微型FBAR器件性能優(yōu)化設計

周曉偉,吳秀山,孫 堅,徐紅偉

(1. 中國計量大學 機電工程學院,浙江 杭州 310018;2. 浙江水利水電學院 電氣工程學院,浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著現代通信技術邁入5G甚至6G時代,其網絡傳輸速率和數據承載能力獲得極大提升,但由于開放的通訊頻段增多,工作頻率較高,導致移動通訊終端對射頻濾波器數量和性能的需求增加[1]。目前每部移動通信終端的射頻濾波器數量已超過60個。隨著技術的不斷發(fā)展,射頻濾波器的數量將超過100個,這對移動通訊終端內部空間的利用提出了新的挑戰(zhàn)[2]。薄膜體聲波諧振器(FBAR)構成的濾波器具有高工作頻率、微型化、集成化和低功耗等優(yōu)點,且其制備工藝與COMS工藝相兼容,因此,FBAR成為5G通訊系統(tǒng)的核心元件[3]。為了應對移動通訊終端內部緊張的空間以及射頻前端元器件數量需求日趨增長的矛盾,FBAR器件必須小型化,同時在串聯(lián)諧振頻率(fs)和并聯(lián)諧振頻率(fp)處要求FBAR器件具有更高的品質因數(Q),以實現濾波器的高選擇性和低插損。

除膜層厚度影響外,FBAR的性能主要還受諧振面積的影響。歐姆損耗導致品質因數Qs在fs處降低,而橫向聲波泄露導致品質因數Qp在fp處降低。減小FBAR器件尺寸,歐姆損耗降低,有助于提升Qs,但會降低Qp,影響濾波器的帶內性能[4]。因此,在進行FBAR微型化研究與設計時,提高器件的Qp是重要指標之一。

常用的FBAR研究與設計方法主要是基于MBVD和Mason等一維模型,但一維模型僅考慮了聲波的縱向傳播,未考慮橫向聲波對器件的影響,而三維有限元模型可全面表征FBAR的電學特性,為FBAR器件的研究和設計提供了更準確的參考[5]。

本文首先基于Comsol Multiphysics仿真環(huán)境建立了FBAR器件有限元模型,研究其在諧振面積為3 600～10 000 μm2條件下,不同電極形狀、電極變跡角度及邊緣階梯負載對FBAR諧振特性的影響。通過優(yōu)化設計確保在不降低Q值的條件下,進一步實現FBAR的微型化,這為器件的優(yōu)化設計提供了參考方案。

1 FBAR的仿真建模

1.1 FBAR有限元模型

圖1為FBAR器件模型示意圖。各個膜層選用的材料和物理參數如表1所示,材料屬性如表2所示。

表1 FBAR器件模型參數

表2 FBAR器件材料屬性參數

圖1 FBAR器件模型示意圖

仿真實驗中選用壓電物理場模塊,采用自由四面體網格劃分方法,網格精度選擇為“常規(guī)”。在FBAR模型兩側邊緣10 μm處設置完美匹配層(PML),以模擬實際器件中聲波遠距離傳輸過程中的衰減情況。機械阻尼設置為0.001,阻尼類型為各向同性損耗因子,介電損耗因子為0.01[6]。靜電場的力學邊界條件為頂電極施加電壓1 V,底電極接地[7]。

1.2 FBAR性能指標

1.2.1 有效機電耦合系數

(1)

1.2.2 品質因數

品質因數用于表征壓電器件存儲的能量與1個周期中損失能量的比率,是諧振器損耗的衡量指標之一[9],即:

(2)

式中:dφ/dω為群延時;mag(S11)為參數S11的幅值。Q值越高,諧振器能量損耗越低,則濾波器截止特性越好。

1.2.3 不圓度值

為了量化FBAR器件頻率響應時的寄生波紋,將史密斯阻抗圓圖上各點(u,v)擬合成一個圓,進行不圓度(NC)分析,得到NC值。在史密斯圓圖中確定一個中心點(uc,vc),計算曲線上各點(u,v)到中心點(uc,vc)的距離r的均方差和均值,二者的比值即為不圓度(NC)值[10]:

(3)

2 諧振面積對FBAR諧振特性的影響

為了研究在不同諧振面積下,FBAR電極形狀對寄生諧振的影響,首先建立了FBAR三維有限元模型,FBAR各膜層參數和材料見表1。諧振面積分別設置為3 600 μm2、4 900 μm2、6 400 μm2、8 100 μm2和10 000 μm2,電極形狀設置為矩形、圓形、不規(guī)則四邊形和正五邊形。仿真得到史密斯阻抗曲線和NC值如圖2、3所示。

圖2 不同電極形狀史密斯阻抗示意圖

圖3 不同電極形狀及諧振面積NC值

由圖2、3可知,從電極形狀上看,矩形受寄生諧振模態(tài)的影響最顯著,其他電極形狀的寄生強度均有不同程度地降低,而正五邊形寄生諧振的強度最小。與矩形相比,由于正五邊形任意兩邊不平行,橫向聲波經過多次反射,傳輸路徑增加,從而削弱了寄生諧振。而隨著諧振面積的減小,史密斯阻抗曲線出現了更強的寄生諧振,NC值隨之增加,說明面積的減少使聲波傳輸路徑變短,增強了橫向雜散模式。當諧振面積減少到3 600 μm2,電極形狀為矩形時,性能惡化最嚴重,NC值為8.91%;電極形狀為五邊形時,性能惡化程度最低,NC值為7.32%,這與諧振面積為8 100 μm2,電極形狀為矩形時的NC值(7.28%)相當。

3 不同變跡角對FBAR器件諧振特性的影響

橫向聲波傳播至電極邊界時會發(fā)生多次反射,最終返回至邊界的某一點。若增加聲波傳輸路徑中相同反射點的數量,則寄生諧振的強度也隨之增加。設計不規(guī)則電極形狀能更大程度地改善寄生諧振帶來的性能惡化。因此,建立FBAR器件有限元模型,以正五邊形的一個內角定義為變跡角α,研究α對FBAR寄生諧振的影響,如圖4所示。FBAR各膜層參數和材料見表1,設置諧振面積為3 600 μm2,α分別為30°、36°、40°和45°,仿真得到阻抗特性曲線、史密斯阻抗示意圖和NC值如圖5所示。

圖4 五邊形變跡角示意圖

圖5 不同變跡角的仿真結果圖

由圖5(a)可知,FBAR器件的fs、fp分別為3.47 GHz和3.54 GHz,α的改變對FBAR的諧振頻率影響可忽略,且與正五邊形(α=36°)相比,阻抗特性曲線更平滑。由圖5(b)、(c)可知,α改變時,FBAR寄生諧振的強度出現明顯衰減,寄生諧振的數量增加。當α=40°時NC值最低(為6.45%),比正五邊形(α=36°)的NC值降低了10.18%。這說明由于改變了電極形狀的對稱性,橫向聲波在傳播過程中增加了反射路徑,相同反射點的數量減少,降低了駐波形成的幾率,從而使阻抗曲線更平滑。

4 階梯負載結構對FBAR器件諧振特性的影響

圖6 FBAR一階負載結構示意圖

圖7 t不同時,對w參數化掃描仿真結果

表3 各類FBAR電極結構性能

圖8 FBAR二階負載結構示意圖

如圖9所示,隨著FBAR電極橫向尺寸的減小,Qs和fs始終趨于穩(wěn)定,而Qp和fp呈周期性波動,Qp有下降趨勢。其原因主要是當尺寸減小時,橫向聲波的泄露成為主要的損耗機制,造成Qp總體降低。但是不同的電極橫向尺寸對波長的抑制能力不同,當電極橫向尺寸接近半波長的整數倍時,聲波發(fā)生全反射,此時器件能量損耗較少。隨著電極橫向尺寸的變化,橫向反射的能量損失出現周期性變化,進而導致Qp和fp發(fā)生周期性波動。如圖9(a)所示,二階電極負載結構的Qp整體比無負載結構高,當電極橫向尺寸為60 μm時,二階電極負載結構Qp為1 378,高于無電極負載結構10.07%,也高于無負載電極結構橫向尺寸100 μm時的Qp值(為1 339)。仿真結果表明,二階電極負載結構能有效抑制橫向聲波泄露,提高FBAR器件的Q值。

圖9 不同橫向尺寸下電極結構對Q值及諧振頻率的影響

5 結束語

諧振面積是影響FBAR器件性能的一個重要因素,本文基于Comsol Multiphysics軟件建立了FBAR有限元模型,討論了諧振面積在3 600～10 000 μm2條件下,不同電極形狀(矩形、圓形、不規(guī)則四邊形和正五邊形)、變跡角α(30°、36°、40°和45°)和電極負載結構對FBAR器件諧振特性的影響。研究表明,諧振面積越小,FBAR寄生諧振強度越大。當諧振面積為3 600 μm2時,優(yōu)化電極形狀為非正五邊形,α=40°能有效削弱寄生諧振強度,其NC值低于諧振面積10 000 μm2時矩形電極NC值。不同的諧振面積下,與無負載電極結構相比,二階電極負載結構均可提升FBAR的Q值。結果表明,雖然諧振面積減少了64%,但FBAR的Qp和NC值仍未降低,這說明在不降低性能的條件下可使FBAR器件微型化。