Bulk Acoustic Wave Resonators and their Application to Microwave Devices

El crecimiento exponencial que han experimentado los sistemas de comunicaciones inalámbricos actuales durante los últimos años, ha dado lugar a la necesidad de disponer dispositivos de microondas de tamaño reducido y, a su vez, de altas prestaciones. El principal obstáculo con el que se encuentran los dispositivos basados en las tecnologías clásicas, es que dichas tecnologías no son compatibles con los procesos estándar de fabricación de circuitos integrados (IC). En este sentido, dispositivos de microondas basados en resonadores acústicos, en concreto resonadores BAW, ofrecen una solución a dicha limitación ya que son compatibles con los procesos estándar de fabricación de circuitos integrados. Por otro lado, dichos resonadores son excitados mediante una onda acústica cuya velocidad de propagación es alrededor de cuatro o cinco órdenes de magnitud menor que las ondas electromagnéticas, con lo que el tamaño del dispositivo también será menor en la misma proporción. La motivación de este trabajo viene dada por el escenario que se plantea. El documento está básicamente dividido en dos grandes bloques. El primer bloque que consta de los capítulos 2, 3 y 4 está dedicado al estudio de un resonador BAW. En primer lugar, el estudio se realiza para una estructura unidimensional, es decir, teniendo en cuenta que en el resonador solamente se propaga una onda acústica en la dirección longitudinal, con el objetivo de extraer los modelos circuitales que permiten la caracterización eléctrica de dicho resonador. Sin embargo, estos modelos no son capaces de predecir con exactitud el comportamiento eléctrico del resonador acústico ya que no contemplan efectos derivados de la propagación de ondas laterales. Así, la necesidad de incorporar una herramienta de simulación 3D se hace necesaria. Mediante el simulador 3D, el resonador se puede caracterizar por completo, así, el origen y las condiciones necesarias para la presencia de ondas laterales estacionarias pueden ser establecidas. La presencia de las ondas laterales generan efectos no deseados en la respuesta eléctrica del resonador básicamente en forma de degradación del factor de calidad y de la constante de acoplo electromecánico efectiva. Así pues, la mejora del comportamiento eléctrico del resonador se basa principalmente, en la minimización de la presencia de las ondas laterales no deseadas. Para ello se proponen dos soluciones diferentes: el apodizado y la inclusión de un anillo en el perímetro del electrodo superior. La primera solución consiste en diseñar el electrodo superior de manera que no existan caras paralelas. Con ello, los patrones de resonancia que se generan hacen que la onda deba viajar una distancia mayor con la correspondiente atenuación debida a las pérdidas del material. Sin embargo, aunque la amplitud de dichas ondas se ve claramente decrementada, el número de patrones resonantes aumenta respecto al caso convencional, y también el número de modos no deseados. Esto finalmente se traduce en una degradación del factor de calidad del resonador. La segunda solución consiste en forzar unas condiciones de contorno determinadas que hacen que las ondas laterales no puedan propagarse. Con esto, la respuesta del resonador aparece libre de modos no deseados con lo que el factor de calidad del resonador es mucho mayor que lo que se puede conseguir mediante el apodizado. El segundo gran bloque de este trabajo está dedicado a la aplicación de los resonadores acústicos al diseño de filtros. Este bloque se ha centrado básicamente en topologías en las que los resonadores acústicos están conectados eléctricamente, y en particular en topologías tipo"ladder". Este tipo de filtros presenta una selectividad alta debido a la presencia de un par de ceros de transmisión, pero a su vez un pobre rechazo fuera de banda debido al comportamiento capacitivo de dichos resonadores. Así, en primer lugar se propone una metodología de diseño con expresiones cerradas, en un primer lugar considerando negligible la presencia de los electrodos metálicos, y realizando alguna modificación en el proceso de diseño para incluir dichos efectos. Por otro lado, con el objetivo de mejorar las prestaciones del filtro fuera de banda, se propone como solución modificar los resonadores acústicos mediante la presencia de elementos reactivos (capacidades y bobinas) ya sea en serie o en paralelo. La modificación de dichos resonadores se da principalmente en la posición de las frecuencias de resonancia. Así, si en una topología ladder se incluyen resonadores modificados y no modificados, se genera un nuevo par de ceros de transmisión en la respuesta que hacen que el rechazo fuera de banda sea mayor. El último capítulo de este trabajo está dedicado al diseño de un filtro con una respuesta en transmisión que presenta dos bandas de paso. La topología está basada en la topología ladder clásica con la diferencia que, en lugar de tener una celda elemental formada por un resonador serie y paralelo, se tiene una celda elemental formada por dos resonadores serie y dos paralelos. Con esto, una banda de transmisión viene dada por la interacción de un resonador serie y uno paralelo, mientras que la segunda banda se da por la interacción del segundo par de resonadores. Con el método de diseño que se propone, cada una de las bandas puede ser diseñada a la frecuencia que se desee. Finalmente, se muestra el diseño de un filtro dual para la aplicación de GPS L1/L5 y Galileo E5a/E5b.The exponential growth in wireless communication systems in recent years has been due to the requirements of small high performance microwave devices. The main limitation of microwave devices based on traditional technologies is that these technologies are not compatible with the manufacturing process of standard integrated circuits (IC). Microwave devices based on acoustic resonators, and bulk acoustic wave (BAW) resonators in particular, overcome this limitation since this technology is compatible with standard IC technologies. Furthermore, acoustic resonators are excited by means of an acoustic wave with a propagation velocity around four or five times lower than the propagation velocity of electromagnetic waves, and the resulting size of the device is therefore also lower in the same proportion. This is the incentive behind this study. The study is basically divided into two blocks. The first block comprises the chapters number 2, 3 and 4, and is devoted to the study of the BAW resonator. First, the BAW resonator is studied in its one-dimensional form, i.e. considering that only a mechanical wave is propagated in the thickness dimension, in order to obtain the equivalent circuits which enable the electrical characterization of the BAW resonator. However, these models do not take into account effects due to lateral waves. The need for a 3D simulator tool therefore becomes evident. Using the 3D simulator, the electrical behaviour of the BAW resonator can be completely characterized, and the boundary conditions required as well as the origin of lateral standing waves can therefore be stated. The presence of lateral standing waves entails the degradation of the electrical performance of the BAW resonator, mainly in terms of the quality factor and the effective electromechanical coupling constant. The improvement in the electrical performance of the BAW resonator is therefore mainly based on its ability to minimize the presence of unwanted lateral modes. Two different solutions are proposed to that end: apodization and the presence of a perimetric ring on the top of the metal electrode. The former solution consists of designing the top electrode in such a way that non-parallel edges are found. The resonant paths thereby become larger and the resonant modes thus become more attenuated due to the material losses. However, although the strength of these modes is lower, more resonant modes are present since there are more possible resonant paths. This finally leads to the degradation of the quality factor of the BAW resonator. The latter solution consists of including a thickened edge load on the top of the metal electrode, which leads to boundary conditions in which lateral waves cannot propagate through the structure. By doing this, the electrical response of the BAW resonator is spurious-free and the quality factor obtained is thus higher than if the apodization solution is used. The second block of this thesis is devoted to the application of BAW resonator to the microwave filter design, and particularly to filters based on electrically connected BAW resonators, as in the case of ladder-type filters. This type of filter presents a very high selectivity due to the presence of a pair of transmission zeros, but a poor out-of-band rejection due to the natural capacitor divider. The design procedure using closed-form expressions is therefore presented first, with the effect of the metal electrodes considered negligible, and this procedure subsequently modified in order to include these effects. In order to improve the filter performance out-of-band, the proposed solution consists of modifying the BAW resonators with the presence of reactive elements (capacitors and inductances) in series or a shunt configuration. By doing so, the modification is directly related with the allocation of the resonant frequencies. The modified and non-modified BAW resonators are therefore connected in a ladder-type topology including a new pair of transmission zeros, making the out-of-band rejection higher. The final chapter of this study focuses on the design of a dual-band filter based on BAW resonators. The proposed topology is based on the conventional ladder-type topology but instead of having an elemental cell comprising a single BAW resonator in series and a shunt configuration, two series and two shunt BAW resonators are now present. By doing this, one of the transmission bands is related with one series and shunt BAW resonator and the second transmission band is due to the other pair of resonators. With the proposed design procedure, each of the transmission bands can be allocated to the desired frequencies. Finally, the design procedure is applied to the GPS L1/L5 and Galileo E5a/E5b applications