FBAR设计及设计检验方法技术

技术编号:21141355 阅读:30 留言:0更新日期:2019-05-18 05:14
本发明专利技术公开了一种FBAR设计及设计检验方法。把应用需求转化为技术要求的输入,从关键指标开始,通过理论基础,建立仿真模型,进行优化,再而制备初样。从理论到设计,再到生产,而对生产制品逆推设计参数,使得可以和制备前设计比较,建立起设计和产品之间相互推演的关系,即实现设计和设计检验。本发明专利技术是对FBAR应用在滤波器和功分器上的设计,提供一套系统的,行之有效的方法,使得能够对FBAR进行设计,并在设计实现过程中去解决存在的一些问题,结合考虑工艺以能够制备实现,这样包括设计检验部分,能够对设计和制备之间可循环流程,以进一步改进。

【技术实现步骤摘要】
FBAR设计及设计检验方法
本专利技术涉及射频技术和MENS
,具体涉及FBAR的设计制造和FBAR滤波器的制造方法。
技术介绍
为满足更多通信功能和更好的通信体验,现代通信技术需要满足更高的效率和集成化的要求。由FBAR级联构造的滤波器,具有高Q值,低插损,矩形系数好,方向选择性好,具有很好的零深,带外抑制好等等性能上的优势,而且,体积小,与COMS工艺兼容,可以做集成。另外的,工作频率可以做到高频,因此,由FBAR级联构造的滤波器,能够很好的满足现代通信技术的这些要求。FBAR(filmbulkacousticresonator,薄膜腔声谐振)是具有压电效应材料和能够形成(逆)压电效应结构的所构造的元器件。使用硅底板、借助MEMS技术以及薄膜技术而制造出来的。FBAR的工作原理是,在电极-压电材料-电极组成的“三明治”结构构成的核心部分中,通过在电极施加电压,压电材料产生形变,而当施加的是交变电压时,此时结构会产生逆压电效应。这个过程中,电能转化成机械能,通过声波在结构中传播,而在引起振动的同时,振动也会产生电信号,即通过压电效应,把机械能转化成电能,信号输出来。压电效应和逆压电效应同时存在,相互作用,并在相互作用的过程能够产生谐振,从而把信号选择出来。FBAR技术的出现,凭借其高性能,小型化,可集成化,具有广泛的应用前景。当今通信频率分配已经变得愈发的拥挤,频谱之间的空隙变得更小,甚至是紧邻着,而FBAR构造的滤波器,能够很好的解决频谱拥挤问题。FBAR在射频通信领域已被确认可广泛使用,市场对产品的需求很大,而与此同时,在传感器等其他领域也具有很广的应用前景。然而,目前国内对FBAR技术研究及使用还不成熟,FBAR涉及的层面较多,包括设计和制造工艺方面都在技术上都有许多难点。对FBAR的设计,需要一套系统的,行之有效的方法,去解决设计上存在的一些问题,结合考虑工艺以能够制备实现,并能够对设计和制备之间可循环的,以进一步改进。而现有技术并没有提供有效的方法去实现。
技术实现思路
针对现有技术中在FBAR设计上存在的问题,本专利技术实施例提供一种FBAR设计及设计检验方法,是对FBAR应用在滤波器和功分器上的设计,提供一套系统的,行之有效的方法,使得能够对FBAR进行设计,并去解决设计上在实现过程中出现的一些问题,结合考虑工艺以能够制备实现。本专利技术提供的一种FBAR设计及设计检验方法,包括以下步骤:(1)根据FBAR滤波器工作频率要求,所述FBAR滤波器的级联构造原理,确定FBAR谐振频率fs和fp;(2)根据FBAR的谐振频率,确定该FBAR压电材料理论机电耦合系数选取机电耦合系数不小于该理论值的压电材料作为FBAR压电层材料;(3)根据理想压电层谐振条件,获得理想压电层厚度2Ha;(4)根据工艺条件及各层厚度比例对性能的影响,确定FBAR实际压电层厚度2ha;(5)通过理想压电层厚度与实际确定压电厚度差值获得FBAR其他振荡层等效压电层厚度,根据工艺和比例关系对性能的影响,把等效压电层厚度转化为至少包括上下电极的其他振荡层材料厚度;(6)在仿真软件中构造FBAR的Mason模型,调整厚度以满足工作频率要求,进而级联构造滤波器,进行仿真优化,满足性能要求,获得FBAR各层厚度和面积;(7)通过FEM多维仿真,对结构和性能确认和优化,最终确定FBAR结构和尺寸数据,结合工艺,绘制版图,制备掩膜板;(8)根据工艺,流片制备FBAR,及FBAR应用滤波器,对FBAR测试提取MBVD参数,对滤波器指标测试;(9)根据所提取的MBVD参数,在仿真软件中构造MBVD模型FBAR及滤波器仿真,进行设计检验,或进一步优化;(10)通过MBVD参数数据推导出Mason模型所需参数,代入Mason模型FBAR和滤波器中仿真,比对设计数据,进行设计检验,或进一步优化。本专利技术公实施提供的FBAR设计及设计检验方法,把应用需求转化为技术要求的输入,从关键指标开始,通过理论基础,建立仿真模型,进行优化,再而制备初样。从理论到设计,再到生产,而对生产制品逆推设计参数,使得可以和制备前设计比较,建立起设计和产品之间相互推演的关系,即实现设计和设计检验。本专利技术提供的FBAR设计和设计检验方法,从原理和理论上就能开始设计,降低了FBAR的设计门槛,同时使得设计和制造紧密关联,很好的为理论和实践找到衔接,使得对FBAR和滤波器的分析和制备可以从多个切入点都能够行之有效。优选地,确定FBAR的谐振频率,具体为:对于级联构造的FBAR滤波器,初始设计首要关注工作频率要求。FBAR滤波器的工作频率与FBAR谐振频率是紧密相关的,根据最基本FBAR级联实现滤波功能的原理可知,根据FBAR滤波器的工作频率,由FBAR滤波器的工作频段,最大两倍于FBAR的谐振频率之差(需要说明的是,因考虑到实际工艺中,同一晶圆片上一般是均匀同等的压电层,机电耦合系数保持一致,而最大两倍于FBAR的谐振频率之差,是在不以牺牲带外或其他性能而换取带宽的情况。另外,差值取正),确定FBAR的谐振频率之差;对于FBAR滤波器,最简单的级联结构是一个串联的FBAR和一个并联的FBAR。对于串联FBAR,并联谐振频率fp为FBAR滤波器通带最高频,串联谐振频率fs为FBAR滤波器通带中频;对于并联FBAR,并联谐振频率fp为FBAR滤波器通带中频,串联谐振频率fs为FBAR滤波器通带最低频,从而确定FBAR并联谐振频率fp和串联谐振频率fs。优选地,根据以下公式计算压电材料的理论机电耦合系数:为理论机电耦合系数,选取机电耦合系数不小于该理论值的压电材料作为FBAR压电层材料。若是对带外抑制或矩形系数没有那么严格的要求,可选取小于而适当的接近于理论机电耦合系数的压电层材料,这个可以在后续通过调整厚度和面积,或者增加电感等元件的方式,来进行弥补。根据所确定的FBAR谐振器的谐振频率,代入公式(1)中,可以初步确定压电材料的机电耦合系数。不过这时根据上式所计算出来的机电耦合系数,作为参考,应该被认为是理想的,称为理论机电耦合系数,因为谐振频率的确定,其实已经把矩形系数设定为1了。实际设计出来的FBAR滤波器矩形系数很难做到1,只能接近于1,所以可以选择稍大的机电耦合系数的材料,或者,选定材料所制备达到压电层的机电耦合系数大于计算所得。初次仿真设计中,设定的机电耦合系数数据应不小于该计算所得的数据。优选地,根据理想压电谐振条件,获得理想压电层厚度,具体为:理想压电谐振条件公式满足:根据所述理想压电谐振条件公式,计算得到理想压电层厚度:其中,θ是相偏移角,k是波数,Ha为理想压电层厚度一半,va为设计压电材料纵波声速。理想压电层,指的是,对于基本的电极层-压电层-电极层构成的压电核心结构,声波从电极层与压电层接触一面经过电极层到达另一表面而全部反射,而又把电极层设定为无限薄,即存在电极层,方便分析,先假定电极层厚度无限薄,因此根据公式算出来的厚度就全是压电层的厚度。这是第一步,可以对频率和厚度建立起联系有个概念,随后将对厚度进行分配。但电极层厚度忽略不计,这样声波传输路径全被限制在压电层内。各层材料厚度可以看成是从理想压电材料厚度分配出去的,同样材料的压电层,可以从这个厚度直本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种FBAR设计及设计检验方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)根据FBAR滤波器工作频率要求,所述FBAR滤波器的级联构造原理,确定FBAR谐振频率;(2)根据FBAR的谐振频率,确定所述FBAR的压电材料理论机电耦合系数

【技术特征摘要】
1.一种FBAR设计及设计检验方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)根据FBAR滤波器工作频率要求,所述FBAR滤波器的级联构造原理,确定FBAR谐振频率;(2)根据FBAR的谐振频率,确定所述FBAR的压电材料理论机电耦合系数选取机电耦合系数不小于所述理论机电耦合系数的压电材料作为FBAR压电层材料;(3)根据理想压电层谐振条件,获得理想压电层厚度;(4)根据工艺条件及FBAR振荡薄膜各层厚度比例对性能的关系,确定FBAR实际压电层厚度;(5)通过理想压电层厚度与实际压电厚度差值获得FBAR振荡薄膜中其他振荡层等效压电层厚度,根据工艺条件和比例关系对性能的关系,把等效压电层厚度转化为其他振荡层材料厚度,所述其他振荡层至少包括上电极层和下电极层;(6)在仿真软件中构造FBAR的Mason模型,调整厚度以满足工作频率要求,进而级联构造滤波器,进行仿真优化,满足性能要求,获得FBAR各层厚度和面积;(7)通过FEM多维仿真,对结构和性能确认和优化,最终确定FBAR结构和尺寸数据,结合工艺,绘制版图,制备掩膜板;(8)根据工艺,流片制备FBAR,及FBAR应用滤波器,对FBAR测试提取MBVD参数,对滤波器指标测试;(9)根据所提取的MBVD参数,在仿真软件中构造MBVD模型FBAR及滤波器仿真,进行设计检验,或进一步优化;(10)通过MBVD参数数据推导出Mason模型所需参数,代入Mason模型FBAR和滤波器中仿真,比对设计数据,进行设计检验,或进一步优化。2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,确定FBAR的谐振频率,具体为:根据所述FBAR滤波器的工作频率,由FBAR滤波器的工作频段,最大两倍于FBAR的谐振频率之差,确定FBAR的谐振频率之差;对于串联FBAR,并联谐振频率fp为FBAR滤波器通带最高频,串联谐振频率fs为FBAR滤波器通带中频;对于并联FBAR,并联谐振频率fp为FBAR滤波器通带中频,串联谐振频率fs为FBAR滤波器通带最低频,从而确定FBAR并联谐振频率fp和串联谐振频率fs。3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,根据以下公式计算压电材料的理论机电耦合系数:为理论机电耦合系数,选取机电耦合系数不小于所述理论机电耦合系数的压电材料作为FBAR压电层材料。4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,根据理想压电谐振条件,获得理想压电层厚度,具体为:理想压电谐振条件公式满足:根据所述理想压电谐振条件公式,计算得到理想压电层厚度:其中,θ是相偏移角,k是波数,Ha为理想压电层厚度一半,va为设计压电材料纵波声速。5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述等效压电层厚度为理想压电层厚度减去初始压电层厚度;通过等效压电层厚度,结合各层选用的材料,根据工艺和比例关系对性能的影响,获取除压电层外其他各层材料厚度,具体为:通过公式或把等效压电层厚度转化成除压电层外其他各层的厚度;其中,2hn(n=1,2,3……)其他各层材料的厚度,vn(n=1,2,3……)为代表其他各层材料的纵波声速,存在以下关系:2Ha=2ha+2h1+2h2+......+2hn(6)2ha为初始压电层厚度,所述等效压电层厚度至少包括上下电极材料厚度的转化。6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在FBAR仿真软件中,构造FBAR的Mason模型并进行仿真,具体为:在ADS软件中,根据FBAR电学阻抗模型构造FBAR的Mason模型等效电路表达式;所述FBAR电学阻抗模型表达式为:其中,ω是角速度,C0是静态电容,zt是压电层的压电薄膜与上电极层交界面向上看的归一化声学阻抗,zb是压电层的压电薄膜与下电极层交界面向下看的归一化声学阻抗,进行数学变换,等效成:其中,Zt为压电层的压电薄膜上表面的输入阻抗,Zp为压电层...

【专利技术属性】
技术研发人员:李国强
申请(专利权)人:河源市众拓光电科技有限公司
类型:发明
国别省市:广东,44

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1