深入剖析SAW BAW FBAR滤波器文档格式.docx
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Infrasonic（次声波）是低频率，20Hz一下，人耳听不到，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SAWfilter。
SurfaceAcousticWave（SAW）filter
顾名思义，SAW是一种沿着固体表面（surface）传播的声波（acousticwave）。
一个基本的SAWfilter由压电材料（piezoelectricsubstrate）和2个InterdigitalTransducers（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（electricalsignal）转成声波（acousticwave），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mechanicalwave）之间转换也称为electromechanicalcoupling。
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（piezoelectricityorpiezoelectriceffect）
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-JacquesCurie）发现。
压电是指某些晶体（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unitcell（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unitcell原子排列是对称的（withacenterofsymmetry），不管有没有外部压力，基本单元里的netelectricdipole始终是零，而压电晶体的原子排列是不对称的（lacksacenterofsymmetry）。
压电晶体原子排列虽然不对称，但正电荷（positivecharge）会和附近负电荷（negativecharge）相互抵消（更确切是electricdipolemoments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（netelectricalcharge），晶体表面出现positivecharge和negativecharge。
这种现象称为压电（piezoelectriceffect）。
相反地，晶体两端加电压时原子受到“electricalpressure”，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-piezoelectriceffect。
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）。
SAWfilter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mechanicalstress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（groupdelay）。
SAWfilter也可以用laddertype（串并组合），如下图。
SAW的频率可以大致参考以下公式:
F=V/λ
V是SAW的速率（velocity），大概3100m/s,λ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SAWfilter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（electromigration）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。
SAWfilter对温度变化也敏感，性能随着温度升高变差。
TC（temperaturecompensated）-SAWfilter就是为了改善温度性能，IDT上增加了保护涂层。
普通的SAWfilter频率温度系数（TCF,temperaturecoefficientoffrequency）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BAWfilter还是便宜一些。
BulkAcousticWave（BAW）filter
相比SAWfilter，BAWfilter更适合于高频率。
跟SAW/TC-SAWfilter一样，BAWfilter的大小也随着频率增加而减少。
另外，BAWfilter有对温度变化不敏感，插入损耗小，带外衰减大（steepfilterskirts）等优点。
与SAWfilter不同，声波在BAWfilter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。
BAWfilter的最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜（Quartzsubstrate在2GHz下厚度为2um），声波在压电薄膜里震荡形成驻波（standingwave）。
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（incidentwave）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Braggreflector，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，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（SolidlyMountedResonator），如下图。
还有一种方法叫FBAR（FilmBulkAcousticResonator）,包括Membranetype和Airgaptype。
MembraneType是从substrate后面etch到表面（也就是bottomelectrode面），形成悬浮的薄膜（thinfilm）和腔体（cavity）。
Membranetype类似于BAWresonator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，membranetype
较少一部分跟底下substrate接触，不好散热。
Airgaptype在制作压电层之前沉积一个辅助层（sacrificialsupportlayer），最后再把辅助层去掉，在震荡结构下方形成airgap。
因为只是边缘部分跟底下substrate接触，这种结构在受到压力时相对脆弱，而且跟membranetype类似，散热问题同样需要关注。
BAWfilter种类
BAWfilter可以把多个resonator按一定拓扑结构连接。
BAWfilter有多种类型，包括laddertypefilter，latticetypefilter，stackedcrystalfilter和coupledresonatorfilter。
这里只简单介绍laddertype和latticetype。
Laddertype（SAW最后也提过）使用的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laddertypefilter可以由好几个stage组成。
了解laddertypefilter的工作原理之前我们再看看BAWresonator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（passband）上，seriesresonatorfs阻抗很小，保证信号通过，shuntresonatorfp阻抗很大，妨碍信号通过。
Latticefilter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。
Laddertype可以用在单端（single-ended/unbalanced）和差分（balanced）信号上，而latticetype更适合用在差分（balanced）信号上。
BAWfilter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highelectromechanicalcouplingcoefficient，lowelectromechanicalloss，highthermalstability，还要符合IC工艺技术。
目前最常用的BAW压电材料有AlN（aluminumnitride），PZT（leadzirconatetitanate），ZnO（zincoxide）。
关于波（wave）
物理上，波主要分为两种，一种是电磁波（electromagneticwave），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（radiowave），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（mechanicalwave），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wavemotion;
longitudinal（compressive）wave（纵波）和transversewave（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。
Transversewave（横波）
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FBARfilter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Rayleighsurfacewave，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piezoelectriceffect；
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。
SAWfilter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SAWfilter,声波在BAWfilter物体内传播（纵波或横波）。
BAWfilter结构有BAW-SMR，FBAR（membranetype和airgaptype）。
BAWfilter更适合于2.5GHz以上的频率，BAWfilter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.FABRICATIONANDCHARACTERIZTIONOFALNTHINFILMBULKACOUSTICWAVERESONATOR,QingmingChen,2006
2.WhatisSAWFilters,Token,2010
3.MEMSEverywhere.pdf,Yole,
4.
5.http:
//mems.usc.edu/fbar.htm
6.
7.
8.http:
//www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavemotion.html
9.SiP/SoCIntegrationofRFSAW/BAWFilters,Ken-yaHashimoto,ChibaUniversity
10.AStudyonBawTechnology:
ReconfigurationofFBARFilter,ShivaniChauhan1ParasChawla2
11.BulkAcousticWaveDevices–Why,How,andWhereTheyareGoing,StevenMahon1andRobertAigner
12.LatticeFBARFilters:
BasicPropertiesandOpportunitiesforImprovingtheFrequencyResponse,IvanUzunov1,DobromirGaydazhiev2,VentsislavYantchev
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