SAW，BAW，FBAR濾波器的原理

很多通信系統發展到某種程度都會有小型化的趨勢。一方面小型化可以讓系統更加輕便和有效，另一方面，日益發展的IC**技術可以用更低的成本生產出大批量的小型產品。

MEMS(MicroElectromechanical System)是這種小型產品的相關技術之一。MEMS可以檢測環境的變化并通過微型電路產生相關反應。MEMS的主要部分包括sensor(微傳感器)或actuator(微執行器)和transducer(轉換裝置)，其中sensor可以檢測某種物理，化學或生物的存在或強度，比如溫度，壓力，聲音或化學成分，transducer會把一種energy轉換成另外一種(比如從電信號到機械波)。

目前MEMS被廣泛的利用在多個領域里，如下圖。

這篇文章主要說說MEMS的幾種RF相關應用產品,, FBAR filter，也是目前手機中最常用的幾種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 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)。

一個基本的SAW filter由壓電材料(piezoelectric substrate)和2個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(electrical signal)轉成聲波(acoustic w**e)，右邊的IDT把接收到的聲波再轉成電信號。

電信號和聲波(屬于mechanical w**e)之間轉換也稱為electromechanical coupling。

那IDT是怎么把電信號轉成聲波呢?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家(Pierre，Paul-Jacques Curie)發現。壓電是指某些晶體(Crystal)受到外部壓力時會產生電壓，相反地，如果某些晶體兩面存在電壓，晶體形狀會輕微變形。

為什么會發生這種現象?

首先說晶體，科學意義上的晶體指其原子或分子在三維空間內以非常有規律地排列，而且隔一段距離重復著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稱的(lacks a center of symmetry)。

壓電晶體原子排列雖然不對稱，但正電荷(positive charge)會和附近負電荷(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。當晶體受到壓力時外形會變化，一些原子間距離會變得更近或者更遠，打亂了原來保持的平衡，出現凈電荷(net electrical charge)，晶體表面出現positive charge和negative charge。這種現象稱為壓電(piezoelectric effect)。

相反地，晶體兩端加電壓時原子受到“electrical pressure”，為了保持電荷的平衡，原子來回震動使壓電晶體形狀輕微變形。這種現象稱為reverse-piezoelectric effect。

石英(quartz)是很常見的壓電材料，我們平時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，電路會讓石英晶體精確的震蕩(震動)32768次/秒，再把震蕩轉成一次/秒的脈沖，脈沖再驅動小型電機進而轉動齒輪(指針)。

SAW filter常用的壓電材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2等。其基本結構中左邊IDT交叉排列的電極之間交流電壓產生壓電材料的mechanical stress并以SAW的形式沿著表面傳播，而在垂直方向上SAW幅度快速衰落。右邊的IDT也是同樣結構，只是接收SAW，輸出電信號。中間部分的shielding會影響輸入和輸出之間的耦合(coupling)，關系到通帶內的幅度ripple和群時延(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)會導致電遷移(electromigration)和發熱等問題，當然，通過一些方法(IDT材料的改進等)也可以彌補這些。

SAW filter對溫度變化也敏感，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上增加了保護涂層。普通的SAW filter頻率溫度系數(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雜，成本也增加，不過相對 filter還是便宜一些。