SAW，BAW，F(xiàn)BAR濾波器的原理

很多通信系統(tǒng)發(fā)展到某種程度都會(huì)有小型化的趨勢(shì)。一方面小型化可以讓系統(tǒng)更加輕便和有效，另一方面，日益發(fā)展的IC**技術(shù)可以用更低的成本生產(chǎn)出大批量的小型產(chǎn)品。

MEMS(MicroElectromechanical System)是這種小型產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)之一。MEMS可以檢測(cè)環(huán)境的變化并通過(guò)微型電路產(chǎn)生相關(guān)反應(yīng)。MEMS的主要部分包括sensor(微傳感器)或actuator(微執(zhí)行器)和transducer(轉(zhuǎn)換裝置)，其中sensor可以檢測(cè)某種物理，化學(xué)或生物的存在或強(qiáng)度，比如溫度，壓力，聲音或化學(xué)成分，transducer會(huì)把一種energy轉(zhuǎn)換成另外一種(比如從電信號(hào)到機(jī)械波)。

目前MEMS被廣泛的利用在多個(gè)領(lǐng)域里，如下圖。

這篇文章主要說(shuō)說(shuō)MEMS的幾種RF相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品,, FBAR filter，也是目前手機(jī)中最常用的幾種filter。

,和FBAR中，A都代表著Acoustic。Acoustic w**e中文翻譯成聲波，聲波按頻率分成3段，audio, infrasonic(次聲波)和ultrasonic(超聲波)。

Audio的頻率為20Hz ~ 20KHz, 是人耳能聽(tīng)見(jiàn)的范圍。

Infrasonic(次聲波)是低頻率，20Hz一下，人耳聽(tīng)不到，可以用來(lái)研究地理現(xiàn)象(比如地震)。

Ultrasonic(超聲波)是20KHz到109KHz，也是人耳聽(tīng)不到的范圍。

下面提到的聲波都是超聲波的范圍，首先我們看看 filter。

Surface Acoustic W**e(SAW) filter

顧名思義，SAW是一種沿著固體表面(surface)傳播的聲波(acoustic w**e)。

一個(gè)基本的SAW filter由壓電材料(piezoelectric substrate)和2個(gè)Interdigital Transducers(IDT)組成，如下圖。

IDT是由交叉排列的金屬電極組成，上圖中左邊的IDT把電信號(hào)(electrical signal)轉(zhuǎn)成聲波(acoustic w**e)，右邊的IDT把接收到的聲波再轉(zhuǎn)成電信號(hào)。

電信號(hào)和聲波(屬于mechanical w**e)之間轉(zhuǎn)換也稱(chēng)為electromechanical coupling。

那IDT是怎么把電信號(hào)轉(zhuǎn)成聲波呢?原因在于IDT下方的壓電材料。

壓電(piezoelectricity or piezoelectric effect)

Piezoelectricity這詞來(lái)源于希臘語(yǔ)piezein，表示施加壓力，1880年由兩位法國(guó)物理學(xué)家(Pierre，Paul-Jacques Curie)發(fā)現(xiàn)。壓電是指某些晶體(Crystal)受到外部壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓，相反地，如果某些晶體兩面存在電壓，晶體形狀會(huì)輕微變形。

為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象?

首先說(shuō)晶體，科學(xué)意義上的晶體指其原子或分子在三維空間內(nèi)以非常有規(guī)律地排列，而且隔一段距離重復(fù)著unit cell(基本組成單元)的固體，比如食鹽和糖也是晶體。大部分晶體的unit cell原子排列是對(duì)稱(chēng)的(with a center of symmetry)，不管有沒(méi)有外部壓力，基本單元里的net electric dipole始終是零，而壓電晶體的原子排列是不對(duì)稱(chēng)的(lacks a center of symmetry)。

壓電晶體原子排列雖然不對(duì)稱(chēng)，但正電荷(positive charge)會(huì)和附近負(fù)電荷(negative charge)相互抵消(更確切是electric dipole moments相互抵消)，所以整體的晶體不帶電。當(dāng)晶體受到壓力時(shí)外形會(huì)變化，一些原子間距離會(huì)變得更近或者更遠(yuǎn)，打亂了原來(lái)保持的平衡，出現(xiàn)凈電荷(net electrical charge)，晶體表面出現(xiàn)positive charge和negative charge。這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電(piezoelectric effect)。

相反地，晶體兩端加電壓時(shí)原子受到“electrical pressure”，為了保持電荷的平衡，原子來(lái)回震動(dòng)使壓電晶體形狀輕微變形。這種現(xiàn)象稱(chēng)為reverse-piezoelectric effect。

石英(quartz)是很常見(jiàn)的壓電材料，我們平時(shí)生活中使用的石英表也利用了石英的壓電特性。紐扣電池給手表里面的電路供電，電路會(huì)讓石英晶體精確的震蕩(震動(dòng))32768次/秒，再把震蕩轉(zhuǎn)成一次/秒的脈沖，脈沖再驅(qū)動(dòng)小型電機(jī)進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪(指針)。

SAW filter常用的壓電材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2等。其基本結(jié)構(gòu)中左邊IDT交叉排列的電極之間交流電壓產(chǎn)生壓電材料的mechanical stress并以SAW的形式沿著表面?zhèn)鞑?，而在垂直方向上SAW幅度快速衰落。右邊的IDT也是同樣結(jié)構(gòu)，只是接收SAW，輸出電信號(hào)。中間部分的shielding會(huì)影響輸入和輸出之間的耦合(coupling)，關(guān)系到通帶內(nèi)的幅度ripple和群時(shí)延(group delay)。

SAW filter也可以用ladder type(串并組合)，如下圖。

SAW的頻率可以大致參考以下公式:F = V/λ

V是SAW的速率(velocity)，大概3100m/s, λ是IDT電極之間間距。

從公式可以看出，頻率越高IDT電極之間間距越小，所以SAW filter不太適合大約2.5GHz以上的頻率。另外很小的間距(高頻率)下電流密度太大(高功率)會(huì)導(dǎo)致電遷移(electromigration)和發(fā)熱等問(wèn)題，當(dāng)然，通過(guò)一些方法(IDT材料的改進(jìn)等)也可以彌補(bǔ)這些。

SAW filter對(duì)溫度變化也敏感，性能隨著溫度升高變差。TC(temperature compensated)-SAW filter就是為了改善溫度性能，IDT上增加了保護(hù)涂層。普通的SAW filter頻率溫度系數(shù)(TCF, temperature coefficient of frequency)大約-45ppm/oC左右，而TC-SAW大約-15到-25ppm/oC。增加的涂層使工藝變得復(fù)雜，成本也增加，不過(guò)相對(duì) filter還是便宜一些。