MEMS 滤波器工作原理？λ 波、SAW、BAW

物联网正在变得越来越庞大，这意味着越来越多的移动设备——智能手机、平板电脑、电脑、电视，甚至是冰箱和洗衣机——现在都在争夺传输信息的波段。几乎所有这些设备都是多频段的，可以满足多种不同的传输标准，以便它们能够以最有效的方式进行通信。因此，它们总是处于大量通过空气传输的无线电频率所包围的环境中。这就给当今的无线电通信提出了一个重要要求：保证高数据流但不对所接收的信号产生干扰或噪音。因此，所有使用信号传输或接收的设备都需要某种形式的射频滤波器来连接到其无线电接收器。

RF 滤波器

正式使用射频滤波器时，没有一个广泛接受的频率范围。但是，需要使用的射频滤波器会有下限，这个下限被选为数字信号处理能够保持在合理水平的最大限值。在今天的物联网世界中，这个限值从 100 MHz 开始，上限保持在 10 GHz 左右。只要高于这个频率，就会算作微波领域了。100 MHz 至 6 GHz 的范围用于典型的城市环境，对于这些环境中的所有用途来说，这个带宽足够了。然而，由于电视广播服务、移动服务、WLAN、甚至政府/军事用途均要占用频率，因此有成百上千不同的广播信号。因此，即使在最平常的设备中也需要使用非常有选择性的射频滤波器。这些滤波器“选择性”程度意味着它们需要有超高的质量因子和低损耗。

上述应用所用的射频滤波器通常是带通滤波器形式，我们知道这些滤波器可以用一系列电感器和电容器，连接成奇特的拓扑结构制作出来。但是，尽管这些滤波器受到推崇并具有适应性，但由于电感和电容存在内在损耗，因此不适合 500 MHz 以上的应用，因为其 Q 值不能高到足以达到我们需要的精度。

射频 MEMS 滤波器

上述不足意味着我们需要转而使用机械谐振器，如石英晶体和音叉谐振器，因为它们可以达到我们需要的 Q 值——远远超过 10,000。石英谐振器也被称为压电谐振器，因为石英是一种压电材料。这表示当施加电荷时，材料就会产生机械移动，反之，当施加机械应力时，就会产生电荷。

几何和材料的限制通常决定了这些机械压电谐振器的质量因子和谐振频率，因此，为了增加这些谐振器的工作频率范围，意味着需要采用不同的材料和 MEMS（微机电系统）工艺来制造谐振器，以达到所需的工作频率。氮化铝 (AlN) 是一种已经获得广泛关注的压电材料，主要是因为其相对制造效率的性能。

BAW 和 SAW 谐振器

我们将探讨的两种主要谐振器类型是体声波 (BAW) 谐振器和表面声波 (SAW) 谐振器。

BAW 谐振器

BAW 谐振器由置于两个金属电极之间的压电薄膜构成。这些电极引起的声波沿压电薄膜的“主体”垂直传播，并在电极之间形成驻波。

为了防止波逃逸到基底，人们构建了几种 BAW 滤波器配置：膜式谐振器 (MTR)、薄膜腔声波谐振器 (FBAR) 和固态装配型谐振器 (SMR)。

FBAR 和 MTR 器件在活动区下面使用了一个气腔，形成悬浮膜。由于空气的声学阻抗比典型的固体材料低 10^5 倍，所以只有极少的能量被辐射到空气中，99.995% 的能量会被反射回去。

在 SMR 器件中，声学布拉格反射器是由多层交替的材料堆叠而成的，所有这些材料都具有不同的反射指数，以防止波逃逸至基底。

在高阻抗层和低阻抗层之间的任何一个界面上，都会有很大比例的波被反射，而且由于各层之间的间距为 λ/4，所以它们会以正确的相位累加。如果层与层之间的阻抗比 z = Z1/Z2 很高，使用三对镜层就可以产生足够好的反射率，这对于任何实际用途来说都很充足了。对于具有 N 个厚度为 λ/4 的层对的镜子来说，其反射率的一般关系是：�� = 1 − ��^2N。

• 设计特征（设计这种谐振器的重要因素）：

制作 BAW 器件时，需要考虑的多个材料参数如下：

• 压电耦合系数 K_eff² 在物理上代表器件的能量转换效率，由串联谐振峰和并联谐振峰之间的距离决定。耦合太低的压电层将无法做出手机应用所需带宽的滤波器。



• 以上公式用于使用计算串联 (fs) 和并联 (fp) 谐振频率来计算有效耦合系数。
• 介电常数 εr：谐振器的阻抗水平由谐振器的尺寸、压电层的厚度和介电常数决定。较高的介电常数 εr 能够让人减少谐振器的尺寸。
• 声速：材料声速越低将导致压电层越薄，从而使器件更小。
• 温度系数：代表温度变化时的频移量。
• 对于 BAW 谐振器，品质因数 (FOM) 是最重要的参数之一，可以定义为 FOM = K_eff² × Q，其中 K_eff² 是有效耦合系数，Q 是质量因子。K_eff² 越大提供的带宽就越宽，这是 5G 频段所需要的。

• 谐振特征：

滤波器的谐振频率由压电薄膜中的声速和压电薄膜的厚度决定。



其中 v 是声速，d 是压电薄膜的厚度。电极的厚度也会影响谐振频率，不同的电极厚度可以产生频率偏移，这种偏移可以用来控制滤波器的通带。

SAW 谐振器

与 BAW 滤波器不同，在 SAW 滤波器中，声波和能量是沿着基底的单个“表面”传播的。因此，SAW 谐振器的特征不像 BAW 波滤波器那样依赖于基底的形状或厚度。

SAW 谐振器可分为两种主要类型：单端口 SAW 谐振器和双端口 SAW 谐振器。反射器位于输入和输出 IDT（叉指换能器）的两侧，以将波包含在空腔内并产生共振。

• 设计特征（设计这种谐振器的重要因素）：

SAW 滤波器的设计特征与 BAW 滤波器非常相似，因为耦合系数和声速在影响其输出方面起着强有力的作用。具体来说，有两种主要方式可以影响 SAW 器件的谐振频率。为了增加这个频率，可以减少 IDT 条的线宽和周期性间隔。这将使用高精度光刻技术，如紫外线或电子束光刻。另一种方法是使用具有较高声速的基底。

• 谐振特征：

  

  其中“间距”是两个 IDT 指的中心距离。

λ 波谐振器

λ 波谐振器使用的结构是 SAW 和 FBAR 谐振器的组合，因此它们可以利用两者的优势。这种结构可以实现更高的质量因子和更大的相位速度。

浮动边缘反射器或光栅用来反射和包含声波。

• 设计特征（设计这种谐振器的重要因素是什么）：

主要有三种边界条件；开路-开路、短接、开种和短接-短接。这里忽略了金属化的机械效应。换句话说，金属化被假设为无限薄。金属化略微降低了相位速度，但为了简单起见，这通常被忽略。

但是，双 IDT 的制造要复杂得多，因此也更昂贵。因此，最广泛使用的配置是单 IDT 型和厚 AIN 层或 IDT 浮动 BE 型与薄 AIN 层。

• 谐振特征：

λ 波谐振器的谐振频率是波模式的相位速度与波长的比值，即

结语

在大约 2 GHz 或以下的频率，SAW 滤波器能够很好地抑制不需要的信号，同时在整个通带频率范围内保持平坦的振幅响应。尽管 BAW 滤波器可以在低于 1.5GHz 的频率下使用，并且完全在 SAW 元件的频率范围内，但在那些较低的频率下，BAW 元件的尺寸较大，会导致每个压电晶片的元件投资效益较低，因此很难在成本上与 SAW 滤波器竞争。

但由于在 SAW 谐振器中 IDT 结构的尺寸会随着频率的增加而缩小，生产 IDT 尺寸足够小的 SAW 元件以支持那些较高频率，其挑战性使之变得不切实际。正因如此，SAW 滤波器没有用于 5G 应用，因为在这些频率下，与 BAW 滤波器相比，它们并不具有成本效益。现在的 5G 应用使用的是 FBAR 滤波器，因为它们可以在 100 MHz 到 10 GHz 范围内工作。FBAR 的特点是插损较低（0.3 至 0.5db），这相当于大大降低了电流消耗，从而延长了手持设备的电池使用时间。

由于篇幅有限，本文无法对谐振器滤波器进行全面解释，但希望可以作为一个高层级的介绍，帮助人们了解什么是 MEMS 射频滤波器，并揭示其在现实世界中的基本工作原理。