很多通信系統發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更加輕便和有效，另一方面，日益發展的IC制造技術可以用更低的成本生產出大批量的小型產品。

MEMS(MicroElectromechanical System)是這種小型產品的相關技術之一。MEMS可以檢測環境的變化并通過微型電路產生相關反應。MEMS的主要部分包括sensor(微傳感器)或actuator(微執行器)和transducer(轉換裝置)，其中sensor可以檢測某種物理，化學或生物的存在或強度，比如溫度，壓力，聲音或化學成分，transducer會把一種energy轉換成另外一種(比如從電信號到機械波)。

目前MEMS被廣泛的利用在多個領域里，如下圖。

這篇文章主要說說MEMS的幾種RF相關應用產品SAW,BAW, FBAR filter，也是目前手機中最常用的幾種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)轉成聲波(acoustic wave)，右邊的IDT把接收到的聲波再轉成電信號。

電信號和聲波(屬于mechanical wave)之間轉換也稱為electromechanical coupling。

那IDT是怎么把電信號轉成聲波呢？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家(Pierre，Paul-Jacques Curie)發現。壓電是指某些晶體(Crystal)受到外部壓力時會產生電壓，相反地，如果某些晶體兩面存在電壓，晶體形狀會輕微變形。

為什么會發生這種現象？

首先說晶體，科學意義上的晶體指其原子或分子在三維空間內以非常有規律地排列，而且隔一段距離重復著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，打亂了原來保持的平衡，出現凈電荷(net electrical charge)，晶體表面出現positive charge和negative charge。這種現象稱為壓電(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，再把震蕩轉成一次/秒的脈沖，脈沖再驅動小型電機進而轉動齒輪(指針)。

SAW filter常用的壓電材料有LiTaO₃，LiNbO₃，SiO₂等。其基本結構中左邊IDT交叉排列的電極之間交流電壓產生壓電材料的mechanical stress并以SAW的形式沿著表面傳播，而在垂直方向上SAW幅度快速衰落。右邊的IDT也是同樣結構，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)，關系到通帶內的幅度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)會導致電遷移(electromigration)和發熱等問題，當然，通過一些方法(IDT材料的改進等)也可以彌補這些。

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上增加了保護涂層。普通的SAW filter頻率溫度系數(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, 沿著表面傳播，BAW是bulk，物體內傳播。

BAW filter的最基本結構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，震蕩結構和外部環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。而震蕩結構的另一面，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構下方形成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。這種結構整體效果相當于和空氣接觸，大部分聲波被反射回來，這種結構稱為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。不過薄膜結構需要足夠堅固以至于在后續工藝中不受影響。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，在震蕩結構下方形成air gap。

因為只是邊緣部分跟底下substrate接觸，這種結構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注。

BAW filter種類

BAW filter可以把多個resonator按一定拓撲結構連接。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包括串聯和并聯，一個串聯的resonator加一個并聯的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。

典型的基本結構如上圖(a)，上下金屬電極中間夾著壓電層，對應的mBVD等效電路如上圖(b)，對應的阻抗如上圖(c)，可以看出有兩個resonance頻率，串聯(fs)和并聯(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個串聯和2個并聯，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出線性反應，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。

目前最常用的BAW壓電材料有AlN(aluminum nitride)，PZT(lead zirconate titanate)，ZnO(zinc oxide)。

關于波(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。

還有一種是機械波(mechanical wave)，通過媒介(固體，液體或氣體)傳播，而且媒介的物質會變形。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行不斷的傳播。

機械波有兩種基本的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。也有不同結構，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構系統，其中可能包括集成的機械器件和電子器件，感應及時的或者局部環境變化；或者有相應信號輸入時，對及時的或者局部環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傳播的聲波。SAW filter基本結構由IDT和壓電材料組成，IDT和壓電材料把電信號轉成機械波(聲波)，再把機械波(聲波)轉成電信號。TC-SAW是為了改善溫度性能，增加了保護涂層。

4. 相比SAW filter, 聲波在BAW filter物體內傳播(縱波或橫波)。BAW filter結構有BAW - SMR，FBAR(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有的IC制造工藝，適合和其他的active電路做整體的integration。

參考文獻:

1. FABRICATION AND CHARACTERIZTION OF ALN THIN FILM BULK ACOUSTIC WAVE RESONATOR, Qingming Chen, 2006
2. What is SAW Filters, Token, 2010
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9. SiP/SoCIntegration of RF SAW/BAW Filters, Ken-ya Hashimoto, Chiba University
10. A Study on Baw Technology: Reconfiguration of FBAR Filter, Shivani Chauhan1 Paras Chawla2
11. Bulk Acoustic Wave Devices – Why, How, and Where They are Going, Steven Mahon 1 and Robert Aigner
12. Lattice FBAR Filters: Basic Properties and Opportunities for Improving the Frequency Response, Ivan Uzunov1, Dobromir Gaydazhiev2, Ventsislav Yantchev