Высокочастотные микрофильтры

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Высокочастотные микрофильтры, 112.16kb.
• Задачи по теме Высокочастотные, 34.16kb.
• 1. общие положения, 728.02kb.
• Мощные высокочастотные транзисторы, 2370.77kb.
• Одним из важнейших направлений астрономии в течение последнего времени является обработка, 72.97kb.
• Аннотация проведенных научных исследований в 2011 г по Договору от 25 ноября 2010, 182.98kb.
• Е. А. Земская использует понятие ключевые слова единицы, которые обозначают явления, 89.78kb.
• Для сотовых сетей связи (мобильные телефоны, а также модемы, применяемые в сотовых, 307.64kb.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ МИКРОФИЛЬТРЫ

Часть 4


Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)


Максимальная резонансная частота механических фильтров и их микроаналогов, как уже обсуждалось в этой главе, ограничивает­ся их минимально возможными размерами. На сегодняшнем уровне развития технологий возможно изготовление механических фильт­ров с максимальной рабочей частотой до нескольких десятков МГц. Для увеличения рабочей частоты было предложено использовать не резонансные колебания, а акустические волны в упругих твер­дых телах. Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) являются в настоящее время практически единственными фильтра­ми, работающими в диапазонах очень высоких частот (ОВЧ) и уль­тра высоких частот (УВЧ). Такие фильтры имеют ряд общих свойств с фильтрами, работающими в ВЧ диапазоне, рассмотренными в этой главе, а также с СВЧ микрофильтрами, которые будут об­суждаться далее. Кроме того, распространение акустических волн, являющееся ключевым звеном в работе фильтров на ПАВ, подчиня­ется законам механики. Поэтому в главе, посвященной микромеха­ническим фильтрам, необходимо рассмотрение ПАВ фильтров.

Для изготовления таких фильтров требуются специальные пье­зоэлектрические подложки, что делает невозможной их интеграцию с другими схемами на одном кристалле. Однако при помощи ПАВ фильтров удается реализовать системы очень миниатюрных разме­ров. Более того, в последние годы была показана возможность рас­пространения пьезоэлектрических волн на некоторых срезах кри­сталлов полупроводников, что делает их пригодными для изготовле­ния фильтров на ПАВ, в результате чего открывается перспектива для интеграции таких фильтров с другими схемами и микросисте­мами.


Принцип действия фильтров на ПАВ


Изучение поверхностных акустических волн было начато Лордом Редеем еще в девятнадцатом веке, но до шестидесятых годов два­дцатого века никаких устройств на ПАВ создано не было.

На рис. 16 показана схема основной структуры фильтра, по­строенного на принципе поверхностных акустических волн. Фильтр состоит из двух металлических ВШП, сформированных на пьезо­электрической подложке. Поскольку эти ВШП являются идентич­ными и взаимозаменяемыми, каждый из них может использоваться либо как входной, либо как выходной преобразователь. Структу­ра кристалла является анизотропной, и поэтому ориентация пьезо­электрической подложки влияет на характеристики распростране­ния ПАВ волн между ВШП.




Рис. 16. Схема фильтра на ПАВ

В качестве подложек для ПАВ фильтров используются различ­ные пьезоэлектрические материалы. В таблице 1 представлены некоторые важные механические и электрические свойства ряда пьезоэлектриков. Выбор подложки осуществляется, исходя из совме­стимости с остальной частью схемы и используемых методов изго­товления. Также следует отметить, что свойства материала зависят от среза кристалла и направления распространения волны.


Таблица 1 – Свойства некоторых пьезоэлектрических материалов,
используемых в фильтрах на ПАВ



Когда к выводам входного ВШП приложено напряжение, между соседними парами зубцов этого преобразователя возникает элек­трическое поле. Эти поля взаимодействуют с материалом подложки и вызывают появление на ней изменяющихся во времени механи­ческих напряжений, которые распространяются как акустические сигналы. Ширина и расстояние между зубцами ВШП подбираются такими, чтобы акустические сигналы, генерируемые каждой парой электродов, складывались в направлении, перпендикулярном длине этих зубцов. ВШП, показанный на рис. 16, также как и некото­рые другие аналогичные ему преобразователи, формируют акусти­ческие волны, распространяющиеся в двух противоположных на­правлениях, что приводит к потере половины энергии. Принимая во внимание то, что эти потери происходят на двух ВШП, можно предположить, что общие потери в такой конструкции фильтра бу­дут, как минимум, равны 6 дБ. На практике рассматриваемые ПАВ фильтры обладают еще большими потерями, что связано с низкой эффективностью электромеханического преобразования и потеря­ми при распространении волны по подложке. На обоих концах подложки формируются специальные поглотители ПАВ, ослабляющие акустические волны, что необходимо для уменьшения переотраже­ния сигналов, вызванных краевыми эффектами. Акустическая энер­гия, достигшая выходного ВШП, преобразуется в электрические сигналы на его выводах.

Так как скорость акустических волн в таких фильтрах намного меньше скорости электромагнитных волн (почти в пять раз), соот­ветственно и акустическая длина волны тоже будет меньше длины электромагнитной волны, что позволяет изготавливать более ми­ниатюрные устройства. Но поскольку рабочие частоты также уве­личиваются, для преодоления технологических проблем, связанных с ограничениями при уменьшении размеров устройств, предпочти­тельнее применять подложки, обеспечивающие, как можно более вы­сокие скорости распространения акустических сигналов. Скорость распространения акустических волн, зависящая от типа используе­мого пьезоэлектрического материала, также является одной из его характеристик.


Распространение волн в пьезоэлектрических подложках


Пьезоэлектрическая подложка является важным элементом фильт­ра, влияющим на его рабочие характеристики. Свойства некото­рых пьезоэлектрических подложек приведены в таблице 1. В пьезоматериалах приложенное механическое напряжение приводит к появлению диэлектрической поляризации, и, наоборот, приложенное электрическое поле приводит к механическому напряжению. Отсут­ствие центра симметрии внутри кристалла является характерным свойством пьезоэлектрических материалов. В случае симметричных кристаллов при воздействии механических сил меняются геометри­ческие размеры подложек. Тогда как в несимметричных пьезоэлек­трических кристаллах механические силы сдвигают центры поло­жительных и отрицательных зарядов, формируя при этом дипольный момент. Зависимость между дипольным моментом и механиче­ским напряжением выражается следующими уравнениями:

(124)

(125)

где σ – механическое напряжение, S – деформация, Е – напря­женность электрического поля, D – электрическое смещение, с – коэффициент упругости, е – пьезоэлектрический коэффициент и ε₀– диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Как видно из уравнений, в случае отсутствия пьезоэффекта они превра­щаются соответственно в закон Гука и основное соотношение для диэлектрических материалов.

Как было отмечено ранее, электрическое напряжение, приложен­ное к электродам ВШП. приводит к механическому напряжению, которое выражается в виде распространения акустических волн по поверхности подложки. Перемещение волны можно разложить на две составляющие: одну – параллельную направлению распростра­нения волны, другую – перпендикулярную поверхности. Эти две составляющие не совпадают ни по амплитуде, ни по фазе. Разность фаз между ними равна 90° во времени. Таким образом, результи­рующее перемещение волн является эллиптическим.

Эффективность пьезоэлектрического материала лучше всего оце­нивать по электромеханическому коэффициенту связи К². Теоре­тически этот коэффициент определяется в виде соотношения:

(126)

Однако, на практике этот параметр часто оценивается по экспе­риментальным данным, для чего используется следующая зависи­мость:

(127)

где Δυ – снижение скорости ПАВ из-за покрытия поверхности пье­зоэлектрической подложки тонкой электропроводной пленкой, а υ – исходная скорость ПАВ. Скорость распростране­ния ПАВ на поверхности зависит от плотности, коэффициента упру­гости и пьезоэлектрической константы подложки.

Поверхностные акустические волны в своей традиционной фор­ме называются волнами Релея. В последние годы были открыты не­сколько других видов волн на пьезоэлектрических подложках, кото­рые оказались пригодными для использования в фильтрах. Для их применения необходимо хорошо исследовать характеристики новых срезов кристаллов и изменить геометрию ВШП.

Среди новых форм волн – углубляющиеся поверхностные акусти­ческие волны, мелкие объемные волны и поверхностные попереч­ные волны. Движение таких волн схематично показано на рис. 17, для сравнения там же приведена схема перемещения обычных ПАВ. На основе углубляющихся ПАВ возможно построение фильтров, обладающих малыми потерями, а также антенн для современных бес­проводных приемопередатчиков (трансиверов)

.



а – поверхностные акустические волны; б – углубляющиеся ПАВ;
в – мелкие объемные волны; г – поверхностные поперечные волны

Рис. 17. Различные виды волн


Разработка встречно-штыревых преобразователей


Конструкция ВШП сильно влияет на частотные характеристики фильтров. В состав основной конфигурации фильтра, показанно­го на рис. 16, входят два ВШП. Самый простой ВШП состоит из множества металлизированных электродов в форме зубцов, соеди­ненных двумя полосками общих шин.

Полярность двух соседних электродов всегда противоположна. Приложенное напряжение приводит к возникновению в смежных па­рах зубцов ВШП противоположно направленных механических на­пряжений, которые формируют пики и провалы в траектории ПАВ. Длина волны ПАВ на подложке определяется выражением:

(128)

Механические напряжения в каждой последовательной паре зубцов алгебраически складываются по фазе, если расстояние между ними равно:

(129)

Также возможно конструктивное сложение сигналов высших гармоник.

Ширина каждого зубца ВШП обычно выбирается равной поло­вине периода волны. Длина зубцов определяет ширину акустиче­ского излучения, что не важно для предварительного проектиро­вания. Число пар зубцов выбирается в соответствии с требуемой шириной полосы пропускания фильтра. При разработке фильтров часто применяется метод конечной импульсной реакции, подобный тому, что используется при проектировании цифровых фильтров. Импульсная реакция ВШП имеет вид прямоугольника. Преобразо­вание Фурье для прямоугольника является синусоидальной функци­ей, ширина полосы которой в частотной области пропорциональна длине прямоугольного окна в пространственной области. Из этого можно сделать вывод, что для получения узкой полосы частот ВШП должен иметь большое количество зубцов.

Передаточная функция фильтра может быть записана в виде:

(130)

где H₁ и Н₂ – передаточные функции входного и выходного ВШП, d – расстояние между зубцами, а β – константа распространения волны на подложке.

На частотах, близких к резонансной частоте f₀, выражение для передаточной функции ВШП принимает следующий вид:

(131)

где N – количество зубцов ВШП, N_p = N/2 для четных N и N_p = (N – 1)/2 для нечетных N.

Были разработаны несколько ва­риантов ВШП с улучшенным подавлением вне полосы пропускания фильтра. В одном из таких ВШП менялась зона перекрытия зубцов. Вклад каждого зубца в импульсную реакцию фильтра пропорцио­нален его длине. Этот факт позволяет провести аналогию с цифро­выми фильтрами с конечной импульсной характеристикой. Однако, в отличии от цифровых фильтров, фильтры на ПАВ работают в реальном времени (без учета конечной задержки на рас­пространение волны).

Такой подход годится только для предварительной оценки ВШП. Для реального проектирования фильтров требуется более сложное моделирование и анализ, требующие учета таких факторов, как:

– электромагнитные перекрестные помехи между ВШП,

– все виды объемных волн, образуемых на поверхности,

– внутренние отражения внутри преобразователей,

– влияние массы, топографии и проводимости металлизации.

– дифракцию, ослабление и дисперсию при распространении волны, внешний импеданс, как от источника, так и о нагрузки.

– паразитный импеданс металлизации.

– отражения между преобразователями и утроения импульсных помех.

Появились сообщения о том, что некоторые модификации про­стых ВШП позволили значительно уменьшить вносимые потери, что улучшило рабочие характеристики ПАВ фильтров, построенных на их основе. Такие модифицированные ПАВ фильтры нашли свое при­менение в ряде современных устройств связи.

На рис.18 представлен коль­цевой ПАВ фильтр, имеющий уровень вносимых потерь менее 1 дБ. Этот фильтр использует отражательные многополосковые элементы, сформированные на разных срезах кристалла ниобата лития.



Рис. 18. Кольцевой ПАВ фильтр


Однофазные однонаправленные преобразователи


На рис. 19 показана схема простого фильтра, построенного на основе однофазного однонаправленного преобразователя (ОФОНП). Внутри преобразователя встроены акустические рефлек­торы, которые обеспечивают сложение поверхностных волн в одном направлении и предотвращают их распространение в обратном на­правлении. Поэтому такие преобразователи называются однонапра­вленными. По сравнению с двунаправленными ВШП такие преобра­зователи уменьшают потери мощности при распространении сигнала.



Рис. 19. Фильтр на основе однофазного однонаправленного преобразователя


Было разработано несколько типов конструкций однофазных од­нонаправленных преобразователей. Наличие в них отражательных полосок приводит к сдвигу центров возбуждения по отношению к центрам отражения. Можно спроектировать та­кой преобразователь, в котором отражение и регенерация взаимно уничтожаются, причем это можно реализовать в широкой полосе частот. При помощи соответствующего конструирования отража­тельных электродов возможно устранение эффекта утроения им­пульсных помех.

Обладая низкими вносимыми потерями, фильтры на основе од­нофазных однонаправленных преобразователей не требуют приня­тия специальных мер для согласования с внешними цепями. Одна­ко соответствующие согласующие элементы помогают уменьшить полосу пропускания фильтра и пульсацию, вызванную групповыми за­держками, не оказывая никакого влияния на величину вносимых потерь.

Нанесение дополнительных слоев металлизации в форме решет­ки позволяет улучшить характеристики всего фильтра (рис. 20). Такая модификация влияет на форму резонансной кривой, тем самым изменяя частотные характеристики фильтра, что позволяет сни­жать его вносимые потери и геометрические размеры.





Рис. 20. Конфигурация фильтров с улучшенными характеристиками

Устройства на ПАВ: возможности, ограничения и применение


Фильтры на ПАВ широко применяются в некоторых видах элект­ронных устройств. Достоинствами таких фильтров являются их проч­ность, надежность, линейность фазовых характеристик, небольшое значение коэффициента формы частотных характеристик и тем­пературная стабильность. Для массового производства таких уст­ройств подходят технологии изготовления полупроводников, обеспечивающие воспроизводимость изделии и снижение их стоимости. Ограничения по минимальной и максимальной частоте ПАВ фильт­ров также связаны с технологическими аспектами: на высоких час­тотах длина волны, а, соответственно, и размеры элементов ста­новятся очень маленькими, поэтому их сложно изготавливать, а на низких частотах при большой длине волны — габариты устройств становятся столь велики, что перестают устраивать разработчиков. Обычно на практике такие устройства используются в частотном диапазоне 10 МГц... 3 ГГц.

Для получения требуемых рабочих характеристик устройств на ПАВ необходимо уделять повышенное внимание их конструкции. Поскольку акустические волны в таких устройствах распростра­няются как поверхностные волны, любые изменения на поверхно­сти подложки влияют на их форму. Используя это свойство, можно проектировать разные резонансные датчики, например, химические датчики и акселерометры. Устройства на ПАВ также нашли свое применение в генераторах, импульсных компрессорах, конвольве-рах, коррелометрах, мультиплексорах и демультиплексорах. Короче говоря, ПАВ устройства стали незаменимы в телевизионной техни­ке, цифровом радиовещании, мобильных телефонах, спутниках, мо­демах, радарах, устройствах дистанционного управления, датчиках и кодировщиках.


Фильтры на объемных акустических волнах


ПАВ фильтры обычно имеют ограничения по верхней частоте рабо­чего диапазона. Их уровень вносимых потерь часто превышает тре­буемые значения. Альтернативой ПАВ фильтрам являются устрой­ства на объемных акустических волнах, работающие на более высо­ких частотах.

Подобно ПАВ фильтрам, рассмотренным в предыдущем разде­ле, принцип действия таких устройств также заключен в прохожде­нии волн через пьезоэлектрический материал. Только в данном слу­чае применяются тонкие пленки из таких материалов, как титанат цирконат свинца (PZT) и ZnO. Преимущество тонкопленочной тех­нологии заключается в возможности использования прецизионных методов контроля за толщиной слоя при современных способах на­несения пленок, таких как ВЧ напыление.

На рис. 21 показан тонкопленочный резонатор, использующий объемные акустические волны. В нем толщина слоя из PZT равна 0.9 мкм. Это устройство имеет размеры 0.69 х 0.55 мм2, ширину полосы 47МГц на частоте 1.5ГГц. Оба электрода резона­тора изготовлены свободными для того, чтобы иметь возможность вибрировать, помогая резонансу всей системы. Эти электроды так­же выполняют роль отражателей, не позволяющим акустическим волнам выходить за границы устройства. Нижний электрод стано­вится свободным после удаления из-под него материала подложки, поэтому такую конструкцию называют структурой, опирающейся на мембрану. В жестко смонтированных устройствах для изоляции отражателя от подложки применяются несколько слоев материала толщиной, равной четверти длины волны. Схема­тично эти конфигурации показаны на рис. 22.

Для улучшения рабочих характеристик фильтров отдельные ре­зонаторы подключаются по схеме лестничного типа, показанной на рис. 23. Такие схемы могут включаться каскадно. обра­зуя П- и Т-цепи. Максимальное значение S₂₁ получается тогда, ко­гда последовательный резонанс кристалла Х_а совпадает с параллельным резонансом кристалла Х_b. Пьезоэлектрический коэффици­ент связи оказывает влияние на ширину полосы пропускания филь­тра. Толщина пьезоэлектрических слоев может быть использована для управления значением коэффи­циента связи. Тонкие пленки из ZnO обладают более высоким коэф­фициентом связи и поэтому используются для построения фильтров с улучшенными рабочими характеристиками. Филь­тры лестничного типа используются в различных устройствах для работы в диапазоне частот от 300 МГц до 12 ГГц.



Рис. 21. Вид сверху на фильтр, использующий тонкопленочный резонатор
на объемных акустических волнах


Микрофильтры для частотного диапазона миллиметровых волн


Принципы построения фильтров, рассмотренные в предыдущих раз­делах, мало подходят для построения фильтров для частотного диа­пазона миллиметровых волн. Однако для их проектирования могут использоваться методы, применяемые для изготовления микроси­стем.

При построении фильтров для СВЧ диапазона используются ком­поненты с распределенными параметрами. Поскольку при увеличении частоты размеры компонентов уменьшаются, тре­буется повышать технологическую точность их изготовления. Ма­териалы, используемые для подложек, также вносят дополнитель­ные потери. Мембранные микрополосковые линии и другие компоненты, изготовленные методами микротехнологии, помогают суще­ственно улучшить качество изготавливаемых микроустройств.

На рис. 24 показан полосовой фильтр для W-диапазона (94.7 ГГц), применяемый в линиях связи. Линия связи выполнена по схеме линии передач, опирающейся на мембрану. Рассматриваемый фильтр в полосе пропускания обладает вносимы­ми потерями на уровне 3.6 дБ. Основной составляющей вносимых потерь здесь являются потери в проводнике. Ширина полосы дан­ного фильтра составляет 6.1% (рис. 25)

Аналогичный подход применим и для построения полосовых фильт­ров с низкими потерями для частот 37 и 60 ГГц. Такие фильтры изготавливаются на кремниевых подложках с вы­соким удельным сопротивлением. Сначала на подложку наносится мембранный слой из SiO₂–SiN₄–SiО₂, компенсирующий нагрузки, на котором электролитическим способом формируется рисунок схе­мы из золота. Для уменьшения диэлектрических потерь из-под мем­браны полностью вытравливается кремний. Далее на разных под­ложках методами травления с последующей металлизацией золотом формируются верхняя и нижняя полости. После чего все три под­ложки складываются вместе и склеиваются при помощи эпоксидной смолы с серебром (рис.26). На рис. 27 показаны схемы компонов­ки этих фильтров.




Рис. 22. а – структура, описывающая мембрану, б – жесткая структура




Рис. 23. Конфигурация фильтра лестничного типа




Рис. 24. Фотография фильтра для W-диапазона




Рис. 25. Частотная характеристика полосового микрофильтра, показанного на рис. 24




Рис. 26. Поперечное сечение структуры фильтра


В конструкции фильтра на 37 ГГц входная и выходная линии объ­единены емкостной связью, а стержневые секции – магнитной свя­зью для получения двух минимумов коэффициента передачи. Такая конфигурация используется для получения характеристик фильтров с резким спадом.

На рис. 5.276 показан четырехполюсный фильтр на 60 ГГц. Сек­ции линий передач, нумеруемые на схеме от 1 до 4, являются секциями, равными половине длины волны рабочей частоты. В этой струк­туре, также как и в предыдущей, стержневые секции объединены магнитной связью, а остальные – емкостной. Такой фильтр облада­ет эллиптической частотной характеристикой и малыми вносимыми потерями.




а) на 37 ГГц; б) на 60 ГГц

Рис. 27. Схема компоновки фильтров


Контрольные вопросы

1. Схема фильтра на ПАВ. Принцип действия.
   
2. Распространение волн в пьезоэлектрических подложках. Зависимость между дипольным моментом и механиче­ским напряжением.
   
3. Виды ПАВ. Электромеханический коэффициент связи К².
   
4. Встречно-штыревой преобразователь. Математическая модель.
   
5. Кольцевой ПАВ фильтр. Передаточная функция.
   
6. Факторы, влияющие на процесс проектирования фильтров. Структура фильтра на основе однофазного однонаправленного преобразователя.
   
7. Факторы, влияющие на процесс проектирования фильтров. Конфигурация фильтров с улучшенными характеристиками.
   
8. Фильтры на объемных акустических волнах.
   
9. Микрофильтры для частотного диапазона миллиметровых волн.