SAW/FBAR設備的工作原理及使用范例

電子萬花筒 2021-08-30 08:53

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SAW，FBAR的歷史

早在1855年，瑞利（Lord Rayleigh）就從數學的角度發現了彈性表面波（SAW ：Surface Acoustic Wave）的存在。1965年，懷特（White）和沃爾特默（Voltmer）聯合發明了叉指式換能器（IDT：Inter Digital Transducer），從而取得了表面波在濾波器應用技術上的關鍵性突破。首先在TV的IF波段上將LC濾波器更換為SAW濾波器，此外，在雷達信號處理方面，開始使用SAW設備。在發明了IDT之后的短短12年后，威廉姆森（Williamson）于1977年發表了45種SAW設備的開發產品實際應用清單（Proc.1977 IEEE Ultrasonic Symposium pp.460-468）其中，不但闡述了其優越的特性，同時也介紹了已被廣泛應用的TV用IF濾波器、CATV濾波器、雷達用脈沖壓縮機等10多種設備。

之后，SAW設備的應用范圍不斷擴大，作為一種通訊工具在無繩電話及pager上得到應用，現在的手機等通訊系統大多也都采用了該設備。此外，在影像系統的衛星轉播調諧器上也采用了該設備，同時，面向數字地面電視的其他移動通訊介質，隨著數字播放及衛星數字廣播、社會基礎設施的不斷變遷，在使用范圍逐漸擴大的同時，SAW設備也得到了更廣泛的應用。GPS用濾波器在汽車導航裝置、遠程信息處理及手機上也得到應用，同時，隨著在無線遙控門鎖及輪胎氣壓監控系統等車載用途等方面、以及通信功能的各種應用程序方面的應用不斷深入，相信不久的將來勢必會在更多類型的設備上得到應用。

薄膜體聲波諧振器（FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator）發表于1980年，而真正開始應用則是在1999年Ruby等人發表了PCS Duplexer之后。

SAW設備的原理

如果將小石子扔進水池，濺起的水波就會傳播到周圍水面呢！如果敲擊桌面，也會感覺到桌面的振動傳到了敲擊部位的周圍。在自由表面的彈性介質上，局部表面都有一種傳播波存在。這種傳播波就是彈性表面波。而在地震時，在最初從地下傳來的P波、S波之后，沿著地表傳播振動的波就會隨之而來。這種波就相當于彈性表面波。

彈性表面波設備使用沿著壓電材料表面傳播的彈性表面波。之所以要使用壓電材料，是因為需要將電信號轉換為彈性表面波。如果從外部施加電場，壓電材料則會發生形變。因此，在壓電線路板表面形成一種被稱為叉指式換能器的梳齒狀電極（以下稱IDT ：Inter Digital Transducer），這時如果向它發出信號就可以產生一種波。在壓電線路板表面形成的波的速度、聲速基本都是由線路板及波的種類所決定，通過更改這種梳齒的間距，可以改變激勵波的頻率。同時，在SAW到達IDT后，若該SAW與IDT的間距相符，那么就會在IDT的電極間產生電信號。

圖1

圖2

波的種類

這種用于SAW設備的波也有幾個種類，根據其不同的特性而得到有效且相應的應用。SAW設備上一般使用由水晶或LiNbO₃、LiTaO₃等結晶形成的晶圓作為壓電材料，即使是同樣的結晶，但根據其所形成的晶圓切割角度、傳播方向的不同，波的傳播特性也會發生變化。所謂傳播特性是指傳播速度、機電耦合系數、TCD（延遲時間溫度系數）等。

傳播速度將會決定形成梳齒狀電極時、達到設備所需頻率而需要的間距范圍。而機電耦合系數則關系到形成電極時濾波器等所能獲得的通頻帶寬度。TCD關系到使用溫度環境下濾波器等的頻率變化范圍。線路板及其切割角度、傳播方向的選擇應根據設備所需的頻率特性來決定。

下面介紹幾種代表性波的種類。

瑞利波

瑞利波是瑞利（Lord Rayleigh）于1855年發現的一種沿半無限彈性介質自由表面傳播的偏振波，從理論上來看，是一個具有引導性的發現。使用瑞利波的元件有128°Y-XLiNbO₃及X-112°Y LiTaO₃線路板等，SAW濾波器、諧振器以前還被大量用于TV、VTR設備以及BS接收器上。

漏波

是一種波的能量集中于線路板表面的、在波的傳播過程中一邊向線路板內部放射體波一邊傳播的波。這里有使用了42°Y-X LiTaO₃或64°Y-X LiNbO₃等線路板的SAQ濾波器。這些線路板上的漏波都具有較大的機電耦合系數，這將便于現在的移動通訊接發元件上所需的較大通頻帶寬度的形成，因而被大量使用。本公司的移動通訊用SAW設備上也主要使用了42°Y-X LiTaO₃的線路板。

拉夫波

在半無限的彈性介質表面設置其他彈性介質層時，沿著這個彈性介質層傳播的波聲速比它下面的彈性介質慢時說明有表面波，這種表面波被稱為拉夫波、即Love波，名稱是根據它的發現者（Augustus Edward Hough Love）的名字而命名。Y-X LiNbO₃和Y-X LiTaO₃上會形成金屬氧化膜或金屬膜，由此可以獲得機電耦合系數較大、或者溫度特性良好的線路板。近幾年也開始用于移動通訊設備等方面。