Un resonador acústico de película delgada (FBAR o TFBAR) es un dispositivo que consiste en un material piezoeléctrico fabricado mediante métodos de película delgada entre dos electrodos conductores, generalmente metálicos, y aislado acústicamente del medio circundante. El funcionamiento se basa en la piezoelectricidad de la capa piezoeléctrica entre los electrodos.
Los dispositivos FBAR que utilizan películas piezoeléctricas con espesores que normalmente van desde varios micrómetros hasta décimas de micrómetros resuenan en el rango de frecuencia de 100 MHz a 20 GHz. [1] [2] Los resonadores FBAR o TFBAR entran en la categoría de resonadores acústicos en masa (BAW) y resonadores piezoeléctricos y se utilizan en aplicaciones donde se necesita alta frecuencia, tamaño pequeño como espesor y/o peso.
Las áreas de aplicación industrial de los resonadores acústicos de película delgada van desde el filtrado de señales de alta frecuencia específicamente para dispositivos de telecomunicaciones móviles, reemplazos de cristales, altavoces acústicos en sistemas donde el tamaño importa, como los audífonos, hasta los sistemas sensoriales. [3] [4] [5]
La orientación cristalográfica de una película delgada depende del piezomaterial seleccionado y de muchos otros elementos como la superficie sobre la que se cultiva la película y varias condiciones de fabricación (crecimiento de la película delgada) (temperaturas seleccionadas, presión, gases utilizados, condiciones de vacío, etc.).
Cualquier material como el titanato de zirconato de plomo (PZT) [6] o el titanato de bario y estroncio (BST) [7] de la lista de materiales piezoeléctricos podría actuar como material activo en un FBAR. Sin embargo, dos materiales compuestos, el nitruro de aluminio (AlN) y el óxido de zinc (ZnO), son los dos materiales piezoeléctricos más estudiados fabricados para realizaciones de FBAR de alta frecuencia. Esto se debe al hecho de que las propiedades como la estequiometría de dos materiales compuestos pueden ser más fáciles de controlar en comparación con tres materiales compuestos fabricados por métodos de película delgada. Por ejemplo, se sabe que la película delgada de ZnO con el eje C de la estructura cristalina (eje Z cristalino) normal a la superficie del sustrato excita ondas longitudinales (L). Las ondas de corte (transversales) (S) se excitan si el eje C de la estructura cristalina de la película está inclinado 41º. [8] También es posible, dependiendo de la estructura cristalina de la película, que se exciten ambas ondas (L y S). Por lo tanto, la comprensión y el control de la estructura cristalina de la película piezoeléctrica fabricada es crucial para el funcionamiento del FBAR.
Para fines de alta frecuencia, como el filtrado de señales, la eficiencia de conversión de energía es el elemento más importante y, por lo tanto, se prefieren las ondas longitudinales (L) y se las busca. Para fines de detección y actuación, la deformación estructural puede ser más importante que la eficiencia de conversión de energía y la excitación de ondas en modo transversal será el objetivo de la fabricación de la película piezoeléctrica. La capacidad de ajuste de la frecuencia de resonancia del resonador depende de las opciones de material y puede ampliar las áreas de aplicación.
A pesar del menor coeficiente de acoplamiento electromecánico en comparación con el óxido de zinc, el nitruro de aluminio, con un ancho de banda más amplio, se ha convertido en el material más utilizado en aplicaciones industriales, que requieren un amplio ancho de banda en el procesamiento de señales. [9] La compatibilidad con la tecnología de circuitos integrados de silicio ha respaldado al AlN en productos basados en resonadores FBAR como filtros de radiofrecuencia, duplexores, amplificadores de potencia de RF o módulos receptores de RF.
Los sensores piezoeléctricos de película delgada pueden basarse en varios materiales piezoeléctricos dependiendo de la aplicación, pero se prefieren dos materiales piezoeléctricos compuestos debido a la simplicidad de fabricación.
El dopaje o la adición de nuevos materiales como el escandio (Sc) [10] , [11] son nuevas direcciones para mejorar las propiedades materiales del AlN para los FBAR. Se ha demostrado que la investigación de nuevos materiales de electrodos o materiales alternativos al aluminio, como la sustitución de uno de los electrodos metálicos por materiales muy ligeros como el grafeno [12] para minimizar la carga del resonador, conduce a un mejor control de la frecuencia de resonancia.
Los resonadores FBAR se pueden fabricar sobre sustratos de cerámica ( Al2O3 o alúmina ), zafiro , vidrio o silicio . Sin embargo, la oblea de silicio es el sustrato más común debido a su escalabilidad hacia la fabricación en masa y su compatibilidad con los diversos pasos de fabricación necesarios.
Durante los primeros estudios y la fase de experimentación de los resonadores de película delgada en 1967, se evaporó sulfuro de cadmio (CdS) en una pieza resonante de cristal de cuarzo a granel que sirvió como transductor proporcionando un factor Q (factor de calidad) de 5000 en la frecuencia de resonancia (279 MHz). [13] Esto permitió un control de frecuencia más estricto, para las necesidades de usar frecuencias más altas y utilizar resonadores FBAR. Con el desarrollo de tecnologías de película delgada fue posible mantener el factor Q lo suficientemente alto, dejar de lado el cristal y aumentar la frecuencia de resonancia.
Los dispositivos FBAR se pueden utilizar para el filtrado de radiofrecuencia, para habilitar altavoces de audio delgados y en varios sensores.
La mayoría de los teléfonos inteligentes en 2020 incluyen al menos un dúplex o filtro basado en FBAR y algunos productos 4/ 5G pueden incluso incluir entre 20 y 30 funcionalidades basadas en la tecnología FBAR, principalmente debido a la mayor complejidad de la electrónica del extremo frontal de radiofrecuencia (RFFE, RF front end ), tanto las rutas del receptor como del transmisor, y el sistema de antena/antena. Las tendencias a utilizar el espectro de RF de manera más eficiente con frecuencias más altas que aproximadamente 1,5-2,5 GHz y, en algunos casos, también simultáneamente con el aumento de la potencia de salida de RF, han respaldado que la tecnología FBAR se convierta en una de las tecnologías habilitadoras clave en las realizaciones de telecomunicaciones. La tecnología FBAR complementa y, en algunos casos, compite con la tecnología de ondas acústicas de superficie (SAW) y los resonadores FBAR pueden reemplazar cristales en osciladores de cristal y filtros de cristal a frecuencias superiores a 100 MHz.
La sensorialidad es un área en desarrollo para los resonadores FBAR y las estructuras basadas en ellos. Se están investigando y desarrollando objetivos para medir y posiblemente controlar pequeñas cantidades de materiales/líquidos/gases y reemplazar cristales miniaturizados en diversas tareas de detección y actuación como en las pantallas de microespejos (DMD) [14], así como la recolección de energía mediante el uso de nanogeneradores . [15]
A partir de 2022, existen dos estructuras conocidas para resonadores de ondas acústicas en masa (BAW) de película delgada: resonadores independientes [16] y resonadores montados sólidamente (SMR). [17] En una estructura de resonador independiente, se utiliza aire para separar el resonador del sustrato/entorno. La estructura de un resonador independiente se basa en algunos pasos de fabricación típicos utilizados en sistemas microelectromecánicos MEMS .
En una estructura SMR, se construyen espejos acústicos que proporcionan un aislamiento acústico entre el resonador y el entorno, como el sustrato. El espejo acústico (como un reflector Bragg ) normalmente consta de un número total impar de materiales con capas alternas de materiales de impedancia acústica alta y baja . El espesor de los materiales del espejo también debe optimizarse para que sea el cuarto de la longitud de onda para lograr la máxima reflectividad acústica. El principio básico de la estructura SMR se introdujo en 1965. [18]
Las imágenes esquemáticas de resonadores de película delgada muestran solo los principios básicos de las estructuras potenciales. En realidad, es posible que se necesiten algunas capas dieléctricas para otras funciones, como reforzar varias partes de la estructura. Además, si es necesario (para simplificar el diseño final del filtro en la aplicación), las estructuras de resonador se pueden apilar, por ejemplo, unas sobre otras, como en ciertas aplicaciones de filtros. Sin embargo, este enfoque aumenta la complejidad de la fabricación.
Algunos requisitos de rendimiento, como el ajuste de la frecuencia de resonancia, también pueden requerir nuevos materiales, pasos de proceso adicionales, como el fresado de iones, lo que complica el proceso de fabricación y puede afectar los requisitos del sistema, como agregar nueva funcionalidad para producir voltajes de ajuste.
El enfoque más nuevo para desarrollar FBAR de mejor rendimiento es utilizar AlN monocristalino en lugar de AlN policristalino y colocar electrodos en el mismo lado de la capa piezoeléctrica. [19]
Para realizar estructuras de FBAR, se requieren muchos pasos de simulación precisos durante la fase de diseño para predecir la pureza de la frecuencia de resonancia y otras características de rendimiento. En una fase temprana del desarrollo, las técnicas de modelado basadas en el método de elementos finitos (FEM) básicas que se utilizan para cristales también se pueden aplicar y modificar para FBAR. [20] [21] Se necesitan varios métodos nuevos, como la interferometría láser de barrido, para visualizar la funcionalidad de los resonadores y para ayudar a mejorar el diseño (disposición y estructura transversal del resonador) a fin de lograr la pureza de la resonancia y los modos de resonancia deseados. [22]
En muchas aplicaciones, el comportamiento de la temperatura, la estabilidad frente al tiempo, la resistencia y la pureza de la frecuencia de resonancia deseada forman la base para el rendimiento de las aplicaciones basadas en resonadores FBAR. La elección de materiales, la disposición y el diseño de las estructuras de los resonadores contribuyen al rendimiento del resonador y al rendimiento final de la aplicación. El rendimiento mecánico y la fiabilidad están determinados por el empaquetado y la estructura de los resonadores en las aplicaciones.
Una aplicación común de los FBAR son los filtros de radiofrecuencia (RF) [23] para su uso en teléfonos móviles y otras aplicaciones inalámbricas como posicionamiento ( GPS , Glonass , BeiDou , Galileo (navegación por satélite), etc.), sistemas Wi-Fi , pequeñas células de telecomunicaciones y módulos para los mismos. Dichos filtros están hechos de una red de resonadores (ya sea en media escalera , escalera completa, red , una combinación de red y escalera o topologías apiladas) y están diseñados para eliminar las frecuencias no deseadas que se transmiten en dichos dispositivos, al tiempo que permiten recibir y transmitir otras frecuencias específicas. Los filtros FBAR también se pueden encontrar en duplexores . La tecnología de filtro FBAR está complementando [24] la tecnología de filtro de onda acústica de superficie (SAW) en áreas donde se necesita una mayor capacidad de manejo de potencia y tolerancia a la descarga electrostática (ESD). Las frecuencias superiores a 1,5–2,5 GHz son adecuadas para dispositivos FBAR. Los FBAR sobre un sustrato de silicio se pueden fabricar en grandes cantidades y la fabricación está respaldada por todo el desarrollo de métodos de fabricación de dispositivos semiconductores . Los requisitos futuros de nuevas aplicaciones, como el ancho de banda de filtrado con una atenuación pronunciada de la banda de rechazo y la menor pérdida de inserción posible , tienen efectos en el rendimiento del resonador y muestran que se necesitan pasos de desarrollo. [25]
Los FBAR también se pueden utilizar en osciladores y sincronizadores para reemplazar un cristal o cristales en aplicaciones donde las frecuencias superiores a 100 MHz y/o una fluctuación muy baja son uno de los objetivos de rendimiento. [26]
Los FBAR también se pueden utilizar como sensores. Por ejemplo, cuando un dispositivo FBAR se somete a presión mecánica, su frecuencia de resonancia cambiará. La detección de humedad y compuestos orgánicos volátiles (VOC) se demuestra mediante el uso de FBAR. Una matriz de sensores táctiles también puede constar de dispositivos FBAR, y la detección gravimétrica o de masas puede basarse en resonadores FBAR. [27]
Como componentes discretos, las piezas basadas en la tecnología FBAR, como los resonadores básicos y los filtros, se empaquetan en un factor de forma miniaturizado/pequeño como paquetes a nivel de oblea . Los FBAR también se pueden integrar con amplificadores de potencia (PA) o amplificadores de bajo ruido (LNA) para formar una solución modular con los circuitos electrónicos relacionados. Aunque se ha demostrado la integración monolítica de FBAR en el mismo sustrato con los circuitos electrónicos como CMOS, requiere varios pasos de proceso adicionales y capas de máscara sobre la tecnología de CI, lo que aumenta el costo de la solución. [28] [29] Por lo tanto, las soluciones monolíticas no han progresado tanto como las soluciones modulares en aplicaciones comerciales. Las soluciones modulares típicas son un módulo dúplex -amplificador de potencia (PAD) o un módulo de filtro-amplificador de bajo ruido (LNA) donde los FBAR y los circuitos relacionados se empaquetan en el mismo paquete, posiblemente en un sustrato de módulo separado.
Los FBAR se pueden integrar en comunicaciones complejas como los módulos SimpleLink para evitar los requisitos de área/espacio de un cristal externo encapsulado. Por lo tanto, la tecnología FBAR tiene un papel clave en la miniaturización de la electrónica , especialmente en aplicaciones donde se necesitan osciladores y filtros precisos de alto rendimiento.
El uso de materiales piezoeléctricos de película delgada en electrónica comenzó a principios de la década de 1960 en Bell Telephone Laboratories/Bell Labs. Anteriormente, se desarrollaron cristales piezoeléctricos y se utilizaron como resonadores en aplicaciones como osciladores con frecuencias de hasta 100 MHz. El adelgazamiento se aplicó para aumentar la frecuencia de resonancia de los cristales. Sin embargo, existían limitaciones en el adelgazamiento de los cristales y a principios de la década de 1970 se aplicaron nuevos métodos de fabricación de película delgada para aumentar la precisión de la frecuencia de resonancia y alcanzar volúmenes de fabricación cada vez mayores.
TFR Technologies Inc., fundada en 1989, fue una de las empresas pioneras en el campo de los resonadores y filtros FBAR, principalmente para aplicaciones espaciales y militares. Los primeros productos se entregaron a los clientes en 1997. [30] TFR Technologies Inc. fue adquirida en 2005 por TriQuint Semiconductor Inc. A principios de 2015, RF Micro Devices (RFMD), Inc. y TriQuint Semiconductor, Inc. anunciaron una fusión para formar Qorvo active, que ofrece productos basados en FBAR.
En 1993, HP Laboratories inició un proyecto sobre FBAR, centrándose en resonadores y filtros independientes. En 1999, la actividad de FBAR pasó a formar parte de Agilent Technologies Inc., que en 2001 suministró 25 000 duplexores FBAR para teléfonos N-CDMA . Más tarde, en 2005, la actividad de FBAR en Agilent fue una de las tecnologías de Avago Technologies Ltd., que adquirió Broadcom Corporation en 2015. En 2016, Avago Technologies Ltd. cambió su nombre a Broadcom Inc. , y actualmente se dedica a proporcionar productos basados en FBAR.
Infineon Technologies AG comenzó a trabajar con SMR-FBAR en 1999, concentrándose en filtros de telecomunicaciones [31] para aplicaciones móviles. El primer producto fue entregado a Nokia Mobile Phones Ltd, [32] que lanzó el primer teléfono móvil GSM de tres bandas basado en SMR-FBAR en 2001. El grupo de filtros FBAR (BAW) de Infineon fue adquirido por Avago Technologies Ltd en 2008, que luego pasó a formar parte de Broadcom, como se describió anteriormente.
Después de adquirir el negocio de filtrado de Panasonic en 2016, Skyworks Solutions se convirtió en uno de los principales actores en dispositivos BAW/FBAR, además de Broadcom y Qorvo.
Además, después de adquirir el resto de RF360 Holdings en 2019, Qualcomm y Kyocera están ofreciendo productos basados en resonadores de película delgada, como módulos RFFE y filtros separados.
Todavía muchas empresas como Akoustis Technologies, Inc. (fundada en 2014), Saiwei Electronics, [33] [34] Texas Instruments (TI), varias universidades e institutos de investigación están ofreciendo y estudiando para mejorar la tecnología FBAR, su rendimiento, capacidad de fabricación, avanzando en las capacidades de diseño de FBAR y explorando nuevas áreas de aplicación junto con fabricantes de sistemas y empresas que proporcionan herramientas de simulación ( Ansys , Comsol Multiphysics y Resonant Inc., etc.).
Debido a que los resonadores de película delgada pueden reemplazar a los cristales en la detección, el área de aplicación de sensores con mayor potencial para los resonadores FBAR es similar al área de la microbalanza de cristal de cuarzo (QCM). Una de las empresas pioneras en el uso de resonadores de película delgada en la detección es Sorex Sensors Ltd. [35] [36]
Al añadir varios resonadores de película fina conectados en paralelo sobre una estructura de silicio micromaquinada a granel, la estructura puede actuar como un altavoz. [37] La realización del altavoz basado en FBAR puede ser muy delgada. También se pueden basar en FBAR micrófonos de pequeño volumen y ligeros. [38]