專利名稱：一種測量薄膜體聲波諧振器本征q值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻諧振器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測量薄膜體聲波諧振器本征Q值的方法。
背景技術(shù)：
在無線通信領(lǐng)域，高通信頻率、高傳輸速率、高密集復(fù)用和高集成化成為未來的發(fā) 展趨勢，這就對無線收發(fā)機(jī)的射頻、濾波器的濾波特性提出了更高要求。高Q值、可集成化 濾波器的諧振器技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展中。薄膜體聲波諧振器(FBAR)由于其高工作頻率、高 Q值、低溫度系數(shù)、高功率承載能力、可集成及小體積的特點(diǎn)，在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的 應(yīng)用。隨著集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)BAR的性能有了大幅度的提高，Q值越來越高，濾 波特性越來越好。但是由于電路制造過程中存在的寄生效應(yīng)(比如PAD和互聯(lián)線引進(jìn)的寄 生參數(shù))，F(xiàn)BAR的Q值將顯著降低，同時(shí)FBAR的諧振頻率也出現(xiàn)一定程度的偏移。這些效 應(yīng)對于FBAR的設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生了比較大的影響，制造出來的器件會與原有設(shè)計(jì)性能有較大 的偏差。目前，F(xiàn)BAR的Q值測定主要使用的是S參數(shù)測試方法。但是這些方法所得到的結(jié) 果沒有排除寄生參數(shù)的影響，使得其與本征Q值存在偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種測量薄膜體聲波諧振器本征Q值的方法，解決了現(xiàn)有方法測得 的Q值與本征Q值存在較大偏差的問題。一種測量薄膜體聲波諧振器本征Q值的方法，包括以下步驟(1)基于Packaging Modified Butterworth-Van Dyke (PMBVD)模型將由薄膜體聲 波諧振器及其寄生電路構(gòu)成的整體電路拆分成三個(gè)級聯(lián)的二端口網(wǎng)絡(luò)；二端口網(wǎng)絡(luò)；其中第一二端口網(wǎng)絡(luò)為輸入寄生電路的模型、第二二端口網(wǎng)絡(luò)為FBAR本身的模 型，第三二端口網(wǎng)絡(luò)為輸出寄生電路的模型。(2)讀取若干個(gè)工作頻率下整體電路的S參數(shù)并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的T參數(shù)，利用公 式T2 = TT1-1T3-1計(jì)算得到相應(yīng)工作頻率下第二二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，轉(zhuǎn)換成S參數(shù)S，
5= iu，Sn、S12、S21、S22為S矩陣中的四個(gè)數(shù)值，確定所有工作頻率下S11和S12的最
小值以及相對應(yīng)的工作頻率Ws和Wp J1表示第一二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，T2表示第二二端口 網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，T3表示第三二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，T表示整體電路的T參數(shù)；當(dāng)工作頻率小于本征串聯(lián)諧振頻率，工作頻率增大，S11隨之減小，而當(dāng)工作頻率大 于本征串聯(lián)諧振頻率，工作頻率增大，S11隨之增大。當(dāng)工作頻率小于本征并聯(lián)諧振頻率，工 作頻率增大，S21隨之減小，而當(dāng)工作頻率大于本征并聯(lián)諧振頻率，工作頻率增大，S21隨之增 大。通過計(jì)算一系列工作頻率下第二二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)S中S11值和S12值，可以擬合得到它們兩者與工作頻率之間的關(guān)系曲線，從而確定它們在所有工作頻率下的最小值。通過制造廠商的說明文件，可以得到第一二端口網(wǎng)絡(luò)和第三二端口網(wǎng)絡(luò)的寄生參 數(shù)值，通過寄生參數(shù)值可以計(jì)算得到它們兩者的T參數(shù)。通過射頻探針臺及網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量得到整體電路的S參數(shù)，轉(zhuǎn)換得到它的T參數(shù)。為了減少取值次數(shù)，可以事先測得整體電路中的FBAR的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧 振頻率，在工作頻率取值時(shí)，選擇串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率周圍區(qū)間的頻率值，該區(qū)間 在士0.01 0. 1GHz，取值幅度可以選擇在0. 001GHz，為了處理方便，可以選取最接近最低 點(diǎn)的值，所測得的工作頻率和％即分別是本征串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率。(3)利用式(1)求得本征Q值； Qs表示薄膜體聲波諧振器的本征Q值，Sllmin和S21分別表示S11和S122的最小值。與現(xiàn)有其他方法相比，本發(fā)明的薄膜體聲波諧振器本征Q值測量方法能將FBAR制 造過程所引入的寄生參數(shù)的影響消除，得到精確的FBAR本征Q值以及準(zhǔn)確的本征諧振頻率。


圖1是本發(fā)明FBAR的PMBVD模型示意圖；圖2是級聯(lián)構(gòu)成FBAR的三個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖3是不含寄生參數(shù)FBAR的仿真結(jié)果示意圖；圖4是包含寄生參數(shù)FBAR的仿真結(jié)果示意圖；圖5計(jì)算前(包含寄生參數(shù))和計(jì)算后(計(jì)算消除寄生影響)S11參數(shù)與工作頻率 關(guān)系圖；圖6計(jì)算前(包含寄生參數(shù))和計(jì)算后(計(jì)算消除寄生影響)S21參數(shù)與工作頻率 關(guān)系圖
具體實(shí)施例方式如圖1和圖2所示，薄膜體聲波諧振器(FBAR)及其寄生電路基于PMBVD模型可拆 分為三個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，分別為二端口網(wǎng)絡(luò)201、二端口網(wǎng)絡(luò)202、和二端口網(wǎng)絡(luò)203。二端口 網(wǎng)絡(luò)201由寄生電感101、寄生電容102和寄生電阻103組成，二端口網(wǎng)絡(luò)203由寄生電感 104、寄生電容105和寄生電阻106組成，二端口網(wǎng)絡(luò)202包括諧振工作區(qū)107。薄膜體聲波諧振器為由壓電薄膜層和上、下極板構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，壓電層和 電極材料分別為ZnO和Al，壓電層的面積為200umX200um，厚度為2um，鋁電極的面積為 IOOumX IOOum0本實(shí)施例寄生電感為ΙρΗ、寄生電容為160fF、寄生電阻為180 Ω。如圖3所示，對單獨(dú)的FBAR進(jìn)行ADS仿真，得到本征串聯(lián)諧振頻率和本征并聯(lián)諧 振頻率分別為1. 462GHz和1. 513GHz, S11和S21的最小值分別為0. 005082和0. 01029。代入公式(1)得到Qs為2000。如圖4所示，對連接寄生電路的FBAR進(jìn)行ADS仿真，得到它的串聯(lián)諧振頻率和并 聯(lián)諧振頻率分別為1. 467GHz和1. 513GHz，S11和S21的最小值分別為0. 01504和0. 009864， 代入公式⑴計(jì)算得到Qs為1182，明顯小于FBAR的本征Q值。在串聯(lián)諧振頻率1. 467GHz周邊選取20個(gè)點(diǎn)，范圍是1. 457GHz 1. 476GHz，間隔 為1MHz，讀取每個(gè)頻率點(diǎn)整體電路的S參數(shù)并轉(zhuǎn)化為T參數(shù)T，計(jì)算二端口網(wǎng)絡(luò)201和二端 口網(wǎng)絡(luò)203的T參數(shù)T1和T3,根據(jù)公式T2 = TTr1IV1計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)二端口網(wǎng)絡(luò)202的T 參數(shù)T2，轉(zhuǎn)化為S參數(shù)，得到S參數(shù)中S11值，具體結(jié)果如圖5所示。選取S11最小值0. 0068， 同時(shí)得到該值處的頻率1. 462GHz,即本征串聯(lián)諧振頻率。同理，在并聯(lián)諧振頻率1. 513GHz周邊選取20個(gè)點(diǎn)，范圍是1. 504GHz 1. 523GHz, 間隔為1MHz，讀取每個(gè)頻率點(diǎn)整體電路的S參數(shù)并轉(zhuǎn)化為T參數(shù)T，計(jì)算二端口網(wǎng)絡(luò)201和 二端口網(wǎng)絡(luò)203的T參數(shù)T1和T3,根據(jù)公式計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)端口網(wǎng)絡(luò)202的T參數(shù)T2，轉(zhuǎn) 化為S參數(shù)，得到S參數(shù)中S21值，具體結(jié)果如圖6所示。選取S21最小值0. 0098，同時(shí)得到 該值處的頻率1. 513GHz,即本征并聯(lián)諧振頻率。上述是一種近似的處理方法，當(dāng)然可以通過 增加取點(diǎn)數(shù)，減小間隔獲得更精確的數(shù)值。
如下表所示，列舉了 FBAR本征數(shù)值、帶寄生影響FBAR的仿真數(shù)值以及本發(fā)明方法 測量數(shù)值，可以看出本本發(fā)明方法能得到準(zhǔn)確的本征諧振頻率，同時(shí)得到較為精確的Q值。
權(quán)利要求
一種測量薄膜體聲波諧振器本征Q值的方法，包括以下步驟(1)基于PMBVD模型將由薄膜體聲波諧振器及其寄生電路構(gòu)成的整體電路拆分成三個(gè)級聯(lián)的二端口網(wǎng)絡(luò)；(2)讀取若干個(gè)工作頻率下整體電路的S參數(shù)并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的T參數(shù)，利用公式T2＝TT1-1T3-1計(jì)算得到相應(yīng)工作頻率下第二二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，轉(zhuǎn)換成S參數(shù)S，S11、S12、S21、S22為S矩陣中的四個(gè)數(shù)值，確定所有工作頻率下S11和S12的最小值以及相對應(yīng)的工作頻率wS和wP；T1表示第一二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，T2表示第二二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，T3表示第三二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，T表示整體電路的T參數(shù)；(3)利用式(1)求得本征Q值； <mrow><msub> <mi>Q</mi> <mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <msub><mi>w</mi><mi>S</mi> </msub> <msub><mi>w</mi><mi>P</mi> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <msub><mi>w</mi><mi>S</mi> </msub> <msub><mi>w</mi><mi>P</mi> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><msqrt> <mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <msub><mi>S</mi><mrow> <mn>21</mn> <mi>min</mi></mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>|</mo> <msub><mi>S</mi><mrow> <mn>21</mn> <mi>min</mi></mrow> </msub> <mo>|</mo></mrow> </mfrac> <mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <msub><mi>S</mi><mrow> <mn>11</mn> <mi>min</mi></mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>|</mo> <msub><mi>S</mi><mrow> <mn>11</mn> <mi>min</mi></mrow> </msub> <mo>|</mo></mrow> </mfrac></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>QS表示薄膜體聲波諧振器的本征Q值，S11min和S21min分別表示S11和S21的最小值。FSA00000148473300011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)工作頻率的選取方法為 測量整體電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率，選取整體電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率周圍士0. 01 0. IGHz區(qū)間內(nèi)的頻率作為工作頻率，間隔1MHz。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量薄膜體聲波諧振器本征Q值的方法，包括以下步驟(1)基于PMBVD模型將由薄膜體聲波諧振器及其寄生電路構(gòu)成的整體電路拆分成三個(gè)級聯(lián)的二端口網(wǎng)絡(luò)；(2)讀取若干工作頻率下整體電路的S參數(shù)并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的T參數(shù)，利用公式T2＝TT1-1T3-1計(jì)算得到相應(yīng)工作頻率下第二二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)S，確定S中S11和S12所有工作頻率下的最小值以及相對應(yīng)的工作頻率wS和wP，(3)利用式(1)求得本征Q值；與現(xiàn)有其他方法相比，本發(fā)明的薄膜體聲波諧振器本征Q值測量方法能將FBAR制造過程所引入的寄生參數(shù)的影響消除，得到精確的FBAR本征Q值以及準(zhǔn)確的本征諧振頻率。
文檔編號G01R27/26GK101865955SQ20101019404
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者吳夢軍, 張慧金, 程維維, 董樹榮, 韓雁 申請人:浙江大學(xué)