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FBAR滤波器的工作原理及制备方法详细过程

作者:ag真人游戏 发布于:2021-02-09 14:11 点击量:

  传统的无线通信系统常常用到介质滤波器和SAW(Surface Acoustic Wave,声表面波)滤波器。介质滤波器虽然有较好的性能,但体积大,不便于用到便携式设备中;SAW滤波器体积小,目前虽得到广泛运用,但仍存在工作频率不高、插入损耗较大、功率容量较低等缺点;而FBAR滤波器既综合了介质陶瓷性能优越和SAW体积较小的优势,又克服两者的缺点,其体积小、高Q值、工作频率高、功率容量大、损耗低,是替代SAW滤波器的下一代滤波器,也是被业界认为最有可能实现射频模块全集成化的滤波器。

  FBAR这一名称源于体声波(BAW,Bulk Acoustic Wave)。BAW的概念是20世纪60年代提出的,但直到1980年Lakin和Wang首次在Si芯片上制成基波频率435Mhz的薄膜谐振器,才引起人们的注意。1990年,Krishnaswamy和Rosenbaum等人首次将FBAR结构滤波器扩展到Ghz频段。

  随后,安捷伦公司(Agilent)经过长达10年的研究,终于成功在1999年研发出应用于美国PCS1900MHz频段的薄膜腔声谐振滤波器(size 5.8*11.8*1.8),同时正式提出FBAR的称谓。并在2001年将其大规模量产。随后美国的TFR公司、德国的英飞凌(Infineon)公司以及韩国的ANT公司也相继推出了自己的FBAR产品。2002年,AgilentFBAR销量即突破2000万。Agilent在FBAR市场上的成功,带动了FBAR技术的迅速发展。在2005年,安捷伦公司因战略调整,将半导体事业部正式更名为Avago,并于次年突破了2亿只的出货量,这对于Avago而言,无疑是个值得纪念的里程碑。

  安捷伦和Avago在FBAR滤波器市场上的巨大成功,迅速推动了FBAR技术的发展。之后的英飞凌、飞利浦、富士通Media Device公司和宇部兴产公司也相继推出自己的FBAR滤波器产品。德国市场调研机构Wicht Technologie Consulting(WTC)对未来几年FBAR的市场前景做出了非常乐观的估计。

  如图所示,当一直流电场加于材料的两端时,材料的形变会随着电场的大小来改变,而当此电场的方向相反时,材料的形变方向也随之改变。“当有一交流电场加入时,材料的形变方向会随着电场的正及负半周期作收缩或膨胀的交互变化”这种称之为逆压电效应。

  与SAW不同,这种振动发生于压电材料的体腔内,因此能承受更大的功率。这也是FBAR技术优于SAW的一个原因。

  这样的振动会激励出沿薄膜厚度方向(C轴)传播的体声波,此声波传至上下电极与空气交界面反射回来,进而在薄膜内部来回反射,形成震荡。当声波在压电薄膜中传播正好是半波长的奇数倍时形成驻波震荡。

  在某交变电压V(fs)作用下,其极化向量P与电场E同相位,声波在上下界形成串联谐振,此时体声波谐振器的电学阻抗呈最小值。

  有效机电耦合系数Keff2用来表示体声波谐振器串联谐振频率fs和并联谐振频率fp的相对频率,同时也表示薄膜体声波谐振滤波器的带宽,Keff2越大,则谐振器构成的滤波器的带宽也越大,Keff2主要由压电薄膜的材料参数决定。

  此种FBAR是基于MEMS的表面微加工技术(surface micromachining),在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气一金属交界面。此方法可以传统的硅艺兼容。

  此种FBAR是基于MEMS的体硅(Si)微加工技术(bulk micromachining),将Si片反面刻蚀。在压电震荡堆的下表面形成空气一金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。此技术的缺点是由于大面积移除Si衬底,导致机械牢度降低。

  此种FBAR是采用布拉格反射层技术限制声波于压电震荡堆之内。由一层四分之一波长厚度的高声学阻抗材料和一层四分之一波长厚度的低声学阻抗材料交替构成。层数越多则反射系数越大,制得的器件Q值也越高,但无论如何其反射效果终不如前两种结构的反射效果好,故基于布拉格反射层的FBAR其Q值不如前两者高。

  理想的空气隙型FBAR为三明治结构,即上电极/压电层/下电极,在硅表面和FBAR的下电极表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面。实际的空气隙型FBAR谐振器包括上电极/压电层/下电极/支撑层,在硅表面和支撑层下表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面,从而在FBAR基片上下界面形成空气反射层,在二个空气界面之间形成驻波,将声波能量限制在FBAR基片中。

  1. 在准备好的硅片上表面蚀刻一凹槽(空气隙),然后再沉积一层薄的SiO2缓冲层,用来保护硅衬底。

  (1)压电耦合系数Kt,决定了电能和机械能之间的转换比例,也决定了基于FBAR的射频滤波器的带宽

  近年来,随着压电薄膜材料制备手段的完善、半导体工艺技术的发展,FBAR相关技术也得到了快速发展。FBAR可以制成高性能滤波器、双工器、振荡器等多种射频集成微波器件和高灵敏传感器等。FBAR是目前唯一可以与RFIC以及MMIC集成的射频滤波器解决方案,且FBAR能以更低的价格提供更有益的性能,具有很强的市场竞争力。在下一代无线通信系统和无线接入领域,FBAR器件将会有更广阔的市场前景。

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