SAW/FBAR设备的工作原理及使用范例

材料·结构

构成SAW设备的基本要素就是上面所说的叉指式换能器（IDT）和反射器（Grating）。要反射波长λ的弹性表面波，则需在反射器上设置λ/2的间距，并连接多个电极等反射源等，由此可以从总体上获得较大的反射率。下面介绍几台使用了IDT或反射器的SAW设备结构。

图3

SAW谐振器

图4

图5

在通过IDT激励的SAW的传播方向设置反射器，由此可以引发谐振。利用了这个特性的弹性表面波设备就是SAW谐振器。只有一个IDT时称作单端口谐振器，而在两个反射器之间设置了2个带有输入、输出端子的IDT时称作双端口谐振器，根据IDT之间的传输特性，有时也可作为滤波器使用。

横向型

图6

横向型大多用于TV用IF滤波器或BS接收器用滤波器等。通过对波的电极指公差范围的调整，可以设计具有灵活性的频率特性。

梯型

图7

图8

现在SAW设备已经被广泛应用于手机等设备。这里使用的结构大致可以分为2种。一种是被称为梯型的滤波器，即将上述单端口谐振器连接成梯型状态的滤波器。

DMS型

图9

另一种是被称为DMS（Double Mode SAW）型的滤波器。即将2个以上的IDT设置于反射器之间，由此可以实现结合了多个波模式的宽带滤波器特性效果。若如下图所示使用了3种IDT时，则应采用0次和2次模式。

梯型滤波器一般在非平衡的输入、输出状态下使用，而DMS型滤波器则是以从IDT获取电极的方式，可以实现平衡输入或输出的效果，因此常在连接平衡输入的放大器时使用。

图10

双工器的原理·结构

双工器是在手机等设备上使用的设备，通过具有天线、发送及接收3个端口的调谐器同时进行信号的发送和接收。这是用于被称为UMTS或CDMA的FDD（Frequency Division Duplex）通信系统的设备。主要结构如下所述。

图11

举例说明频率特性。

双工器频率特性范例

（红、发送→天线端口；蓝、天线→接收端口）

这里的结构是，通过移相器从发送端口发向天线的信号不会传向接收一侧，接收频带的信号也不会传向发送一侧。移相器根据发送、接收滤波器的特性，可以具有2种结构、即单侧或者双侧简略化的单元结构。

图12

FBAR设备的原理

若用电极夹住压电薄膜并施加高频信号，那么就会沿着压电薄膜的内侧产生体波，同时根据压电薄膜的厚度，以相应的频率引发谐振。像这样形成的谐振器就称为薄膜体声波谐振器（FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator）。

本公司将AIN作为压电材料在FBAR上加以使用。将这个谐振器连接成与梯型SAW滤波器相同的梯型状态，由此可以实现滤波器的特性效果。这样不但拥有了FBAR滤波器，同时，使用这种FBAR滤波器构成的放大器设备就成为FBAR放大器。

从FBAR的结构上来看，在电极下制造空隙可以有两种方式。一种是，在形成电极及压电薄膜的Si线路板背面被称为Deep-RIE的干法腐蚀装置上形成、另一种是，在Si线路板上设置被称为牺牲层、之后要被清除的层，然后在形成电极和压电薄膜后清除牺牲层。

另外，和FBAR同样使用体波、并作为滤波器使用的谐振器结构被称为SMR（Solidly Mounted Resonator）。

这个结构可以在压电线路板下以λ/4的宽度设置音响上的低阻抗层、高阻抗层，由此可以使在压电线路板上产生激励的体波不会在Si线路板侧泄露，并以这个状态进行反射。

图13

图14

FBAR和SAW

在用于手机专用SAW上的典型线路板42°Y-XLiTaO₃上，使用4000m/s左右声速的漏波进行电极设计。例如：2GHz的滤波器上，

λX2·10⁹=4000m/s

因此，λ=2μm左右。

以引发激励为目的的电极应该有2根具有这样的长度，因此，若将电极与电极之间的间隔也视作相同，那么电极的宽度就应该是0.5μm。在SAW的制造过程中，采用了半导体等生产上所使用的微细加工工序，这种工序中对线宽进行非常高精度的管理，但是，在达到3GHz左右的高频时，工序上的难度也随之增大。此外，由于电极宽度也会随之变窄，电极指阻抗导致的特性效果恶化现象越加明显，这将会在耐电性及静电耐压方面造成不良的影响。

用于FBAR上的AIN等具有高达11300m/s的高体波声速。实际上，声速会因为电极的质量效果而降低，不过，决定频率的是压电薄膜的厚度。表示方法与SAW的相同、即λXfo=V不过，λ=2Xh。这里的fo为FBAR谐振器的谐振频率，V为压电薄膜的声速，h为压电薄膜的厚度。

由此，设备可以达到比SAW更高的频带。与SAW相比，高频带会对耐电性、静电耐压方面带来有利因素。而另一方面，成膜时的膜厚精度等也会给频率控制所需的工序方面带来一定的难度。

封装材料

SAW设备用于TV用IF等上时的常用封装材料是金属盖。（下图左