关于体声滤波器的片上测试与性能表征结果测试详细剖析

引言

射频（ＲＦ）滤波器已成为电子系统小型化、集成化及芯片化的瓶颈之一。薄膜体声波谐振器（ＦＢＡＲ）是目前在５００ＭＨｚ～２０ＧＨｚ频段实现高性能滤波器芯片化的重要途径。ＦＢＡＲ是一种基于体声波（ＢＡＷ）的新型电声谐振器，通过压电薄膜的逆压电效应将电能转换成声波并形成谐振。基于测试与性能表征的方法。另外，也未见文献报道低阻硅衬底对ＢＡＷ 滤波器性能的影响。

为了表征本课题组研制的Ｌ波段ＢＡＷ 滤波器第一轮工艺样品的性能，使用射频探针台和矢量网络分析仪（ＶＮＡ）测得其Ｓ 参数。为了从测得的Ｓ参数便捷地计算出ＢＡＷ 滤波器的各项性能参数，在ＡＤＳ软件环境下建立了ＢＡＷ 滤波器性能参数的解算流程。此外，还根据测试和表征结果，讨论了低阻硅衬底和器件工艺误差对ＢＡＷ 滤波器性能的影响。

１　ＢＡＷ 滤波器的工作原理及结构

ＢＡＷ 滤波器多采用梯形拓扑结构，由一组串联ＦＢＡＲ 和一组并联ＦＢＡＲ 构成。所有串联的ＦＢＡＲ有相同的谐振频率，所有并联的ＦＢＡＲ有另一个相同的谐振频率，后者比前者略低。图１为梯形拓扑结构ＢＡＷ 滤波器的频率特性。为了获得中心频率为ｆ０、通带带宽为Δｆ 的窄带带通滤波器，串联ＦＢＡＲ的串联谐振频率和并联谐振频率分别为ｆ０和ｆ０＋Δｆ／２，并联ＦＢＡＲ的串联谐振频率和并联谐振频率分别为ｆ０－Δｆ／２和ｆ０。串联ＦＢＡＲ的并联谐振频率构成了ＢＡＷ 带通滤波器的上阻带衰减点，并联ＦＢＡＲ的串联谐振频率构成了ＢＡＷ带通滤波器的下阻带衰减点。当输入信号频率为ｆ０时，谐振频率为ｆ０的串联ＦＢＡＲ处于谐振状态，呈低阻状态；此时，并联ＦＢＡＲ偏离谐振状态，呈高阻状态；因此电路对频率为ｆ０的输入信号无大的衰减。当输入信号频率为ｆ０－Δｆ／２时，由于此时并联ＦＢＡＲ呈低阻状态、串联ＦＢＡＲ呈高阻状态，信号传输过程将经历多次衰减。同理，当输入信号频率为ｆ０＋Δｆ／２时，信号传输过程也将经历多次衰减。这样便实现了输入信号的滤波［４］。

图１　ＢＡＷ 滤波器的基本结构与其带通特性

本文的待测器件（ＤＵＴ）为ＢＡＷ 窄带带通滤波器，其构成单元通孔型ＦＢＡＲ如图２（ａ）所示。为了加工方便，构成滤波器芯片的８个ＦＢＡＲ单元置于同一个支撑膜片上，采用深反应离子刻蚀（ＤＲＩＥ）微加工背腔形成支撑膜片。支撑膜片是支撑层和温度补偿层的复合，以抑制ＦＢＡＲ 的频率温度系数（ＴＣＦ）。为了与射频探针台配备的Ｇ－Ｓ－Ｇ 探针兼容，ＢＡＷ 滤波器的焊盘设计成边长为６０μｍ 的正方形，焊盘间距为１００μｍ；由图２（ｂ）可知，外侧为接地焊盘（Ｇ），中间为信号焊盘（Ｓ）；接地线环绕构成滤波器的８个ＦＢＡＲ单元以屏蔽电磁干扰。由于ＢＡＷ 滤波器为二端口器件，将两组Ｇ－Ｓ－Ｇ焊盘分别设置在滤波器的两侧，且两侧的Ｓ焊盘分别与相应ＦＢＡＲ单元的底电极相连。表１为ＢＡＷ 滤波器中各ＦＢＡＲ单元的结构参数。

图２　ＢＡＷ 滤波器的结构

表１　构成ＢＡＷ 滤波器的８个ＦＢＡＲ的结构参数

２　测试

采用射频探针台（ＣＡＳＣＡＤＥ　１２０００）和矢量网络分析仪（Ｒ＆Ｓ　ＺＶＡ６７）测量ＢＡＷ 滤波器芯片的Ｓ 参数。ＢＡＷ 滤波器中心频率的设计值约为１．５ＧＨｚ，由于是对第一轮流片的滤波器芯片进行测试，ＶＮＡ 扫频范围为０．５～２．５ＧＨｚ，扫频步长为１ＭＨｚ。图３为测试系统的照片及原理框图。

图３　测试系统

测量前需要首先校准测试系统，以消除系统误差。具体方法是在探针台所附显微镜的协助下，利用负载标准衬底，按照开路－短路－负载的校准步骤校准。负载标准衬底上有３ 种标准负载（见图４（ａ）～（ｃ）），分别表示“开路”、“短路”和“５０Ω”。本文采用２－Ｐｏｒｔ　ＬＲＲＭ （线－反射－反射－匹配）的校准模式，该模式具有自动补偿功能，可消除探头位置变化引起的多种误差，适用于圆片级测试。

图４　用于射频探针测试校准的负载标准衬底

接着进行ＢＡＷ 滤波器芯片的片上射频探针测试。将滤波器圆片真空吸附在探针台的承片台上。

在探针台显微镜的辅助下，将Ｇ－Ｓ－Ｇ探针对应压紧滤波器芯片的Ｇ－Ｓ－Ｇ焊盘，探针另一端通过射频电缆连接到ＶＮＡ。图５为射频探针测试时由探针台显微镜获取的多幅ＢＡＷ 滤波器芯片照片；由图可知，Ｇ－Ｓ－Ｇ探针已压在芯片的Ｇ－Ｓ－Ｇ 焊盘上，构成每个滤波器芯片的８个ＦＢＡＲ均位于衬底背面掏空的膜片（较黑的矩形区域）上。射频探针台配置的ＷｉｎＣａｌ软件将射频探针测试结果记录在后缀名为ｗｒｐ的数据文件中，包括了Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１和Ｓ２２的测试数据。通过ＷｉｎＣａｌ软件可将ｗｒｐ文件转换为便于ＡＤＳ软件处理的后缀名为Ｓ２Ｐ的文件。

图５　射频探针台显微镜拍摄的ＢＡＷ 滤波器芯片的显微照片

３　表征

为了从测得的Ｓ 参数便捷地计算出ＢＡＷ 滤波器的各项性能参数，在ＡＤＳ软件环境下建立了ＢＡＷ 滤波器性能参数的计算方法和流程。首先在ＡＤＳ软件中导入射频探针测试获得的Ｓ２Ｐ文件。具体方法是在ＡＤＳ软件中新建一张原理图，然后放置Ｓ２Ｐ元件和相应的Ｓ 参数端子，构成的射频电路如图６所示；以图５中的２＃ 待测器件（ＤＵＴ），在Ｓ２Ｐ元件中导入测得的２＃ ＤＵＴ的Ｓ２Ｐ文件；由于测试时已观测到ＢＡＷ 滤波器中心频率的实测值与设计值吻合较好，为便于观察Ｓ 参数曲线，将扫频范围缩小为１．２～１．８ＧＨｚ，步长仍为１ＭＨｚ。

图６　在ＡＤＳ软件中导入Ｓ２Ｐ文件的方法

在ＡＤＳ软件绘图框中的“Ｔｒａｃｅ　Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ”中输入“ｄＢ（Ｓ（２，１））”，就能得到２＃ ＤＵＴ的传输特性第５期高杨等：体声波滤波器的片上测试与性能表征（Ｓ２１）曲线，如图７（ａ）所示。通常对于窄带滤波器，ｆ０为插入损耗最小点所对应的频率，取该曲线上绝对值最小点所对应的频率即为ｆ０；插入损耗最小点左右各下降３ｄＢ高度所对应的频率之差即为３ｄＢ带宽。由于射频探针测量Ｓ 参数时的扫频步长设置为１ＭＨｚ，３ｄＢ带宽的计算误差在０～２ＭＨｚ之间。根据设计，取Ｓ２１曲线中ｆ０－２５ＭＨｚ和ｆ０＋２５ＭＨｚ两个频点处的ｄＢ值表征带外抑制；带内波动是通带内ｄＢ值的极差；ｆ０处的插入损耗作为滤波器的带内插损。

滤波器的电压驻波比（ＶＳＷＲ）定义为［７］

因此，在绘图框中的“Ｔｒａｃｅ　Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ”中输入“（１＋ｍａｇ（Ｓ（１，１）））／（１－ｍａｇ（Ｓ（１，１）））”，得到２＃ ＤＵＴ的的ＶＳＷＲ 曲线，中心频率ｆ０处的取值即为滤波器的ＶＳＷＲ 值，如图７（ｂ）所示。

图７　一只ＢＡＷ 滤波器的Ｓ２１

曲线和ＶＳＷＲ 曲线

４　结果与讨论

表２为图５所示多个ＢＡＷ 滤波器芯片样品的射频探针测试与性能表征结果。

表２　制备的ＢＡＷ 滤波器芯片的性能参数

图８对比了２＃ ＤＵＴ实测与仿真的Ｓ２１曲线。仿真曲线是通过建立ＢＡＷ 滤波器中ＦＢＡＲ单元的Ｍａｓｏｎ模型计算得到的［８］。由图可知，实测的中心频率比仿真值小了约４０ＭＨｚ，主要原因是实际制备的ＢＡＷ 滤波器中的ＦＢＡＲ的膜层厚度较设计值偏厚［９］。实测的带内波动大于仿真值，主要原因是由于ＦＢＡＲ 的薄膜沉积厚度误差，导致了串联ＦＢＡＲ的串联谐振频率与并联ＦＢＡＲ的并联谐振频率不再相等。实测的带内插损远大于仿真值，极有可能是因为本文中的ＢＡＷ 滤波器是在低阻硅衬底上制备的（工艺失误），低阻硅衬底会造成射频信号的严重泄露。

图８　ＢＡＷ 滤波器实测与仿真Ｓ２１曲线的对比

５　结束语

采用射频探针台和ＶＮＡ 测量了所制备的ＢＡＷ 滤波器芯片样品的Ｓ 参数。由于ＢＡＷ 滤波器３ｄＢ带宽的测量精度主要取决于ＶＮＡ 扫频的步长，对于截止曲线极其陡峭的窄带带通ＢＡＷ 滤波器，ＶＮＡ的扫频步长设置不宜太大，才更精确地测得滤波器的带宽。可以采用两步扫频的测试方法，先大步长扫频找到中心频率的大致位置，再在覆盖中心频率较窄的频带内小步长扫频测量Ｓ 参数。

为了从测得的Ｓ 参数便捷地计算出表征ＢＡＷ滤波器性能的各项指标，在ＡＤＳ软件环境下建立了ＢＡＷ 滤波器性能参数的解算流程。获得了这批ＢＡＷ 滤波器样品的片上测试性能表征结果。与设计仿真结果（视为标准值）对比发现：低阻硅衬底会使ＢＡＷ 滤波器的带内插损显著增加；ＢＡＷ 滤波器中各薄膜体声波谐振器（ＦＢＡＲ）单元的薄膜沉积厚度误差会使ＢＡＷ 滤波器的带内波动偏大，且ＦＢＡＲ薄膜厚度较设计值增大时ＢＡＷ 滤波器的中心频率会向下偏移。后续流片中，应在高阻硅上制备ＢＡＷ 滤波器并严格控制ＦＢＡＲ膜层的厚度。