扒一扒SAW、BAW、FBAR滤波器原理

问题，当然，通过一些方法(IDT材料的改进等)也可以弥补这些。

SAW filter对温度变化也敏感，性能随着温度升高变差。TC(temperature compensated)-SAW filter就是为了改善温度性能，IDT上增加了保护涂层。普通的SAW filter频率温度系数(TCF, temperature coefficient of frequency)大约-45ppm/oC左右，而TC-SAW大约-15到-25ppm/oC。增加的涂层使工艺变得复杂，成本也增加，不过相对BAW filter还是便宜一些。

Bulk Acoustic Wave(BAW) filter

相比SAW filter，BAW filter更适合于高频率。跟SAW/TC-SAW filter一样，BAW filter的大小也随着频率增加而减少。另外，BAW filter有对温度变化不敏感，插入损耗小，带外衰减大(steep filter skirts)等优点。

与SAW filter不同，声波在BAW filter里是垂直传播。从名字也可以看出，SAW是surface, 沿着表面传播，BAW是bulk，物体内传播。

BAW filter的最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度为2um)，声波在压电薄膜里震荡形成驻波(standing wave)。

为了把声波留在压电薄膜里震荡，震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小loss和最大Q值。声波在固体里传播速度为~5000m/s，也就是说固体的声波阻抗大约为空气的10⁵倍，所以99.995%的声波能量会在固体和空气边界处反射回来，跟原来的波(incident wave)一起形成驻波。而震荡结构的另一面，压电材料的声波阻抗和其他衬底(比如Si)的差别不大，所以不能把压电层直接deposit(沉积)在Si衬底上。

有一种方法是在震荡结构下方形成Bragg reflector，把声波反射到压电层里面。Reflector由好几层高低交替阻抗层组成，比如第一层的声波阻抗大，第二层的声波阻抗小，第三层声波阻抗大，而且每层的厚度是声波的λ/4，这样大部分波会反射回来和原来的波叠加。这种结构整体效果相当于和空气接触，大部分声波被反射回来，这种结构称为BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)，如下图。

还有一种方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator), 包括Membrane type和Airgap type。

Membrane Type是从substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面)，形成悬浮的薄膜(thin film)和腔体(cavity)。

Membrane type类似于BAW resonator的基本模型，两面都是空气，由于空气的声波阻抗远低于压电层的声波阻抗，大部分声波都会反射回来。不过薄膜结构需要足够坚固以至于在后续工艺中不受影响。相比BAW-SMR，membrane type 较少一部分跟底下substrate接触，不好散热。

Airgap type在制作压电层之前沉积一个辅助层(sacrificial support layer)，最后再把辅助层去掉，在震荡结构下方形成air gap。

因为只是边缘部分跟底下substrate接触，这种结构在受到压力时相对脆弱，而且跟membrane type类似，散热问题同样需要关注。

BAW filter种类

BAW filter可以把多个resonator按一定拓扑结构连接。BAW filter有多种类型，包括ladder type filter，lattice type filter，stacked crystal filter和coupled resonator filter。这里只简单介绍ladder type和lattice type。

Ladder type(SAW最后也提过)使用的resonator包括串联和并联，一个串联的resonator加一个并联的resonator称为一个stage，整个ladder type filter可以由好几个stage组成。

了解ladder type filter的工作原理之前我们再看看BAW resonator的基本模型，如下图。

典型的基本结构如上图(a)，上下金属电极中间夹着压电层，对应的mBVD等效电路如上图(b)，对应的阻抗如上图(c)，可以看出有两个resonance频率，串联(fs)和并联(fp)。工作原理如下图。

在通频带(pass band)上，series resonator fs阻抗很小，保证信号通过，shunt resonator fp阻抗很大，阻止信号通过。

Lattice filter中每一个stage有4个resonator，包括2个串联和2个并联，基本模型如下图。

Ladder type可以用在单端(single-ended/unbalanced)和差分(balanced)信号上，而lattice type更适合用在差分(balanced)信号上。

BAW filter常用的压电材料

石英(quartz)作为常见的压电材料，在高电压和高压力的情况下表现出线性反应，但还没有合适的方法把石英做成薄膜deposit在Si衬底上。合适的BAW压电材料需要high electromechanical coupling coefficient，low electromechanical loss，high thermal stability，还要符合IC工艺技术。

目前最常用的BAW压电材料有AlN(aluminum nitride)，P