過(guò)去幾年中，隨著射頻集成電路技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，移動(dòng)電話中射頻部分的很多分立器件已被替換。最為明顯的就是接收機(jī)中分立的低噪聲放大器（LNA）和中頻（IF）濾波器已經(jīng)被集成到射頻集成電路中。

　　可以預(yù)期各射頻模塊將逐步被集成到標(biāo)準(zhǔn)BiCMOS或CMOS集成電路中，但還是有幾類射頻元件的集成不太容易做到，其中就包括射頻濾波器。所有的移動(dòng)電話都需要射頻濾波器以保護(hù)敏感的接收（Rx）信道，使之免受其他用戶的發(fā)送（Tx）信號(hào)及各種射頻源產(chǎn)生的噪聲干擾。移動(dòng)電話可能要求當(dāng)Rx信號(hào)比干擾信號(hào)強(qiáng)度低120dB時(shí)仍能工作。而前置放大器無(wú)法提供足夠小的互調(diào)以滿足這種要求。

　　體聲波（BAW）和薄膜腔聲諧振器（FBAR）濾波器被分別用來(lái)替代移動(dòng)電話中的傳統(tǒng)射頻濾波器，因?yàn)槟壳捌湫阅芤殉^(guò)表面波（SAW）濾波器，而且可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)集成電路技術(shù)生產(chǎn)，極具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。

　　天線和前置放大器之間高選擇性的射頻濾波器保證了只有正確的Rx波段內(nèi)的信號(hào)被放大。分配給移動(dòng)電話系統(tǒng)的頻段是從400MHz到2.2GHz；帶寬一般在20到75MHz之間。Tx波段低于Rx波段，但之間僅有20MHz的間隙。在20MHz這么窄的過(guò)渡帶中，Rx濾波器必須從在相應(yīng)的Tx波段上邊沿處有大于15dB的衰減，變化到在Rx波段下邊沿處有小于3dB的插入損耗。

　　要實(shí)現(xiàn)這么陡的沿，濾波器元件需要有極低的損耗，及很高的品質(zhì)因數(shù)（Q），對(duì)于電抗元件，Q≥400是必須的。選擇性射頻濾波器在移動(dòng)電話的Tx信道中按規(guī)程也是需要的，以避免在規(guī)定波段以外發(fā)出射頻功率。這些Tx濾波器主要考慮的是不讓功率放大器把噪聲和Tx波段外的信號(hào)放大。GSM系統(tǒng)是時(shí)分復(fù)用的。GSM手機(jī)的天線用射頻開關(guān)在Rx和Tx信道之間來(lái)回切換。由于這種切換，在GSM系統(tǒng)中，接收和發(fā)送的信號(hào)相對(duì)易于相互隔離。與GSM不同，CDMA和W-CDMA及第三代（UMTS）標(biāo)準(zhǔn)都工作在全雙工模式，即電話同時(shí)在接收和發(fā)送信號(hào)。

　　這樣的工作模式使得所謂的天線雙工器成為必需的器件。天線雙工器包括了用于Rx和Tx波段的高選擇性的濾波器，它要保證從功放送出的功率盡可能少的回饋到接收通道，并將從天線接收到的信號(hào)以盡可能少的衰減導(dǎo)入前置放大器。這種雙工器中采用SAW濾波器是有困難的，因?yàn)樗芴幚砀哌_(dá)2瓦的輸出功率，而且隨著自身發(fā)熱造成的溫度提升，要能維持正常的工作。而BAW/FBAR濾波器可以很好滿足這些應(yīng)用，因?yàn)槠淦焚|(zhì)因數(shù)可高達(dá)1500，可以處理達(dá)幾瓦的功率，而且頻率特性的溫度系數(shù)明顯低于SAW濾波器。

　　基本原理

　　BAW諧振器應(yīng)用了MEMS工藝，以便將石英晶體的工作機(jī)理擴(kuò)展到更高頻率。壓電層的典型厚度在幾個(gè)微米或更低。壓電層可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)駐聲波，其波長(zhǎng)為壓電層和電極總厚度的兩倍。該駐聲波沿垂直方向傳播。因?yàn)榈矸e的壓電層的方向?qū)穸韧庋幽Ｊ剑═E）支持得最好，所以采用了這一模式。在諧振頻率附近，電阻抗將發(fā)生強(qiáng)烈的變化。在BAW中，壓力場(chǎng)看起來(lái)與（單晶的）石英晶體很相似，但有更大一部分駐波位于電極和支撐層中。要將厚度外延模式的石英晶體的工作機(jī)制擴(kuò)展到GHz范圍，最直接的方法是將壓電層和電極作成膜結(jié)構(gòu)，或做到一個(gè)薄的支撐膜層上。

　　這種用膜結(jié)構(gòu)的方法產(chǎn)生的BAW器件需要淀積的層數(shù)是最少的。這種方法的缺點(diǎn)是由于頂部有易碎的膜，從而造成晶片的處理很困難，此外還有其它一些魯棒性的問(wèn)題。

　　為實(shí)現(xiàn)將聲波從襯底隔離開，還可以用聲波鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。用若干聲阻抗高和低的層交替堆疊，且這些層的厚度都等于主諧振波長(zhǎng)的1/4，這樣就構(gòu)建了一個(gè)有效的聲波鏡。這種制鏡機(jī)理在光學(xué)中很普遍。在每個(gè)高阻抗層和低阻抗層之間的界面上，大部分的聲波被反射，又由于這些層的厚度是/4，因而反射波會(huì)按合適的相位疊加。這種類型的BAW被稱為固態(tài)裝配諧振器（SMR）。

　　就魯棒性而言，SMR比膜結(jié)構(gòu)的BAW要好很多。在劃片和裝配所需的各種標(biāo)準(zhǔn)工序中，沒有機(jī)械損壞的風(fēng)險(xiǎn)。壓電層和電極層上受到的層壓力也不會(huì)造成問(wèn)題。對(duì)需要有很大功率承受能力的BAW而言，存在一條直接穿過(guò)鏡子的垂直傳熱通路是很有利的，這樣可以明顯降低對(duì)周圍環(huán)境的熱阻抗。SMR類的FBAR在用于IC集成時(shí)有很明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢员磺度氲浇惶娴慕饘?氧化物堆中，而這種金屬-氧化物堆一般先進(jìn)的IC工藝都可以提供。事實(shí)上，在IC工藝上集成SMR，總的工序和掩膜層數(shù)都得到節(jié)省。

　　BAW的制作

　　表面波器件只能做在象鉭酸鋰或鈮酸鋰這樣特殊的單晶基底上。而BAW器件可以做在可選的任意基底上，比如硅就可以做為很好的基底，因而可以直接利用主流IC制造廠現(xiàn)有的工藝、設(shè)備和基底結(jié)構(gòu)。制作BAW所需的大多數(shù)工序可以直接在標(biāo)準(zhǔn)IC生產(chǎn)設(shè)備上完成，而不需要任何改變。光刻也不是問(wèn)題，0.8微米的特征尺寸就足夠了。一個(gè)BAW器件所需的光刻步驟在5個(gè)到10個(gè)之間。BAW中的缺陷密度也是次要問(wèn)題，相當(dāng)大的顆粒也不會(huì)導(dǎo)致諧振器失效。

　　最關(guān)鍵的工序是足夠高品質(zhì)的壓電層淀積。盡管壓電層是多晶的，但要求所有晶粒的C軸方向完全一致。方向不一致的晶粒會(huì)嚴(yán)重降低壓電耦合因子和品質(zhì)因子。BAW器件所用材料最流行的有氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）和鋯鈦酸鉛（PZT）。從BAW器件的性能出發(fā)，所用的材料有幾個(gè)參數(shù)必須考慮：

　　壓電耦合系數(shù)kt2。它決定了電域與機(jī)械域間能量交換的程度。耦合系數(shù)太低的壓電層將不能用來(lái)制作滿足移動(dòng)電話應(yīng)用的帶寬要求的濾波器。從這個(gè)指標(biāo)來(lái)看，PZT最優(yōu)（kt2=8-15%），其次是ZnO（kt2=7.5%）和AlN（kt2=6.5%）。

　　介電常數(shù)r。諧振器的阻抗水平由諧振器的尺寸、壓電層厚度、介電常數(shù)共同決定。有較高的介電常數(shù)r，則可減少諧振器的尺寸。在這個(gè)指標(biāo)上AlN和ZnO很接近，r都大約是10。PZT在這個(gè)指標(biāo)上優(yōu)勢(shì)明顯，它的r可高達(dá)400。從聲學(xué)性能考慮，介電常數(shù)為100時(shí)就可以理想地工作在1GHz的頻率上。

　　聲速vL（縱向）。低聲速材料可以使用較薄的壓電層，從而實(shí)現(xiàn)更小的器件。從這個(gè)指標(biāo)看，ZnO和PZT優(yōu)于AlN。

　　固有材料損耗。ZnO和AlN都是在BAW濾波器中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的材料。目前PZT在呈現(xiàn)足夠低的固有衰減方面還不成功。

　　溫度系數(shù)。由于壓電層決定了諧振頻率，因而它的溫度系數(shù)對(duì)器件的溫漂有巨大的影響。于ZnO相比，AlN的溫度系數(shù)是相當(dāng)?shù)偷摹?/span>

　　制備壓電薄膜的最實(shí)用的淀積方式是磁控濺鍍法。這種方法對(duì)AlN和ZnO很有效，這兩種材料都可以被純金屬靶材濺鍍。AlN可以通過(guò)等離子體轟擊超純鋁靶材而被濺鍍，這些等離子體是由低壓注入的氬、氮混合氣產(chǎn)生的。

　　BAW諧振器的性能還會(huì)受材料的其他幾種參數(shù)的間接影響。如果壓電材料有較高的熱傳導(dǎo)率，這將有助于提高濾波器處理大功率信號(hào)的能力。AlN是一種良好的熱導(dǎo)體。考慮到濕潤(rùn)環(huán)境下器件的可靠性，材料的化學(xué)穩(wěn)定性也是一個(gè)問(wèn)題。ZnO的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，而AlN則非常穩(wěn)定，甚至在最烈性的酸中也難以被腐蝕。還有一個(gè)需要優(yōu)化的參數(shù)就是壓電層的擊穿電壓。這與介質(zhì)材料的能帶隙有關(guān)，此外還與淀積材料的缺陷密度有關(guān)。

　　在工業(yè)應(yīng)用中決定用何種壓電材料時(shí)，還有其他幾個(gè)問(wèn)題要考慮。淀積設(shè)備應(yīng)該是成熟而且可靠的。BAW很可能將在半導(dǎo)體廠內(nèi)制作，這時(shí)會(huì)有一些嚴(yán)重的污染問(wèn)題。在一個(gè)CMOS制造廠內(nèi)，鋅、鉛、鋯都是極度危險(xiǎn)的材料，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體器件中，它們會(huì)嚴(yán)重降低載流子壽命。與ZnO和PZT相比，使用A1N則沒有污染問(wèn)題。

　　應(yīng)用于A1N的淀積設(shè)備已經(jīng)有多家著名的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商可以提供，而用于ZnO的設(shè)備還做不到，用于PZT的就更沒有。盡管從理論上看AlN不是制作BAW的理想材料，但目前從性能和制造兩方面看，它卻是最好的折衷。要做到較大的耦合系數(shù)，或者至少在某些應(yīng)用中有足夠的耦合，這可能還需要幾年的改進(jìn)。良好而且可靠的耦合系數(shù)是進(jìn)一步研究BAW器件其他各種效應(yīng)的先決條件。糟糕的耦合通常伴隨很糟的品質(zhì)因數(shù)。

　　如果Q值低于100~200，那么有很多嚴(yán)重的問(wèn)題將不能被研究清楚。最可能的情況是，一個(gè)原型BAW諧振器會(huì)出現(xiàn)一些附加的諧振，這些附加的諧振不能用一維理論來(lái)解釋。這些“寄生模態(tài)”會(huì)嚴(yán)重破壞通帶的平坦。更糟的情況中，這些寄生模態(tài)可能太強(qiáng)，以致沒辦法通過(guò)電測(cè)量來(lái)提取材料參數(shù)。有一些寄生模態(tài)與器件的側(cè)向效應(yīng)有關(guān)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來(lái)改善。還有一些寄生模態(tài)與層堆本身有關(guān)，這需要對(duì)相關(guān)頻率下在層堆中傳播的各種模態(tài)進(jìn)行透徹的研究。

　　就算原型BAW諧振器呈現(xiàn)了期望的性能，還有一些更困難的問(wèn)題需要解決。BAW的諧振頻率是由壓電層以及鄰近各層的厚度決定的。典型的移動(dòng)電話中的濾波器要求諧振頻率的誤差在0.1%附近，這要求壓電層和各電極層的厚度誤差也在這個(gè)范圍內(nèi)。半導(dǎo)體工藝中使用的標(biāo)準(zhǔn)工具一般只能提供5%的精度，不能滿足這么高的容差要求。就算通過(guò)改進(jìn)，各次流片間的變動(dòng)可以符合更高的要求，但如何保證晶片厚度的一致還是一個(gè)要解決的大問(wèn)題。

　　單片集成還是混合集成

　　過(guò)去五年，一直在討論移動(dòng)電話中的構(gòu)成模塊應(yīng)該向單片集成的“片上系統(tǒng)”（SOC）發(fā)展，還是應(yīng)該向混合集成單封裝系統(tǒng)“（SIP）發(fā)展。這個(gè)討論至今沒有定論，是否會(huì)有一個(gè)清晰的趨勢(shì)也不確定。要做出有價(jià)值的判斷，需要考慮到很多技術(shù)和商業(yè)因素。對(duì)于BAW，情況也是這樣。BAW可以單片集成到BiCMOS工藝上。相對(duì)沒有BAW而言，在RF-CMOS工藝的頂部采用BAW做射頻濾波器使得”單片移動(dòng)電話“大大地接近了現(xiàn)實(shí)。要將BAW集成到IC工藝中有幾個(gè)方面需要考慮：

　　組合工藝所需的光刻步驟是IC工藝和BAW各自所需的總和，聲學(xué)層步驟不能用于金屬互連步驟，反之亦然。

　　組合工藝的成品率會(huì)比各工藝各自的成品率低很多。

　　組合工藝中，單位硅面積的花費(fèi)會(huì)增加。一片相對(duì)大的集成電路與一個(gè)小的BAW濾波器在組合工藝中整合，其花費(fèi)將比用分別的工藝制作的相應(yīng)芯片高昂得多。

　　對(duì)典型尺寸為0.5mm2的BAW芯片來(lái)說(shuō)，裝配上的花費(fèi)可能比它在硅面積上的花費(fèi)還高很多。在有的情況下，由于省下了裝配費(fèi)用，單片集成的方案會(huì)更有利。

　　針對(duì)IC的封裝技術(shù)不一定適用于BAW，因?yàn)樗枰谥C振器的頂部有空腔。有腔封裝也會(huì)更貴一些。與需要密閉封裝的SAW濾波器相比，BAW器件僅需要一個(gè)空腔。由于它允許用塑封材料替代陶瓷，因而從封裝成本看這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

　　采用SOC的方案后，設(shè)計(jì)靈活性會(huì)急劇下降。

　　小型化：SOC方案在尺寸上的優(yōu)勢(shì)是難以動(dòng)搖的，除非SIP中各芯片采用了真正的三維堆疊技術(shù)。

　　由于顯然的原因，可以從主要供應(yīng)商處得到的最初期的BAW產(chǎn)品都是單獨(dú)的BAW濾波器或混合模塊。盡管單片集成對(duì)于某些特殊的產(chǎn)品可能更有利，但目前還不太可能很快成為主流。

　　BAW濾波器的建模和設(shè)計(jì)

　　不同應(yīng)用中射頻濾波器的指標(biāo)可能差異相當(dāng)大。因而設(shè)計(jì)流程的簡(jiǎn)便和快捷是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。一些設(shè)計(jì)要求極低的插入損耗和良好的阻抗匹配，而另一些設(shè)計(jì)對(duì)阻帶衰減的要求才是首位的。對(duì)BAW器件的建模可以基于不同的層次?；疚锢韺幽Ｐ托枰M(jìn)行三維的互相耦合的電、聲模擬，這實(shí)際上不可能用公式表示并解析地解出結(jié)果。有限元方法（FEM）原則上可以用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但非常困難，至今還幾乎沒有相關(guān)的實(shí)踐。

　　在物理層上，BAW可得以有效的模型化。物理層模型采用一維的聲學(xué)和（壓電）電學(xué)方程來(lái)描述層堆中的壓力場(chǎng)和諧振器電端口上的電阻抗。這種模擬對(duì)于層堆的優(yōu)化和材料參數(shù)的提取都極其重要。諧振器的這種一維模型被稱為Mason模型。在開發(fā)BAW諧振器時(shí)，這種模型是最重要的，但對(duì)于BAW濾波器的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)仿真而言，這種模型顯得過(guò)于復(fù)雜。工作正常的BAW諧振器可以用所謂的緊湊（或更高級(jí)）模型來(lái)模擬，這種緊湊模型使用一個(gè)被稱為”Butterworth-van-Dyke“模型的簡(jiǎn)單等效電路。

　　在不考慮導(dǎo)線上的寄生效應(yīng)時(shí)，BAW的等效電路與為人熟知的”Butterworth-van-Dyke“模型是一致的，這個(gè)模型最初是為石英晶體發(fā)明的。

　　BVD模型的阻抗特性實(shí)際上與從Mason模型得到的結(jié)果是一致的。BVD模型的基本參數(shù)有：

　　C諧振器”靜態(tài)“電容［F］

　　fs串聯(lián)諧振頻率［Hz］

　　bwr諧振器相對(duì)帶寬

　　Q聲學(xué)諧振品質(zhì)因子

　　這些基本參數(shù)可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量或?qū)ason模型的仿真方便地獲得。通過(guò)阻抗測(cè)量，可以相對(duì)容易地提取出fs、fp和C。再用下面幾個(gè)公式可以估算出基本參數(shù)：

　　bwr=frac{f_{p}-f_{s}}{f_{s}}

　　C=frac{-1}{f·2·Im（Z）_{fQ=frac{f}{2}frac{z}{f}

　　從基本參數(shù)出發(fā)，等效電路中各元件的值都可以算出。這里需要指出的是所有這些值都是緊密相關(guān)的，不可能通過(guò)單獨(dú)調(diào)整某個(gè)元件值來(lái)改善濾波器。

　　Ca=C·2·bwr

　　C_{0}=frac{C·2}{2+bwr}

　　L_{a}=frac{1}{（2·f_{s}）^{2}C_{a}}

　　R_{a}=frac{2f_{s}·L_{a}}{Q}

　　基本參數(shù)以外的主要寄生效應(yīng)可以通過(guò)在等效電路中增加后面這些附加元件來(lái)描述：

　　Rs諧振器的串聯(lián)電阻［］

　　Cox底部電極-襯底電容［F］

　　Csub襯底-地電容［F］

　　Rsub襯底損耗電阻［］

　　BVD模型是設(shè)計(jì)濾波器的一種非常實(shí)用的方法，而且在諧振器工作正常的前提下，其結(jié)果與其它幾種模型相比同樣地接近實(shí)際。任何電路仿真器都可用來(lái)處理BVD模型。

　　BAW濾波器的當(dāng)前水平

　　BAW/FBAR濾波器在各種性能上全面優(yōu)于SAW濾波器。當(dāng)設(shè)法做出有效耦合系數(shù)keff2為6.5%，Q值高于500的諧振器時(shí)，這種性能上無(wú)損失的全面超越就得以實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，濾波器的插入損耗得到改進(jìn)，濾波器沿也更陡。