Diseño de Filtros con topología apilada mediante resonadores FBAR

1. CONTEXTO DE LOS FILTROS RF En este primer tema se repasa el contexto de los filtros más relevantes que se usan en aplicaciones de frecuencia intermedia IF y   radio-frecuencia RF, explicando brevemente las principales características de cada uno, de manera que se sitúan en este contexto los filtros que se estudiarán en el trabajo, los Stacked Crystal Filter (SCF). Para introducir con más detalle los SCF, se explican de forma, más amplia, diversos conceptos de los resonadores Bulk Acoustic Wave (BAW), tales como las dos variantes para implementarlos o la resouesta eléctrica que presentan. Todos estos filtros tienen en común su principio básico de funcionamiento, el efecto piezoeléctrico, y la mayoría poseen de sus modelos equivalentes electrónicos respectivos.  1.1. EL EFECTO PIEZOELÉCTRICO   Es el efecto físico que predomina en todos los mecanismos expuestos a continuación. Consiste en la excitación de un material piezoeléctrico debido a la aplicación sobre éste de un campo eléctrico con variación senoidal, a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia del cristal. Debido a éste campo eléctrico, el material sufre una determinada variación de  su forma, se deforma, provocando un fenómeno propagativo acústico en su interior. Finalmente, esta vibración acústica, a su vez, produce un corriente entre los terminales eléctricos.  1.2. FILTROS DE CRISTAL El primer uso del cristal de cuarzo fue propuesto por Walter Cady en 1922 en su trabajo "The Piezo-Electric Resonator", en que se proponía el uso de un solo cristal para aplicaciones con un ancho de banda muy estrecho. No fue hasta los finales de la misma década en que se propusieron las primeras configuraciones lattice y ladder (enrejada y escalera respectivamente) que usaban múltiples cristales que mejoraban las prestaciones de la nueva tecnología. Así se conseguían distintas frecuencias de corte que dejaban pasar señales a determinadas frecuencias. El funcionamiento del dispositivo de cristal reside en atrapar una onda acústica, resultado de la vibración piezoeléctrica, gracias al mínimo acoplo existente entre el aire y el sólido piezoeléctrico. Este efecto se explicará con más detalle a continuación en los dispositivos Bulk Acoustic Wave (BAW). Con los años y  la  aparición  de nuevas necesidades  y aplicaciones como  la multiplexación de señales telefónicas o el mismo radar, hicieron que esta tecnología avanzara contundentemente, propiciando de esta manera la aparición de los MCF o Monolithic Crystal Filter, de amplio uso actualmente en aplicaciones de transmisión. Se trata de acoplar dos pares de electrodos a una pieza de cristal en lugar de usar un número discreto de cristales: cuando una señal entra por el primer par solo podrá pasar a través del piezoeléctrico si este resuena a la frecuencia de la señal. Permite mejoras en ciertos aspectos  de funcionamiento reduciendo sensiblemente el coste. Fig 1.1 – Diagrama de un Monolithic Crystal Filter [1.1] Los filtros de cristal presentan buenos parámetros como el factor de calidad Q, que se puede hallar con valores de hasta 10000, lo que significa una caída entre banda pasante y banda no pasante altísima y una atenuación mínima en banda pasante. Un ejemplo de esta característica aparece en la figura 1.2. Las pérdidas de inserción correspondientes a estos filtros se tabulan entre 1.5 y 3 dB y se alcanzan frecuencias de trabajo de hasta 100 MHz. Fig 1.2 - Respuesta frecuencial arbitraria de un filtro de red cristalina en topología de red con Q = 60 dB 1.3. FILTROS MECÁNICOS Se "transducta" energía eléctrica con mecánica y viceversa mediante el efecto piezoeléctrico: se trata de un transductor de resonancia mecánica. Recibe energía eléctrica, la transforma en vibraciones mecánicas para después de un determinado proceso  de  filtrado  mecánico  se  conviertan  esas  vibraciones  de  nuevo  a  energía eléctrica, obteniendo así en la salida una onda filtrada. Está constituido por los siguientes elementos: un transductor de entrada, un conjunto de discos metálicos de resonancia de aleación metálica puestos en serie que vibran a la frecuencia deseada, un tubo de acoplamiento que acopla los discos y un transductor de salida para sacar la señal eléctrica filtrada, ilustrado todo en la figura 1.3. Estos filtros son más robustos que los filtros de cristal o los cerámicos y tienen características  comparables  en  respuesta  de  frecuencia.  Por  el  contrario,  son  más grandes y pesados, hecho que los inhabilita para equipos de comunicación móvil. Fig 1.3 - Filtro mecánico de siete resonadores [1.3]  1.4. FILTROS CERÁMICOS De forma amplia, el principio de estos filtros es el mismo que el anterior, con la diferencia que ahora, el material resonante es una pieza de cerámica resonante, como el zinconato-titanato de plomo. También disponemos de dos electrodos sobre los que se fijan conectores eléctricos, de una capa de absorbente acústico que ocupa la mayor parte de  volumen  del  dispositivo  y  finalmente  de  dos  adaptadores  (eléctricos  y  de impedancias, sin entrar más en detalle). En cuanto a propiedades, la primera diferencia reside en el valor típico del parámetro Q, que para este tipo de filtros no supera nunca los 2000 en lineal, y las pérdidas de inserción son algo superiores respecto los filtros anteriores , entre 2 y 4 dB. Por otro lado cuentan con las características de selectividad simétrica o excelente inmunidad a condiciones ambientales adversas, son más baratos, más pequeños y más robustos, aunque su uso requiere de ciertas precauciones.   1.5. FILTROS SAW  Sus siglas provienen de Surface Acoustic Wave o onda acústica de superficie. Fue a partir de los años 60 cuando se empezaron a estudiar. Una década más tarde empezó su comercialización y actualmente aparecen en muchas aplicaciones de telecomunicaciones.  Estos  filtros  utilizan  un  fenómeno  en  que  la  velocidad    de propagación de la onda acústica por un sólido es del orden de 105  veces más pequeña que la velocidad de las ondas electromagnéticas. Su funcionamiento reside básicamente en guiar las ondas acústicas a largo de la superficie de un substrato piezoeléctrico, normalmente un cristal semiconductor, que tiene encima un seguido de transductores intercalados (dedos) en forma de fina película de aluminio, consiguiendo de esta manera una vibración del substrato (figura 1.4). Las vibraciones varían con la frecuencia de la señal aplicada y viajan por la superficie a la velocidad del sonido. La cronología de funcionamiento  es  la  siguiente:  primero  se  aplica  una  señal  eléctrica  a  una  pieza pequeña de cristal (ocupa la parte más grande de la superficie plana, de aluminio), y se transducta a señal acústica. Fig 1.4 – Filtro SAW. Observamos dos zonas con dedos metálicos La acción del filtro se basa en los dedos metálicos comentados en las líneas superiores, espaciados      2  o                                          4  de la frecuencia central de resonancia deseada. La onda a medida que viaja por el substrato va chocando contra los dedos, a partir de aquí lo que pasa es una suma de interferencias destructivas y constructivas que hace que se cancelen  unas  y  se  sumen  otras,  cancelándose  las  frecuencias  dependiendo  del espaciado entre dedos. De esta manera se produce un determinado filtrado que llega a otra pieza de cristal en el lado opuesto y "re-transducta" a energía eléctrica. En propiedades, estos filtros son atractivos por su factor Q, por su robustez y por su confiabilidad. El proceso de fabricación es eficaz y obtenemos tamaños y pesos muy competentes con otras tecnologías. Por el contrario, las pérdidas de inserción son altas, entre 2.5 y 3.5 dB, aunque se puede mejorar con arquitecturas mas complejas y no sobrepasan las frecuencias de trabajo de 2-3 GHz.. Se usan como filtros en las bandas RF e IF. En la siguiente figura se muestra una comparación entre los dos filtros principales explicados.  1.6. DISPOSITIVOS BULK ACOUSTIC WAVE (BAW)  Se basan en el mismo principio que los dispositivos de cristal, en que conseguimos  atrapar  una  onda  acústica  dentro  de  un  sustrato  sólido  piezoeléctrico debido a la mínima transferencia de energía, o desacoplo, entre éste y el aire alrededor. Esto se explica mediante las impedancias acústicas, que para el aire es 100.000 veces menor que para el sólido, por lo tanto toda la energía se reflectará en la interfaz sólido- aire y se mantendrá dentro del piezoeléctrico. Como los SAW, han estado bajo desarrollo durante los últimos 40 años [1.5] con el fin de conseguir más altas frecuencias que las alcanzables mediante el cristal de cuarzo    convencional.    El   gran    problema    que    presentaban    estos    resonadores convencionales de cristal de cuarzo era la necesidad de arquitecturas piezoeléctricas extremamente delgadas, para soportar la ~105 veces más pequeña longitud de onda de la señal acústica respecto la señal EM, además el cuarzo ofrece unas propiedades inadecuadas en las bandas de microondas. Los dispositivos BAW han solventado esa problemática,     y          no              solo           eso:         mediante                  eficaces     procesos    de   fabricación microelectrónicos,    MEMS   (Micro-Electromechanical   Systems),       que  permiten         la deposición de capas del orden de μm para conformar el resonador, obtenemos los dispositivos thin-film BAW o Thin Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR), que permiten fabricar  resonadores  y  filtros  para  el  uso  en  las  bandas  de  500  MHz  a  20  GHz, ampliando el uso a las bandas altas de frecuencia. Su finalidad es sustituir a los dispositivos SAW i cerámicos que actualmente se usan sobretodo en filtros de antena para aplicaciones móviles, y también, conseguir soluciones system-on-chip (SoC) o System-in-Package (SiP) debido a la reducción al orden de μm del tamaño físico de los dispositivos. Por lo tanto, estos dispositivos han realizado un paso crítico en la reducción de los módulos RF y todo su potencial se podrá exprimir en los productos wireless de nueva generación. Existen dos formas básicas de implementar dispositivos o resonadores BAW, una es mediante resonadores tipo membrana y la segunda es mediante resonadores Solidly Mounted (SMR). La forma más directa de aplicar el principio de funcionamiento de un cristal de cuarzo al rango de los GHz, es mediante el resonador tipo membrana. Se trata de construir el piezoeléctrico i los electrodos en una estructura de membranas o mediante un fina capa como membrana de soporte. Esta configuración permite la deposición mínima de capas en un resonador BAW. Fig 1.5 - Corte vertical de un resonador BAW del tipo membrana [1.5] Para formar la membrana se pueden usar técnicas micro-mecánicas para sustraer parte del sustrato o mediante una capa de sacrificio o falsa, ya que se pretende formar un hueco de aire. De esta manera, como la impedancia acústica del aire es de un factor de 105 veces más pequeña que los sólidos, extremadamente poca energía será radiada al aire en los electrodos superior e inferior. Los puntos fuertes de esta estructura son el disminuido número pequeño de capas a depositar y el potente factor Q que se puede alcanzar. Por contra, la estructura de membranas puede propiciar problemas debido al estrés que sufren las capas y propiciar un mal comportamiento. También existen problemas en la construcción del dispositivo, en la dispersión de calor y en las capacidades de gestión de potencia. Como alternativa al resonador de membrana, el aislamiento acústico del sustrato puede realizarse mediante un espejo acústico, conformando los resonadores SMR. Eficientes espejos acústicos pueden construirse alternando varias capas con valores de alta y baja impedancia acústica y un espesor equivalente a un cuarto de la longitud de onda  a  la  frecuencia  principal  de  resonancia.  Un  alto  porcentaje  de  la  onda  será reflectado en cada una de las interfaces entre altas y bajas impedancias y como las capas son de      4 , se producirá una suma constructiva de la fase de la onda. La fabricación de cristales requiere de la deposición de varias capas adicionales, con su aumento en el coste. Un espejo con excelente relación de impedancias Z puede estar hecho por ejemplo de tungsteno o óxido de silicio, en que con solo dos pares se pueden alcanzar reflexiones sobresalientes, o también de algún tipo de dieléctrico; aunque hay muchos factores a tener en cuenta del material para hacer una correcta elección, ya que nos podemos encontrar con materiales que tienen muchas pérdidas en bandas de GHz u otros que son inadecuados porqué en frecuencias por debajo los 500 MHz requieren de un espesor demasiado grueso. En comparación con el resonador de membrana, el SMR presenta una mayor robustez,  no  hay  riesgos  de  daños  mecánicos  en  ningún  punto  de  los  procesos fabricación  y  ensamblaje.  Finalmente,  si  se  requieren  unas  buenas  capacidades  de gestión de la potencia es recomendable añadir un camino a través del espejo para que se escape el calor, de esta manera reducimos la resistencia térmica significativamente. Fig 1.7 – Simbología y circuito equivalente Butterworth Van-Dyke con pérdidas para un resonador BAW [1.6] El circuito equivalente de un resonador BAW se obtiene a partir del modelo circuital Butterworth Van-Dyke, con la característica de que los elementos discretos que lo componen mantienen una estrecha relación entre si. De aquí viene que no se pueda aplicar la clásica teoría de filtros LC para los resonadores BAW. La  respuesta  eléctrica  de  un  resonador  BAW,  se  caracteriza  por  un  abrupto cambio en el comportamiento de la impedancia compleja dentro de un rango de frecuencias en que están presentes las frecuencias principales de resonancia y antiresonancia. Por encima y por debajo de estas resonancias, el comportamiento de la impedancia es dominado por la capacidad estática del resonador y su magnitud es proporcional a 1 f . El valor de su fase en estas frecuencias es de -90º. A medida que nos acercamos a la frecuencia de resonancia, la fase varia rápidamente de -90º a 90º, y justo en el punto dónde esta fase es nula queda definida la frecuencia de resonancia fr, que coincide también con el valor mínimo de la impedancia. 1.7. FILTROS BAW  Surgen de la necesidad de filtros para las bandas de 800 MHz hasta 10 GHz con la capacidad de evitar interferencias con otros sistemas de comunicación que trabajen a frecuencias próximas. Estos filtros, por lo tanto, necesitan características paso-banda muy selectivas en los rangos de frecuencias portadoras junto a la capacidad de gestionar óptimamente  los niveles  de  potencia  RF transmitidos  por  los  dispositivos móviles. Comparados con los filtros SAW, tienen una considerable mejor gestión y uso de la potencia y coeficientes de temperatura también mejores propiciando un funcionamiento más estable. Comparados con los filtros SAW y cerámicos, ofrecen un tamaño de los dispositivos mucho menor. Se componen de la conexión eléctrica de varios resonadores en una determinada topología o por la aplicación de resonadores acústicamente acoplados. En filtros con múltiples resonadores conectados eléctricamente e integrados en un chip (distinguimos los que están en serie y los paralelos), estos se tienen que sintonizar a las determinadas frecuencias de interés. El método más usado para conseguir las frecuencias deseadas es la desintonización [1.5] de los resonadores, un proceso de desplazamiento de frecuencia entre los 2 resonadores de una celda básica (un serie más un paralelo). A parte de su tamaño, los parámetros de los filtros BAW son buenos obteniendo un factor Q como máximo de 10000 y unas pérdidas de inserción típicas de 0.5 dB por sección. Se han conseguido frecuencias de operación de hasta 16 GHz aunque sus principales bandas de funcionamiento están previstas entre los 800 MHz y los 10 GHz, cubriendo   las                   necesidades                       de              los         transductores     wireless           como  Bluetooth, GSM/GPRS/EDGE, UMTS y el estándar IEEE 802.11a. 1.7.1.   FILTROS BASADOS EN RESONADORES ELECTRICAMENTE CONECTADOS 1.7.1.1.FILTROS LADDER El típico filtro ladder BAW se compone de múltiples celdas básicas conectadas eléctricamente en cascada, también llamadas etapas. Una celda se compone de un resonador serie y de un resonador paralelo. Los resonadores que componen una celda permiten obtener un ancho de banda bastante pequeño por lo que incrementado el número de etapas obtenemos anchos de banda mayores, o también podríamos obtener determinadas respuestas con un ancho muy limitado pero con máximos de transmisión espaciados entre si. El parámetro que permite tener anchos relativamente grandes es el coeficiente de acoplamiento Kt  1  que depende del material y debe de estar por encima de un mínimo determinado. 1.7.2.FILTROS  BASADOS  EN  RESONADORES  ACÚSTICAMENTE ACOPLADOS Diferenciamos dos: el Stacked Cristal Filter (SCF) y el Coupled Resonador Filter (CRF). Se conforman mediante la apilación vertical de resonadores en lugar de su conexión eléctrica. 1.7.2.1.EL SCF Es la configuración más simple de la familia de los resonadores acústicamente acoplados y el objeto de estudio sobre el que se desarrollará el trabajo. Su respuesta eléctrica es parecida a la descrita para los dispositivos  BAW (sección 1.6), pero la combinación apilada de dos resonadores BAW, provoca los siguientes cambios en el circuito equivalente BVD: Fig 1.11 – Simbología y circuito equivalente BVD con pérdidas para un SCF [1.6] Permite alcanzar excelentes atenuaciones en las bandas de rechazo y son de especial interés en aplicaciones con estrechos anchos de banda como filtros GPS. En fabricación requieren de dos piezoeléctricos y tres electrodos, el del medio a tierra y los otros dos para entrada y salida (figura 1.11). De esta manera el electrodo central realiza la función de aislante y no se transfiere energía de la entrada a la salida. Solo a la frecuencia de resonancia mecánica se transferirá energía caracterizando así la respuesta paso-banda. Es beneficioso usar resonadores SMR para atenuar los modos de onda no deseados que introducen cantidades de acoplamiento acústico. Es de difícil fabricación debido al requerimiento de exigentes controles de espesor 1.7.2.2.EL CRF Es un concepto innovador introducido recientemente y que extiende la idea del SCF. Dos resonadores piezoeléctricos se acoplan acústicamente en un diseño especial de  capas  apiladas  con  una  determinada  transmitividad  acústica  en  el  rango  de frecuencias de paso. Requiere dos piezo-layers, cuatro electrodos y un número de capas de acoplo. También es beneficioso usar espejos acústicos como en el SCF por el mismo motivo, eliminar componentes no deseadas. Fig 1.13 – Esquema de un CRF [1.5] Emmanuel Rodriguez C.I. 17208374 Asignatura: CRF Fuente: w3.iec.csic.es/URSI/articulos_modernos/madrid2008/PDF/CMiP11.pdf