CN101865955B - 一种测量薄膜体声波谐振器本征q值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量薄膜体声波谐振器本征Q值的方法，包括以下步骤：(1)基于PMBVD模型将由薄膜体声波谐振器及其寄生电路构成的整体电路拆分成三个级联的二端口网络；(2)读取若干工作频率下整体电路的S参数并转换成对应的T参数，利用公式T₂＝TT₁ ^-1T₃ ^-1计算得到相应工作频率下第二二端口网络的S参数S，确定S中S₁₁和S₁₂所有工作频率下的最小值以及相对应的工作频率w_S和w_P；(3)利用式(1)求得本征Q值；与现有其他方法相比，本发明的薄膜体声波谐振器本征Q值测量方法能将FBAR制造过程所引入的寄生参数的影响消除，得到精确的FBAR本征Q值以及准确的本征谐振频率。

Description

一种测量薄膜体声波谐振器本征Q值的方法

技术领域

本发明涉及射频谐振器技术领域，尤其涉及一种测量薄膜体声波谐振器本征Q值的方法。

背景技术

在无线通信领域，高通信频率、高传输速率、高密集复用和高集成化成为未来的发展趋势，这就对无线收发机的射频、滤波器的滤波特性提出了更高要求。高Q值、可集成化滤波器的谐振器技术正处于蓬勃发展中。薄膜体声波谐振器(FBAR)由于其高工作频率、高Q值、低温度系数、高功率承载能力、可集成及小体积的特点，在无线通信领域得到了广泛的应用。

随着集成电路制造技术的进步，FBAR的性能有了大幅度的提高，Q值越来越高，滤波特性越来越好。但是由于电路制造过程中存在的寄生效应(比如PAD和互联线引进的寄生参数)，FBAR的Q值将显著降低，同时FBAR的谐振频率也出现一定程度的偏移。这些效应对于FBAR的设计过程产生了比较大的影响，制造出来的器件会与原有设计性能有较大的偏差。

目前，FBAR的Q值测定主要使用的是S参数测试方法。但是这些方法所得到的结果没有排除寄生参数的影响，使得其与本征Q值存在偏差。

发明内容

本发明提供了一种测量薄膜体声波谐振器本征Q值的方法，解决了现有方法测得的Q值与本征Q值存在较大偏差的问题。

一种测量薄膜体声波谐振器本征Q值的方法，包括以下步骤：

(1)基于Packaging Modified Butterworth-Van Dyke(PMBVD)模型将由薄膜体声波谐振器及其寄生电路构成的整体电路拆分成三个级联的二端口网络；二端口网络；

其中第一二端口网络为输入寄生电路的模型、第二二端口网络为FBAR本身的模型，第三二端口网络为输出寄生电路的模型。

(2)读取若干个工作频率下整体电路的S参数并转换成对应的T参数，利用公式T₂＝TT₁ ^-1T₃ ^-1计算得到相应工作频率下第二二端口网络的T参数，转换成S参数S，

S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为S矩阵中的四个数值，确定所有工作频率下S₁₁和S₁₂的最小值以及相对应的工作频率w_S和w_P；T₁表示第一二端口网络的T参数，T₂表示第二二端口网络的T参数，T₃表示第三二端口网络的T参数，T表示整体电路的T参数；

当工作频率小于本征串联谐振频率，工作频率增大，S₁₁随之减小，而当工作频率大于本征串联谐振频率，工作频率增大，S₁₁随之增大。当工作频率小于本征并联谐振频率，工作频率增大，S₂₁随之减小，而当工作频率大于本征并联谐振频率，工作频率增大，S₂₁随之增大。通过计算一系列工作频率下第二二端口网络的S参数S中S₁₁值和S₁₂值，可以拟合得到它们两者与工作频率之间的关系曲线，从而确定它们在所有工作频率下的最小值。

通过制造厂商的说明文件，可以得到第一二端口网络和第三二端口网络的寄生参数值，通过寄生参数值可以计算得到它们两者的T参数。

通过射频探针台及网络分析仪可以测量得到整体电路的S参数，转换得到它的T参数。

为了减少取值次数，可以事先测得整体电路中的FBAR的串联谐振频率和并联谐振频率，在工作频率取值时，选择串联谐振频率和并联谐振频率周围区间的频率值，该区间在±0.01～0.1GHz，取值幅度可以选择在0.001GHz，为了处理方便，可以选取最接近最低点的值，所测得的工作频率w_S和w_P即分别是本征串联谐振频率和并联谐振频率。

(3)利用式(1)求得本征Q值；

$Q_S=\frac{\left(\frac{w_S}{w_P}\right)}{1-{\left(\frac{w_S}{w_P}\right)}^2}\sqrt{\frac{(1-|S_{21\min }\left|\right)}{\left|S_{21\min }\right|}\frac{(1-|S_{11\min }\left|\right)}{\left|S_{11\min }\right|}}---\left(1\right)$

Q_S表示薄膜体声波谐振器的本征Q值，S_11min和S₂₁分别表示S₁₁和S₁₂₂的最小值。

与现有其他方法相比，本发明的薄膜体声波谐振器本征Q值测量方法能将FBAR制造过程所引入的寄生参数的影响消除，得到精确的FBAR本征Q值以及准确的本征谐振频率。

附图说明

图1是本发明FBAR的PMBVD模型示意图；

图2是级联构成FBAR的三个二端口网络示意图；

图3是不含寄生参数FBAR的仿真结果示意图；

图4是包含寄生参数FBAR的仿真结果示意图；

图5计算前(包含寄生参数)和计算后(计算消除寄生影响)S₁₁参数与工作频率关系图；

图6计算前(包含寄生参数)和计算后(计算消除寄生影响)S₂₁参数与工作频率关系图

具体实施方式

如图1和图2所示，薄膜体声波谐振器(FBAR)及其寄生电路基于PMBVD模型可拆分为三个二端口网络，分别为二端口网络201、二端口网络202、和二端口网络203。二端口网络201由寄生电感101、寄生电容102和寄生电阻103组成，二端口网络203由寄生电感104、寄生电容105和寄生电阻106组成，二端口网络202包括谐振工作区107。

薄膜体声波谐振器为由压电薄膜层和上、下极板构成的三明治结构，压电层和电极材料分别为ZnO和Al，压电层的面积为200um×200um，厚度为2um，铝电极的面积为100um×100um。本实施例寄生电感为1pH、寄生电容为160fF、寄生电阻为180Ω。

如图3所示，对单独的FBAR进行ADS仿真，得到本征串联谐振频率和本征并联谐振频率分别为1.462GHz和1.513GHz，S₁₁和S₂₁的最小值分别为0.005082和0.01029。代入公式(1)得到Q_s为2000。

如图4所示，对连接寄生电路的FBAR进行ADS仿真，得到它的串联谐振频率和并联谐振频率分别为1.467GHz和1.513GHz，S₁₁和S₂₁的最小值分别为0.01504和0.009864，代入公式(1)计算得到Q_s为1182，明显小于FBAR的本征Q值。

在串联谐振频率1.467GHz周边选取20个点，范围是1.457GHz～1.476GHz，间隔为1MHz，读取每个频率点整体电路的S参数并转化为T参数T，计算二端口网络201和二端口网络203的T参数T₁和T₃，根据公式T₂＝TT₁ ^-1T₃ ^-1计算每个频率点二端口网络202的T参数T₂，转化为S参数，得到S参数中S₁₁值，具体结果如图5所示。选取S₁₁最小值0.0068，同时得到该值处的频率1.462GHz，即本征串联谐振频率。

同理，在并联谐振频率1.513GHz周边选取20个点，范围是1.504GHz～1.523GHz，间隔为1MHz，读取每个频率点整体电路的S参数并转化为T参数T，计算二端口网络201和二端口网络203的T参数T₁和T₃，根据公式计算每个频率点端口网络202的T参数T₂，转化为S参数，得到S参数中S₂₁值，具体结果如图6所示。选取S₂₁最小值0.0098，同时得到该值处的频率1.513GHz，即本征并联谐振频率。上述是一种近似的处理方法，当然可以通过增加取点数，减小间隔获得更精确的数值。

如下表所示，列举了FBAR本征数值、带寄生影响FBAR的仿真数值以及本发明方法测量数值，可以看出本本发明方法能得到准确的本征谐振频率，同时得到较为精确的Q值。

	FBAR本征数值	带寄生影响FBAR仿真数值	本发明方法
				串联谐振频率/GHz	1.462	1.467	1.462
并联谐振频率/GHz	1.513	1.513	1.513
				S11最小值	0.005028	0.01504	0.0068
S21最小值	0.01029	0.009864	0.0098
				Q值	2000	1182	1770

Claims (2)

1.一种测量薄膜体声波谐振器本征Q值的方法，包括以下步骤：

(1)基于PMBVD模型将由薄膜体声波谐振器及其寄生电路构成的整体电路拆分成三个级联的二端口网络；

其中第一二端口网络为输入寄生电路的模型，第二二端口网络为FBAR本身的模型，第三二端口网络为输出寄生电路的模型；

(2)读取若干个工作频率下整体电路的S参数并转换成对应的T参数，利用公式T₂＝TT₁ ^-1T₃ ^-1计算得到相应工作频率下第二二端口网络的T参数，转换成S参数S， $S=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right],$ S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为S矩阵中的四介数值，确定所有工作频率下S₁₁和S₁₂的最小值以及相对应的工作频率w_S和w_P；T₁表示第一二端口网络的T参数，T₂表示第二二端口网络的T参数，T₃表示第三二端口网络的T参数，T表示整体电路的T参数；

(3)利用式(1)求得本征Q值；

$Q_S=\frac{\left(\frac{w_S}{w_P}\right)}{1-{\left(\frac{w_S}{w_P}\right)}^2}\sqrt{\frac{(1-|S_{21\min }\left|\right)}{\left|S_{21\min }\right|}\frac{(1-|S_{11\min }\left|\right)}{\left|S_{11\min }\right|}}---\left(1\right)$

Q_S表示薄膜体声波谐振器的本征Q值，S_11min和S_21min分别表示S₁₁和S₂₁的最小值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)工作频率的选取方法为：

测量整体电路的串联谐振频率和并联谐振频率，选取整体电路的串联谐振频率和并联谐振频率周围±0.01～0.1GHz区间内的频率作为工作频率，间隔1MHz。

Images