发现并拒绝1D Mason模型过于乐观的设计;滤波器布局设计中采用了一种新的自动化布局方法,大大简化了在此阶段的反复尝试工作,也为声-电磁协同仿真模型输出了必需的面内结构信息。     

Wi-Fi频段体声波滤波器的设计

为了保证移动设备在Wi-Fi频段正常工作且不受相邻频段的干扰,设计了一种用于Wi-Fi IEEE802.11b频段(2402~2482 MHz)的BAW滤波器。设计基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的一维Mason等效电路模型构成初始结构的梯形滤波器。然后,将串联FBAR的谐振区面积值以及串、并联FBAR的谐振区面积的比值设置为优化参数,以所需的滤波器的带内插损和带外抑制为优化目标,使用ADS软件基于遗传和梯度的优化算法对滤波器进行优化。在滤波器的设计过程中,为了使仿真结果更加精确,采用声电磁协同仿真方法对滤波器进行仿真,并与Mason 等效电路模型仿真结果对比,结果表明,滤波器性能有所下降,带内插损增大1.6 dB,带内纹波增大1.1 dB,带外抑制基本一致。所设计的Wi-Fi频段的BAW滤波器具有低插入损耗(小于3 dB)、高带外抑制(大于40 dB)性能。     

体声波双工器中滤波器的参数化设计方法

Tx与Rx滤波器,作为体声波(BAW)双工器的关键部件,其中各薄膜体声波谐振器(FBAR)单元的谐振区面积会影响滤波器的插入损耗和带外抑制这两个重要指标。由于这两个指标是相互制约的,在设计时往往需要折衷考虑,这使得各FBAR单元的谐振区面积设计成为BAW双工器设计的难点之一。为了解决这一问题,提出了一种Tx与Rx滤波器的参数化设计方法。在ADS软件中以FBAR的Mason模型为基础构建了梯形拓扑结构的滤波器电路模型。设置其中各串联FBAR的谐振区面积值以及串并联FBAR的谐振区面积比值为两类优化参数。以给定的滤波器插入损耗与带外抑制为优化目标,使用ADS软件中基于梯度的优化算法得到各参数的优化值。根据优化结果可以简单地计算得到滤波器中各FBAR单元的谐振区面积。以一个工作在LTE band 7的BAW双工器为设计案例展示了该方法的应用流程。设计结果的仿真验证表明:Tx滤波器的插损小于2dB、在Rx滤波器通带内的抑制大于40dB;Rx滤波器的插损小于1.9dB、在Tx滤波器通带内的抑制大于40dB;满足BAW双工器中Tx与Rx滤波器的性能指标。由此验证了该方法的可行性和易用性。     

体声波梯形滤波器的布局设计方法

为保证滤波器性能,缩小滤波器体积,提高晶圆上的芯片数量,提出一种体声波(BAW)梯形滤波器布局的设计方法。该方法包括11条设计准则和设计流程。11条设计准则限制体声波谐振器(BAWR)的形状、位置,BAWR之间的距离,BAWR与焊盘的距离和互连线。设计流程有7个步骤:(1)根据每个BAWR的有效面积,预设每个BAWR的形状;(2)根据BAW梯形滤波器电路结构,排列BAWR;(3)“压缩”布局;(4)对BAWR切趾、微调和旋转;(5)对BAWR和焊盘布线;(6)检测滤波器布局是否符合设计准则;(7)使用声-电磁联合仿真,验证滤波器布局结果。以10个BAWR串并联而成的5阶BAW梯形滤波器为案例,展示了该方法的设计准则和设计流程。优化后的滤波器布局面积利用率达到了44%。对比未优化的滤波器布局,利用该方法优化后的滤波器布局提高了BAW滤波器的带内插损和带外抑制。     

体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

新型掺碳二氧化硅-薄膜体声波谐振器结构及其仿真验证

一定厚度的低声阻抗支撑层可以在薄膜体声波谐振器(FBAR)与衬底之间形成声学隔离层,防止声波泄漏到衬底当中。掺碳二氧化硅(CDO)是一种低声阻抗材料,对FBAR具有较好的温度补偿效果,可以作为FBAR与衬底之间的声学隔离层,从而构成一种新型的CDO-FBAR。为了分析CDO-FBAR与通孔型FBAR相比性能是否退化,以及CDO声学隔离层所需厚度,采用多物理场耦合仿真软件分析了CDO-FBAR和通孔型FBAR的谐振频率、Q值、有效机电耦合系数和S参数,并提取了CDO-FBAR纵向振动位移。分析结果表明:CDO-FBAR的谐振频率整体向下漂移;CDO声学隔离层导致S参数的寄生干扰;由于声学损耗增加,Q值略有降低,其中并联谐振点处的Q值降幅更大;有效机电耦合系数略有降低;声波传播到声学隔离层中9 m处就完全衰减,即只需要9 m厚的CDO声学隔离层就能在FBAR与衬底之间形成有效的声学隔离。由此,仿真验证了这种新颖的CDO-FBAR结构的可行性。     

具有二氧化硅温度补偿层的薄膜体声波谐振器的建模与分析（英）

薄膜体声波谐振器(FBAR)的谐振频率会受到外界环境温度的影响而产生漂移,对于FBAR滤波器而言,这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化,降低其在电学应用中的可靠性。应用ANSYS有限元分析软件,对一个典型Mo-AlN-Mo三层结构的FBAR进行了温度-频率漂移特性的仿真,得到其在［－50 ℃, 150 ℃］温度范围内的频率温度系数(TCF)约为－3510－6/℃。在FBAR叠层薄膜结构中添加了一层具有正温度系数的二氧化硅温度补偿层,分析了该补偿层厚度对FBAR的温度-频率漂移特性、谐振频率和机电耦合特性的影响。设计了具有一层二氧化硅温度补偿层的FBAR叠层,由Mo/AlN/SiO2/Mo多层薄膜构成,仿真得到其频率温度系数为0.87210－6/℃;与没有温度补偿层的FBAR相比,温度稳定性得以显著改善。关键词: Abstract: Key words:     

基于AlN声表面波滤波传感器器件的有限元仿真

声表面波器件是一种利用压电材料的压电效应与逆压电效应工作电子器件, 文章首先详细描述了声表面波器件的设计与仿真过程,运用有限元分析的方法分别计算了利用声表面波的 SAW 器件与利用体波的 BAW 器件的性能与各项参数,对相关的器件进行了计算分析,分别用上述方法研究了基于 AlN 薄膜的声表面波器件和悬臂梁结构的体波器件,推导得出了器件的电学导纳与频率之间的关系, 通过分析器件的导纳-频率曲线,推导出器件内部声波的模式以及合适的工作频率,最终得出在 IDT 周期为 8 微米的情况下,SAW 器件的理想工作频率是 0.7-1.95GHz,BAW 器件的理想工作频率在 0.6-3.2GHz 的结果。     

渔网电磁超介质左手通带的超常透射及其电场增强效应的数值研究

本文利用电磁场数值模拟方法研究了分布矩形孔阵列的"金属-电介质-金属"三明治渔网电磁超介质在其左手通带发生的超常透射现象和不同模式激发下的电场增强效应。结果证实左手通带紧邻的超常光学传输峰源于波导共振模式,利用超常传输效应可以有效降低电磁超介质的损耗,提高左手性能;波导共振模和左手通带对应的反对称磁模能够分别在孔洞和金属夹层区域激发超过11倍的增强电场,因此渔网电磁超介质结构在表面增强光谱和传感等方面也具有潜在应用价值。     

薄膜体声波谐振器性能模型参数的提取方法北大核心CSCD

薄膜体声波谐振器(FBAR)性能模型包含两个关系式:一个是FBAR有效机电耦合系数与其形状因子(面积与周长之比)的关系式,另一个是FBAR品质因数与其形状因子的关系式。前一个关系式中的参数为FBAR边缘区域的等效宽度,后一个关系式中的参数为表征FBAR横向声能泄漏的因子。为使性能模型用于不同膜层结构、材料及制备工艺的FBAR,建立FBAR性能模型参数的提取流程。以一种5层复合结构的FBAR为例,在同一晶片上,制备多个不同形状因子的FBAR。针对其中一个五边形FBAR,在ADS软件中通过Mason电路模型仿真得到其性能值(有效机电耦合系数和品质因数);再使用矢量网络分析仪和射频探针台实测其性能值。将仿真与实测得到的性能值代入FBAR性能模型,解算出这两个参数。确定参数之后,使用FBAR性能模型预测同一晶片上其它不同性能因子FBAR的有效机电耦合系数和品质因数,预测值的相对误差在3%之内,验证了该参数提取流程的有效性。     

Tunable Ba_0.5 Sr_0.5 TiO₃ film bulk acoustic resonators using SiO₂ /Mo Bragg reflectors

Tunable and switchable Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 film bulk acoustic resonators(FBARs) based on SiO 2 /Mo Bragg reflectors are explored,which can withstand high temperature for the deposition of Ba x Sr 1 x TiO 3(BST) films at 800 C.The dc bias-dependent resonance may be attributed to the piezoelectricity of the BST film induced by an electrostrictive effect.The series resonant frequency is strongly dc bias-dependent and shifts downwards with dc bias increasing,while the parallel resonant frequency is only weakly dc bias-dependent and slightly shifts upwards at low dc bias(< 45 V) while downwards at higher dc bias.The calculated relative tunability of shifts at series resonance frequency is around 2.3% and the electromechanical coupling coefficient is up to approximately 8.09% at 60-V dc bias,which can be comparable to AlN FBARs.This suggests that a high-quality tunable BST FBAR device can be achieved through the use of molybdenum(Mo) as the high acoustic impedance layer in a Bragg reflector,which not only provides excellent acoustic isolation from the substrate,but also improves the crystallinity of BST films withstanding higher deposition temperature.     

A thin-film bulk acoustic resonator and filter with optimal edge shapes for mass production

The manufacturing conditions of a thin-film bulk acoustic resonator (FBAR) filter were investigated to obtain a high Q factor which is stable for mass production. The FBAR consist of patterned electrodes and piezoelectric films. In this study, the influence of edge shape of the films on the anti-resonance characteristics was investigated using a numerical method. Optimized shape was applied to a 2.5-GHz band resonator and filter. As a result, significant improvement of the Q factor and the insertion loss was confirmed.     

薄膜体声波谐振器的伽马辐照敏感机理分析

实验证明薄膜体声波谐振器(FBAR)用于检测伽马辐照是可行的,但未对敏感机理进行深入研究。针对这一问题,根据两种不同的FBAR结构,提出了不同机理来解释FBAR在伽马辐照下谐振频率偏移的原因。其中结构一FBAR为四层叠层结构（金属层-压电层-氧化层-金属层）,伽马辐照之后,会在辐照敏感层(氧化层)形成一个电压,相当于给压电层施加了一个直流电压,从而使谐振频率发生偏移;结构二与结构一不同的是,结构二FBAR在氧化层和压电层之间有一半导体层,辐照之后在氧化层中形成的电压改变了半导体的表面势,使半导体空间电荷层电容发生改变,从而改变谐振频率。通过仿真得到两种不同机理的结果,并与相关文献的测试结果对比,发现频率偏移的趋势和频率偏移量的数量级是相同的,因此提出来的两种机理是可行的。     

Tunable Ba0.5Sr0.5TiO3 film bulk acoustic resonators using SiO2/Mo Bragg reflectors

Tunable and switchable Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 film bulk acoustic resonators（FBARs） based on SiO 2 /Mo Bragg reflectors are explored,which can withstand high temperature for the deposition of Ba x Sr 1 x TiO 3（BST） films at 800 C.The dc bias-dependent resonance may be attributed to the piezoelectricity of the BST film induced by an electrostrictive effect.The series resonant frequency is strongly dc bias-dependent and shifts downwards with dc bias increasing,while the parallel resonant frequency is only weakly dc bias-dependent and slightly shifts upwards at low dc bias（ 45 V） while downwards at higher dc bias.The calculated relative tunability of shifts at series resonance frequency is around 2.3% and the electromechanical coupling coefficient is up to approximately 8.09% at 60-V dc bias,which can be comparable to AlN FBARs.This suggests that a high-quality tunable BST FBAR device can be achieved through the use of molybdenum（Mo） as the high acoustic impedance layer in a Bragg reflector,which not only provides excellent acoustic isolation from the substrate,but also improves the crystallinity of BST films withstanding higher deposition temperature.