¿Cómo funcionan los filtros MEMS? Onda lambda, SAW, BAW

El Internet de las cosas es cada vez más grande, lo que quiere decir que cada vez más dispositivos móviles (teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras, televisores e incluso REFRIGERADORAS Y LAVADORAS) ahora luchan por las longitudes de onda para transmitir información. Casi todos estos dispositivos son multibanda y pueden cumplir con múltiples estándares de transmisión diferentes que les permitan comunicarse de la manera más eficiente posible. Como tales, siempre están en entornos rodeados por una enorme cantidad de frecuencias de radio que se transmiten por el aire. Esto provoca uno de los problemas más importantes de las radiocomunicaciones en la actualidad: garantizar un alto flujo de datos sin interferencias ni ruidos en las señales recibidas. Por lo tanto, todos los dispositivos que usan transmisión o recepción de señales tienen algún tipo de filtro de RF conectado a sus receptores de radio.

Filtros de RF

No existe un rango de frecuencias ampliamente aceptado donde se emplee oficialmente un filtro de RF. Sin embargo, el límite inferior donde se debe utilizar un filtro de RF se selecciona como el límite máximo en el que el procesamiento de señales digitales se puede mantener en un nivel razonable. En el mundo actual del Internet de las cosas, este límite empieza en 100 Mhz, con el límite superior adherido a cerca de 10 GHz. Cualquier cosa por encima de dicha frecuencia lo ubica directamente en el territorio de las microondas. El rango de 100 Mhz a 6 GHz se usa para entornos urbanos típicos y es un ancho de banda suficiente para todos los usos en estos entornos. Sin embargo, se utilizan cientos y cientos de señales de transmisión diferentes debido a las frecuencias que utilizan los servicios de transmisión de TV, los servicios móviles, la WLAN e incluso los usos gubernamentales o militares. Debido a esto, es necesario utilizar filtros de RF muy selectivos incluso en los dispositivos más comunes. El alcance de la “selectividad” de estos filtros significa que deben tener factores de calidad extremadamente altos, así como pérdidas bajas.

El tipo de filtro de RF utilizado para las aplicaciones antes mencionadas suele ser un tipo de filtros de banda pasante, y sabemos que estos se pueden crear utilizando una serie de inductores y condensadores conectados en extrañas y maravillosas topologías. Sin embargo, por mucho que se adapten y respeten estos filtros, debido a las pérdidas intrínsecas en los inductores y condensadores, no son adecuados para aplicaciones por encima de los 500 Mhz ya que sus valores Q no pueden ser lo suficientemente altos para que sean precisos para nuestros usos.

Filtros MEMS de RF

Esto significa que debemos recurrir a resonadores mecánicos como el cristal de cuarzo y los resonadores de diapasón ya que estos pueden alcanzar los valores Q que necesitamos: más de 10,000. Los resonadores de cuarzo también se conocen como resonadores piezoeléctricos ya que el cuarzo es un material piezoeléctrico. Esto significa que el material creará un movimiento mecánico cuando se le aplique una carga y, a la inversa, creará una carga cuando se le aplique una tensión mecánica.

Generalmente, las restricciones geométricas y materiales son las que dictan el factor de calidad y las frecuencias de resonancia de estos resonadores piezoeléctricos mecánicos y, como tales, para aumentar el rango de frecuencias en el que estos resonadores pueden trabajar, se necesita utilizar diferentes materiales y procesos MEMS (sistemas microelectromecánicos) para fabricar resonadores que trabajen en las frecuencias necesarias. Un material piezoeléctrico que ha ganado mucho terreno es el nitruro de aluminio (AlN), principalmente por su rendimiento frente a la eficiencia de fabricación.

Resonadores de BAW y SAW

Los dos tipos principales de resonadores que revisaremos son los resonadores de onda acústica a granel (BAW) y los resonadores de onda acústica superficial (SAW).

Resonadores de BAW

Los resonadores de BAW consisten en una película piezoeléctrica entre dos electrodos metálicos. Estos electrodos inducen una onda acústica que se propaga verticalmente a lo largo del “granel” de la película piezoeléctrica y forma una onda estacionaria entre los electrodos.

Para evitar que las ondas escapen al sustrato, se pueden aplicar algunas configuraciones para los filtros de BAW: Los resonadores de membrana (MTR), los resonadores acústicos a granel de película delgada (FBAR) y los resonadores de montaje sólido (SMR).

Los dispositivos FBAR y MTR usan una cavidad de aire debajo del área activa, de manera que crean membranas suspendidas. Dado que la impedancia acústica del aire es un factor de 10^5 menor que en los materiales sólidos típicos, se irradia muy poca energía en el aire y se refleja el 99.995% de la energía.

En el caso de los dispositivos SMR, se puede fabricar un reflector acústico de Bragg apilando varias capas de materiales alternos, todos con índices de reflexión variables para evitar que las ondas se escapen al sustrato.

En cualquiera de las interfaces entre las capas de impedancia alta y baja se reflejará un gran porcentaje de la onda, y como las capas están separadas por un espacio de λ/4 entre sí, se sumarán con la fase correcta. El uso de tres pares de capas de espejo puede dar como resultado una reflectividad lo suficientemente buena para cualquier propósito práctico si la relación de impedancia, z = Z1/Z2, entre las capas es alta. Una relación general para la reflectividad de un espejo con N pares de capas de λ/4 de espesor es = 1−^2N.

• Características de diseño (¿cuáles son los factores importantes para diseñar estos resonadores?):

Se deben considerar diversos parámetros de los materiales al fabricar un dispositivo de BAW:

• El coeficiente de acoplamiento piezoeléctrico K_eff² representa físicamente la eficiencia de conversión energética del dispositivo y se define por la distancia entre los picos de la resonancia en serie y la resonancia paralela. Una capa piezoeléctrica con un acoplamiento demasiado bajo no podrá crear filtros con el ancho de banda necesario para las aplicaciones de los teléfonos móviles.



• La ecuación anterior se usa para calcular el coeficiente de acoplamiento efectivo usando las frecuencias de resonancia en serie (fs) y paralela (fp).
• Constante dieléctrica εr. El nivel de impedancia de un resonador está determinado por el tamaño del resonador, el espesor de la capa piezoeléctrica y la constante dieléctrica. Una constante dieléctrica εr más alta permite reducir el tamaño del resonador.
• Velocidad acústica: Un material con baja velocidad acústica dará como resultado capas piezoeléctricas más delgadas y, por lo tanto, dispositivos más pequeños.
• Coeficiente de temperatura: Representa la cantidad de cambio de frecuencia cuando cambia la temperatura.
• Para el resonador BAW, el coeficiente de calidad (FOM) es uno de los parámetros más importantes y se puede definir como FOM = K_eff² × Q, donde K_eff² es el coeficiente de acoplamiento efectivo y Q es el factor de calidad. Un K_eff² más grande ofrece un ancho de banda amplio, lo que es ideal para la banda 5G.

• Características resonantes:

La frecuencia de resonancia del filtro se establece por la velocidad acústica en la película piezoeléctrica y el espesor de la misma.



Donde v es la velocidad acústica y d es el espesor de la película piezoeléctrica. El espesor del electrodo también puede afectar la frecuencia de resonancia y los diferentes espesores de los electrodos pueden generar cambios de frecuencia que se pueden usar para controlar la banda de paso del filtro.

Resonadores de SAW

A diferencia de los filtros de BAW, en los filtros de SAW la onda acústica y la energía se propagan a lo largo de una sola “superficie” del sustrato. Como resultado, las características del resonador de SAW no dependen tanto de la forma o el espesor del sustrato como los filtros de BAW.

Los resonadores de SAW se pueden dividir en dos tipos principales: los resonadores de SAW de un puerto y los resonadores de SAW de dos puertos. Los reflectores están ubicados a ambos lados de los IDT (transductores interdigitados) de entrada y salida para contener la onda dentro de una cavidad y crear resonancia.

• Características de diseño (¿cuáles son los factores importantes para diseñar estos resonadores?):

Las características de diseño de los filtros de SAW son muy similares a las de los filtros de BAW en el sentido de que los coeficientes de acoplamiento y la velocidad acústica tienen un rol importante para afectar sus salidas. Pero más específicamente, hay dos formas principales de afectar la frecuencia de resonancia de los dispositivos SAW. Para aumentarlo, puede disminuir el ancho de línea y el espaciado periódico de la barra IDT. Esto utilizará tecnología litográfica de alta precisión como la litografía ultravioleta o la litografía por haz de electrones. La otra forma es utilizar un sustrato que tenga una mayor velocidad acústica.

• Características resonantes:

  

  donde “paso” es la distancia entre la mitad de los dos contactos IDT.

Resonadores de onda lambda

Los resonadores de onda lambda utilizan una estructura que es una combinación de los resonadores de SAW y FBAR para que puedan aprovechar las ventajas de ambos. Esta estructura permite factores de calidad más altos y velocidades de fase más grandes.

Los reflectores de borde flotante o rejillas se utilizan para reflejar y contener la onda acústica.

• Características de diseño (cuáles son los factores importantes para diseñar estos resonadores):

Hay tres condiciones de contorno principales: abierto-abierto, corto-abierto y corto-corto. Aquí se ignora el efecto mecánico de la metalización. En otras palabras, se supone que la metalización es infinitamente delgada. La metalización reduce ligeramente la velocidad de fase, pero, generalmente, esto se ignora por simplicidad.

Sin embargo, los IDT dobles son mucho más complicados de fabricar y, como tales, son más caros. Por ello, la configuración más utilizada es el tipo de IDT simple y una capa de AlN gruesa o un tipo de IDT flotante BE con una capa AlN delgada.

• Características resonantes:

La frecuencia de resonancia de un resonador de onda lambda es la relación entre la velocidad de fase del modo de onda y la longitud de onda, es decir

Conclusión

A frecuencias de alrededor de 2 GHz o menos, los filtros de SAW son capaces de rechazar de manera excelente las señales no deseadas mientras mantienen respuestas de amplitud planas en todo el rango de frecuencia de la banda de paso. Aunque los filtros de BAW se pueden fabricar para su uso en frecuencias por debajo de 1.5 GHz y dentro del rango de frecuencia de los componentes SAW, los tamaños más grandes de los componentes BAW en esas frecuencias más bajas dan como resultado rendimientos más bajos de los componentes por oblea piezoeléctrica, lo que hace difícil que sean rentables frente a los filtros de SAW.

Sin embargo, dado que las dimensiones de la estructura IDT se reducen con el aumento de la frecuencia en los resonadores de SAW, los desafíos de producir componentes SAW con dimensiones IDT suficientemente pequeñas para admitir esas frecuencias más altas lo hacen poco práctico. Por esto, los filtros de SAW no se usan para las aplicaciones 5G ya que no son rentables en comparación con los filtros de BAW en esas frecuencias. Hoy en día, las aplicaciones 5G usan filtros de FBAR porque pueden funcionar en el rango de 100 Mhz a 10 GHz. Los FBAR cuentan con una pérdida de inserción más baja, de 0.3 a 0.5 db, lo que equivale a un consumo de corriente significativamente menor y, como resultado, a un uso prolongado de la batería en dispositivos portátiles.

Esta no es una explicación exhaustiva de los filtros resonadores, pero espero que sirva como una introducción de alto nivel a los filtros MEMS de RF y las teorías subyacentes que les permiten funcionar en el mundo real.