深切剖析SAW,BAW,FBAR滤波器

深切剖析SAW, BAW, FBAR滤波器

很多通信系统进展到某种程度都会有小型化的趋势。一方面小型化能够让系统加倍轻便和有效，

另一方面，日趋进展的IC制造技术能够用更低的本钱生产出大量量的小型产品。

MEMS(MicroElectromechanical System)是这种小型产品的相关技术之一。MEMS能够检测环境

的转变并通过微型电路产生相关反映。MEMS的要紧部份包括sensor(微传感器)或actuator(微

执行器)和transducer(转换装置)，其中sensor能够检测某种物理，化学或生物的存在或强度，

比如温度，压力，声音或化学成份，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被普遍的利用在多个领域里，如以下图。

这篇文章要紧说说MEMS的几种RF相关应用产品SAW,BAW, FBAR filter，也是目前电话中最经

常使用的几种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，能够用来研究地理现象(比如地震)。

Ultrasonic(超声波)是20KHz到10

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KHz，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，第一咱们看看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)。

一个大体的SAW filter由压电材料(piezoelectric substrate)和2个Interdigital Transducers(IDT)组成，

如以下图。

IDT是由交叉排列的金属电极组成，上图中左侧的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？缘故在于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)发觉。压电是指某些晶体(Crystal)受到外部压力时会产生电压，相反地，若是

某些晶体两面存在电压，晶体形状会轻微变形。

什么缘故会发生这种现象？

第一说晶体，科学意义上的晶体指其原子或分子在三维空间内以超级有规律地排列，而且隔一

段距离重复着unit cell(大体组成单元)的固体，比如食盐和糖也是晶体。大部份晶体的unit cell

原子排列是对称的(with a center of symmetry)，不管有无外部压力，大体单元里的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)。

压电晶体原子排列尽管不对称，但正电荷(positive charge)会和周围负电荷(negative charge)彼此抵

消(更确切是electric dipole moments彼此抵消)，因此整体的晶体不带电。当晶体受到压力时外

形会转变，一些原子间距离会变得更近或更远，打乱了原先维持的平稳，显现净电荷(net electrical

charge)，晶体表面显现positive charge和negative charge。这种现象称为压电(piezoelectric effect)。

相反地，晶体两头加电压时原子受到“electrical pressure”，为了维持电荷的平稳，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，咱们平常生活中利用的石英表也利用了石英的压电特性。纽

扣电池给手内外面的电路供电，电路会让石英晶体精准的震荡(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经常使用的压电材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2等。其大体结构中左侧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也是一样结构，只是接收SAW，输出电信号。中

间部份的shielding会阻碍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也能够用ladder type(串并组合)，如以下图。

SAW的频率能够大致参考以下公式:F = V/λ

V是SAW的速度(velocity)，可能3100m/s, λ是IDT电极之间间距。

从公式能够看出，频率越高IDT电极之间间距越小，因此SAW filter不太适合大约以上的频率。

另外很小的间距(高频率)下电流密度太大(高功率)会致使电迁移(electromigration)和发烧等问题，

固然，通过一些方式(IDT材料的改良等)也能够弥补这些。

SAW filter对温度转变也灵敏，性能随着温度升高变差。TC(temperature compensated)-SAW filter

确实是为了改善温度性能，IDT上增加了爱惜涂层。一般的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，本钱也增加，只是相对BAW filter仍是廉价一些。

Bulk Acoustic Wave(BAW) filter

相较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有对温度转变不灵敏，插入损耗小，带外衰减大(steep

filter skirts)等优势。

与SAW filter不同，声波在BAW filter里是垂直传播。从名字也能够看出，SAW是surface, 沿

着表面传播，BAW是bulk，物体内传播。

BAW filter的最大体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需有足够的隔离才能取得最小loss

和最大Q值。声波在固体里传播速度为~5000m/s，也确实是说固体的声波阻抗大约为空气的10

5

倍，因此99.995%的声波能量会在固体和空气边界处反射回来，跟原先的波(incident wave)一路

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)的不同不大，因此

不能把压电层直接deposit(沉积)在Si衬底上。

有一种方式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，如此大部份波会反射回来和原先的波叠加。这种结构整体成效相

当于和空气接触，大部份声波被反射回来，这种结构称为BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)，

如以下图。

还有一种方式叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator), 包括Membrane type和Airgap type。

Membrane Type是从substrate后面etch到表面(也确实是bottom electrode面)，形成悬浮的薄膜

(thin film)和腔体(cavity)。

Membrane type类似于BAW resonator的大体模型，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，大部份声波都会反射回来。只是薄膜结构需要足够牢固以至于在后续工艺

中不受阻碍。相较BAW-SMR，membrane type

较少一部份跟底下substrate接触，不行散热。

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。

因为只是边缘部份跟底下substrate接触，这种结构在受到压力时相对脆弱，而且跟membrane type

类似，散热问题一样需要关注。

BAW filter种类

BAW filter能够把多个resonator按必然拓扑结构连接。BAW filter有多种类型，包括ladder type

filter，lattice type filter，stacked crystal filter和coupled resonator filter。那个地址只简单介绍ladder

type和lattice type。

Ladder type(SAW最后也提过)利用的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能够由好几个stage组成。

了解ladder type filter的工作原理之前咱们再看看BAW resonator的大体模型，如以下图。

典型的大体结构如上图(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)，能够看出有两个resonance频率，串联(fs)和并联(fp)。工作原理如以下图。

在通频带(pass band)上，series resonator fs阻抗很小，保证信号通过，shunt resonator fp阻抗专门

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，大体模型如以下图。

Ladder type能够用在单端(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经常使用的压电材料

石英(quartz)作为常见的压电材料，在高电压和高压力的情形下表现出线性反映，但尚未适合的

方式把石英做成薄膜deposit在Si衬底上。适合的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。

目前最经常使用的BAW压电材料有AlN(aluminum nitride)，PZT(lead zirconate titanate)，ZnO(zinc

oxide)。

关于波(wave)

物理上，波要紧分为两种，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，因此在真空中也能够传播。无

线电波(radio wave)，微波(microwave)，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相互碰撞着进行不断的传播。

机械波有两种大体的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，只是每一个粒子可不能沿着波的方向移

动，只是在各自的平稳状态上前后震动。

Transverse wave(横波)

在横波中，粒子的运动方向和波的传播方向彼此垂直。粒子也可不能沿着波的传播方向移动，

只是在各自的平稳状态下上下震动。

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。

而关于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。

REVIEW

1. 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，感应及

时的或局部环境转变；或有相应信号输入时，对及时的或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

头加电压时原子受到“electrical pressure”，为了维持电荷的平稳，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大体结构由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)，再把机械波(声波)转成电信号。TC-SAW是为了改善温

度性能，增加了爱惜涂层。

4. 相较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更适合于以上的频率，BAW filter的制造工艺也超级符合现有的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 ACOUSTIC WAVE RESONATOR, Qingming Chen,

2006

2. What is SAW Filters, Token, 2020

3. MEMS , Yole,

9. SiP/SoCIntegration of RF SAW/BAW Filters, Ken-ya Hashimoto, Chiba University

10. A Study on Baw Technology: Reconfiguration of FBAR Filter, Shivani Chauhan1 Paras Chawla2

11. Bulk Acoustic Wave Devices – Why, How, and Where They are Going, Steven Mahon 1 and Robert Aigner

12. Lattice FBAR Filters: Basic Properties and Opportunities for Improving the Frequency Response, Ivan Uzunov1, Dobromir

Gaydazhiev2, Ventsislav Yantchev