引言

射頻（ＲＦ）濾波器已成為電子系統小型化、集成化及芯片化的瓶頸之一。薄膜體聲波諧振器（ＦＢＡＲ）是目前在５００ＭＨｚ～２０ＧＨｚ頻段實現高性能濾波器芯片化的重要途徑。ＦＢＡＲ是一種基于體聲波（ＢＡＷ）的新型電聲諧振器，通過壓電薄膜的逆壓電效應將電能轉換成聲波并形成諧振。基于測試與性能表征的方法。另外，也未見文獻報道低阻硅襯底對ＢＡＷ 濾波器性能的影響。

為了表征本課題組研制的Ｌ波段ＢＡＷ 濾波器第一輪工藝樣品的性能，使用射頻探針臺和矢量網絡分析儀（ＶＮＡ）測得其Ｓ 參數。為了從測得的Ｓ參數便捷地計算出ＢＡＷ 濾波器的各項性能參數，在ＡＤＳ軟件環境下建立了ＢＡＷ 濾波器性能參數的解算流程。此外，還根據測試和表征結果，討論了低阻硅襯底和器件工藝誤差對ＢＡＷ 濾波器性能的影響。

１　ＢＡＷ 濾波器的工作原理及結構

ＢＡＷ 濾波器多采用梯形拓撲結構，由一組串聯ＦＢＡＲ 和一組并聯ＦＢＡＲ 構成。所有串聯的ＦＢＡＲ有相同的諧振頻率，所有并聯的ＦＢＡＲ有另一個相同的諧振頻率，后者比前者略低。圖１為梯形拓撲結構ＢＡＷ 濾波器的頻率特性。為了獲得中心頻率為ｆ０、通帶帶寬為Δｆ 的窄帶帶通濾波器，串聯ＦＢＡＲ的串聯諧振頻率和并聯諧振頻率分別為ｆ０和ｆ０＋Δｆ／２，并聯ＦＢＡＲ的串聯諧振頻率和并聯諧振頻率分別為ｆ０－Δｆ／２和ｆ０。串聯ＦＢＡＲ的并聯諧振頻率構成了ＢＡＷ 帶通濾波器的上阻帶衰減點，并聯ＦＢＡＲ的串聯諧振頻率構成了ＢＡＷ帶通濾波器的下阻帶衰減點。當輸入信號頻率為ｆ０時，諧振頻率為ｆ０的串聯ＦＢＡＲ處于諧振狀態，呈低阻狀態；此時，并聯ＦＢＡＲ偏離諧振狀態，呈高阻狀態；因此電路對頻率為ｆ０的輸入信號無大的衰減。當輸入信號頻率為ｆ０－Δｆ／２時，由于此時并聯ＦＢＡＲ呈低阻狀態、串聯ＦＢＡＲ呈高阻狀態，信號傳輸過程將經歷多次衰減。同理，當輸入信號頻率為ｆ０＋Δｆ／２時，信號傳輸過程也將經歷多次衰減。這樣便實現了輸入信號的濾波［４］。

圖１　ＢＡＷ 濾波器的基本結構與其帶通特性

本文的待測器件（ＤＵＴ）為ＢＡＷ 窄帶帶通濾波器，其構成單元通孔型ＦＢＡＲ如圖２（ａ）所示。為了加工方便，構成濾波器芯片的８個ＦＢＡＲ單元置于同一個支撐膜片上，采用深反應離子刻蝕（ＤＲＩＥ）微加工背腔形成支撐膜片。支撐膜片是支撐層和溫度補償層的復合，以抑制ＦＢＡＲ 的頻率溫度系數（ＴＣＦ）。為了與射頻探針臺配備的Ｇ－Ｓ－Ｇ 探針兼容，ＢＡＷ 濾波器的焊盤設計成邊長為６０μｍ 的正方形，焊盤間距為１００μｍ；由圖２（ｂ）可知，外側為接地焊盤（Ｇ），中間為信號焊盤（Ｓ）；接地線環繞構成濾波器的８個ＦＢＡＲ單元以屏蔽電磁干擾。由于ＢＡＷ 濾波器為二端口器件，將兩組Ｇ－Ｓ－Ｇ焊盤分別設置在濾波器的兩側，且兩側的Ｓ焊盤分別與相應ＦＢＡＲ單元的底電極相連。表１為ＢＡＷ 濾波器中各ＦＢＡＲ單元的結構參數。

圖２　ＢＡＷ 濾波器的結構

表１　構成ＢＡＷ 濾波器的８個ＦＢＡＲ的結構參數

２　測試

采用射頻探針臺（ＣＡＳＣＡＤＥ　１２０００）和矢量網絡分析儀（Ｒ＆Ｓ　ＺＶＡ６７）測量ＢＡＷ 濾波器芯片的Ｓ 參數。ＢＡＷ 濾波器中心頻率的設計值約為１．５ＧＨｚ，由于是對第一輪流片的濾波器芯片進行測試，ＶＮＡ 掃頻范圍為０．５～２．５ＧＨｚ，掃頻步長為１ＭＨｚ。圖３為測試系統的照片及原理框圖。

圖３　測試系統

測量前需要首先校準測試系統，以消除系統誤差。具體方法是在探針臺所附顯微鏡的協助下，利用負載標準襯底，按照開路－短路－負載的校準步驟校準。負載標準襯底上有３ 種標準負載（見圖４（ａ）～（ｃ）），分別表示“開路”、“短路”和“５０Ω”。本文采用２－Ｐｏｒｔ　ＬＲＲＭ （線－反射－反射－匹配）的校準模式，該模式具有自動補償功能，可消除探頭位置變化引起的多種誤差，適用于圓片級測試。

圖４　用于射頻探針測試校準的負載標準襯底

接著進行ＢＡＷ 濾波器芯片的片上射頻探針測試。將濾波器圓片真空吸附在探針臺的承片臺上。

在探針臺顯微鏡的輔助下，將Ｇ－Ｓ－Ｇ探針對應壓緊濾波器芯片的Ｇ－Ｓ－Ｇ焊盤，探針另一端通過射頻電纜連接到ＶＮＡ。圖５為射頻探針測試時由探針臺顯微鏡獲取的多幅ＢＡＷ 濾波器芯片照片；由圖可知，Ｇ－Ｓ－Ｇ探針已壓在芯片的Ｇ－Ｓ－Ｇ 焊盤上，構成每個濾波器芯片的８個ＦＢＡＲ均位于襯底背面掏空的膜片（較黑的矩形區域）上。射頻探針臺配置的ＷｉｎＣａｌ軟件將射頻探針測試結果記錄在后綴名為ｗｒｐ的數據文件中，包括了Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１和Ｓ２２的測試數據。通過ＷｉｎＣａｌ軟件可將ｗｒｐ文件轉換為便于ＡＤＳ軟件處理的后綴名為Ｓ２Ｐ的文件。

圖５　射頻探針臺顯微鏡拍攝的ＢＡＷ 濾波器芯片的顯微照片

３　表征

為了從測得的Ｓ 參數便捷地計算出ＢＡＷ 濾波器的各項性能參數，在ＡＤＳ軟件環境下建立了ＢＡＷ 濾波器性能參數的計算方法和流程。首先在ＡＤＳ軟件中導入射頻探針測試獲得的Ｓ２Ｐ文件。具體方法是在ＡＤＳ軟件中新建一張原理圖，然后放置Ｓ２Ｐ元件和相應的Ｓ 參數端子，構成的射頻電路如圖６所示；以圖５中的２＃ 待測器件（ＤＵＴ），在Ｓ２Ｐ元件中導入測得的２＃ ＤＵＴ的Ｓ２Ｐ文件；由于測試時已觀測到ＢＡＷ 濾波器中心頻率的實測值與設計值吻合較好，為便于觀察Ｓ 參數曲線，將掃頻范圍縮小為１．２～１．８ＧＨｚ，步長仍為１ＭＨｚ。

圖６　在ＡＤＳ軟件中導入Ｓ２Ｐ文件的方法

在ＡＤＳ軟件繪圖框中的“Ｔｒａｃｅ　Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ”中輸入“ｄＢ（Ｓ（２，１））”，就能得到２＃ ＤＵＴ的傳輸特性第５期高楊等：體聲波濾波器的片上測試與性能表征（Ｓ２１）曲線，如圖７（ａ）所示。通常對于窄帶濾波器，ｆ０為插入損耗最小點所對應的頻率，取該曲線上絕對值最小點所對應的頻率即為ｆ０；插入損耗最小點左右各下降３ｄＢ高度所對應的頻率之差即為３ｄＢ帶寬。由于射頻探針測量Ｓ 參數時的掃頻步長設置為１ＭＨｚ，３ｄＢ帶寬的計算誤差在０～２ＭＨｚ之間。根據設計，取Ｓ２１曲線中ｆ０－２５ＭＨｚ和ｆ０＋２５ＭＨｚ兩個頻點處的ｄＢ值表征帶外抑制；帶內波動是通帶內ｄＢ值的極差；ｆ０處的插入損耗作為濾波器的帶內插損。

濾波器的電壓駐波比（ＶＳＷＲ）定義為［７］

因此，在繪圖框中的“Ｔｒａｃｅ　Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ”中輸入“（１＋ｍａｇ（Ｓ（１，１）））／（１－ｍａｇ（Ｓ（１，１）））”，得到２＃ ＤＵＴ的的ＶＳＷＲ 曲線，中心頻率ｆ０處的取值即為濾波器的ＶＳＷＲ 值，如圖７（ｂ）所示。

圖７　一只ＢＡＷ 濾波器的Ｓ２１

曲線和ＶＳＷＲ 曲線

４　結果與討論

表２為圖５所示多個ＢＡＷ 濾波器芯片樣品的射頻探針測試與性能表征結果。

表２　制備的ＢＡＷ 濾波器芯片的性能參數

圖８對比了２＃ ＤＵＴ實測與仿真的Ｓ２１曲線。仿真曲線是通過建立ＢＡＷ 濾波器中ＦＢＡＲ單元的Ｍａｓｏｎ模型計算得到的［８］。由圖可知，實測的中心頻率比仿真值小了約４０ＭＨｚ，主要原因是實際制備的ＢＡＷ 濾波器中的ＦＢＡＲ的膜層厚度較設計值偏厚［９］。實測的帶內波動大于仿真值，主要原因是由于ＦＢＡＲ 的薄膜沉積厚度誤差，導致了串聯ＦＢＡＲ的串聯諧振頻率與并聯ＦＢＡＲ的并聯諧振頻率不再相等。實測的帶內插損遠大于仿真值，極有可能是因為本文中的ＢＡＷ 濾波器是在低阻硅襯底上制備的（工藝失誤），低阻硅襯底會造成射頻信號的嚴重泄露。

圖８　ＢＡＷ 濾波器實測與仿真Ｓ２１曲線的對比

５　結束語

采用射頻探針臺和ＶＮＡ 測量了所制備的ＢＡＷ 濾波器芯片樣品的Ｓ 參數。由于ＢＡＷ 濾波器３ｄＢ帶寬的測量精度主要取決于ＶＮＡ 掃頻的步長，對于截止曲線極其陡峭的窄帶帶通ＢＡＷ 濾波器，ＶＮＡ的掃頻步長設置不宜太大，才更精確地測得濾波器的帶寬。可以采用兩步掃頻的測試方法，先大步長掃頻找到中心頻率的大致位置，再在覆蓋中心頻率較窄的頻帶內小步長掃頻測量Ｓ 參數。

為了從測得的Ｓ 參數便捷地計算出表征ＢＡＷ濾波器性能的各項指標，在ＡＤＳ軟件環境下建立了ＢＡＷ 濾波器性能參數的解算流程。獲得了這批ＢＡＷ 濾波器樣品的片上測試性能表征結果。與設計仿真結果（視為標準值）對比發現：低阻硅襯底會使ＢＡＷ 濾波器的帶內插損顯著增加；ＢＡＷ 濾波器中各薄膜體聲波諧振器（ＦＢＡＲ）單元的薄膜沉積厚度誤差會使ＢＡＷ 濾波器的帶內波動偏大，且ＦＢＡＲ薄膜厚度較設計值增大時ＢＡＷ 濾波器的中心頻率會向下偏移。后續流片中，應在高阻硅上制備ＢＡＷ 濾波器并嚴格控制ＦＢＡＲ膜層的厚度。