深入剖析saw, baw, fbar滤波器

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1、深入剖析SAW,BAW,FBAR滤波器很多通信系统发展到某种程度都会有小型化的趋势。一方面小型化可以让系统更加轻便和有效，另一方面，日益发展的IC制造技术可以用更低的成本生产出大批量的小型产品。MEMS(MicroElectromechanicalSystem)是这种小型产品的相关技术之一。MEMS可以检测环境的变化并通过微型电路产生相关反应。MEMS的主要部分包括sensor(微传感器)或actuator(微执行器)和transducer(转换装置)，其中sensor可以检测某种物理，化学或生物的存在或强度，比如温度，压力，声音或化学成分，tran

2、sducer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被广泛的利用在多个领域里，如下图。这篇文章主要说说MEMS的几种RF相关应用产品SAW,BAW,FBARfilter，也是目前手机中最常用的几种filter。 SAW,BAW和FBAR中，A都代表着Acoustic。Acousticwave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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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