+7 (495) 280-02-06
info@butis.ru
Основными требованиями к любым системам автоматизированного проектирования (САПР) являются точность моделирования физических процессов, лежащих в основе работы устройства, быстродействие системы, удобство эксплуатации и возможность совмещения с программами общего назначения, в т.ч. предназначенных для топологического проектирования устройства. Разработка САПР устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с высокой входной мощностью проводилась на основе данных требований. Так, для увеличения точности моделирования ПАВ-устройств была использована макромодель, учитывающая как основные, так и вторичные акустические факторы, зависящие от свойств пьезоэлектрика, состава и геометрии используемых пленочных слоев, а также влияние паразитных элементов конструкции и электромагнитных связей в пьезоэлементе и корпусе [1-8].
Для увеличения быстродействия САПР в качестве базового языка программирования был использован алгоритмический язык «С++». Это позволило в 8-10 раз увеличить скорость расчета и, как следствие, сократило время синтеза ПАВ-устройства по заданным параметрам. С целью обеспечения удобства эксплуатации структурная организация САПР основана на модульном варианте построения. Выходные параметры системы, представленные в виде матриц электрических характеристик и топологических файлов, унифицированы и могут быть использованы в программах общего назначения, в т.ч. LAY_APO и KULON, предназначенных для топологического проектирования и получения управляющих программ для различных типов генераторов изображения.
Основным преимуществом разработанной САПР по сравнению с системами, описанными в работах [9,10], является возможность синтеза ПАВ-устройств, реализованных на основе сложных по составу и геометрии пленочных слоев, поскольку именно такой конструктивно-технологический подход используется для формирования электродных структур ПАВ-устройств с высокой входной мощностью [11-13].
Основой САПР является модификация оптимизационной программы LADDER_VC (LADDER_VC_mod) [10]. Главное меню программы (опции, соответствующие оптимизации, как отдельных элементов, так и фильтра в целом, выделены зеленым цветом) показано на рис.1.
Рис.1. Главное меню программы «LADDER_VC_mod»
Программа позволяет проводить синтез импедансных ПАВ-фильтров (в том числе с высокой входной мощностью), состоящих из последовательно или параллельно включенных ПАВ резонаторов (до 16 устройств), а также гибридных фильтров, состоящих из комбинаций резонаторов и звеньев с продольной акустической связью [14, 15]. В качестве примера на рис.2 показана структурная схема гибридного фильтра, элементы которого загружены в оптимизационную подпрограмму. Максимальное число элементов фильтра, которые следует оптимизировать, отмечены в верхнем ряду экранных кнопок.
Рис.2. Главное оптимизационное меню
В процессе оптимизации устанавливаются ограничения на частоты (Freq) встречно-штыревых преобразователей (ВШП) и отражательных решеток, апертуры (Ape) и число электродов (N) в отдельных резонаторах и звеньях на основе продольно-связанных резонаторов (рис.3), а также требования на частотные характеристики и параметры фильтров. Следует отметить, что в процессе оптимизации учитываются вторичные акустические факторы, а также паразитные компоненты корпуса и конструкции, что повышает достоверность расчетных характеристик.
Рис.3. Подменю для оптимизации параметров резонаторов
В качестве примера на рис.4 приведены характеристики импедансного фильтра до и после оптимизации. Как видно из приведенных характеристик, процедура оптимизации позволила улучшить вносимые потери и подавление в полосах заграждения, а также уменьшить неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания.
Рис.4. Результат работы оптимизационной программы: исходная АЧХ – сплошная линия; АЧХ после – пунктирная линия
Помимо этого программа позволяет производить анализ экспериментальных результатов с целью уточнения основных СОМ-параметров (coupling-of-modes-COM), зависящих от типа используемого пьезоэлектрика и технологии изготовления, для улучшения характеристик ПАВ-устройств при дальнейших итерациях.
Особое внимание при разработке САПР было уделено вопросам синтеза ПАВ-устройств, реализованных на основе многослойных структур. Важность данного вопроса обусловлена тем, что применение сложных по составу и геометрии пленочных структур приводит к изменению массовой нагрузки на поверхность пьезоэлектрика. Это вызывает изменение эффективной скорости волны и интенсивности ее отражения от электрода [16-19], и, как следствие, к значительным расхождениям теоретических и экспериментальных результатов, полученных при использовании стандартных методов синтеза, даже таких высокоточных как Р-матричный метод на основе теории связанных мод [6-8]. Для решения данной проблемы в разработанной САПР предусмотрена возможность анализа массовой нагрузки электрода на поверхность пьезоэлектрика для разных типов материалов, в том числе легированных, и структур типа «сэндвич» (до 10 слоев), и ее пересчета в эффективную толщину пленки алюминия.
В качестве примера на рис.5 приведены сравнительные результаты расчета эффективной толщины пленки для беспримесного алюминия и алюминия, легированного медью (Cu 1%). Из результатов расчета видно, что даже такое незначительное изменение состава пленки приводит к изменению реальной массовой нагрузки, эквивалентной увеличению толщины пленки алюминия более, чем на 2% (3000Ǻ и 3070Ǻ, соответственно).
При применении многослойных структур происходит более значительное изменение массовой нагрузки (от 5% до 15% в зависимости от количества слоев, их толщины и используемых материалов), рис.6, что приводит к существенным изменениям АЧХ и фаза-частотной характеристики разрабатываемого ПАВ-устройства.
Поэтому оптимизация многослойных структур была в первую очередь направлена на сохранение постоянного значения массовой нагрузки на поверхность пьезоэлектрика с целью обеспечения идентичности характеристик ПАВ-устройства (см. в сравнении рис.6а и 6в).
а)
б)
Рис.5. Сравнительные результаты расчета эффективной толщины пленки для беспримесного алюминия (а) и алюминия, легированного медью (Cu 1%) (б)
а)
б)
в)
Рис.6. Сравнительные результаты расчета эффективной толщины пленки для двухслойной структуры Ti/Al (а) и шестислойной структуры Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al (б, в)
С целью подтверждения физической обоснованности используемой макромодели и разработанного программного обеспечения были изготовлены и исследованы несколько вариантов конструктивного исполнения импедансного ПАВ-фильтра на номинальную частоту 655 МГц, различающихся по количеству (от 2 до 6) и материалам слоев (Ti/V, Al) в электродных структурах ВШП и отражательных решеток. Полученные экспериментальные характеристики фильтров приведены на рис.7. Из графиков видно, что, несмотря на конструктивные различия, фильтры имеют идентичные характеристики. Небольшое отличие характеристик в полосе пропускания (в пределах 0,5 дБ) обусловлено изменением проводимости электрода ВШП при многослойном напылении и, следовательно, входного/выходного импедансов ПАВ-фильтра, что приводит к изменению условий его согласования с радиочастотным трактом (см. характеристики коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) на рис.8 и 9). При разработке высокопрецизионных ПАВ-устройств этот эффект может быть скомпенсирован соответствующим изменением длины электродов ВШП.
а)
б)
Рис.7. Экспериментальные АЧХ трех вариантов конструктивного исполнения импедансного ПАВ-фильтра на номинальную частоту 655 МГц (положение маркера 3 на рис.7б): 2 слоя V-300Å/Al-2500Å (зеленая линия); 4 слоя Ti-300Å/Al-1100Å/Ti-300Å/Al-1100Å (черная линия); 6 слоев Ti-100Å/Al-800Å/Ti-100Å/Al-800Å/Ti-100Å/Al-1100Å (красная линия)
а)
б)
Рис.8. Входной импеданс (а: синяя линия – активная составляющая, розовая линия – реактивная составляющая) и КСВн (б: синяя линия – по входу, розовая линия – по выходу) ПАВ-фильтров (выборка 2 шт.) на основе шестислойной структуры Ti-100Å/Al-800Å/Ti-100Å/Al-800Å/Ti-100Å/Al-1100Å
а)
б)
Рис.9. Входной импеданс (а: синяя линия – активная составляющая, розовая линия – реактивная составляющая) и КСВн (б: синяя линия – по входу, розовая линия – по выходу) ПАВ-фильтров (выборка 2 шт.) на основе двухслойной структуры V-300Å/Al-2500Å
Выводы:
Разработанная система автоматизированного проектирования позволяет проводить синтез импедансных и комбинированных ПАВ-устройств любой топологической сложности и обеспечивает высокую точность моделирования за счет учета влияния вторичных акустических и электромагнитных факторов, а также влияния многослойных пленочных структур.
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 17-07-01372 А.
Список использованных источников
