關(guān)于體聲濾波器的片上測(cè)試與性能表征結(jié)果測(cè)試詳細(xì)剖析

引言

射頻（ＲＦ）濾波器已成為電子系統(tǒng)小型化、集成化及芯片化的瓶頸之一。薄膜體聲波諧振器（ＦＢＡＲ）是目前在５００ＭＨｚ～２０ＧＨｚ頻段實(shí)現(xiàn)高性能濾波器芯片化的重要途徑。ＦＢＡＲ是一種基于體聲波（ＢＡＷ）的新型電聲諧振器，通過(guò)壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成聲波并形成諧振?；跍y(cè)試與性能表征的方法。另外，也未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道低阻硅襯底對(duì)ＢＡＷ 濾波器性能的影響。

為了表征本課題組研制的Ｌ波段ＢＡＷ 濾波器第一輪工藝樣品的性能，使用射頻探針臺(tái)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（ＶＮＡ）測(cè)得其Ｓ 參數(shù)。為了從測(cè)得的Ｓ參數(shù)便捷地計(jì)算出ＢＡＷ 濾波器的各項(xiàng)性能參數(shù)，在ＡＤＳ軟件環(huán)境下建立了ＢＡＷ 濾波器性能參數(shù)的解算流程。此外，還根據(jù)測(cè)試和表征結(jié)果，討論了低阻硅襯底和器件工藝誤差對(duì)ＢＡＷ 濾波器性能的影響。

１?。拢粒?濾波器的工作原理及結(jié)構(gòu)

ＢＡＷ 濾波器多采用梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一組串聯(lián)ＦＢＡＲ 和一組并聯(lián)ＦＢＡＲ 構(gòu)成。所有串聯(lián)的ＦＢＡＲ有相同的諧振頻率，所有并聯(lián)的ＦＢＡＲ有另一個(gè)相同的諧振頻率，后者比前者略低。圖１為梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ＢＡＷ 濾波器的頻率特性。為了獲得中心頻率為ｆ０、通帶帶寬為Δｆ 的窄帶帶通濾波器，串聯(lián)ＦＢＡＲ的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率分別為ｆ０和ｆ０＋Δｆ／２，并聯(lián)ＦＢＡＲ的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率分別為ｆ０－Δｆ／２和ｆ０。串聯(lián)ＦＢＡＲ的并聯(lián)諧振頻率構(gòu)成了ＢＡＷ 帶通濾波器的上阻帶衰減點(diǎn)，并聯(lián)ＦＢＡＲ的串聯(lián)諧振頻率構(gòu)成了ＢＡＷ帶通濾波器的下阻帶衰減點(diǎn)。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為ｆ０時(shí)，諧振頻率為ｆ０的串聯(lián)ＦＢＡＲ處于諧振狀態(tài)，呈低阻狀態(tài)；此時(shí)，并聯(lián)ＦＢＡＲ偏離諧振狀態(tài)，呈高阻狀態(tài)；因此電路對(duì)頻率為ｆ０的輸入信號(hào)無(wú)大的衰減。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為ｆ０－Δｆ／２時(shí)，由于此時(shí)并聯(lián)ＦＢＡＲ呈低阻狀態(tài)、串聯(lián)ＦＢＡＲ呈高阻狀態(tài)，信號(hào)傳輸過(guò)程將經(jīng)歷多次衰減。同理，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為ｆ０＋Δｆ／２時(shí)，信號(hào)傳輸過(guò)程也將經(jīng)歷多次衰減。這樣便實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的濾波［４］。

圖１?。拢粒?濾波器的基本結(jié)構(gòu)與其帶通特性

本文的待測(cè)器件（ＤＵＴ）為ＢＡＷ 窄帶帶通濾波器，其構(gòu)成單元通孔型ＦＢＡＲ如圖２（ａ）所示。為了加工方便，構(gòu)成濾波器芯片的８?jìng)€(gè)ＦＢＡＲ單元置于同一個(gè)支撐膜片上，采用深反應(yīng)離子刻蝕（ＤＲＩＥ）微加工背腔形成支撐膜片。支撐膜片是支撐層和溫度補(bǔ)償層的復(fù)合，以抑制ＦＢＡＲ 的頻率溫度系數(shù)（ＴＣＦ）。為了與射頻探針臺(tái)配備的Ｇ－Ｓ－Ｇ 探針兼容，ＢＡＷ 濾波器的焊盤(pán)設(shè)計(jì)成邊長(zhǎng)為６０μｍ 的正方形，焊盤(pán)間距為１００μｍ；由圖２（ｂ）可知，外側(cè)為接地焊盤(pán)（Ｇ），中間為信號(hào)焊盤(pán)（Ｓ）；接地線環(huán)繞構(gòu)成濾波器的８?jìng)€(gè)ＦＢＡＲ單元以屏蔽電磁干擾。由于ＢＡＷ 濾波器為二端口器件，將兩組Ｇ－Ｓ－Ｇ焊盤(pán)分別設(shè)置在濾波器的兩側(cè)，且兩側(cè)的Ｓ焊盤(pán)分別與相應(yīng)ＦＢＡＲ單元的底電極相連。表１為ＢＡＷ 濾波器中各ＦＢＡＲ單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖２?。拢粒?濾波器的結(jié)構(gòu)

表１　構(gòu)成ＢＡＷ 濾波器的８?jìng)€(gè)ＦＢＡＲ的結(jié)構(gòu)參數(shù)

２　測(cè)試

采用射頻探針臺(tái)（ＣＡＳＣＡＤＥ?。保玻埃埃埃┖褪噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀（Ｒ＆Ｓ?。冢郑粒叮罚y(cè)量ＢＡＷ 濾波器芯片的Ｓ 參數(shù)。ＢＡＷ 濾波器中心頻率的設(shè)計(jì)值約為１．５ＧＨｚ，由于是對(duì)第一輪流片的濾波器芯片進(jìn)行測(cè)試，ＶＮＡ 掃頻范圍為０．５～２．５ＧＨｚ，掃頻步長(zhǎng)為１ＭＨｚ。圖３為測(cè)試系統(tǒng)的照片及原理框圖。

圖３　測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)量前需要首先校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，以消除系統(tǒng)誤差。具體方法是在探針臺(tái)所附顯微鏡的協(xié)助下，利用負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)襯底，按照開(kāi)路－短路－負(fù)載的校準(zhǔn)步驟校準(zhǔn)。負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)襯底上有３ 種標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載（見(jiàn)圖４（ａ）～（ｃ）），分別表示“開(kāi)路”、“短路”和“５０Ω”。本文采用２－Ｐｏｒｔ?。蹋遥遥?（線－反射－反射－匹配）的校準(zhǔn)模式，該模式具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，可消除探頭位置變化引起的多種誤差，適用于圓片級(jí)測(cè)試。

圖４　用于射頻探針測(cè)試校準(zhǔn)的負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)襯底

接著進(jìn)行ＢＡＷ 濾波器芯片的片上射頻探針測(cè)試。將濾波器圓片真空吸附在探針臺(tái)的承片臺(tái)上。

在探針臺(tái)顯微鏡的輔助下，將Ｇ－Ｓ－Ｇ探針對(duì)應(yīng)壓緊濾波器芯片的Ｇ－Ｓ－Ｇ焊盤(pán)，探針另一端通過(guò)射頻電纜連接到ＶＮＡ。圖５為射頻探針測(cè)試時(shí)由探針臺(tái)顯微鏡獲取的多幅ＢＡＷ 濾波器芯片照片；由圖可知，Ｇ－Ｓ－Ｇ探針已壓在芯片的Ｇ－Ｓ－Ｇ 焊盤(pán)上，構(gòu)成每個(gè)濾波器芯片的８?jìng)€(gè)ＦＢＡＲ均位于襯底背面掏空的膜片（較黑的矩形區(qū)域）上。射頻探針臺(tái)配置的ＷｉｎＣａｌ軟件將射頻探針測(cè)試結(jié)果記錄在后綴名為ｗｒｐ的數(shù)據(jù)文件中，包括了Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１和Ｓ２２的測(cè)試數(shù)據(jù)。通過(guò)ＷｉｎＣａｌ軟件可將ｗｒｐ文件轉(zhuǎn)換為便于ＡＤＳ軟件處理的后綴名為Ｓ２Ｐ的文件。

圖５　射頻探針臺(tái)顯微鏡拍攝的ＢＡＷ 濾波器芯片的顯微照片

３　表征

為了從測(cè)得的Ｓ 參數(shù)便捷地計(jì)算出ＢＡＷ 濾波器的各項(xiàng)性能參數(shù)，在ＡＤＳ軟件環(huán)境下建立了ＢＡＷ 濾波器性能參數(shù)的計(jì)算方法和流程。首先在ＡＤＳ軟件中導(dǎo)入射頻探針測(cè)試獲得的Ｓ２Ｐ文件。具體方法是在ＡＤＳ軟件中新建一張?jiān)韴D，然后放置Ｓ２Ｐ元件和相應(yīng)的Ｓ 參數(shù)端子，構(gòu)成的射頻電路如圖６所示；以圖５中的２＃ 待測(cè)器件（ＤＵＴ），在Ｓ２Ｐ元件中導(dǎo)入測(cè)得的２＃ ＤＵＴ的Ｓ２Ｐ文件；由于測(cè)試時(shí)已觀測(cè)到ＢＡＷ 濾波器中心頻率的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值吻合較好，為便于觀察Ｓ 參數(shù)曲線，將掃頻范圍縮小為１．２～１．８ＧＨｚ，步長(zhǎng)仍為１ＭＨｚ。

圖６　在ＡＤＳ軟件中導(dǎo)入Ｓ２Ｐ文件的方法

在ＡＤＳ軟件繪圖框中的“Ｔｒａｃｅ　Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ”中輸入“ｄＢ（Ｓ（２，１））”，就能得到２＃ ＤＵＴ的傳輸特性第５期高楊等：體聲波濾波器的片上測(cè)試與性能表征（Ｓ２１）曲線，如圖７（ａ）所示。通常對(duì)于窄帶濾波器，ｆ０為插入損耗最小點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率，取該曲線上絕對(duì)值最小點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率即為ｆ０；插入損耗最小點(diǎn)左右各下降３ｄＢ高度所對(duì)應(yīng)的頻率之差即為３ｄＢ帶寬。由于射頻探針測(cè)量Ｓ 參數(shù)時(shí)的掃頻步長(zhǎng)設(shè)置為１ＭＨｚ，３ｄＢ帶寬的計(jì)算誤差在０～２ＭＨｚ之間。根據(jù)設(shè)計(jì)，取Ｓ２１曲線中ｆ０－２５ＭＨｚ和ｆ０＋２５ＭＨｚ兩個(gè)頻點(diǎn)處的ｄＢ值表征帶外抑制；帶內(nèi)波動(dòng)是通帶內(nèi)ｄＢ值的極差；ｆ０處的插入損耗作為濾波器的帶內(nèi)插損。

濾波器的電壓駐波比（ＶＳＷＲ）定義為［７］

因此，在繪圖框中的“Ｔｒａｃｅ?。牛穑颍澹螅螅椋铮睢敝休斎搿埃ǎ保恚幔纾ǎ樱ǎ?，１）））／（１－ｍａｇ（Ｓ（１，１）））”，得到２＃ ＤＵＴ的的ＶＳＷＲ 曲線，中心頻率ｆ０處的取值即為濾波器的ＶＳＷＲ 值，如圖７（ｂ）所示。

圖７　一只ＢＡＷ 濾波器的Ｓ２１

曲線和ＶＳＷＲ 曲線

４　結(jié)果與討論

表２為圖５所示多個(gè)ＢＡＷ 濾波器芯片樣品的射頻探針測(cè)試與性能表征結(jié)果。

表２　制備的ＢＡＷ 濾波器芯片的性能參數(shù)

圖８對(duì)比了２＃ ＤＵＴ實(shí)測(cè)與仿真的Ｓ２１曲線。仿真曲線是通過(guò)建立ＢＡＷ 濾波器中ＦＢＡＲ單元的Ｍａｓｏｎ模型計(jì)算得到的［８］。由圖可知，實(shí)測(cè)的中心頻率比仿真值小了約４０ＭＨｚ，主要原因是實(shí)際制備的ＢＡＷ 濾波器中的ＦＢＡＲ的膜層厚度較設(shè)計(jì)值偏厚［９］。實(shí)測(cè)的帶內(nèi)波動(dòng)大于仿真值，主要原因是由于ＦＢＡＲ 的薄膜沉積厚度誤差，導(dǎo)致了串聯(lián)ＦＢＡＲ的串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)ＦＢＡＲ的并聯(lián)諧振頻率不再相等。實(shí)測(cè)的帶內(nèi)插損遠(yuǎn)大于仿真值，極有可能是因?yàn)楸疚闹械模拢粒?濾波器是在低阻硅襯底上制備的（工藝失誤），低阻硅襯底會(huì)造成射頻信號(hào)的嚴(yán)重泄露。

圖８?。拢粒?濾波器實(shí)測(cè)與仿真Ｓ２１曲線的對(duì)比

５　結(jié)束語(yǔ)

采用射頻探針臺(tái)和ＶＮＡ 測(cè)量了所制備的ＢＡＷ 濾波器芯片樣品的Ｓ 參數(shù)。由于ＢＡＷ 濾波器３ｄＢ帶寬的測(cè)量精度主要取決于ＶＮＡ 掃頻的步長(zhǎng)，對(duì)于截止曲線極其陡峭的窄帶帶通ＢＡＷ 濾波器，ＶＮＡ的掃頻步長(zhǎng)設(shè)置不宜太大，才更精確地測(cè)得濾波器的帶寬?？梢圆捎脙刹綊哳l的測(cè)試方法，先大步長(zhǎng)掃頻找到中心頻率的大致位置，再在覆蓋中心頻率較窄的頻帶內(nèi)小步長(zhǎng)掃頻測(cè)量Ｓ 參數(shù)。

為了從測(cè)得的Ｓ 參數(shù)便捷地計(jì)算出表征ＢＡＷ濾波器性能的各項(xiàng)指標(biāo)，在ＡＤＳ軟件環(huán)境下建立了ＢＡＷ 濾波器性能參數(shù)的解算流程。獲得了這批ＢＡＷ 濾波器樣品的片上測(cè)試性能表征結(jié)果。與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果（視為標(biāo)準(zhǔn)值）對(duì)比發(fā)現(xiàn)：低阻硅襯底會(huì)使ＢＡＷ 濾波器的帶內(nèi)插損顯著增加；ＢＡＷ 濾波器中各薄膜體聲波諧振器（ＦＢＡＲ）單元的薄膜沉積厚度誤差會(huì)使ＢＡＷ 濾波器的帶內(nèi)波動(dòng)偏大，且ＦＢＡＲ薄膜厚度較設(shè)計(jì)值增大時(shí)ＢＡＷ 濾波器的中心頻率會(huì)向下偏移。后續(xù)流片中，應(yīng)在高阻硅上制備ＢＡＷ 濾波器并嚴(yán)格控制ＦＢＡＲ膜層的厚度。