扒一扒SAW、BAW、FBAR滤波器原理

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(MicroElectromechanical System)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，transducer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, FBAR filter，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。Acoustic wave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SAW filter。

Surface Acoustic Wave(SAW) filter

顾名思义，SAW是一种沿着固体表面(surface)传播的声波(acoustic wave)。

一个基本的SAW filter由压电材料(piezoelectric substrate)和2个Interdigital Transducers(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把电信号(electrical signal)转成声波(acoustic wave)，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mechanical wave)之间转换也称为electromechanical coupling。

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(piezoelectricity or piezoelectric effect)

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-Jacques Curie)发现。压电是指某些晶体(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unit cell(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unit cell原子排列是对称的(with a center of symmetry)，不管有没有外部压力，基本单元里的net electric dipole始终是零，而压电晶体的原子排列是不对称的(lacks a center of symmetry)。

压电晶体原子排列虽然不对称，但正电荷(positive charge)会和附近负电荷(negative charge)相互抵消(更确切是electric dipole moments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(net electrical charge)，晶体表面出现positive charge和negative charge。这种现象称为压电(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)。

SAW filter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mechanical stress并以SAW的形式沿着表面传播，而在垂直方向上SAW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会影响输入和输出之间的耦合(coupling)，关系到通带内的幅度ripple和群时延(group delay)。

SAW filter也可以用ladder type(串并组合)，如下图。

SAW的频率可以大致参考以下公式:F = V/λ

V是SAW的速率(velocity)，大概3100m/s, λ是IDT电极之间间距。

从公式可以看出，频率越高IDT电极之间间距越小，所以SAW filter不太适合大约2.5GHz以上的频率。另外很小的间距(高频率)下电流密度太大(高功率)会导致电迁移(electromigration)和发热等