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制造技術(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。

這篇文章主要說說MEMS的幾種RF相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品SAW,BAW, FBAR filter,，也是目前手機(jī)中zui常用的幾種filter,。

SAW,BAW和FBAR中，A都代表著Acoustic,。Acoustic wave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, 是人耳能聽見的范圍,。

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

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

下面提到的聲波都是超聲波的范圍，首先我們看看SAW filter,。

Surface Acoustic Wave(SAW) filter

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

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 wave),，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 wave)之間轉(zhuǎn)換也稱為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這詞來源于希臘語 piezein,，表示施加壓力，1880年由兩位法國物理學(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)稱的(with a center of symmetry)，不管有沒有外部壓力,，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)稱的(lacks a center of symmetry)。

壓電晶體原子排列雖然不對(duì)稱,，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,，原子來回震動(dòng)使壓電晶體形狀輕微變形,。這種現(xiàn)象稱為reverse-piezoelectric effect。

石英(quartz)是很常見的壓電材料,，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)鞑ィ诖怪狈较蛏蟂AW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)熱等問題,，當(dāng)然，通過一些方法(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，不過相對(duì)BAW filter還是便宜一些,。

Bulk Acoustic Wave(BAW) filter

相比SAW filter,，BAW filter更適合于高頻率。跟SAW/TC-SAW filter一樣,，BAW filter的大小也隨著頻率增加而減少,。另外，BAW filter有對(duì)溫度變化不敏感,，插入損耗小,，帶外衰減大(steep filter skirts)等優(yōu)點(diǎn)。

與SAW filter不同，聲波在BAW filter里是垂直傳播,。從名字也可以看出,，SAW是surface, 沿著表面?zhèn)鞑ィ珺AW是bulk,，物體內(nèi)傳播,。

BAW filter的zui基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)金屬電極夾著壓電薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度為2um)，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波(standing wave),。

為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩,，震蕩結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到zui小loss和zui大Q值。聲波在固體里傳播速度為~5000m/s,，也就是說固體的聲波阻抗大約為空氣的10⁵倍,，所以99.995%的聲波能量會(huì)在固體和空氣邊界處反射回來，跟原來的波(incident wave)一起形成駐波,。而震蕩結(jié)構(gòu)的另一面,，壓電材料的聲波阻抗和其他襯底(比如Si)的差別不大，所以不能把壓電層直接deposit(沉積)在Si襯底上,。

有一種方法是在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成Bragg reflector,，把聲波反射到壓電層里面。Reflector由好幾層高低交替阻抗層組成,，比如*層的聲波阻抗大,，第二層的聲波阻抗小，第三層聲波阻抗大,，而且每層的厚度是聲波的λ/4,，這樣大部分波會(huì)反射回來和原來的波疊加。這種結(jié)構(gòu)整體效果相當(dāng)于和空氣接觸,，大部分聲波被反射回來,，這種結(jié)構(gòu)稱為BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)，如下圖,。

還有一種方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator), 包括Membrane type和Airgap type,。

Membrane Type是從substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面),，形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity),。

Membrane type類似于BAW resonator的基本模型，兩面都是空氣,，由于空氣的聲波阻抗遠(yuǎn)低于壓電層的聲波阻抗,，大部分聲波都會(huì)反射回來。不過薄膜結(jié)構(gòu)需要足夠堅(jiān)固以至于在后續(xù)工藝中不受影響,。相比BAW-SMR,，membrane type

較少一部分跟底下substrate接觸，不好散熱。

Airgap type在制作壓電層之前沉積一個(gè)輔助層(sacrificial support layer),，zui后再把輔助層去掉,，在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成air gap。

因?yàn)橹皇沁吘壊糠指紫聅ubstrate接觸,，這種結(jié)構(gòu)在受到壓力時(shí)相對(duì)脆弱,，而且跟membrane type類似，散熱問題同樣需要關(guān)注,。

BAW filter種類

BAW filter可以把多個(gè)resonator按一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接,。BAW filter有多種類型，包括ladder type filter,，lattice type filter,，stacked crystal filter和coupled resonator filter。這里只簡單介紹ladder type和lattice type,。

Ladder type(SAWzui后也提過)使用的resonator包括串聯(lián)和并聯(lián),，一個(gè)串聯(lián)的resonator加一個(gè)并聯(lián)的resonator稱為一個(gè)stage，整個(gè)ladder type filter可以由好幾個(gè)stage組成,。

了解ladder type filter的工作原理之前我們?cè)倏纯碆AW resonator的基本模型,，如下圖。

典型的基本結(jié)構(gòu)如上圖(a),，上下金屬電極中間夾著壓電層,，對(duì)應(yīng)的mBVD等效電路如上圖(b)，對(duì)應(yīng)的阻抗如上圖(c),，可以看出有兩個(gè)resonance頻率,，串聯(lián)(fs)和并聯(lián)(fp)。工作原理如下圖,。

在通頻帶(pass band)上,，series resonator fs阻抗很小，保證信號(hào)通過,，shunt resonator fp阻抗很大,，妨礙信號(hào)通過。

Lattice filter中每一個(gè)stage有4個(gè)resonator,，包括2個(gè)串聯(lián)和2個(gè)并聯(lián),，基本模型如下圖。

Ladder type可以用在單端(single-ended/unbalanced)和差分(balanced)信號(hào)上,，而lattice type更適合用在差分(balanced)信號(hào)上,。

BAW filter常用的壓電材料

石英(quartz)作為常見的壓電材料，在高電壓和高壓力的情況下表現(xiàn)出線性反應(yīng),，但還沒有合適的方法把石英做成薄膜deposit在Si襯底上,。合適的BAW壓電材料需要high electromechanical coupling coefficient，low electromechanical loss，high thermal stability,，還要符合IC工藝技術(shù),。

目前zui常用的BAW壓電材料有AlN(aluminum nitride)，PZT(lead zirconate titanate),，ZnO(zinc oxide),。

關(guān)于波(wave)

物理上，波主要分為兩種,，一種是電磁波(electromagnetic wave),，這種波不需要任何媒介，而是通過由zui初的帶電粒子產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的周期性震蕩來傳播,，所以在真空中也可以傳播,。無線電波(radio wave)，微波(microwave),，可見光,，X射線，伽馬射線都屬于電磁波,。

還有一種是機(jī)械波(mechanical wave),，通過媒介(固體，液體或氣體)傳播,，而且媒介的物質(zhì)會(huì)變形,。比如聲波在空氣中傳播時(shí)，空氣分子會(huì)跟周圍的分子互相碰撞著進(jìn)行不斷的傳播,。

機(jī)械波有兩種基本的wave motion; longitudinal(compressive) wave(縱波)和transverse wave(橫波),。

Longitudinal(compressive) wave(縱波)

在縱波中，粒子的運(yùn)動(dòng)方向和波的傳播方向是平行的,，不過每個(gè)粒子不會(huì)沿著波的方向移動(dòng),，只是在各自的平衡狀態(tài)上前后震動(dòng)。

Transverse wave(橫波)

在橫波中,，粒子的運(yùn)動(dòng)方向和波的傳播方向相互垂直,。粒子也不會(huì)沿著波的傳播方向移動(dòng)，只是在各自的平衡狀態(tài)下上下震動(dòng),。

之前在本文章提到的BAW- SMR和FBAR filter圖中,，聲波都以縱波(longitudinal)形式傳播，即粒子震動(dòng)方向和波的傳播方向是平行的,。也有不同結(jié)構(gòu),，聲波以橫波(transverse)形式傳播,。

而對(duì)于SAW,，也叫Rayleighsurface wave，既有縱波也有橫波。固體中粒子以橢圓軌跡震動(dòng),，橢圓的長軸垂直于固體表面,，隨著固體深度越深，粒子運(yùn)動(dòng)幅度越小,。

REVIEW

1.     MEMS是一種小型的器件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng),，其中可能包括集成的機(jī)械器件和電子器件，感應(yīng)及時(shí)的或者局部環(huán)境變化,；或者有相應(yīng)信號(hào)輸入時(shí),，對(duì)及時(shí)的或者局部環(huán)境做出某種物理上的交互動(dòng)作。

2.     某些晶體(Crystal)受到外部壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生凈電荷,，稱為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,，原子來回震動(dòng)使壓電晶體形狀輕微變形。這種現(xiàn)象稱為reverse-piezoelectric effect,。石英(quartz)是一種常見的壓電晶體,。

3.     SAW是一種沿著固體表面?zhèn)鞑サ穆暡āAW filter基本結(jié)構(gòu)由IDT和壓電材料組成,，IDT和壓電材料把電信號(hào)轉(zhuǎn)成機(jī)械波(聲波),，再把機(jī)械波(聲波)轉(zhuǎn)成電信號(hào)。TC-SAW是為了改善溫度性能,，增加了保護(hù)涂層,。

4.     相比SAW filter, 聲波在BAW filter物體內(nèi)傳播(縱波或橫波)。BAW filter結(jié)構(gòu)有BAW - SMR,，F(xiàn)BAR(membrane type和airgap type),。

BAW filter更適合于2.5GHz以上的頻率，BAW filter的制造工藝也非常符合現(xiàn)有的IC制造工藝,，適合和其他的active電路做整體的integration,。

ref:

1. FABRICATION AND CHARACTERIZTION OF ALN THIN FILM BULK ACOUSTIC WAVE RESONATOR, Qingming Chen, 2006

2. What is SAW Filters, Token, 2010

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 出處：電路說