람다파, SAW, BAW를 통해 MEMS 필터가 작동하는 방법

사물 인터넷(IoT)은 꾸준히 성장해왔습니다. 스마트폰, 태블릿, 컴퓨터, TV는 물론이고 냉장고와 세탁기까지 점점 더 많은 모바일 장치가 정보를 송신하기 위해 파장을 두고 경쟁을 벌이고 있습니다. 이러한 장치 중 대부분은 다대역이며 여러 다른 전송 표준에 맞춰 가능한 가장 효율적인 방식으로 통신할 수 있습니다. 따라서 이러한 장치가 있는 환경은 공중으로 전송되는 지독하게 많은 무선 주파수에 항상 둘러싸여 있습니다. 이로 인해 무선 통신에 대한 주요 문제가 발생합니다. 바로 수신된 신호에 전파 방해나 잡음 없이 높은 데이터 흐름을 보장하는 것입니다. 이런 이유로 신호 전송 및/또는 수신을 사용하는 모든 장치에는 무선 수신기에 연결된 일종의 RF 필터가 있습니다.

RF 필터

RF 필터를 공식적으로 사용하는 주파수 범위는 널리 인정되지 않습니다. 그러나 RF 필터를 사용해야 하는 하한값은 디지털 신호 처리를 합당한 수준으로 따를 수 있는 최대 한도로 선택됩니다. 오늘날의 IoT 환경에서 한도는 100MHz에서 시작하며 상한으로 약 10GHz를 준수합니다. 해당 주파수 이상이면 극초단파 영역에 정확하게 위치합니다. 100Mhz ~ 6GHz의 범위는 일반적인 도시 설정에 사용되며 이러한 환경에 있는 모든 용도에 충분한 대역폭입니다. 그러나 TV 방송 서비스, 모바일 서비스, WLAN, 심지어 정부/군 용도로 채워진 주파수로 인해 수많은 여러 통신 신호가 있으므로 가장 일상적인 장치에도 매우 감도가 좋은 RF 필터를 사용해야 합니다. 이러한 필터의 “감도” 범위는 필터에 극도로 높은 품질 계수가 있어야 하며 손실이 낮아야 함을 의미합니다.

앞서 언급한 응용 분야에 사용되는 RF 필터 유형은 보통 대역 통과 필터 유형이며, 필터는 이상하고도 멋진 토폴로지에서 연결된 일련의 인덕터 및 커패시터를 사용하여 만들 수 있습니다. RF 필터는 적용 가능하여 사용할 수 있지만, 인덕터와 커패시터의 고유한 손실로 인해 500MHz 이상인 응용 분야에는 적합하지 않습니다. Q값이 사용하기에 정확할 정도로 충분히 높아질 수 없기 때문입니다.

RF MEMS 필터

해당 필터는 수정 진동자 공진기 및 소리굽쇠 공진기는 필요한 Q값을 10,000개가 넘게 달성할 수 있으므로 이와 같은 기계식 공진기로 전환해야 합니다. 석영 공진기는 석영이 압전 소재이므로 압전 공진기라고도 알려져 있습니다. 이는 전하가 공급되면 소재는 기계적으로 이동하고 기계적 응력이 적용되면 역으로 전하가 생성된다는 의미입니다.

이러한 기계적 압전 공진기의 품질 계수 및 공진 주파수는 일반적으로 기하학적 제약과 소재 제약에 따라 좌우됩니다. 따라서 공진기가 작동할 수 있는 주파수 범위를 늘리는 것은 필요한 주파수에서 공진기가 작동하도록 제조하기 위해 여러 소재와 MEMS(마이크로 일렉트로닉 시스템) 공정을 도입해야 한다는 의미입니다. 하나의 압전 소재인 질화 알루미늄(AIN)은 주로 성능 대비 제조 효율성 측면에서 제동을 많이 얻었습니다.

BAW 및 SAW 공진기

살펴볼 두 가지 주요 공진기 유형은 벌크 음향파(BAW) 공진기와 표면 음향파(SAW) 공진기입니다.

BAW 공진기

BAW 공진기는 두 개의 금속 전극 사이에 위치한 압전 필름으로 구성됩니다. 이러한 전극은 압전 필름의 “벌크”를 따라 수직으로 전파되고 전극 사이에 정재파를 형성하는 음향파를 유발합니다.

파형이 기판으로 나가지 않도록 하려면 BAW 필터에서 몇 가지를 구성해야 합니다. 여기에는 멤브레인 유형 공진기(MTR), 박막 벌크 음향 공진기(FBAR), 고상 적층 공진기(SMR)가 있습니다.

FBAR 및 MTR 장치는 활성 영역 하에서 에어 캐비티를 사용하여 부유 멤브레인을 생성합니다. 공기의 음향 임피던스가 일반적인 고체 소재에서보다 계수가 10^5 더 낮기 때문에 극소량의 에너지가 공기 중으로 방출되고 그 에너지의 99.995%가 반사됩니다.

SMR 장치의 경우 음향 브래그 반사층은 파형이 기판을 빠져나가는 것을 방지하기 위해 다양한 반사 지수로 구성된 여러 개의 대체 소재 레이어를 쌓아서 만듭니다.

높은 임피던스 레이어와 낮은 임피던스 레이어 사이의 모든 인터페이스에서 파형이 큰 비율로 반사되고 두 레이어는 서로 λ/4만큼 떨어져 있을 때 정확한 위상으로 합산됩니다. 세 쌍의 미러 레이어를 사용하면 레이어 사이의 임피던스 비율 z=Z1/Z2가 높을 경우 모든 실제 용도에 충분한 반사율을 얻을 수 있습니다. λ/4 두께인 N개의 레이어 쌍이 있는 미러의 반사율에 대한 일반적인 관계는 1−^2N입니다.

• 설계 특성(이런 공진기를 설계하기 위해 중요한 요소는 무엇인가?)은 다음과 같습니다.

일부 소재 파라미터는 BAW 장치를 만들 때 다음 사항을 고려해야 합니다.

• 압전 커플링 계수 K_eff²는 장치의 에너지 변환 효율을 물리적으로 나타내며 직렬 공진 및 병렬 공진 피크 사이의 거리로 정의됩니다. 커플링이 너무 낮은 압전 레이어로 인해 휴대 전화 애플리케이션에 대한 필요 대역폭으로 필더를 만들 수 있습니다.



• 위의 방정식은 직렬(fs) 및 병렬(fp) 공진 주파수를 사용하여 효율적인 커플링 계수를 계산하는 데 사용됩니다.
• 유전체 상수 εr. 공진기의 임피던스 수준은 공진기 크기, 압전 레이어 두께, 유전체 상수로 결정됩니다. 유전체 상수 εr가 높을수록 공진기 크기를 줄일 수 있습니다.
• 음향 속도: 음향 속도가 낮은 소재로 인해 압전 레이어가 더욱 얇아져 장치가 더욱 작아집니다.
• 온도 계수: 온도가 변경될 때 주파수 편이의 양을 나타냅니다.
• BAW 공진기의 경우 성능 지수(FOM)는 가장 중요한 파라미터 중 하나이며 K_eff²가 효율적인 커플링 계수이고 Q가 품질 계수인 곳에서 FOM=K_eff²×Q로 정의할 수 있습니다. K_eff²가 클수록 5G 대역에 적합한 넓은 대역폭이 제공됩니다.

• 공진 특성은 다음과 같습니다.

필터의 공진 주파수는 압전 필름과 압전 필름의 두께의 음향 속도에 따라 결정됩니다.



여기서 v는 음향 속도이고 d는 압전 필름 두께입니다. 전극의 두께는 공진 주파수에도 영향을 미칠 수 있으며 전극 두께가 다르면 필터의 통과 대역을 제어하기 위해 사용할 수 있는 주파수 편이가 발생할 수 있습니다.

SAW 공진기

BAW 필터와는 달리 SAW 필터에서는 음향파와 에너지가 기판의 단일 “표면”을 따라 전파됩니다. 따라서 SAW 공진기의 특성은 BAW 필터만큼 기판의 모양이나 두께에 좌우되지 않습니다.

SAW 공진기는 포트가 1개인 SAW 공진기와 포트가 2개인 SAW 공진기인 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다. 반사층은 입력 및 출력 IDT(인터디지털 트랜스듀서)의 양쪽에 위치하여 캐비티 내의 파향을 포함하고 공진을 생성합니다.

• 설계 특성(이런 공진기를 설계하기 위해 중요한 요소는 무엇인가?)은 다음과 같습니다.

SAW 필터의 설계 특성은 커플링 계수와 음향 속도가 해당 출력에 영향을 주는 강력한 역할을 한다는 점에서 BAW 필터와 매우 유사합니다. 그러나 더욱 구체적으로는 SAW 장치의 공진 주파수에 영향을 미치는 두 가지 주요 방법이 있습니다. IDT 막대의 선 폭과 주기적인 간격을 줄여서 공진 주파수를 늘릴 수 있습니다. 이 방법은 자외선 또는 전자빔 리소그래피와 같은 고정밀 리소그래피 기술을 사용합니다. 다른 방법은 음향 속도가 더 높은 기판을 사용하는 것입니다.

• 공진 특성은 다음과 같습니다.

  

  여기서 “피치”는 두 핑거의 중간 사이 거리입니다.

람다파 공진기

람다파 공진기는 SAW 공진기와 FBAR 공진기의 이점을 모두 이용할 수 있도록 이 두 공진기를 결합한 구조를 사용합니다. 이 구조를 통해 더 높은 품질 계수와 더 큰 위상 속도를 얻을 수 있습니다.

플로팅 에지 공진기 또는 격자를 사용하여 음향파를 반사하고 포함합니다.

• 설계 특성(이런 공진기를 설계하기 위해 중요한 요소는 무엇인가)은 다음과 같습니다.

개방-개방, 단락, 개방 및 단락-단락으로 세 가지 기본 경계 조건이 있습니다. 여기서 금속 피복의 기계적 효과는 무시됩니다. 다시 말해서 금속 피복은 무한히 얇은 것으로 가정합니다. 금속 피복은 위상 속도를 약간 낮추지만 단순화를 위해 보통 무시됩니다.

그러나 이중 IDT는 훨씬 더 복잡하여 제작 비용이 더 많이 듭니다. 따라서 가장 널리 사용되는 구성은 단일 IDT 유형과 두꺼운 AIN 레이어, 또는 얇은 AIN 레이어가 있는 IDT 플로팅 BE 유형입니다.

• 공진 특성은 다음과 같습니다.

예를 들어, 람다파 공진기의 공진 주파수는 파동 모드와 파장의 위상 속도 비율입니다.

결론

대략 2GHz 또는 그 이하의 주파수 범위에서 SAW 필터는 통과 대역 범위 전체에 걸쳐 평탄한 진폭 응답을 유지하면서 원치 않는 신호를 탁월하게 제거할 수 있습니다. BAW 필터는 1.5GHz 미만의 주파수와 SAW 구성요소의 주파수 범위까지 사용하기 위해 제조될 수 있지만 이처럼 낮은 주파수에서 BAW 구성요소의 비교적 더 큰 크기로 인해 압전 웨이퍼당 구성요소의 주파수가 더 낮아져서 SAW 필터로 비용 경쟁력을 갖추기 어렵습니다.

그러나 SAW 공진기에서 주파수가 증가하여 IDT 구조 크기가 감소합니다. 따라서 이러한 더 높은 주파수를 지원하기 위해 IDT 크기가 충분히 작은 SAW 구성요소를 생산하는 문제는 실용적이지 않습니다. 이러한 이유로 해당 주파수에서 BAW에 비해 비용이 효율적이지 않기 때문에 5G 응용 분야에 사용되지 않습니다. 5G 응용 분야는 현재 100MHz~10GHz 범위에서 작동할 수 있기 때문에 FBAR 필터를 사용합니다. FBAR은 삽입 손실이 0.3db~0.5db로 더 낮으며 이는 전류 소비를 크게 낮추어 핸드헬드 장치의 배터리 사용량이 늘어나는 것과 같습니다.

이는 공진기 필터에 대한 포괄적인 설명은 결코 아니지만 MEMS 필터가 무엇인지 그리고 실제 환경에서 작동되도록 하는 기본 이론에 대해 중점적으로 살펴보는 밑거름이 되길 바랍니다.