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試與性能表征的方法。另外，也未見文獻(xiàn)報(bào)道低阻硅襯底對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，使用射頻探針臺和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（ＶＮＡ）測得其Ｓ 參數(shù)。為了從測得的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)測試和表征結(jié)果，討論了低阻硅襯底和器件工藝誤差對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)輸入信號頻率為ｆ０時，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，并聯(lián)ＦＢＡＲ偏離諧振狀態(tài)，呈高阻狀態(tài)；因此電路對頻率為ｆ０的輸入信號無大的衰減。當(dāng)輸入信號頻率為ｆ０－Δｆ／２時，由于此時并聯(lián)ＦＢＡＲ呈低阻狀態(tài)、串聯(lián)ＦＢＡＲ呈高阻狀態(tài)，信號傳輸過程將經(jīng)歷多次衰減。同理，當(dāng)輸入信號頻率為ｆ０＋Δｆ／２時，信號傳輸過程也將經(jīng)歷多次衰減。這樣便實(shí)現(xiàn)了輸入信號的濾波［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個ＦＢＡＲ單元置于同一個支撐膜片上，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）。為了與射頻探針臺配備的Ｇ－Ｓ－Ｇ 探針兼容，ＢＡＷ 濾波器的焊盤設(shè)計(jì)成邊長為６０μｍ 的正方形，焊盤間距為１００μｍ；由圖２（ｂ）可知，外側(cè)為接地焊盤（Ｇ），中間為信號焊盤（Ｓ）；接地線環(huán)繞構(gòu)成濾波器的８個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焊盤分別設(shè)置在濾波器的兩側(cè)，且兩側(cè)的Ｓ焊盤分別與相應(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個ＦＢＡＲ的結(jié)構(gòu)參數(shù)

２　測試

采用射頻探針臺（ＣＡＳＣＡＤＥ?。保玻埃埃埃┖褪噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀（Ｒ＆Ｓ?。冢郑粒叮罚y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，由于是對第一輪流片的濾波器芯片進(jìn)行測試，ＶＮＡ 掃頻范圍為０．５～２．５ＧＨｚ，掃頻步長為１ＭＨｚ。圖３為測試系統(tǒng)的照片及原理框圖。

圖３　測試系統(tǒng)

測量前需要首先校準(zhǔn)測試系統(tǒng)，以消除系統(tǒng)誤差。具體方法是在探針臺所附顯微鏡的協(xié)助下，利用負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)襯底，按照開路－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（見圖４（ａ）～（ｃ）），分別表示“開路”、“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，適用于圓片級測試。

圖４　用于射頻探針測試校準(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試。將濾波器圓片真空吸附在探針臺的承片臺上。

在探針臺顯微鏡的輔助下，將Ｇ－Ｓ－Ｇ探針對應(yīng)壓緊濾波器芯片的Ｇ－Ｓ－Ｇ焊盤，探針另一端通過射頻電纜連接到ＶＮＡ。圖５為射頻探針測試時由探針臺顯微鏡獲取的多幅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 焊盤上，構(gòu)成每個濾波器芯片的８個ＦＢＡＲ均位于襯底背面掏空的膜片（較黑的矩形區(qū)域）上。射頻探針臺配置的ＷｉｎＣａｌ軟件將射頻探針測試結(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的測試數(shù)據(jù)。通過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　射頻探針臺顯微鏡拍攝的ＢＡＷ 濾波器芯片的顯微照片

３　表征

為了從測得的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＃ 待測器件（ＤＵＴ），在Ｓ２Ｐ元件中導(dǎo)入測得的２＃ ＤＵＴ的Ｓ２Ｐ文件；由于測試時已觀測到ＢＡＷ 濾波器中心頻率的實(shí)測值與設(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?。牛穑颍澹螅螅椋铮睢敝休斎搿埃洌拢ǎ樱ǎ?，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試與性能表征（Ｓ２１）曲線，如圖７（ａ）所示。通常對于窄帶濾波器，ｆ０為插入損耗最小點(diǎn)所對應(yīng)的頻率，取該曲線上絕對值最小點(diǎn)所對應(yīng)的頻率即為ｆ０；插入損耗最小點(diǎn)左右各下降３ｄＢ高度所對應(yīng)的頻率之差即為３ｄＢ帶寬。由于射頻探針測量Ｓ 參數(shù)時的掃頻步長設(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)，?。樱玻鼻€中ｆ０－２５ＭＨｚ和ｆ０＋２５ＭＨｚ兩個頻點(diǎn)處的ｄＢ值表征帶外抑制；帶內(nèi)波動是通帶內(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保保ǎ保恚幔纾ǎ樱ǎ?，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ＢＡＷ 濾波器芯片樣品的射頻探針測試與性能表征結(jié)果。

表２　制備的ＢＡＷ 濾波器芯片的性能參數(shù)

圖８對比了２＃ ＤＵＴ實(shí)測與仿真的Ｓ２１曲線。仿真曲線是通過建立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)測的帶內(nèi)波動大于仿真值，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），低阻硅襯底會造成射頻信號的嚴(yán)重泄露。

圖８?。拢粒?濾波器實(shí)測與仿真Ｓ２１曲線的對比

５　結(jié)束語

采用射頻探針臺和ＶＮＡ 測量了所制備的ＢＡＷ 濾波器芯片樣品的Ｓ 參數(shù)。由于ＢＡＷ 濾波器３ｄＢ帶寬的測量精度主要取決于ＶＮＡ 掃頻的步長，對于截止曲線極其陡峭的窄帶帶通ＢＡＷ 濾波器，ＶＮＡ的掃頻步長設(shè)置不宜太大，才更精確地測得濾波器的帶寬。可以采用兩步掃頻的測試方法，先大步長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)小步長掃頻測量Ｓ 參數(shù)。

為了從測得的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）對比發(fā)現(xiàn)：低阻硅襯底會使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使ＢＡＷ 濾波器的帶內(nèi)波動偏大，且ＦＢＡＲ薄膜厚度較設(shè)計(jì)值增大時ＢＡＷ 濾波器的中心頻率會向下偏移。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。