深入剖析SAW, BAW, FBAR滤波器.docx

深入剖析SAW, BAW, FBAR滤波器很多通信系统发展到某种程度都会有小型化的趋势一方面小型化可以让系统更加轻便和有效，另一方面，日益发展的IC制造技术可以用更低的成本生产出大批量的小型产品MEMS(MicroElectromechanical System)是这种小型产品的相关技术之一MEMS可以检测环境的变化并通过微型电路产生相关反应MEMS的主要部分包括sensor(微传感器)或actuator(微执行器)和transducer(转换装置)，其中sensor可以检测某种物理，化学或生物的存在或强度，比如温度，压力，声音或化学成分，transducer会把一种energy转换成另外一种(比如从电信号到机械波)目前MEMS被广泛的利用在多个领域里，如下图这篇文章主要说说MEMS的几种RF相关应用产品SAW,BAW, FBAR filter，也是目前中最常用的几种filter SAW,BAW和FBAR中，A都代表着AcousticAcoustic wave中文翻译成声波，声波按频率分成3段，audio,infrasonic(次声波)和ultrasonic(超声波)Audio的频率为20Hz ~ 20KHz, 是人耳能听见的范围。

 Infrasonic(次声波)是低频率，20Hz一下，人耳听不到，可以用来研究地理现象(比如地震)Ultrasonic(超声波)是20KHz到109KHz，也是人耳听不到的范围 下面提到的声波都是超声波的范围，首先我们看看SAW filter Surface Acoustic Wave(SAW) filter顾名思义，SAW是一种沿着固体表面(surface)传播的声波(acoustic wave)一个基本的SAW filter由压电材料(piezoelectric substrate)和2个Interdigital Transducers(IDT)组成，如下图IDT是由交叉排列的金属电极组成，上图中左边的IDT把电信号(electrical signal)转成声波(acoustic wave)，右边的IDT把接收到的声波再转成电信号 电信号和声波(属于mechanical wave)之间转换也称为electromechanical coupling那IDT是怎么把电信号转成声波呢？原因在于IDT下方的压电材料 压电(piezoelectricity or piezoelectric effect)Piezoelectricity这词来源于希腊语 piezein，表示施加压力，1880年由两位法国物理学家(Pierre，Paul-Jacques Curie)发现。

压电是指某些晶体(Crystal)受到外部压力时会产生电压，相反地，如果某些晶体两面存在电压，晶体形状会轻微变形为什么会发生这种现象？首先说晶体，科学意义上的晶体指其原子或分子在三维空间内以非常有规律地排列，而且隔一段距离重复着unit cell(基本组成单元)的固体，比如食盐和糖也是晶体大部分晶体的unit cell原子排列是对称的(with a center of symmetry)，不管有没有外部压力，基本单元里的net electric dipole始终是零，而压电晶体的原子排列是不对称的(lacks a center of symmetry)压电晶体原子排列虽然不对称，但正电荷(positive charge)会和附近负电荷(negative charge)相互抵消(更确切是electric dipole moments相互抵消)，所以整体的晶体不带电当晶体受到压力时外形会变化，一些原子间距离会变得更近或者更远，打乱了原来保持的平衡，出现净电荷(net electrical charge)，晶体表面出现positive charge和negative charge这种现象称为压电(piezoelectric effect)。

相反地，晶体两端加电压时原子受到“electrical pressure”，为了保持电荷的平衡，原子来回震动使压电晶体形状轻微变形这种现象称为reverse-piezoelectric effect石英(quartz)是很常见的压电材料，我们平时生活中使用的石英表也利用了石英的压电特性纽扣电池给手表里面的电路供电，电路会让石英晶体精确的震荡(震动)32768次/秒，再把震荡转成一次/秒的脉冲，脉冲再驱动小型电机进而转动齿轮(指针)SAW filter常用的压电材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2等其基本结构中左边IDT交叉排列的电极之间交流电压产生压电材料的mechanical stress并以SAW的形式沿着表面传播，而在垂直方向上SAW幅度快速衰落右边的IDT也是同样结构，只是接收SAW，输出电信号中间部分的shielding会影响输入和输出之间的耦合(coupling)，关系到通带内的幅度ripple和群时延(group delay)SAW filter也可以用ladder type(串并组合)，如下图SAW的频率可以大致参考以下公式:F = V/λ   V是SAW的速率(velocity)，大概3100m/s, λ是IDT电极之间间距。

 从公式可以看出，频率越高IDT电极之间间距越小，所以SAW filter不太适合大约2.5GHz以上的频率另外很小的间距(高频率)下电流密度太大(高功率)会导致电迁移(electromigration)和发热等问题，当然，通过一些方法(IDT材料的改进等)也可以弥补这些SAW filter对温度变化也敏感，性能随着温度升高变差TC(temperature compensated)-SAW filter就是为了改善温度性能，IDT上增加了保护涂层普通的SAW filter频率温度系数(TCF, temperature coefficient of frequency)大约-45ppm/oC左右，而TC-SAW大约-15到-25ppm/oC增加的涂层使工艺变得复杂，成本也增加，不过相对BAW filter还是便宜一些Bulk Acoustic Wave(BAW) filter相比SAW filter，BAW filter更适合于高频率跟SAW/TC-SAW filter一样，BAW filter的大小也随着频率增加而减少另外，BAW filter有对温度变化不敏感，插入损耗小，带外衰减大(steep filter skirts)等优点。

与SAW filter不同，声波在BAW filter里是垂直传播从名字也可以看出，SAW是surface, 沿着表面传播，BAW是bulk，物体内传播BAW filter的最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度为2um)，声波在压电薄膜里震荡形成驻波(standing wave)为了把声波留在压电薄膜里震荡，震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小loss和最大Q值声波在固体里传播速度为~5000m/s，也就是说固体的声波阻抗大约为空气的105倍，所以99.995%的声波能量会在固体和空气边界处反射回来，跟原来的波(incident wave)一起形成驻波而震荡结构的另一面，压电材料的声波阻抗和其他衬底(比如Si)的差别不大，所以不能把压电层直接deposit(沉积)在Si衬底上有一种方法是在震荡结构下方形成Bragg reflector，把声波反射到压电层里面Reflector由好几层高低交替阻抗层组成，比如第一层的声波阻抗大，第二层的声波阻抗小，第三层声波阻抗大，而且每层的厚度是声波的λ/4，这样大部分波会反射回来和原来的波叠加。

这种结构整体效果相当于和空气接触，大部分声波被反射回来，这种结构称为BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)，如下图还有一种方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator), 包括Membrane type和Airgap typeMembrane Type是从substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面)，形成悬浮的薄膜(thin film)和腔体(cavity)Membrane type类似于BAW resonator的基本模型，两面都是空气，由于空气的声波阻抗远低于压电层的声波阻抗，大部分声波都会反射回来不过薄膜结构需要足够坚固以至于在后续工艺中不受影响相比BAW-SMR，membrane type较少一部分跟底下substrate接触，不好散热Airgap type在制作压电层之前沉积一个辅助层(sacrificial support layer)，最后再把辅助层去掉，在震荡结构下方形成air gap因为只是边缘部分跟底下substrate接触，这种结构在受到压力时相对脆弱，而且跟membrane type类似，散热问题同样需要关注。

BAW filter种类BAW filter可以把多个resonator按一定拓扑结构连接BAW filter有多种类型，包括ladder type filter，lattice type filter，stacked crystal filter和coupled resonator filter这里只简单介绍ladder type和lattice typeLadder type(SAW最后也提过)使用的resonator包括串联和并联，一个串联的resonator加一个并联的resonator称为一个stage，整个ladder type filter可以由好几个stage组成了解ladder type filter的工作原理之前我们再看看BAW resonator的基本模型，如下图典型的基本结构如上图(a)，上下金属电极中间夹着压电层，对应的mBVD等效电路如上图(b)，对应的阻抗如上图(c)，可以看出有两个resonance频率，串联(fs)和并联(fp)工作原理如下图在通频带(pass band)上，series resonator fs阻抗很小，保证信号通过，shunt resonator fp阻抗很大，妨碍信号通过。

Lattice filter中每一个stage有4个resonator，包括2个串联和2个并联，基本模型如下图Ladder type可以用在单端(single-ended/unbalanced)和差分(balanced)信号上，而lattice type更适合用在差分(balanced)信号上BAW filter常用的压电材料石英(quartz)作为常见的压电材料，在高电压和高压力的情况下表现出线性反应，但还没有合适的方法把石英做成薄膜deposit在Si衬底上合适的BAW压电材料需要high electromechanical coupling coefficient，low electromechanical loss，high thermal stability，还要符合IC工艺技术目前最常用的BAW压电材料有AlN(aluminum nitride)，PZT(lead zirconate titanate)，ZnO(zinc oxide) 关于波(wave)物理上，波主要分为两种，一种是电磁波(electromagnetic wave)，这种波不需要任何媒介，而是通过由最初的带电粒子产生的电场和磁场的周期性震荡来传播，所以在真空中也可以传播。

无线电波(radio wave)，微。