1、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
2、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，也是目前手机中最常用的几种 filter。SAW,BAW 和 FBAR 中， A 都代表着 Acoustic。Acoustic 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
3、，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
4、(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(
5、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(pos
6、itive 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
7、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
8、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/ V 是 SAW 的速率(velocity)，大概 3100m/s, 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(electromig
9、ration)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 Wa
10、ve(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
11、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
12、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 /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 type。Membrane Type 是从 substrate 后面 etch 到表面(也就是 bottom electrod
13、e 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，
14、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 type。Ladder type(SAW 最后也提过)使用的 resonator 包括串联和并联，一个串联的resonator
15、 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
16、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
17、 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)，微波(microwa
18、ve)，可见光，X 射线，伽马射线都属于电磁波。还有一种是机械波(mechanical wave)，通过媒介(固体，液体或气体)传播，而且媒介的物质会变形。比如声波在空气中传播时，空气分子会跟周围的分子互相碰撞着进行不断的传播。机械波有两种基本的 wave motion; longitudinal(compressive) wave(纵波)和transverse wave(横波)。Longitudinal(compressive) wave(纵波)在纵波中，粒子的运动方向和波的传播方向是平行的，不过每个粒子不会沿着波的方向移动，只是在各自的平衡状态上前后震动。Transverse wave(横
19、波)在横波中，粒子的运动方向和波的传播方向相互垂直。粒子也不会沿着波的传播方向移动，只是在各自的平衡状态下上下震动。之前在本文章提到的 BAW- SMR 和 FBAR filter 图中，声波都以纵波(longitudinal)形式传播，即粒子震动方向和波的传播方向是平行的。也有不同结构，声波以横波(transverse)形式传播。而对于 SAW，也叫 Rayleighsurface wave，既有纵波也有横波。固体中粒子以椭圆轨迹震动，椭圆的长轴垂直于固体表面，随着固体深度越深，粒子运动幅度越小。REVIEW1. MEMS 是一种小型的器件或结构系统，其中可能包括集成的机械器件和电子器件，感
20、应及时的或者局部环境变化；或者有相应信号输入时，对及时的或者局部环境做出某种物理上的交互动作。2. 某些晶体(Crystal)受到外部压力时会产生净电荷，称为 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)是一种常见的压电晶体。3. SAW 是一种沿着固体表面传播的声波。SAW filter 基本结构由 IDT 和压电材料组成，IDT 和压电材料把电信号转成机械波(声波)，再把
21、机械波(声波)转成电信号。TC-SAW 是为了改善温度性能，增加了保护涂层。4. 相比 SAW filter, 声波在 BAW filter 物体内传播(纵波或横波)。BAW filter结构有 BAW - SMR，FBAR(membrane type 和 airgap type)。BAW filter 更适合于 2.5GHz 以上的频率，BAW filter 的制造工艺也非常符合现有的 IC 制造工艺，适合和其他的 active 电路做整体的 integration。ref:1. FABRICATION AND CHARACTERIZTION OF ALN THIN FILM BULK AC
22、OUSTIC WAVE RESONATOR, Qingming Chen, 20062. What is SAW Filters, Token, 20103. MEMS Everywhere.pdf, Yole,4. http:/ http:/mems.usc.edu/fbar.htm6. http:/ http:/ http:/www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavemotion.html9. SiP/SoCIntegration of RF SAW/BAW Filters, Ken-ya Hashimoto, Chiba University10.
23、 A Study on Baw Technology: Reconfiguration of FBAR Filter, Shivani Chauhan1 Paras Chawla211. Bulk Acoustic Wave Devices Why, How, and Where They are Going, Steven Mahon 1 and Robert Aigner12. Lattice FBAR Filters: Basic Properties and Opportunities for Improving the Frequency Response, Ivan Uzunov1, Dobromir Gaydazhiev2, Ventsislav Yantchev
