声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器技术

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2022-12-09 09:44:09 852

滤波器根据实现方式的不同可以分为LC滤波器、腔体滤波器、声学滤波器、介质滤波器等。不同滤波器适用于不同的应用场景，在手机无线通信应用中，由于设备尺寸较小、功率较低，因此目前智能手机使用小体积高性能的声学滤波器，根据结构不同可以分为声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器。

SAW滤波器的基本原理为在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质表面传播，在输出端由逆压电效应将声信号转换为无线信号。一个基本的SAW滤波器由压电材料和两个叉指式换能器（IDT，Interdigital Transducer）组成，输入端的IDT将电信号转换成声波，且该声波在SAW滤波器基板表面以驻波形式横向传播，输出端的IDT接收到的声波转换成电信号输出，从而实现滤波。

SAW类产品包括普通的SAW滤波器以及具有温度补偿特性的TC-SAW滤波器，产品形式包括双工器以及单独的滤波器。制作的原材料主要为钽酸锂或铌酸锂的单晶晶圆（4寸晶圆为主），在晶圆上方应用光刻，镀膜等半导体工艺进行图形化处理，然后划切成为芯片，芯片表面结构和制作工艺较为简单，成本较低。

常见的声波滤波器包括SAW， BAW， FBAR和XBAR

BAW滤波器基本原理同SAW滤波器相同，不同的是BAW滤波器中声波垂直传播。同时电极的使用与薄膜压电层的厚度决定滤波器谐振频率，高频下薄膜压电层厚度在几微米量级，因此需要使用较高难度的薄膜沉积与微机械加工技术，制造难度与成本更高。滤波器微信公众号认为，BAW滤波器有FBAR类型以及SMR类型，两者结构略有差别。BAW滤波器可以直接在硅晶圆（6寸为主）加工设计，利用PVD或CVD设备实现压电薄膜的制备是其关键工艺环节，薄膜材料主要为氮化铝和氧化锌。

SAW —— 声表面波滤波器

SAW滤波器是声表面波滤波器的简称，是采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料，利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件，广泛应用于电视机及录像机中频电路中，以取代LC中频滤波器，使图像、声音的质量大大提高。滤波器微信公众号提醒您，声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）就是在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。

SAW滤波器原理示意图：

SAW滤波器的结构如图所示。它由压电材料制成的基片及烧制在其上面的梳状电极所构成。当给声表面波滤波器输大端输入信号后，在电极司压电材料表面将产生与外加信号频率相同的机械振动波。该振动波以声波速度在压电基片表面传播，当该波传至输出端时，由输出端梳状电极构成的换能器将声能转换成交变电信号输出。

从上面介绍不难看出，SAW滤波器是由两个换能器组成的，输入端换能器将电能转换成声能发出声表面波，而输出端换能器则是将接收到的声表面波声能转换成电能输出。声表面波滤波器就是利用压电基片上的这两个换能器来产生声表面波和检出声表面波的，以完成滤波的作用。

SAW 滤波器的主要特点是：设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择性优良（可选频率范围10MHz ~ 3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰（EMI）性能好、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻（其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的1/40 和1/30 左右），且能实现多种复杂的功能。

SAW 滤波器的特征和优点，正适应了现代通信系统设备及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之处是：所需基片材料价格昂贵，另对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高。

BAW —— 体声波滤波器

虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用，高于1.5GHz时，BAW滤波器非常具有性能优势（图2）。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小，这使它非常适合要求非常苛刻的3G和4G应用。此外，即便在高宽带设计中，BAW对温度变化也不那么敏感，同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边（filterskirt）。

图2：高于1.5GHz时，BAW滤波器非常具有性能优势

不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播（图3）。对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说，贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励，使声波从顶部表面反弹至底部，以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量（mass）决定了共振频率。在BAW滤波器大显身手的高频，其压电层的厚度必须在几微米量级，因此，要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。

图3：BAW滤波器内的声波垂直传播。

为使声波不散漫到基板上，通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格（Bragg）反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件（图4）。另一种方法，称为薄膜体声波谐振器（FBAR），它是在有源区下方蚀刻出空腔，以形成悬浮膜。

图4：BAW–SMR器件。

因这两种类型BAW滤波器的声能密度都很高、其结构都能很好地导限声波，它们的损耗都非常低。在微波频率，BAW可实现的Q值、在可比体积下、比任何其它类型的滤波器都高，可达：2500@2GHz。这使得即使在通带边缘的吃紧处，它也有极好的抑制和插入损耗性能。

虽然BAW和FBAR滤波器的制造成本更高，其性能优势非常适合极具挑战性的LTE频带以及PCS频带，后者的发送和接收路径间只有20MHz的狭窄过渡范围。滤波器微信公众号认为，BAW和FBAR滤波器的IDT可做得足够大，以支持4W@2GHz的更高射频功率。BAW器件对静电放电有固有的高阻抗，其BAW-SMR变体具有约-17ppm/℃@2GHz的TCF。

随着频谱拥挤导致缩窄甚至舍弃保护频带的趋势，对于高性能滤波器的需求显著增加。BAW技术使人们有可能设计出具有非常陡峭滤波器裙边、高抑制性能以及温漂很小的窄带滤波器，它非常适合处理相邻频段之间非常棘手的干扰抑制问题。TriQuint及其它滤波器制造商的工程师正在努力实现4％或更高带宽、损耗更低、TCF基本为零的BAW-SMR滤波器。

BAW器件所需的制造工艺步骤是SAW的10倍，但因它们是在更大晶圆上制造的，每片晶圆产出的BAW器件也多了约4倍。即便如此，BAW的成本仍高于SAW。然而，对一些分配在2GHz以上极具挑战性的频段来说，BAW是唯一可用方案。因此，BAW滤波器在3G/4G智能手机内所占的份额在迅速增长。

在BAW-SMR滤波器底部电极下方使用的声反射器使其在FBAR面临挑战的频段拥有优化的带宽性能。反射器使用的二氧化硅还显著减少了BAW的整体温漂，该指标远好于BAW甚至FBAR所能达到的水平。由于谐振器位于结实的材料块上，其散热比FBAR好得多，后者采用一个膜，仅能通过边缘散热。这使得BAW器件可实现更高的功率密度，不久就会有可用于小蜂窝基站应用10W级器件的问世。

BAW 滤波器原理示意图

BAW-SMR

Solidly Mounted Resonator 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

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。

笔者大胆预测，未来数年，SAW、TC-SAW、BAW滤波器及双工器的各种选择将成为各类无线设备更重要的组成部分。随着各类发射器的增加、更高频率内更多无线频段的分配、加之全球频谱管理依然各自为政，射频干扰抑制将变得越来越具有挑战性。

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