文档介绍：基于CMOS工艺的高性能射频滤波器:体声波滤波器BAW
基于CMOS工艺的高性能射频滤波器:体声波滤波器(BAW)
High Performance RF-Filters Made in a CMOS Factory:BAW
■英飞凌科技公司 Robert Aigner
过去几年中,随着射频集成电路技术和系统结构的发展,移动电话中射频部分的很多分立器件已被替换。最为明显的就是接收机中分立的低噪声放大器(LNA)和中频(IF)滤波器已经被集成到射频集成电路中。可以预期各射频模块将逐步被集成到标准BiCMOS或CMOS集成电路中,但还是有几类射频元件的集成不太容易做到,其中就包括射频滤波器。所有的移动电话都需要射频滤波器以保护敏感的接收(Rx)信道,使之免受其他用户的发送(Tx)信号及各种射频源产生的噪声干扰。移动电话可能要求当Rx信号比干扰信号强度低120dB时仍能工作。而前置放大器无法提供足够小的互调以满足这种要求。
体声波(BAW)和薄膜腔声谐振器(FBAR)滤波器被分别用来替代移动电话中的传统射频滤波器,因为目前其性能已超过表面波(SAW)滤波器,而且可以通过标准集成电路技术生产,极具价格竞争力。
天线和前置放大器之间高选择性的射频滤波器保证了只有正确的Rx波段内的信号被放大。;带宽一般在20到75MHz之间。Tx波段低于Rx波段,但之间仅有20MHz的间隙。在20MHz这么窄的过渡带中,Rx滤波器必须从在相应的Tx波段上边沿处有大于15dB的衰减,变化到在Rx波段下边沿处有小于
3dB的插入损耗。要实现这么陡的沿,滤波器元件需要有极低的损耗,及很高的品质因数(Q),对于电抗元件,Q≥400是必须的。选择性射频滤波器在移动电话的Tx信道中按规程也是需要的,以避免在规定波段以外发出射频功率。这些Tx滤波器主要考虑的是不让功率放大器把噪声和Tx波段外的信号放大。GSM系统是时分复用的。GSM手机的天线用射频开关在Rx和Tx信道之间来回切换。由于这种切换,在GSM系统中,接收和发送的信号相对易于相互隔离。与GSM不同,CDMA和W-CDMA及第三代(UMTS)标准都工作在全双工模式,即电话同时在接收和发送信号。这样的工作模式使得所谓的天线双工器成为必需的器件。天线双工器包括了用于Rx和Tx波段的高选择性的滤波器,它要保证从功放送出的功率尽可能少的回馈到接收通道,并将从天线接收到的信号以尽可能少的衰减导入前置放大器。这种双工器中采用SAW滤波器是有困难的,因为它要能处理高达2瓦的输出功率,而且随着自身发热造成的温度提升,要能维持正常的工作。而BAW/FBAR滤波器可以很好满足这些应用,因为其品质因数可高达1500,可以处理达几瓦的功率,而且频率特性的温度系数明显低于SAW滤波器。
基本原理
BAW谐振器应用了MEMS工艺,以便将石英晶体的工作机理扩展到更高频率。压电层的典型厚度在几个微米或更低。压电层可以驱动一个驻声波,其波长为压电层和电极总厚度的两倍。该驻声波沿垂直方向传播。因为淀积的压电层的方向对厚度外延模式(TE)支持得最好,所以采用了这一模式。在谐振频率附近,电阻抗将发生强烈的变化(参见图
4,5)。在BAW中,压力场看起来与(单晶的)石英晶体很相似,但有更大一部分驻波位于电极和支撑层中。要将厚度外延模式的石英晶体的工作机制扩展到GHz范围,最直接的方法是将压电层和电极作成膜结构,或做到一个薄的支撑膜层上。
这种用膜结构的方法产生的BAW器件需要淀积的层数是最少的。这种方法的缺点
是由于顶部有易碎的膜,从而造成晶片的处理很困难,此外还有其它一些鲁棒性的问题。
为实现将声波从衬底隔离开,还可以用声波镜来实现。用若干声阻抗高和低的层交替堆叠,且这些层的厚度都等于主谐振波长的1/4,这样就构建了一个有效的声波镜。这种制镜机理在光学中很普遍。在每个高阻抗层和低阻抗层之间的界面上,大部分的声波被反射,又由于这些层的厚度是/4,因而反射波会按合适的相位叠加。这种类型的BAW被称为固态装配谐振器(SMR)。就鲁棒性而言,SMR比膜结构的BAW要好很多。在划片和装配所需的各种标准工序中,没有机械损坏的风险。压电层和电极层上受到的层压力也不会造成问题。对需要有很大功率承受能力的BAW而言,存在一条直接穿过镜子的垂直传热通路是很有利的,这样可以明显降低对周围环境的热阻抗。SMR类的FBAR在用于IC集成时有很明显的优点,因为它可以被嵌入到交替的金属-氧化物堆中,而这种金属-氧化物堆一般先进的IC工艺都可以提供。事实上,在IC工艺上集成SMR,总的工序和掩膜层数都得到节省。
BAW的制作
表面波器件只能做在象钽酸锂或铌酸锂这样特殊的单晶