SAW/FBAR设备的工作原理及使用范例

SAW，FBAR的历史

早在1855年，瑞利（Lord Rayleigh）就从数学的角度发现了弹性表面波（SAW ：Surface Acoustic Wave）的存在。1965年，怀特（White）和沃尔特默（Voltmer）联合发明了叉指式换能器（IDT：Inter Digital Transducer），从而取得了表面波在滤波器应用技术上的关键性突破。首先在TV的IF波段上将LC滤波器更换为SAW滤波器，此外，在雷达信号处理方面，开始使用SAW设备。在发明了IDT之后的短短12年后，威廉姆森（Williamson）于1977年发表了45种SAW设备的开发产品实际应用清单（Proc.1977 IEEE Ultrasonic Symposium pp.460-468）其中，不但阐述了其优越的特性，同时也介绍了已被广泛应用的TV用IF滤波器、CATV滤波器、雷达用脉冲压缩机等10多种设备。

之后，SAW设备的应用范围不断扩大，作为一种通讯工具在无绳电话及pager上得到应用，现在的手机等通讯系统大多也都采用了该设备。此外，在影像系统的卫星转播调谐器上也采用了该设备，同时，面向数字地面电视的其他移动通讯介质，随着数字播放及卫星数字广播、社会基础设施的不断变迁，在使用范围逐渐扩大的同时，SAW设备也得到了更广泛的应用。GPS用滤波器在汽车导航装置、远程信息处理及手机上也得到应用，同时，随着在无线遥控门锁及轮胎气压监控系统等车载用途等方面、以及通信功能的各种应用程序方面的应用不断深入，相信不久的将来势必会在更多类型的设备上得到应用。

薄膜体声波谐振器（FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator）发表于1980年，而真正开始应用则是在1999年Ruby等人发表了PCS Duplexer之后。

SAW设备的原理

如果将小石子扔进水池，溅起的水波就会传播到周围水面呢！如果敲击桌面，也会感觉到桌面的振动传到了敲击部位的周围。在自由表面的弹性介质上，局部表面都有一种传播波存在。这种传播波就是弹性表面波。而在地震时，在最初从地下传来的P波、S波之后，沿着地表传播振动的波就会随之而来。这种波就相当于弹性表面波。

弹性表面波设备使用沿着压电材料表面传播的弹性表面波。之所以要使用压电材料，是因为需要将电信号转换为弹性表面波。如果从外部施加电场，压电材料则会发生形变。因此，在压电线路板表面形成一种被称为叉指式换能器的梳齿状电极（以下称IDT ：Inter Digital Transducer），这时如果向它发出信号就可以产生一种波。在压电线路板表面形成的波的速度、声速基本都是由线路板及波的种类所决定，通过更改这种梳齿的间距，可以改变激励波的频率。同时，在SAW到达IDT后，若该SAW与IDT的间距相符，那么就会在IDT的电极间产生电信号。

图1

图2

波的种类

这种用于SAW设备的波也有几个种类，根据其不同的特性而得到有效且相应的应用。SAW设备上一般使用由水晶或LiNbO₃、LiTaO₃等结晶形成的晶圆作为压电材料，即使是同样的结晶，但根据其所形成的晶圆切割角度、传播方向的不同，波的传播特性也会发生变化。所谓传播特性是指传播速度、机电耦合系数、TCD（延迟时间温度系数）等。

传播速度将会决定形成梳齿状电极时、达到设备所需频率而需要的间距范围。而机电耦合系数则关系到形成电极时滤波器等所能获得的通频带宽度。TCD关系到使用温度环境下滤波器等的频率变化范围。线路板及其切割角度、传播方向的选择应根据设备所需的频率特性来决定。

下面介绍几种代表性波的种类。

瑞利波

瑞利波是瑞利（Lord Rayleigh）于1855年发现的一种沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波，从理论上来看，是一个具有引导性的发现。使用瑞利波的元件有128°Y-XLiNbO₃及X-112°Y LiTaO₃线路板等，SAW滤波器、谐振器以前还被大量用于TV、VTR设备以及BS接收器上。

漏波

是一种波的能量集中于线路板表面的、在波的传播过程中一边向线路板内部放射体波一边传播的波。这里有使用了42°Y-X LiTaO₃或64°Y-X LiNbO₃等线路板的SAQ滤波器。这些线路板上的漏波都具有较大的机电耦合系数，这将便于现在的移动通讯接发元件上所需的较大通频带宽度的形成，因而被大量使用。本公司的移动通讯用SAW设备上也主要使用了42°Y-X LiTaO₃的线路板。

拉夫波

在半无限的弹性介质表面设置其他弹性介质层时，沿着这个弹性介质层传播的波声速比它下面的弹性介质慢时说明有表面波，这种表面波被称为拉夫波、即Love波，名称是根据它的发现者（Augustus Edward Hough Love）的名字而命名。Y-X LiNbO₃和Y-X LiTaO₃上会形成金属氧化膜或金属膜，由此可以获得机电耦合系数较大、或者温度特性良好的线路板。近几年也开始用于移动通讯设备等方面。

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。（下图左侧）之后则是以树脂材料封装为主流。

通讯用SAW设备在用于无绳电话时同样也采用了金属盖封装方式，但到了手机时代则改用陶瓷封装。

最初是将SAW芯片粘合在陶瓷封装材料上并进行打线结合，之后焊接金属盖、或进行焊锡焊接之类的操作。由于是手机专用，因此SAW滤波器也不断向小型化发展，当初的打线结合方式逐渐向倒装芯片焊接方式转换，形状上也在向芯片外间隙小的方向发展。

图15

图16

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图18

手机上的使用方法

手机上的主要使用方法如下所述。SAW/FBAR滤波器、SAW/FBAR双工器有时也会被当作分立器件使用、或者作为与部分元件的组合模块使用。尤其是在Band的搭载数量不断增加的形势下，对于削减制造商的RF部设计负荷、缓和设备超小型化的实际安装精度、以及实现设备及设备搭载线路板在内的良好特性上要求组件化的呼声将会越来越高。

图19

设备特性的分析

如下图所示，以手机用接收滤波器为例来分析SAW设备的特性。在滤波器上，必要的信号应尽可能地原封不动地通过，但依然会遭受到少许损耗。这种损耗被称作插入损耗（Insertion Loss）。对于不要的信号则需尽可能地阻止，这叫做频带外衰减量。衰减量（Attenuation）和插入损耗的单位均以分贝表示。

图20

在下图范例中，显示了发信频带上的衰减量，这是为了防止来自相同手机发信部的信号相互混淆而需要的衰减量。

今后的市场动向

手机市场随着漫游功能的应用、包括UMTS在内被称作第3.9代通讯方式的LTE（Long Term Evolution）的扩大，所需系统（band）今后也将会不断地增加。

同时，除了音频通信量以外，智能手机对各种内容的访问量、电子书籍和Netbook等来自PC的通讯组件等的数据通信量也都有待提高。此外，在通讯设备的搭载方面，智能仪表及远程信息处理、数字标牌等具有M2M功能的组件，其潜在市场也将会大幅度的扩展。

本公司也将会努力满足市场对Band的最新需求，同时不断充实以高频产品为中心的FBAR产品内容、以及SAW双工器和滤波器的产品阵容。此外，针对用户在实际安装过程中的简易化要求，我们也将力争尽早实现组件化以满足需求。

SAW滤波器已经从初级阶段逐渐向多功能阶段转换，其中包括TV用IF滤波器、BS调谐器用滤波器、无线遥控门锁用谐振器、手机及通讯组件等各种功能上的应用。今后，面对新的市场需求，希望我们的设备依然能够保持领先的地位。

来源：TaiyoYuden Navigator