Лекция 20.
advertisement
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 1 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. 2 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: cS eE (124) D 0 E eS (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: e2 2 K (126) c Однако, на практике этот параметр часто оценивается по экспериментальным данным, для чего используется следующая зависимость: 2v K2 (127) v 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) 3 . 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: v (128) f Механические напряжения в каждой последовательной паре зубцов алгебраически складываются по фазе, если расстояние между ними равно: d (129) 2 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: H f H1 f H 2 f e j d f (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: 1 N p f f 0 N p f f 0 H1 f N sin (131) f0 f0 4 где N – количество зубцов ВШП, Np = N/2 для четных N и Np = (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. 5 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 6 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 Ха совпадает с параллельным резонансом кристалла Хb. Пьезоэлектрический коэффициент связи оказывает влияние на ширину полосы 7 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. 8 Рис. 22. а – структура, описывающая мембрану, б – жесткая структура Рис. 23. Конфигурация фильтра лестничного типа 9 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. 10 а) на 37 ГГц; б) на 60 ГГц Рис. 27. Схема компоновки фильтров 11 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. 12