Учебное пособие 1935

функцию с резким спадом и высоким уровнем подавления сигнала в полосе задерживания.

Порядок фильтра определяется количеством входящих в него резонаторов.

Проектирование фильтра высшего порядка усложнено ограничением массы соединяющих подвесов, так как неравномерное распределение массы в центре и по краям резонаторов влечет за собой изменение частоты резонаторов и в результате – искажение полосы пропускания фильтра, которая к тому же зависит от отношения коэффициентов жесткости соединяющего подвеса и резонаторов.

Центральная частота фильтра f0 обусловливается в основном резонансной частотой однотипных резонаторов.

Ширина полосы пропускания фильтра может быть рассчитана следующим образом:

коэффициентов жесткости подвеса и резонатора. Динамический диапазон фильтра (DR) ограничен наличием шума: если в электронном фильтре основным источником является электронный шум, то в случае MEMS-фильтра – это шум, вызванный броуновским движением, который может быть уменьшен за счет конструкции.

Динамический диапазон фильтра MEMS-фильтра определяется выражением

где k - коэффициент упругости системы; a - постоянная, определяющая уровень допустимых искажений; d - зазор между электродом и резонатором; kB - постоянная Больцмана; T - температура.

132

Таким образом, с увеличением зазора d возрастает DR, но также усиливается и входной шум, что при разработке конструкции MEMS-фильтра требует принятия компромиссного решения между DR и минимальным уровнем детектируемого сигнала. MEMS-фильтр с f0=20 кГц и Qfr =50000, состоящий из двух гребневых резонаторов, и его АЧХ приведены на рис. 61.

Основные параметры разработанных на сегодня MEMSфильтров следующие: f0 – в диапазоне (300 кГц…2,5 ГГц) ; Qfr

–(1000…50000); уровень вносимых шумов – менее 2 дБ; для двухрезонаторных фильтров B = 0,2 %, уровень подавления шумов в полосе задерживания – 30 дБ, для трехрезонаторных – B = 0,09 %, уровень подавления шумов в полосе задерживания

–64 дБ; ТКЧ – порядка 10 6(0C) 1.

Рис. 61. MEMS-фильтр, состоящий из двух гребневых резонаторов, и его АЧХ

133

Таким образом, при разработке и применении MEMSфильтров необходимо учитывать ряд факторов: Qfr изменяется с частотой для определенного материала, что связано с частотно-зависимыми механизмами потери энергии; внесенное сопротивление электромеханического преобразователя должно быть минимизировано для обеспечения подавления входного шума и сглаживания паразитных искажений в полосе пропускания; значение f0 зависит от технологии и способа реализации подстройки частоты; на стабильность f0 оказывают влияние перепады температуры, равномерность распределения массы, изменения свойств материала в результате старения и другие внешние воздействия.

6.2. Технологии изготовления MEMS структур

Среди базовых технологий микроэлектромеханических систем следует выделить формирование микромеханической структуры с помощью кремниевой объемной и поверхностной микрообработок /36/, LIGA и SIGA-технологии. Под кремневой объемной микрообработкой понимают технологию глубинного объемного травления, причем травление может быть как жидкое (химическое анизотропное), так и плазменное (сухое). Сухое травлениеэто метод селективного удаления не маскированных участков поверхности. Особенности процесса заключаются в том, что его можно комбинировать с технологией тонких пленок и с технологией КМОП приборов. Этапы жидкого анизотропного травления представлены на рис. 62. Характерные размеры структур, полученные методом объемной микрообработки – несколько сотен микрон в длину и от долей до десятков микрон в толщину. Достоинство этой технологии заключается в ее простоте. а основные недостатки заключается в двухсторонней обработке пластин и сложности соединения объемных микроструктур с электронными компонентами. Технология поверхностной микрообработки основана на вытравливании опорного слоя из-под структуры, которая в итоге должна стать механически свободной. В большинстве случаев микроструктуры изготавливают из

134

поликристаллического кремния (Poly-Si), но возможно использование фосфоркварцевого стекла, никеля, нитрида кремнения (Si3N4). На рис. 63 приведены основные этапы изготовления элемента типа мембраны из поликристаллического кремния. В качестве основного слоя используется SiO2. Основными технологическими процессами являются фотолитография и травление поликристаллического кремния. Поликристаллический кремний или фосфоркварцевое стекло наносится плазмолитическим или химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении. Структуры, изготовленные с помощью поверхностной микрообработки, имеют размеры до нескольких десятков микрон в длину и до нескольких микрон в толщину.

Рис. 62. Этапы объемной микрообработки:

1 - исходная пластина, 2 - p+ легирование для получения слоя остановки травителя , 3 – осаждение эпитаксиального слоя. 4 – окисление, 4 – окисление, 5 – литография и травление SiO2 , 6 – анизотропное травление

Далее представлены этапы технологии поверхностной микрообработки.

135

процесс образования необходимых микроструктур. В последнее время широко применяется LIGAтехнология. Эта технология разработана и предназначена для изготовления исполнительных компонентов микросборок. Технология включает процессы рентгенолитографии и гальваники, в результате которых могут быть получены пластиковые или металлические структуры. Основные этапы LIGAтехнологии показаны на примере получения пластиковых микроструктур рис. 64. Характерные размеры структур изготовленных по LIGAтехнологии - сотни микрон в длину и десятки микрон в толщину. Достоинством технологи является возможность получать металлические структуры, а недостаткамидовольно большие размеры и плохая совместимость с процессами интегральной технологии. Кроме этого находят применение и другие технологии формообразования. К таким технологиям относится SiGA-технология. Согласно SiGA-технологии, она определяется процессами ультрафиолетовой литографией, гальваникой и формовкой. Эта технология позволяет управлять шириной профиля структуры и совместима с технологией тонких пленок. Технология включает следующие процессы: ультрафиолетовую литографию, осаждение слоев и плазменное травление, гальванику, получение копий из полимеров или металла.

Для изготовления микроэлектромеханических систем используется также HART-технология (high asptct ratio technologies) , позволяющая формировать структуры с большим отношением высоты к ширине (узкие и глубокие канавки). В основе технологии лежат процессы глубокого реактивноионного травления на специальных установках, которые позволяют проводить травление кремния на глубину до нескольких микрон при хорошем приближении стенок к вертикали.

137

6.Как происходит формирование микромеханической структуры с помощью кремниевой поверхностной микрообработки?

7.Чем определяется передаточная характеристика однопортового и двухпортового дисковых резонаторов?

8.Какие параметры имеют дисковые резонаторы на поликремнии и поликристалле алмаза при резонансных частотах от 0,5 до 2 ГГц?

9.От чего зависит резонансная частота MEMS-резонатора

сограничителем и поперечной вибрацией балочного упругого элемента?

10.Какие параметры имеют MEMS-резонаторы с ограничителем и поперечной вибрацией балочного элемента?

11.Чем характеризуются микрорезонаторы со свободно колеблющимися концами резонирующего элемента в поперечной плоскости?

12.От чего зависит частота двухпортного емкостноуправляемого MEMS-резонатора с ограничителем?

13.Какие параметры имеют двухпортовые емкостноуправляемые MEMS-резонаторы (CC-beam) с ограничителем?

14.Чем определяется резонансная частота резонаторов

спродольной вибрацией упругого элемента (FFL) и их основные параметры?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Успешное решение задач, связанных с вопросами разработки миниатюрных устройств частотной селекции требует знаний в области технологии изготовления ПАВ и MEMS– структур. Для обеспечения требуемой избирательности и глубины режекции конструкция фильтров может содержать один или несколько ВШП с отражательными структурами, или просто ВШП, соединенных как резонаторы. В пособии рассматриваются пьезоэлектрические материалы и их срезы, используемые в качестве материала звукопровода

139

фильтров на поверхностных акустических волнах, исследуются основные параметры этих материалов и рассматривается влияние температуры на основные параметры структур на поверхностных акустических волнах. Анализируется влияние

характеристики технологических погрешностей и их влияние на характеристики фильтров. При этом следует учитывать, что для оценки влияния производственных погрешностей при изготовлении структур преобразователей звукопроводов используется расчетный метод статиcтических испытаний. Рассмотрено влияние изменения угловой ориентации взаимного расположения преобразователей и ее связь с частотными характеристиками фильтров и резонаторов. Анализ расчетных кривых АЧХ отдельных преобразователей позволяет оптимально выбирать соотношения между числом электродов ВШП и их апертурой, а также частотами, на которые должны быть настроены рассчитанные ВШП с учетом полосы пропускания. Рассматриваются технологические процессы изготовления ПАВ и MEMSструктур и избирательных элементов на их основе.

Материал пособия полезен студентам старших курсов радиотехнических специальностей вузов и магистрам радиоэлектронных направлений.

140