Wie funktionieren MEMS-Filter? Lambdawelle, SAW, BAW

Das Internet der Dinge wird immer größer. Das bedeutet, dass immer mehr mobile Geräte - Smartphones, Tablets, Computer, Fernseher und sogar Kühlschränke und Waschmaschinen - um Wellenlängen für die Übertragung von Informationen konkurrieren. Fast alle diese Geräte sind multibandfähig und können mehrere unterschiedliche Übertragungsstandards nutzen, um eine möglichst effiziente Kommunikation zu ermöglichen. Sie befinden sich also immer in einer Umgebung, die von einer unglaublichen Menge von Funkfrequenzen umgeben ist, die durch die Luft übertragen werden. Daraus ergibt sich eines der Hauptprobleme der heutigen Funkkommunikation: die Gewährleistung eines hohen Datenflusses ohne Störungen oder Rauschen in den empfangenen Signalen. Daher sind alle Geräte, die Signale senden und/oder empfangen, in irgendeiner Form mit einem HF-Filter an ihre Funkempfänger angeschlossen.

HF-Filter

Es gibt keinen allgemein akzeptierten Frequenzbereich, in dem ein HF-Filter offiziell eingesetzt wird. Die untere Grenze, bei der ein HF-Filter verwendet werden muss, wird jedoch als die Obergrenze gewählt, bis zu der die digitale Signalverarbeitung ein vernünftiges Niveau einhalten kann. In der heutigen IoT-Welt beginnt diese Grenze bei 100 MHz, wobei die Obergrenze bei etwa 10 GHz liegt. Alles, was über dieser Frequenz liegt, führt direkt in den Bereich der Mikrowellen. Der Bereich von 100 MHz bis 6 GHz wird für typische städtische Umgebungen verwendet und ist eine ausreichende Bandbreite für alle Anwendungen in diesen Umgebungen. Es gibt jedoch Hunderte von verschiedenen Rundfunksignalen, die aufgrund der Frequenzen, die von Fernsehdiensten, Mobilfunkdiensten, WLAN und sogar von staatlichen und militärischen Nutzungen belegt sind, verwendet werden. Aus diesem Grund müssen selbst in den alltäglichsten Geräten sehr selektive HF-Filter eingesetzt werden. Das Ausmaß der „Selektivität“ dieser Filter bedeutet, dass sie sowohl extrem hohe Qualitätsfaktoren als auch geringe Verluste aufweisen müssen.

Die HF-Filter, die für die oben genannten Anwendungen verwendet werden, sind in der Regel Bandpassfilter, und wir wissen, dass diese Filter mit einer Reihe von Induktivitäten und Kondensatoren, die in seltsamen und wunderbaren Topologien verbunden sind, erstellt werden können. So respektabel und anpassungsfähig diese Filter auch sind, aufgrund der Eigenverluste in den Induktivitäten und Kondensatoren sind sie für Anwendungen oberhalb von 500 MHz ungeeignet, da ihre Q-Werte einfach nicht hoch genug werden können, um sie für unsere Zwecke präzise genug zu machen.

MEMS-HF-Filter

Das bedeutet, dass wir uns mechanischen Resonatoren wie Quarzkristallen und Stimmgabeln zuwenden müssen, da sie die von uns benötigten Q-Werte erreichen können - weit über 10.000. Quarzresonatoren werden auch als piezoelektrische Resonatoren bezeichnet, da Quarz ein piezoelektrisches Material ist. Das bedeutet, dass das Material eine mechanische Bewegung erzeugt, wenn eine Ladung angelegt wird, und umgekehrt eine Ladung erzeugt, wenn es mechanisch belastet wird.

Geometrische und materielle Beschränkungen diktieren in der Regel den Qualitätsfaktor und die Resonanzfrequenzen dieser mechanischen piezoelektrischen Resonatoren. Um den Frequenzbereich, in dem diese Resonatoren arbeiten können, zu erweitern, müssen andere Materialien und MEMS-Verfahren (mikroelektromechanische Systeme) eingesetzt werden, damit die Resonatoren bei den benötigten Frequenzen arbeiten können. Ein piezoelektrisches Material, das viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, ist Aluminiumnitrid (AlN), vor allem wegen seiner Leistungsfähigkeit im Vergleich zur Fertigungseffizienz.

BAW- und SAW-Resonatoren

Die beiden wichtigsten Arten von Resonatoren, die wir diskutieren werden, sind die BAW-Resonatoren (Bulk Acoustic Wave) und die SAW-Resonatoren (Surface Acoustic Wave).

BAW-Resonatoren

BAW-Resonatoren bestehen aus einem piezoelektrischen Film, der zwischen zwei Metallelektroden angeordnet ist. Diese Elektroden induzieren eine akustische Welle, die sich vertikal entlang des „BULK“ des piezoelektrischen Films ausbreitet und eine stehende Welle zwischen den Elektroden bildet.

Um zu verhindern, dass die Wellen in das Substrat entweichen, sind spezielle Konfigurationen von BAW-Filtern entwickelt worden: Membranresonatoren (MTR), Dünnfilm-Bulk-Akustik-Resonatoren (FBAR) und fest montierte Resonatoren (SMR).

Die FBAR- und MTR-Komponenten verwenden einen Lufthohlraum unter der aktiven Fläche, wodurch schwebende Membranen entstehen. Da die akustische Impedanz von Luft um den Faktor 10^5 niedriger ist als bei typischen festen Materialien, wird extrem wenig Energie in die Luft abgestrahlt und 99,995 % der Energie wird reflektiert.

Bei SMR-Komponenten wird ein akustischer Bragg-Reflektor durch Aufeinanderschichten mehrerer Schichten aus abwechselnden Materialien mit unterschiedlichen Reflexionsindizes hergestellt, um zu verhindern, dass die Wellen in das Substrat entweichen.

An den Grenzflächen zwischen den Schichten mit hoher und niedriger Impedanz wird ein großer Teil der Welle reflektiert, und da die Schichten in einem Abstand von λ/4 voneinander angeordnet sind, summieren sie sich mit der richtigen Phase. Die Verwendung von drei Paaren von Spiegelschichten kann zu einem Reflexionsvermögen führen, das für jeden praktischen Zweck gut genug ist, wenn das Impedanzverhältnis z = Z1/Z2 zwischen den Schichten hoch ist. Eine allgemeine Beziehung für das Reflexionsvermögen eines Spiegels mit N Schichtpaaren von λ/4 Dicke ist r = 1 − z^2N.

• Designmerkmale (welche Faktoren sind für die Konstruktion solcher Resonatoren wichtig?):

Bei der Herstellung einer BAW-Komponente müssen mehrere Materialparameter berücksichtigt werden:

• Der piezoelektrische Kopplungskoeffizient K_eff² stellt die Energieumwandlungseffizienz der Komponente dar und ist durch den Abstand zwischen den Spitzen der Serienresonanz und der Parallelresonanz definiert. Bei einer Piezoschicht mit zu geringer Kopplung lassen sich keine Filter mit der für Mobiltelefonanwendungen erforderlichen Bandbreite herstellen.



• Die obige Gleichung wird zur Berechnung des effektiven Kopplungskoeffizienten unter Verwendung der Serien- (fs) und Parallelresonanzfrequenz (fp) verwendet.
• Dielektrizitätskonstante εr. Der Impedanzwert eines Resonators wird durch die Größe des Resonators, die Dicke der Piezoschicht und die Dielektrizitätskonstante bestimmt. Mit einer höheren Dielektrizitätskonstante εr lässt sich die Größe des Resonators verringern.
• Schallgeschwindigkeit: Ein Material mit geringer Schallgeschwindigkeit führt zu dünneren Piezoschichten und damit zu kleineren Komponenten.
• Temperaturkoeffizient: Stellt den Betrag der Frequenzverschiebung bei Temperaturänderungen dar
• Für den BAW-Resonator ist die Gütezahl (FOM) einer der wichtigsten Parameter und kann definiert werden als FOM = K_eff² × Q, wobei K_eff² der effektive Kopplungskoeffizient und Q der Qualitätsfaktor ist. Ein größerer K_eff² ergibt eine große Bandbreite, die für das 5G-Band erwünscht ist.

• Resonanzmerkmale:

Die Resonanzfrequenz des Filters wird durch die Schallgeschwindigkeit in der piezoelektrischen Schicht und die Dicke der piezoelektrischen Schicht bestimmt.



Dabei ist v die Schallgeschwindigkeit und d die Dicke der piezoelektrischen Schicht. Auch die Dicke der Elektrode kann sich auf die Resonanzfrequenz auswirken, und unterschiedliche Elektrodendicken können Frequenzverschiebungen erzeugen, die zur Steuerung des Durchlassbereichs des Filters verwendet werden können.

SAW-Resonatoren

Im Gegensatz zu BAW-Filtern breiten sich bei SAW-Filtern die akustischen Wellen und die Energie entlang einer einzigen „Oberfläche“ des Substrats aus. Daher sind die Eigenschaften des SAW-Resonators nicht so stark von der Form oder Dicke des Substrats abhängig wie bei BAW-Filtern.

SAW-Resonatoren lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: SAW-Resonatoren mit einem Port und SAW-Resonatoren mit zwei Ports. Die Reflektoren befinden sich auf beiden Seiten der Eingangs- und Ausgangs-IDTs (interdigitated transducers), um die Welle in einem Hohlraum einzuschließen und Resonanz zu erzeugen.

• Designmerkmale (welche Faktoren sind für die Konstruktion solcher Resonatoren wichtig?):

Die Designeigenschaften von SAW-Filtern sind denen von BAW-Filtern sehr ähnlich, da die Kopplungskoeffizienten und die Schallgeschwindigkeit eine große Rolle bei der Beeinflussung ihrer Ausgänge spielen. Genauer gesagt, gibt es zwei Möglichkeiten, die Resonanzfrequenz von SAW-Komponenten zu beeinflussen. Um sie zu erhöhen, können Sie die Leiterbreite und den periodischen Abstand der IDT-Leiter zueinander verringern. Dabei wird eine hochpräzise lithografische Technologie wie die Ultraviolett- oder Elektronenstrahllithografie eingesetzt. Die andere Möglichkeit besteht darin, ein Substrat zu verwenden, das eine höhere Schallgeschwindigkeit aufweist.

• Resonanzmerkmale:

  

  wobei „pitch“ der Abstand zwischen der Mitte der beiden IDT-Finger ist.

Lambdawellen-Resonatoren

Lambdawellen-Resonatoren verwenden eine Struktur, die eine Kombination aus SAW- und FBAR-Resonatoren ist, so dass sie die Vorteile von beiden nutzen können. Diese Struktur ermöglicht höhere Qualitätsfaktoren und größere Phasengeschwindigkeiten.

Schwebende Kantenreflektoren oder Gitter werden verwendet, um die akustische Welle zu reflektieren und einzudämmen.

• Designmerkmale (welche Faktoren sind für die Konstruktion solcher Resonatoren wichtig?):

Es gibt drei Haupt-Randbedingungen: Offen-Offen, Kurz-Offen und Kurz-Kurz. Dabei wird die mechanische Wirkung der Metallisierung vernachlässigt. Mit anderen Worten: Die Metallisierung wird als unendlich dünn angenommen. Die Metallisierung senkt die Phasengeschwindigkeit geringfügig, doch wird dies der Einfachheit halber meist ignoriert.

Die Herstellung von Doppel-IDTs ist jedoch sehr viel komplizierter und daher teurer. Die am weitesten verbreitete Konfiguration ist daher ein Einzel-IDT-Typ mit einer dicken AIN-Schicht oder ein IDT-Floating-BE-Typ mit einer dünnen AIN-Schicht.

• Resonanzmerkmale:

Die Resonanzfrequenz eines Lambdawellen-Resonators ist das Verhältnis zwischen der Phasengeschwindigkeit der Wellenmode und der Wellenlänge, d. h.

Fazit

Bei Frequenzen von etwa 2 GHz oder darunter sind SAW-Filter in der Lage, unerwünschte Signale hervorragend zu unterdrücken und gleichzeitig flache Amplitudengänge über den gesamten Durchlassbereich beizubehalten. Obwohl BAW-Filter für den Einsatz bei Frequenzen unter 1,5 GHz und weit in den Frequenzbereich von SAW-Bauteilen hinein hergestellt werden können, führen die größeren Abmessungen der BAW-Bauteile bei diesen niedrigeren Frequenzen zu einer geringeren Ausbeute an Bauteilen pro piezoelektrischem Wafer, was es schwierig macht, mit SAW-Filtern kostenmäßig konkurrenzfähig zu sein.

Da jedoch die Abmessungen der IDT-Struktur bei SAW-Resonatoren mit zunehmender Frequenz schrumpfen, ist die Herstellung von SAW-Bauteilen mit ausreichend kleinen IDT-Abmessungen zur Unterstützung dieser höheren Frequenzen nicht praktikabel. Aus diesem Grund werden SAW-Filter nicht für 5G-Anwendungen verwendet, da sie im Vergleich zu BAW-Filtern bei diesen Frequenzen einfach nicht kosteneffizient sind. In 5G-Anwendungen werden heutzutage FBAR-Filter eingesetzt, da sie im Bereich von 100 MHz bis 10 GHz arbeiten können. FBARs zeichnen sich durch eine geringere Einfügungsdämpfung aus - 0,3 bis 0,5 dB -, was zu einem deutlich geringeren Stromverbrauch und damit zu einer längeren Akkubetriebsdauer bei Handgeräten führt.

Dies ist keineswegs eine umfassende Erläuterung von Resonatorfiltern, aber ich hoffe, sie dient als Einführung in die Funktionsweise von MEMS-HF-Filtern und die zugrunde liegenden Theorien, die es ihnen ermöglichen, in der realen Welt zu funktionieren.