Применение MEMS резонаторов для реализации УКВ фильтров

В связных радиоприемниках для реализации высокодобротных колебательных контуров, используемых в составе опорных генераторов, полосовых фильтров радиочастот и фильтров промежуточной частоты широко применяются механические резонаторы, выполненные в виде кварцевых резонаторов и резонаторов на поверхностных акустических волнах. Подобные резонаторы позволяют реализовывать добротность колебательного контура в диапазоне от 10³ до 10⁶.

Благодаря высокой добротности подобные устройства позволяют получать более узко-полосные фильтры, меньшие потери в полосе пропускания, по сравнению с LC фильтрами и фильтрами, выполненными на отрезках длинных линий. При разработке генераторов большая добротность Q позволяет уменьшить уровень фазовых шумов и уход частоты генератора, которые обратно пропорциональны квадрату добротности частотозадающего контура.

К сожалению, как кварцевые резонаторы, так и устройства на поверхностных акустических волнах, не могут быть выполнены непосредственно на полупроводниковом кристалле микросхемы, их размеры зависят от резонансной частоты. В результате приходится в корпусе микросхемы совмещать интегральную технологию полупроводникового кристалла и акустоэлектрические устройства. Эта проблема не позволяет в полной мере воспользоваться возможностями микроминиатюризации полупроводниковых кристаллов при производстве узлов аппаратуры связи.

Быстрый рост возможностей микромеханических технологий производства высокодобротных колебательных компонентов, совместимых с технологиями производства интегральных микросхем может привести к решению описанной выше проблемы. Особенно это актуально при производстве узкополосных фильтров радио и промежуточных частот, генераторов и направленных ответвителей, которые в настоящее время выполняются на отдельных от полупроводникового кристалла резонаторах или на дискретных пассивных элементах.

Перечисленные выше устройства, реализованные методами микромеханических техно-логий, могут не только решить описанную выше проблему, но и привести к существенному изменению методов разработки приемопередающих устройств, основанных на недоступных ранее преимуществах высокой добротности колебательных систем.

Принципы работы

Принцип работы механического резонатора точно такой же, как и гитарной струны. Гитарные струны выполняются из сплава железа и никеля и, например, пятая струна гитары (нота "ля") настраивается на частоту 110 Гц. Добротность этой струны составляет Q = 350. Для сравнения добротность LC контура, выполненного на поверхности полупроводникового кристалла Q ≈ 7. Точно таким же образом, как и гитарная струна, может быть изготовлен механический резонатор на частоту радиодиапазона. Правда, при этом он будет изготавливаться из полупроводникового материала, например, из поликристаллического кремния. При этом возбуждение механических колебаний и обратное преобразования в электрические колебания может быть выполнено электростатическим полем.

Рисунок 1. MEMS резонатор, выполненный в виде закрепленной на концах балки

Рассмотрим балку, закрепленную на концах, чертеж которой приведен на рисунке 1. В этом устройстве движущаяся и неподвижная часть представляют собой обкладки конденсатора. Постоянное напряжение V_p необходимо для создания электростатической силы, приводящей в движение балку. Постоянное электрическое поле выгибает балку, а переменное, приложенное к нижнему электроду, заставляет ее колебаться. Максимальная амплитуда колебаний будет на частоте механического резонанса, определяемого по формуле:

(1),

    где m_r = 10^–13 кг;
	E — модуль Юнга;
	ρ  — плотность материала;
	h  — толщина балки;
	L_r  — длина балки.

В соответствии с приведенным выражением, резонансная частота балки обратно пропорциональна ее длине. При колебании резонатора изменяется расстояние между электродами, что приводит к изменению емкости конденсатора C. Изменение емкости приводит к появлению переменного тока, описываемого выражением:

Формула тока, вызванного изменением ёмкости

(2),

Изменения емкости максимальны на частоте резонанса. Соответственно ток, передаваемый на выход подобной конструкции, тоже будет максимальным на частоте резонанса.

Реализация двухконтурного фильтра на MEMS-резонаторах

Простейший фильтр можно реализовать на двух MEMS-резонаторах. Пример конструкции подобного фильтра приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Двухрезонаторный MEMS фильтр, выполненный на двух балках, закрепленных на концах

В данной конструкции MEMS-фильтра входное напряжение подается на первый резонатор. Механические колебания передаются на второй резонатор через мостик связи. Именно этим мостиком определяется глубина связи между резонаторами. Колебания со второго резонатора снимаются выходным электродом и подаются на выходной усилитель. В изображенной на рисунке 2 конструкции предусмотрена подстройка частоты входного и выходного резонаторов постоянным напряжением, подаваемым на специальные электроды подстройки частоты.

При изготовлении фильтра на частоту 10 МГц из поликристаллического кремния длина резонаторов L_r составляет 40 мкм, ширина W_r = 8 мкм, толщина h = 2 мкм и расстояние до электродов d = 0,1 мкм. Размер корпуса микросхемы, в котором был смонтирован фильтр, составил 1000×1000×1000 мкм. При этом измеренная добротность резонаторов Q составляет 10000, что сопоставимо с добротностью кварцевых фильтров.

Выводы

Применение MEMS-резонаторов позволяет значительно сократить размеры микросхем.
Добротности MEMS-резонаторов сопоставимы с добротностями кварцевых резонаторов.
При изготовлении MEMS-фильтров можно применять хорошо отлаженными технологиями изготовления КМОП микросхем.

Дата последнего обновления файла 03.12.2020

Вместе со статьёй "Применение MEMS резонаторов для реализации УКВ фильтров" читают: