Come funzionano i filtri MEMS? Onde Lambda, SAW, BAW

Internet delle cose sta diventando sempre più grande, il che significa che sempre più dispositivi mobili (smartphone, tablet, computer, TV e persino frigoriferi e lavatrici) si contendono le lunghezze d'onda per trasmettere informazioni. Quasi tutti questi dispositivi sono multibanda e possono soddisfare diversi standard di trasmissione che permettono loro di comunicare nel modo più efficiente possibile. È per questo che si trovano sempre circondati da una quantità spropositata di radiofrequenze trasmesse nell'aria. Da questa situazione deriva uno dei principali problemi della comunicazione radio odierna: garantire un elevato flusso di dati senza interferenze o disturbi nei segnali ricevuti. Di conseguenza, tutti i dispositivi che devono trasmettere e/o ricevere segnali hanno un qualche tipo di filtro RF collegato ai loro ricevitori radio.

Filtri RF

Non esiste un campo di frequenze ampiamente accettato in cui è implementato ufficialmente un filtro RF. Tuttavia, il limite inferiore in cui è necessario utilizzare un filtro RF viene selezionato come limite massimo che l'elaborazione digitale del segnale può mantenere a un livello ragionevole. Nel mondo IoT di oggi, questo limite inizia a 100 MHz e il limite superiore si aggira intorno ai 10 GHz. Qualsiasi cosa al di sopra di questa frequenza ci porta nel mondo delle microonde. L'intervallo da 100 MHz a 6 GHz è utilizzato per i tipici contesti urbani e costituisce una larghezza di banda sufficiente per tutte le necessità di questi ambienti. Tuttavia, su queste frequenze vengono trasmesse diverse centinaia di segnali, dai servizi di radiodiffusione TV, alla telefonia mobile, alle reti WLAN e persino agli usi governativi/militari. Per questo motivo è necessario utilizzare filtri RF molto selettivi anche nei dispositivi più banali. Il livello di "selettività" di questi filtri comporta fattori di qualità estremamente elevati e basse perdite.

Il tipo di filtro RF utilizzato per le applicazioni sopra menzionate è solitamente un passa banda. Si tratta di filtri realizzati utilizzando una serie di induttori e condensatori collegati in strane e meravigliose topologie. Tuttavia, per quanto questi filtri siano apprezzati e adattabili, a causa delle perdite intrinseche degli induttori e dei condensatori, non sono idonei per applicazioni sopra i 500 MHz, poiché i loro valori Q non sono sufficientemente elevati da renderli precisi in queste bande.

Filtri MEMS di RF

Dobbiamo pertanto rivolgerci a risonatori meccanici come quelli a cristallo di quarzo e a diapason che possono raggiungere i valori Q di cui abbiamo bisogno, ben oltre 10.000. Poiché il quarzo è un materiale piezoelettrico, i risonatori al quarzo sono detti anche risonatori piezoelettrici. Il quarzo dà origine a un movimento meccanico quando vi viene applicata una carica e, viceversa, crea una carica se viene applicata una sollecitazione meccanica.

I vincoli geometrici e del materiale sono di solito quelli che dettano il fattore di qualità e le frequenze di risonanza di questi risonatori piezoelettrici meccanici. Per aumentare il campo di frequenze in cui questi risonatori possono funzionare, è quindi necessario impiegare materiali diversi e processi MEMS (sistemi microelettromeccanici) per produrre risonatori in grado di lavorare alle frequenze necessarie. Un materiale piezoelettrico che ha avuto molto successo è il nitruro di alluminio (AlN), soprattutto per le sue prestazioni rispetto all'efficienza di produzione.

Risonatori BAW e SAW

I due tipi principali di risonatori che esamineremo sono quelli a onde acustiche di volume (BAW) e quelli a onde acustiche di superficie (SAW).

Risonatori BAW

I risonatori BAW sono costituiti da un film piezoelettrico posto tra due elettrodi metallici. Questi elettrodi inducono un'onda acustica che si propaga verticalmente lungo il "BULK" del film piezoelettrico e forma un'onda stazionaria tra gli elettrodi.

Per impedire che le onde escano finendo nel substrato, esistono alcune configurazioni di filtri BAW: risonatori di tipo a membrana (MTR), risonatori acustici bulk a film sottile (FBAR) e risonatori montati solidamente (SMR).

I dispositivi FBAR e MTR utilizzano una cavità d'aria sotto l'area attiva, creando membrane sospese. Poiché l'impedenza acustica dell'aria è inferiore di un fattore 10^5 rispetto ai tipici materiali solidi, l'energia irradiata nell'aria è estremamente ridotta e il suo 99,995% viene riflesso.

Nel caso dei dispositivi SMR, un riflettore di Bragg acustico viene realizzato impilando più strati di materiali alternati, tutti con indici di riflessione diversi, per impedire alle onde di fuoriuscire nel substrato.

In qualsiasi interfaccia tra strati ad alta e bassa impedenza una grande percentuale dell'onda verrà riflessa e poiché gli strati sono distanziati tra loro di λ/4, la loro somma dà la fase corretta. L'utilizzo di tre coppie di strati di specchi può portare a una riflettanza sufficiente per qualsiasi scopo pratico se il rapporto di impedenza, z = Z1/Z2, tra gli strati è elevato. Un rapporto generale per la riflettanza di uno specchio con N coppie di strati di λ/4 di spessore è �� = 1 − ��^2N.

• Caratteristiche di progettazione - i fattori importanti per progettare questi risonatori:

Quando si realizza un dispositivo BAW è necessario tenere conto di diversi parametri del materiale:

• Il coefficiente di accoppiamento piezoelettrico K_eff² rappresenta fisicamente l'efficienza di conversione dell'energia del dispositivo ed è definito dalla distanza tra i picchi di risonanza in serie e quelli di risonanza in parallelo. Uno strato piezoelettrico con un accoppiamento troppo basso non sarà in grado di produrre filtri con la larghezza di banda necessaria per le applicazioni di telefonia mobile.



• L'equazione sopra riportata è utilizzata per calcolare il coefficiente di accoppiamento effettivo utilizzando la frequenza di risonanza in serie (fs) e in parallelo (fp).
• Costante dielettrica εr. Il livello di impedenza di un risonatore è determinato dalle dimensioni del risonatore, dallo spessore dello strato piezoelettrico e dalla costante dielettrica. Una costante dielettrica εr più alta permette di ridurre le dimensioni del risonatore.
• Velocità acustica: un materiale con una bassa velocità acustica determina strati piezoelettrici più sottili e quindi dispositivi più piccoli.
• Coefficiente di temperatura: rappresenta l'entità della variazione della frequenza al variare della temperatura.
• Per il risonatore BAW, la cifra di merito (FOM) è uno dei parametri più importanti e può essere definita come FOM = K_eff² × Q dove K_eff² è il coefficiente di accoppiamento effettivo e Q è il fattore di qualità. Un K_eff² superiore dà un'ampia larghezza di banda, auspicabile per la banda 5G.

• Caratteristiche risonanti:

La frequenza di risonanza del filtro è dettata dalla velocità acustica nel film piezoelettrico e dal suo spessore.



Dove v è la velocità acustica e d è lo spessore del film piezoelettrico. Anche lo spessore dell'elettrodo può influire sulla frequenza di risonanza e spessori diversi possono generare variazioni della frequenza che possono essere utilizzate per controllare il passa banda del filtro.

Risonatori SAW

A differenza dei filtri BAW, nei filtri SAW l'onda acustica e l'energia si propagano lungo un'unica "superficie" del substrato. Di conseguenza, le caratteristiche del risonatore SAW non dipendono dalla forma o dallo spessore del substrato come avviene invece nel caso dei filtri BAW.

I risonatori SAW possono essere suddivisi in due tipi principali: a una porta e a due porte. I riflettori sono posizionati su entrambi i lati dell'IDT (trasduttori interdigitati) di ingresso e di uscita per contenere l'onda all'interno di una cavità e creare risonanza.

• Caratteristiche di progettazione - i fattori importanti per progettare questi risonatori:

Le caratteristiche di progettazione dei filtri SAW sono molto simili a quelle dei filtri BAW, in quanto i coefficienti di accoppiamento e la velocità acustica svolgono un ruolo importante nell'influenzare le loro uscite. In particolare, esistono due modi principali per influenzare la frequenza di risonanza dei dispositivi SAW. Per aumentarla, è possibile ridurre la larghezza della linea della barra IDT e la spaziatura periodica. A tal fine, viene utilizzata una tecnologia litografica di alta precisione, come quella a raggi ultravioletti o a fasci di elettroni. In alternativa, si utilizza un substrato con una velocità acustica più elevata.

• Caratteristiche risonanti:

  

  dove "passo" è la distanza tra il centro dei due contatti lamellari degli IDT.

Risonatori a onde Lambda

I risonatori a onde Lambda utilizzano una struttura che è una combinazione di risonatori SAW e FBAR, per sfruttare i vantaggi di entrambi. Questa struttura consente di ottenere fattori di qualità più elevata e velocità di fase maggiori.

Per riflettere e contenere l'onda acustica si utilizzano griglie o riflettori a bordo flottante.

• Caratteristiche di progettazione - i fattori importanti per progettare questi risonatori:

Esistono tre condizioni limite principali: aperto-aperto, corto-aperto e corto-corto. In questo caso, l'effetto meccanico della metallizzazione viene ignorato. In altre parole, si presume che la metallizzazione sia infinitamente sottile. La metallizzazione abbassa leggermente la velocità di fase, ma solitamente questo aspetto viene ignorato a fini di semplicità.

Tuttavia, gli IDT doppi sono molto più complicati da fabbricare e quindi sono più costosi. Pertanto, la configurazione più diffusa è quella a IDT singolo e strato AIN spesso o a IDT flottante di tipo BE con strato AIN sottile.

• Caratteristiche risonanti:

La frequenza di risonanza di un risonatore a onde Lambda è data dal rapporto tra la velocità di fase del modo d'onda e la lunghezza d'onda, vale a dire

Conclusione

A frequenze di circa 2 GHz o inferiori, i filtri SAW sono in grado di respingere in modo eccellente i segnali indesiderati, mantenendo risposte di ampiezza piatta in tutto il campo di frequenze del passa banda. Sebbene i filtri BAW possano essere fabbricati per l'uso a frequenze inferiori a 1,5 GHz e ben al di sotto del campo di frequenza dei componenti SAW, le dimensioni maggiori dei componenti BAW a queste frequenze più basse comportano rendimenti inferiori dei componenti per wafer piezoelettrico, rendendo difficile competere con i filtri SAW sul fronte dei costi.

Tuttavia, poiché le dimensioni della struttura IDT si riducono con l'aumentare della frequenza nei risonatori SAW, le difficoltà di produrre componenti SAW con dimensioni IDT sufficientemente contenute per supportare frequenze più elevate rendono impraticabile questa soluzione. Per questo motivo, i filtri SAW non vengono utilizzati per le applicazioni 5G, perché a quelle frequenze non sono economicamente vantaggiosi rispetto ai filtri BAW. Oggi, le applicazioni 5G utilizzano i filtri FBAR in quanto possono funzionare in un intervallo compreso tra 100 MHz e 10 GHz. Gli FBAR presentano una perdita di inserzione inferiore - da 0,3 a 0,5 db - che equivale a un consumo di corrente estremamente più basso e, di conseguenza, a una maggiore autonomia della batteria per i dispositivi palmari.

Questa non è assolutamente una spiegazione completa dei filtri a risonatore, ma spero che serva come introduzione di alto livello ai filtri RF MEMS e alle teorie che ne consentono il funzionamento nel mondo reale.