扒一扒SAW、BAW、FBAR滤波器原理

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BAW filter种类

BAW filter可以把多个resonator按一定拓扑结构连接。BAW filter有多种类型,包括ladder type filter,lattice type filter,stacked crystal filter和coupled resonator filter。这里只简单介绍ladder type和lattice type。

Ladder type(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ladder type filter可以由好几个stage组成。

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了解ladder type filter的工作原理之前我们再看看BAW resonator的基本模型,如下图。

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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。

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在通频带(pass band)上,series resonator fs阻抗很小,保证信号通过,shunt resonator fp阻抗很大,阻止信号通过。

Lattice filter中每一个stage有4个resonator,包括2个串联和2个并联,基本模型如下图。

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Ladder type可以用在单端(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high electromechanical coupling coefficient,low electromechanical loss,high thermal stability,还要符合IC工艺技术。

目前最常用的BAW压电材料有AlN(aluminum nitride),PZT(lead zirconate titanate),ZnO(zinc oxide)。

关于波(wave)

物理上,波主要分为两种,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,所以在真空中也可以传播。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互相碰撞着进行不断的传播。

机械波有两种基本的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,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,如下图。

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· Transverse wave(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,如下图。

 

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。

而对于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piezoelectric effect;相反地,晶体两端加电压时原子受到“electrical pressure”,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-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2.5GHz以上的频率,BAW filter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。

 

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