Analysis and Design of Film Bulk Acoustic Filter

隨著無線通訊的蓬勃發展，高頻微波元件已成發展的關鍵。目前市場上高頻通訊頻段中濾波器主要有賴於表面聲波濾波器(Surface Acoustic Wave (SAW) Filter)，而對於表面聲波濾波器來說，頻率的高低主要取決於指插電極的間距，對於濾波頻段在2GHz左右，其間距需在0.5 μm以下。然而，現今製程技術上，對於指插電極間距的製作有其瓶頸之限制，在3GHz以上之濾波頻段則有賴於其他技術。薄膜體聲波濾波器（FBA Filter）因其濾波的原理決定於薄膜厚度，並非電極間距，加上目前薄膜成長技術可輕易成長0.1 μm膜厚以下之壓電薄膜，所以易於高頻上之應用。 本文即對於體聲波壓電薄膜共振器（Film bulk acoustic wave resonator，FBAR）之理論做一完整描述，並透過理論基礎寫成之True Basic 程式探討各層膜厚對於頻率的影響，此外，本文利用數值軟體ANSYS進行二維模擬分析，透過分析結果發現一維理論分析中所忽略考慮之額外結構對於頻率影響非常小，因此，一維理論分析中忽略該結構為合理的，而從數值模擬結果中亦發現當上電極長度縮小至一定程度下會對於共振頻率有所影響，不同以往採用調變上電極厚度之發法，本文提出利用改變上電極長度用以調變頻率之概念而組合帶通濾波器。摘要.................................................................................................................................I 符號表………………………………………………………………………………II 目錄…………………………………………………………………………………..III 圖目錄………………………………………………………………………………...V 表目錄…………………………………………………………………………….. VII 第一章 緒論…………………………………………………………………………..1 1.1 研究動機…………….…………………………………………………..1 1.2 文獻回顧…………….…………………………………………………..3 1.3 體聲波壓電薄膜共振子之簡介….……………………………………..6 第二章 壓電材料基本特性…………………………………………………………..8 2.1 基本理論....................................................…………………………......8 2.2 壓電晶體....................................................………………....…………11 第三章 體聲波壓電薄膜共振器之原理……………………………………………14 3.1 彈性體內的波傳行為…………………………………………………14 3.2 壓電體內的波傳行為…………………………………………………16 3.3 耦合係數………………………………………………………………19 3.4 一維模型………………………………………………………………20 3.5 阻抗矩陣………………………………………………………………21 3.5.1 非壓電平板之阻抗矩陣………………………………………...21 3.5.2 壓電平板之阻抗矩陣…………………………………………...23 3.6 等校電路………………………………………………………………25 3.6.1 非壓電平板之梅森等校電路…………………………………...26 3.6.2 壓電平板之梅森等校電路……………………………………...27 3.6.3 體聲波壓電薄膜共振器之梅森等校電路……………………...28 3.7 傳輸矩陣………………………………………………………………29 3.8 理論模擬與分析………………………………………………………32 3.8.1 模擬架構…………………………………………………….......32 3.8.2 各層膜厚對頻率的影響………………………………………...33 3.8.2.1 電極與振動薄膜之質量負載效應(mass loading)………...33 3.8.2.2 壓電膜厚變化之頻率偏移………………………………..34 第四章 數值模擬與分析……………………………………………………………36 4.1 有限元素法簡介與分析流程…………………………………………36 4.2 分析方法……..………………………………………………………..38 4.3 簡化結構之二維模擬與分析…………………………………………41 4.3.1 面積的影響…………………………………….…………..........41 4.3.2 電極與振動薄膜之質量負載效應(mass loading).……….……..42 4.4 整體結構之二維模擬與分析…………………………………………44 4.5 濾波器…………………………………………………………………47 第五章 結論與展望…………………………………………………………………53 參考文獻……………………………………………………………………………..54 附錄A...........................................................................................................................57 附錄B...........................................................................................................................5