剖析MEMS的幾種RF相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品SAW,BAW, FBAR filter

很多通信系統(tǒng)發(fā)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(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會把一種energy轉(zhuǎn)換成另外一種(比如從電信號到機(jī)械波)。

目前MEMS被廣泛的利用在多個領(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)中最常用的幾種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(zhuǎn)成聲波(acoustic wave)，右邊的IDT把接收到的聲波再轉(zhuǎn)成電信號。

電信號和聲波(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)受到外部壓力時會產(chǎn)生電壓，相反地，如果某些晶體兩面存在電壓，晶體形狀會輕微變形。

為什么會發(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(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)晶體受到壓力時外形會變化，一些原子間距離會變得更近或者更遠(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(xiàn)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(zhuǎn)成一次/秒的脈沖，脈沖再驅(qū)動小型電機(jī)進(jìn)而轉(zhuǎn)動齒輪(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?，而在垂直方向上SAW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。中間部分的shielding會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(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有對溫度變化不敏感，插入損耗小，帶外衰減大(steep filter skirts)等優(yōu)點。

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?，BAW是bulk，物體內(nèi)傳播。

BAW filter的最基本結(jié)構(gòu)是兩個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最小loss和最大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，比如第一層的聲波阻抗大，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，大部分聲波都會反射回來。不過薄膜結(jié)構(gòu)需要足夠堅固以至于在后續(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輔助層(sacrificial support layer)，最后再把輔助層去掉，在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成air gap。

因為只是邊緣部分跟底下substrate接觸，這種結(jié)構(gòu)在受到壓力時相對脆弱，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(SAW最后也提過)使用的resonator包括串聯(lián)和并聯(lián)，一個串聯(lián)的resonator加一個并聯(lián)的resonator稱為一個stage，整個ladder type filter可以由好幾個stage組成。

了解ladder type filter的工作原理之前我們再看看BAW 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，對應(yīng)的mBVD等效電路如上圖(b)，對應(yīng)的阻抗如上圖(c)，可以看出有兩個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，保證信號通過，shunt resonator fp阻抗很大，阻止信號通過。

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

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

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)。

目前最常用的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，而是通過由最初的帶電粒子產(chǎn)生的電場和磁場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)會變形。比如聲波在空氣中傳播時，空氣分子會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，粒子的運動方向和波的傳播方向是平行的，不過每個粒子不會沿著波的方向移動，只是在各自的平衡狀態(tài)上前后震動，如下圖。

Transverse wave(橫波)

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

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，橢圓的長軸垂直于固體表面，隨著固體深度越深，粒子運動幅度越小。

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)及時的或者局部環(huán)境變化；或者有相應(yīng)信號輸入時，對及時的或者局部環(huán)境做出某種物理上的交互動作。

2.某些晶體(Crystal)受到外部壓力時會產(chǎn)生凈電荷，稱為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(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?。SAW 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轉(zhuǎn)成機(jī)械波(聲波)，再把機(jī)械波(聲波)轉(zhuǎn)成電信號。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。