SAW/FBAR设备的工作原理及使用范例

电子万花筒 2021-08-30 08:53

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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。