CN117879526A - 一种体声波谐振器的模型修正方法 - Google Patents

一种体声波谐振器的模型修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种体声波谐振器的模型修正方法,包括:先制备固定频率与掺钪比下的不同面积的体声波谐振器,测试性能,总结出面积与机电有效耦合系数的关系,或者面积周长比值与机电有效耦合系数的关系;然后选择大面积的体声波谐振器,使用MBVD/Mason模型对其进行仿真,得到仿真阻抗曲线;将每个体声波谐振器的仿真阻抗曲线与该谐振器实际测得的阻抗曲线进行拟合;对于剩余面积的体声波谐振器,在MBVD/Mason模型中加入修正电容并变化谐振器面积,使仿真阻抗曲线与它们的实测阻抗曲线尽可能接近,拟合出电容值与面积的关系式,或者,拟合出电容值与面积和周长比值的关系式。通过本发明的修正方法得到的谐振器所构建滤波器,能够对带内插损与带宽进行更好的优化。

Description

一种体声波谐振器的模型修正方法
技术领域
本发明涉及MEMS器件领域,具体涉及一种体声波谐振器的模型修正方法。
背景技术
体声波(BAW)滤波器是在5G及后续通讯频段中使用的主要的滤波器设备,而随着现有通信技术向着高频化与集成化发展,所需求的组成BAW滤波器的体声波谐振器的有效面积开始逐步减少,从2.4GHz频段的大于10000μm2到5GHz以上波段的小于2000μm2
而随着谐振器面积的减小,提升的是对BAW谐振器模型构建精准度的要求,目前常用的BAW器件的模型是Mason模型与MBVD模型,Mason从物理电气连接与材料参数出发完成对器件性能的预测仿真,而MBVD模型利用简化的电容电感电阻元件对测试数据进行拟合完成BAW器件的电路模型构建。但是面积的减小会导致器件性能的变化,尤其是有效机电耦合系数会发生超出目前模型仿真范围内的变化。在这两种模型中均假设机电耦合系数对于固定的压电薄膜不发生改变,但是在实际测试结果中其变化可能超过20%,这对与后续滤波器双工器的设计都会造成重要影响。
发明内容
为了克服传统MBVD模型与Mason模型无法模拟小面积下体声波谐振器机电有效耦合系数随面积的变小而变小的现象,本发明提出一种体声波谐振器的模型修正方法,该方法能够预测BAW器件小型化过程中效机电耦合系数的改变,提升了高频下体声波器件建模的准确性。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现:
一种体声波谐振器的模型修正方法,包括如下步骤:
步骤一:制备固定频率与掺钪比下的不同面积的体声波谐振器,测试性能,总结出面积与机电有效耦合系数的关系,或者面积周长比值与机电有效耦合系数的关系;所述机电有效耦合系数的计算公式为:
其中fs为串联谐振频率,fp为并联谐振频率;
步骤二:将所制备的体声波谐振器按照面积从小到大进行排序,对于排序靠后的大面积的体声波谐振器,使用MBVD/Mason模型对其进行仿真,得到仿真阻抗曲线;将每个体声波谐振器的仿真阻抗曲线与该谐振器实际测得的阻抗曲线进行拟合,对模型中面积之外的参数进行校准;对于剩余面积的体声波谐振器,在MBVD/Mason模型中加入修正电容并变化谐振器面积,使仿真阻抗曲线与它们的实测阻抗曲线尽可能接近,拟合出电容值与面积的关系式,或者,拟合出电容值与面积和周长比值的关系式。
进一步地,所述固定频率范围为0-10GHz,掺钪比为0-43%,谐振器的形状为各边均不平行的形状,谐振器面积变化范围从200μm2到40000μm2
进一步地,对于MVBD模型,首先将排序靠后的大面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与实际测得阻抗曲线进行拟合,得到Rs,C0,R0,Lm,Rm,Cm的拟合值;其中,Rs代表串联电阻阻值,表征电极的损耗;C0为上下电极的平板电容,R0代表谐振器的边界能量损耗,Rm为声学损耗,Lm和Cm为声学支路的谐振;
基于Rs,C0,R0,Lm,Rm,Cm的拟合值,加入修正电容,一个修正电容与Rs串联,用以模拟串联谐振点随面积的变化,一个修正电容与MBVD模型并联,用以模拟并联谐振点随面积的变化,从而使剩余面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与它们的实测阻抗曲线尽可能接近。
进一步地,对于Mason模型,将将排序靠后的大面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与该谐振器实际测得的阻抗曲线进行拟合时,校正的参数包括模型中表征损耗的电阻值、电极厚度、谐振器面积、材料介电常数和材料声速;在Mason模型中加入串联电容以模拟串联谐振点随面积的变化,加入并联电容以模拟并联谐振点随面积的变化;所述串联电容和并联电容具体的插入位置为压电层的电学输出层的两端口之间。
一种滤波器,包括由上述体声波谐振器的修正方法得到的谐振器。
本发明的有益效果如下:
(1)本发明的修正方法,从参数提取、器件的制备到元件数据的拟合、模型的构建到整体谐振器的模型修正,通过对谐振器的模型的完善,使高频下滤波器的设计更精确。
(2)本发明对目前广泛采用的MBVD模型与Mason模型进行了修正,提出了BAW谐振器的有效机电耦合系数这一关键参数在谐振器面积较小时随面积变化的关系,串联电容与并联电容的加入可以使得串联谐振点与并联谐振点更好地拟合真实情况下谐振器机电有效耦合系数随面积的变化。通过本发明的修正方法得到的谐振器所构建滤波器,能够对带内插损与带宽进行更好的优化。
附图说明
图1为一种BAW谐振器模型修正方法的步骤图。
图2为实测具有不同有效面积的10%掺钪BAW谐振器的阻抗曲线。
图3为制备的10%掺钪且具有不同有效面积的BAW谐振器的显微图。
图4为上述谐振器测试有效机电耦合系数随有效面积的变化关系。
图5为制备的一种BAW滤波器的显微图。
图6为一种因谐振器有效机电耦合系数预测不准制备的滤波器传输特性曲线。
图7为另一种因谐振器有效机电耦合系数预测不准制备的滤波器传输特性曲线。
图8为关于BAW谐振器有效面积的示意图。
图9为一种引入有效面积变化影响的MVBD修正模型。
图10为一种引入有效面积变化影响的Mason修正模型。
图11为另一种引入有效面积变化影响的Mason修正模型。
图12为考虑面积变化后不同模型的阻抗曲线对比图。
图13为引入谐振器面积修正模型后制备的滤波器的传输特性曲线。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明,本发明的目的和效果将变得更加明白,应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
步骤一:制备固定频率与掺钪比下的不同面积的体声波谐振器,测试性能,总结出面积与机电有效耦合系数的关系,或者面积与周长比值与机电有效耦合系数的关系;所述机电有效耦合系数的计算公式为:
其中fs为串联谐振频率,fp为并联谐振频率。
可选的,这里制备的谐振器面积从200μm2到40000μm2,频率从0到10GHz,掺钪比从0到43%,谐振器的形状可选的为不规则五边形、椭圆或其他各边均不平行的形状。在该实施例中,总共制备了16个BAW谐振器。
步骤二:将所制备的体声波谐振器按照面积从小到大进行排序,对于排序靠后的大面积(拥有较理想的有效机电耦合系数)的体声波谐振器,使用MBVD/Mason模型对其进行仿真,得到仿真阻抗曲线;将每个体声波谐振器的仿真阻抗曲线与该谐振器实际测得的阻抗曲线进行拟合,对面积之外的参数进行校正;对于剩余面积的体声波谐振器,在MBVD/Mason模型中加入修正电容并变化谐振器面积,使仿真阻抗曲线与它们的实测阻抗曲线尽可能接近,拟合出电容值与面积的关系式,或者,拟合出电容值与面积和周长比值的关系式。
其中,对于MVBD模型,首先将排序靠后的大面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与实际测得阻抗曲线进行拟合,得到Rs,C0,R0,Lm,Rm,Cm的拟合值;基于Rs,C0,R0,Lm,Rm,Cm的拟合值,加入修正电容,一个修正电容与Rs串联,用以模拟串联谐振点随面积的变化,一个修正电容与MBVD模型并联,用以模拟并联谐振点随面积的变化,从而使剩余面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与它们的实测阻抗曲线尽可能接近。
对于Mason模型,将将排序靠后的大面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与该谐振器实际测得的阻抗曲线进行拟合时,校正的参数包括但不限于模型中表征损耗的电阻值、电极厚度、谐振器面积、材料介电常数和材料声速;在Mason模型中加入串联电容以模拟串联谐振点随面积的变化,加入并联电容以模拟并联谐振点随面积的变化;所述串联电容和并联电容具体的插入位置为压电层的电学输出层的两端口之间。
图2为该实施例制备的其中3个具有不同有效面积的10%掺钪BAW谐振器的阻抗曲线,频率为4.6GHz。其中谐振器101的面积为10000μm2,有效机电耦合系数为10.2%;谐振器102的面积为6000μm2,有效机电耦合系数为9.5%;谐振器103的面积为2000μm2,有效机电耦合系数为8.5%。随着有效面积的变小,观察到谐振器的整体阻抗曲线向上平移,有效机电耦合系数减小,并且串联谐振点与并联谐振点均发生了改变,串联谐振点向右上方移动,并联谐振点向左上方移动。
图3为制备的其中8个10%掺钪比且具有不同有效面积的BAW谐振器的显微图,为研究有效面积对BAW谐振器的影响,图中的谐振器按面积递增的顺序排布。
图4为谐振器测试有效机电耦合系数随有效面积的变化关系,面积随2000μm2增加到17000μm2,有效机电耦合系数从8.5%增加到10.7%,其中在面积增加到14000μm2后有效机电耦合系数达到最大值后不再增加,维持在10.5%附近,整体耦合系数的变化超过20%。
图5为制备的一种BAW滤波器的显微图,在实际的设计中往往会出现两种谐振器面积相差过大的情况(超过5倍),如谐振器201与谐振器202,两种器件的机电耦合系数会产生较大差异影响构成滤波器的性能,因此在设计中需要对模型进行修正,考虑面积对机电有效耦合系数的影响。
图6为一种因谐振器有效机电耦合系数预测不准制备导致的滤波器传输特性曲线,常见的,会在滤波器的过渡带处产生弯折。
图7为另一种因谐振器有效机电耦合系数预测不准制备导致的滤波器传输特性曲线,因为实际制备的器件可能因为面积的过小导致机电有效耦合系数小于设计值,而在构建滤波器的过程中,例如梯形滤波器,其串联谐振器与并联谐振器的频率差由常规的材料机电耦合系数决定,这里变化的耦合系数会导致滤波器的传输特性曲线在通带内产生凹陷。
图8为关于BAW谐振器有效面积的示意说明图,301为在版图中绘制的BAW谐振器的有效面积,即为上下电极重叠区域的面积。但是因为边缘的机械束缚作用,只用中心区域的部分面积能够视为真正自由振动,如303所示,拥有理想的有效机电耦合系数,而从301到303之间的位置的耦合系数从0逐渐增加到最高值。这里为了计算简便性进行等效,使用302的区域代替整体的谐振器区域,假定其拥有一个等效且恒定的机电耦合系数。值得说明的是,根据之前测试的结果,当谐振器的面积足够大时(例如>15000μm2),边缘被束缚的区域相对于整体的有效面积的比值较小,因此对于整体机电耦合系数的影响可以忽略。但是在高频下所需的谐振器面积逐渐减小,这样边缘束缚区域与总面积的比值不可忽略,导致了有效机电耦合系数随面积变化的现象。这里采用公式构建有效机电耦合系数与面积的关系,而由于边界束缚区域占总面积的比还与谐振器的周长有关,所以这里也引入周长分量。公式为:其中/>为谐振器等效的机电有效耦合系数,/>当有效面积无穷大是拟合趋近的有效耦合系数,A为谐振器面积,S为谐振器周长,W为拟合系数,使用实测出的谐振器面积,周长与机电有效耦合系数的关系可以拟合出W的值。
图9为本发明提出的一种对于MBVD模型的修正方案,401为MVBD模型的初始结构,串联电阻Rs代表电极的损耗,C0为上下电极的平板电容,R0代表谐振器的边界能量损耗,Rm为声学损耗,Lm和Cm为声学支路的谐振。本发明在原有模型的基础上引入了并联电感402与串联电感403,用以模拟并联谐振点与串联谐振点在面积变化时的偏移。
图10为本发明提出的一种对于Mason模型的修正方案,Mason模型从对于结构和材料参数的数学变换中得出BAW谐振器的输入输出阻抗,用以构建一维模型。常规的声学层被假设纵波只在z轴上传播,并用电磁场中的传输线模型表征声波的传播;而压电层的Mason如501所示,变压器被添加到电路中模拟机械能与电能的变化。本发明在原有的模型上添加了串联电容502与并联电容503,用以模拟串联谐振点与并联谐振点在面积变化时的偏移。
图11为另一种对Mason模型的修正方案,601为一个BAW谐振器整体的Mason模型,包含了衬底,保护层,种子层,电极层与压电层,添加并联电容602以修正并联谐振点的变化,添加了串联电容603以修正串联谐振点的变化。
图12为考虑面积变化后不同模型的阻抗曲线对比图,701为原有Mason模型模拟出的阻抗曲线,使用的是与该掺钪比对应的的有效机电耦合系数。702为实测的具有小面积的谐振器,其有效机电耦合系数低于典型值,使用原有的Mason难以使用一个固定的耦合系数兼顾大有效面积与小有效面积的谐振器。703为在Mason模型中尝试直接修改有效机电耦合系数kt 2,利用上述的公式将之与谐振器面积构建关联关系进行修正后的结果。公式修正只能修正有效机电耦合系数,但是却无法真实模拟串联谐振点与并联谐振点的变化情况,例如在图中,并联谐振点并没有发生改变,而只有串联谐振点向左平移。704为本发明提出的模型模拟的谐振器阻抗曲线,观察到与实际的谐振器阻抗曲线十分相近,串联谐振点向右上方平移,并联谐振点向左上方平移,符合实际阻抗曲线随面积的变化规律。
图13为采用修正模型设计的BAW滤波器,通过对于不同面积谐振器的有效机电耦合系数的准确仿真,极大地避免了带内的凹陷与边带的弯折。
本领域普通技术人员可以理解,以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制发明,尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种体声波谐振器的模型修正方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:制备固定频率与掺钪比下的不同面积的体声波谐振器,测试性能,总结出面积与机电有效耦合系数的关系,或者面积周长比值与机电有效耦合系数的关系;所述机电有效耦合系数的计算公式为:
其中fs为串联谐振频率,fp为并联谐振频率;
步骤二:将所制备的体声波谐振器按照面积从小到大进行排序,对于排序靠后的大面积的体声波谐振器,使用MBVD/Mason模型对其进行仿真,得到仿真阻抗曲线;将每个体声波谐振器的仿真阻抗曲线与该谐振器实际测得的阻抗曲线进行拟合,对模型中面积之外的参数进行校准;对于剩余面积的体声波谐振器,在MBVD/Mason模型中加入修正电容并变化谐振器面积,使仿真阻抗曲线与它们的实测阻抗曲线尽可能接近,拟合出电容值与面积的关系式,或者,拟合出电容值与面积和周长比值的关系式。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器的修正方法,其特征在于,所述固定频率范围为0-10GHz,掺钪比为0-43%,谐振器的形状为各边均不平行的形状,谐振器面积变化范围从200μm2到40000μm2
3.根据权利要求1所述的体声波谐振器的修正方法,其特征在于,对于MVBD模型,首先将排序靠后的大面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与实际测得阻抗曲线进行拟合,得到Rs,C0,R0,Lm,Rm,Cm的拟合值;其中,Rs代表串联电阻阻值,表征电极的损耗;C0为上下电极的平板电容,R0代表谐振器的边界能量损耗,Rm为声学损耗,Lm和Cm为声学支路的谐振;
基于Rs,C0,R0,Lm,Rm,Cm的拟合值,加入修正电容,一个修正电容与Rs串联,用以模拟串联谐振点随面积的变化,一个修正电容与MBVD模型并联,用以模拟并联谐振点随面积的变化,从而使剩余面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与它们的实测阻抗曲线尽可能接近。
4.根据权利要求1中所述的体声波谐振器的修正方法,其特征在于,对于Mason模型,将将排序靠后的大面积的体声波谐振器的仿真阻抗曲线与该谐振器实际测得的阻抗曲线进行拟合时,校正的参数包括模型中表征损耗的电阻值、电极厚度、谐振器面积、材料介电常数和材料声速;在Mason模型中加入串联电容以模拟串联谐振点随面积的变化,加入并联电容以模拟并联谐振点随面积的变化;所述串联电容和并联电容具体的插入位置为压电层的电学输出层的两端口之间。
5.一种滤波器,其特征在于,包括由权利要求1-4中任一项所述的体声波谐振器的修正方法得到的谐振器。
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