過去幾年中，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。

　　可以預期各射頻模塊將逐步被集成到標準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。所有的移動電話都需要射頻濾波器以保護敏感的接收（Rx）信道，使之免受其他用戶的發(fā)送（Tx）信號及各種射頻源產(chǎn)生的噪聲干擾。移動電話可能要求當Rx信號比干擾信號強度低120dB時仍能工作。而前置放大器無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）濾波器被分別用來替代移動電話中的傳統(tǒng)射頻濾波器，因為目前其性能已超過表面波（SAW）濾波器，而且可以通過標準集成電路技術(shù)生產(chǎn)，極具價格競爭力。

　　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)的信號被放大。分配給移動電話系統(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這么窄的過渡帶中，Rx濾波器必須從在相應的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），對于電抗元件，Q≥400是必須的。選擇性射頻濾波器在移動電話的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波段外的信號放大。GSM系統(tǒng)是時分復用的。GSM手機的天線用射頻開關(guān)在Rx和Tx信道之間來回切換。由于這種切換，在GSM系統(tǒng)中，接收和發(fā)送的信號相對易于相互隔離。與GSM不同，CDMA和W-CDMA及第三代（UMTS）標準都工作在全雙工模式，即電話同時在接收和發(fā)送信號。

　　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以盡可能少的衰減導入前置放大器。這種雙工器中采用SAW濾波器是有困難的，因為它要能處理高達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用，因為其品質(zhì)因數(shù)可高達1500，可以處理達幾瓦的功率，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諧振器應用了MEMS工藝，以便將石英晶體的工作機理擴展到更高頻率。壓電層的典型厚度在幾個微米或更低。壓電層可以驅(qū)動一個駐聲波，其波長為壓電層和電極總厚度的兩倍。該駐聲波沿垂直方向傳播。因為淀積的壓電層的方向?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)生強烈的變化。在BAW中，壓力場看起來與（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制擴展到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題。

　　為實現(xiàn)將聲波從襯底隔離開，還可以用聲波鏡來實現(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的1/4，這樣就構(gòu)建了一個有效的聲波鏡。這種制鏡機理在光學中很普遍。在每個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準工序中，沒有機械損壞的風險。壓電層和電極層上受到的層壓力也不會造成問題。對需要有很大功率承受能力的BAW而言，存在一條直接穿過鏡子的垂直傳熱通路是很有利的，這樣可以明顯降低對周圍環(huán)境的熱阻抗。SMR類的FBAR在用于IC集成時有很明顯的優(yōu)點，因為它可以被嵌入到交替的金屬-氧化物堆中，而這種金屬-氧化物堆一般先進的IC工藝都可以提供。事實上，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)工序可以直接在標準IC生產(chǎn)設(shè)備上完成，而不需要任何改變。光刻也不是問題，0.8微米的特征尺寸就足夠了。一個BAW器件所需的光刻步驟在5個到10個之間。BAW中的缺陷密度也是次要問題，相當大的顆粒也不會導致諧振器失效。

　　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嚴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)，所用的材料有幾個參數(shù)必須考慮：

　　壓電耦合系數(shù)kt2。它決定了電域與機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制作滿足移動電話應用的帶寬要求的濾波器。從這個指標來看，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。在這個指標上AlN和ZnO很接近，r都大約是10。PZT在這個指標上優(yōu)勢明顯，它的r可高達400。從聲學性能考慮，介電常數(shù)為100時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，從而實現(xiàn)更小的器件。從這個指標看，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)過驗證的材料。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?shù)偷摹?/span>

　　制備壓電薄膜的最實用的淀積方式是磁控濺鍍法。這種方法對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率，這將有助于提高濾波器處理大功率信號的能力。AlN是一種良好的熱導體?？紤]到濕潤環(huán)境下器件的可靠性，材料的化學穩(wěn)定性也是一個問題。ZnO的化學性質(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)應用中決定用何種壓電材料時，還有其他幾個問題要考慮。淀積設(shè)備應該是成熟而且可靠的。BAW很可能將在半導體廠內(nèi)制作，這時會有一些嚴重的污染問題。在一個CMOS制造廠內(nèi)，鋅、鉛、鋯都是極度危險的材料，因為在半導體器件中，它們會嚴重降低載流子壽命。與ZnO和PZT相比，使用A1N則沒有污染問題。

　　應用于A1N的淀積設(shè)備已經(jīng)有多家著名的半導體設(shè)備供應商可以提供，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)，或者至少在某些應用中有足夠的耦合，這可能還需要幾年的改進。良好而且可靠的耦合系數(shù)是進一步研究BAW器件其他各種效應的先決條件。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，那么有很多嚴重的問題將不能被研究清楚。最可能的情況是，一個原型BAW諧振器會出現(xiàn)一些附加的諧振，這些附加的諧振不能用一維理論來解釋。這些“寄生模態(tài)”會嚴重破壞通帶的平坦。更糟的情況中，這些寄生模態(tài)可能太強，以致沒辦法通過電測量來提取材料參數(shù)。有一些寄生模態(tài)與器件的側(cè)向效應有關(guān)，可以通過適當?shù)脑O(shè)計來改善。還有一些寄生模態(tài)與層堆本身有關(guān)，這需要對相關(guān)頻率下在層堆中傳播的各種模態(tài)進行透徹的研究。

　　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范圍內(nèi)。半導體工藝中使用的標準工具一般只能提供5%的精度，不能滿足這么高的容差要求。就算通過改進，各次流片間的變動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要解決的大問題。

　　單片集成還是混合集成

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

　　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，單位硅面積的花費會增加。一片相對大的集成電路與一個小的BAW濾波器在組合工藝中整合，其花費將比用分別的工藝制作的相應芯片高昂得多。

　　對典型尺寸為0.5mm2的BAW芯片來說，裝配上的花費可能比它在硅面積上的花費還高很多。在有的情況下，由于省下了裝配費用，單片集成的方案會更有利。

　　針對IC的封裝技術(shù)不一定適用于BAW，因為它需要在諧振器的頂部有空腔。有腔封裝也會更貴一些。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很大的優(yōu)勢。

　　采用SOC的方案后，設(shè)計靈活性會急劇下降。

　　小型化：SOC方案在尺寸上的優(yōu)勢是難以動搖的，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，可以從主要供應商處得到的最初期的BAW產(chǎn)品都是單獨的BAW濾波器或混合模塊。盡管單片集成對于某些特殊的產(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

　　不同應用中射頻濾波器的指標可能差異相當大。因而設(shè)計流程的簡便和快捷是一個重要的優(yōu)點。一些設(shè)計要求極低的插入損耗和良好的阻抗匹配，而另一些設(shè)計對阻帶衰減的要求才是首位的。對BAW器件的建模可以基于不同的層次。基本物理層模型需要進行三維的互相耦合的電、聲模擬，這實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）原則上可以用來解決這個問題，但非常困難，至今還幾乎沒有相關(guān)的實踐。

　　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和（壓電）電學方程來描述層堆中的壓力場和諧振器電端口上的電阻抗。這種模擬對于層堆的優(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，這種模型是最重要的，但對于BAW濾波器的設(shè)計和系統(tǒng)級仿真而言，這種模型顯得過于復雜。工作正常的BAW諧振器可以用所謂的緊湊（或更高級）模型來模擬，這種緊湊模型使用一個被稱為”Butterworth-van-Dyke“模型的簡單等效電路。

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

　　BVD模型的阻抗特性實際上與從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諧振器相對帶寬

　　Q聲學諧振品質(zhì)因子

　　這些基本參數(shù)可以通過實際測量或?qū)ason模型的仿真方便地獲得。通過阻抗測量，可以相對容易地提取出fs、fp和C。再用下面幾個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，不可能通過單獨調(diào)整某個元件值來改善濾波器。

　　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可以通過在等效電路中增加后面這些附加元件來描述：

　　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)計濾波器的一種非常實用的方法，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際。任何電路仿真器都可用來處理BVD模型。

　　BAW濾波器的當前水平

　　BAW/FBAR濾波器在各種性能上全面優(yōu)于SAW濾波器。當設(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，這種性能上無損失的全面超越就得以實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，濾波器的插入損耗得到改進，濾波器沿也更陡。