大家好,今天我们继续学习《芯片滤波器设计》的相关知识——FBAR的理论与设计。 在之前的学习中,我们了解到FBAR的物理基础来源于居里夫妇的发现,确切的说是居里夫人的老公和他的兄弟(链接):皮埃尔·居里和雅克·居里。居里兄弟在1880年发现了神奇的压电效应:机械力和电之间相关转换的一种物理现象。后来的科学家利用这种压电效应制作了声波谐振器:表面声波谐振器和体声波谐振器。
那么我们今天重点学习的就是体声波谐振器中的FBAR:薄膜体声波谐振器,如下图所示,压电薄膜的上下面各有两个金属电极,完成电压信号的传输,压电薄膜的厚度和声速决定了谐振器的谐振频率f0。其工作过程:当交流电压施加到FBAR的上下电极上的时候,压电薄膜由于逆压电效应,会产生形变;而压电薄膜的形变又会产生压电效应,会使压电薄膜内的电荷极性不再对称,产生极化。当输入交流电压信号的频率等于压电薄膜的机械变化频率时,就会在电极表面形成机械波驻波,从而形成机械波谐振,也就是声波谐振。
所以,正是利用了压电薄膜的这个神奇的压电效应,FBAR完成了电能和机械能的转换。谐振频率可以有下面公式决定:
f0就是FBAR的谐振频率,v是指压电材料内的体声波声速,L是指压电薄膜和两个电极共同决定的等效体声波厚度。 类似于微波谐振器,FBAR的阻抗特性和相位特性如下图所示,从阻抗特性曲线可以看出,FBAR具有两个谐振频率,较低的频率为串联谐振频率 fs,该谐振点声学阻抗最低,信号能够完全通过;较高的频率为并联谐振频率 fp,该谐振点声学阻抗最高,信号则不能通过。观察其相位特性曲线,可以发现,在两个谐振频率之间相位为+90°,呈现感性;而两个谐振频率之外相位为-90°,呈现容性。也就是说,对于工作在非谐振频率的FBAR来说,相当于平板电容器特性。
根据FBAR的阻抗特性分布,将多个FBAR的并联谐振频率和串联谐振频率按照一定规律级联,就可以获得性能优良的带通滤波器。 我们今天的学习主要基于电子科技大学 曾卓恒 的这篇毕业论文《FBAR 滤波器的设计与综合研究 》,希望在这篇文章的学习中,同学们对FBAR谐振器和滤波器设计有进一步的认识,结合常规微波滤波器的设计方法,逐步去掌握这种芯片滤波器的设计方法。
审核编辑:汤梓红
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