基于CMOS工藝的高性能射頻濾波器：體聲波濾波器BAW

　　過(guò)去幾年中，隨著射頻集成電路技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，移動(dòng)電話中射頻部分的很多分立器件已被替換。最為明顯的就是接收機(jī)中分立的低噪聲放大器（LNA）和中頻（IF）濾波器已經(jīng)被集成到射頻集成電路中?？梢灶A(yù)期各射頻模塊將逐步被集成到標(biāo)準(zhǔn)BiCMOS或CMOS集成電路中，但還是有幾類射頻元件的集成不太容易做到，其中就包括射頻濾波器。所有的移動(dòng)電話都需要射頻濾波器以保護(hù)敏感的接收（Rx）信道，使之免受其他用戶的發(fā)送（Tx）信號(hào)及各種射頻源產(chǎn)生的噪聲干擾。移動(dòng)電話可能要求當(dāng)Rx信號(hào)比干擾信號(hào)強(qiáng)度低120dB時(shí)仍能工作。而前置放大器無(wú)法提供足夠小的互調(diào)以滿足這種要求。

　　體聲波（BAW）和薄膜腔聲諧振器（FBAR）濾波器被分別用來(lái)替代移動(dòng)電話中的傳統(tǒng)射頻濾波器，因?yàn)槟壳捌湫阅芤殉^(guò)表面波（SAW）濾波器，而且可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)集成電路技術(shù)生產(chǎn)，極具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。

　　天線和前置放大器之間高選擇性的射頻濾波器保證了只有正確的Rx波段內(nèi)的信號(hào)被放大。分配給移動(dòng)電話系統(tǒng)的頻段是從400MHz到2.2GHz;帶寬一般在20到75MHz之間。Tx波段低于Rx波段，但之間僅有20MHz的間隙。在20MHz這么窄的過(guò)渡帶中，Rx濾波器必須從在相應(yīng)的Tx波段上邊沿處有大于15dB的衰減，變化到在Rx波段下邊沿處有小于3dB的插入損耗。要實(shí)現(xiàn)這么陡的沿，濾波器元件需要有極低的損耗，及很高的品質(zhì)因數(shù)（Q），對(duì)于電抗元件，Q≥400是必須的。選擇性射頻濾波器在移動(dòng)電話的Tx信道中按規(guī)程也是需要的，以避免在規(guī)定波段以外發(fā)出射頻功率。這些Tx濾波器主要考慮的是不讓功率放大器把噪聲和Tx波段外的信號(hào)放大。GSM系統(tǒng)是時(shí)分復(fù)用的。GSM手機(jī)的天線用射頻開(kāi)關(guān)在Rx和Tx信道之間來(lái)回切換。由于這種切換，在GSM系統(tǒng)中，接收和發(fā)送的信號(hào)相對(duì)易于相互隔離。與GSM不同，CDMA和W-CDMA及第三代（UMTS）標(biāo)準(zhǔn)都工作在全雙工模式，即電話同時(shí)在接收和發(fā)送信號(hào)。這樣的工作模式使得所謂的天線雙工器成為必需的器件。天線雙工器包括了用于Rx和Tx波段的高選擇性的濾波器，它要保證從功放送出的功率盡可能少的回饋到接收通道，并將從天線接收到的信號(hào)以盡可能少的衰減導(dǎo)入前置放大器。這種雙工器中采用SAW濾波器是有困難的，因?yàn)樗芴幚砀哌_(dá)2瓦的輸出功率，而且隨著自身發(fā)熱造成的溫度提升，要能維持正常的工作。而B(niǎo)AW/FBAR濾波器可以很好滿足這些應(yīng)用，因?yàn)槠淦焚|(zhì)因數(shù)可高達(dá)1500，可以處理達(dá)幾瓦的功率，而且頻率特性的溫度系數(shù)明顯低于SAW濾波器。

　　基本原理

　　BAW諧振器應(yīng)用了MEMS工藝，以便將石英晶體的工作機(jī)理擴(kuò)展到更高頻率。壓電層的典型厚度在幾個(gè)微米或更低。壓電層可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)駐聲波，其波長(zhǎng)為壓電層和電極總厚度的兩倍。該駐聲波沿垂直方向傳播。因?yàn)榈矸e的壓電層的方向?qū)穸韧庋幽Ｊ剑?a href="http://www.ttokpm.com/tags/te/" target="_blank">TE）支持得最好，所以采用了這一模式。在諧振頻率附近，電阻抗將發(fā)生強(qiáng)烈的變化。在BAW中，壓力場(chǎng)看起來(lái)與（單晶的）石英晶體很相似，但有更大一部分駐波位于電極和支撐層中。要將厚度外延模式的石英晶體的工作機(jī)制擴(kuò)展到GHz范圍，最直接的方法是將壓電層和電極作成膜結(jié)構(gòu)，或做到一個(gè)薄的支撐膜層上。

　　這種用膜結(jié)構(gòu)的方法產(chǎn)生的BAW器件需要淀積的層數(shù)是最少的。這種方法的缺點(diǎn)是由于頂部有易碎的膜，從而造成晶片的處理很困難，此外還有其它一些魯棒性的問(wèn)題。

　　為實(shí)現(xiàn)將聲波從襯底隔離開(kāi)，還可以用聲波鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。用若干聲阻抗高和低的層交替堆疊，且這些層的厚度都等于主諧振波長(zhǎng)的1/4，這樣就構(gòu)建了一個(gè)有效的聲波鏡。這種制鏡機(jī)理在光學(xué)中很普遍。在每個(gè)高阻抗層和低阻抗層之間的界面上，大部分的聲波被反射，又由于這些層的厚度是/4，因而反射波會(huì)按合適的相位疊加。這種類型的BAW被稱為固態(tài)裝配諧振器（SMR）。就魯棒性而言，SMR比膜結(jié)構(gòu)的BAW要好很多。在劃片和裝配所需的各種標(biāo)準(zhǔn)工序中，沒(méi)有機(jī)械損壞的風(fēng)險(xiǎn)。壓電層和電極層上受到的層壓力也不會(huì)造成問(wèn)題。對(duì)需要有很大功率承受能力的BAW而言，存在一條直接穿過(guò)鏡子的垂直傳熱通路是很有利的，這樣可以明顯降低對(duì)周圍環(huán)境的熱阻抗。SMR類的FBAR在用于IC集成時(shí)有很明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢员磺度氲浇惶娴慕饘?氧化物堆中，而這種金屬-氧化物堆一般先進(jìn)的IC工藝都可以提供。事實(shí)上，在IC工藝上集成SMR，總的工序和掩膜層數(shù)都得到節(jié)省。