MEMS 濾波器如何運作？Lambda 聲波, SAW, BAW

物聯網一直不斷擴大，意味著越來越多的行動裝置，包括智慧型手機、平板電腦、電腦、電視，甚至冰箱和洗衣機等，都在爭奪波長來傳輸資訊。這些設備幾乎都採用多頻段，可以滿足多種不同的傳輸標準，以便以最有效的方式進行通訊。因此，這些設備所處的環境，總是充斥著透過空氣傳輸的大量無線電頻率。這也造成當今無線電通訊面臨的一個主要問題，那就是保證達到高數據流，且接收的訊號沒有干擾或雜訊。因此，所有使用訊號傳輸和／或接收的裝置都配有某種形式的 RF 濾波器，並連接到其無線電接收器。

RF 濾波器

目前尚無一個廣為接受的頻率範圍是 RF 濾波器正式採用的。但是，在需要使用 RF 濾波器的頻率下限，則會被選為數位訊號處理可以保持到合理水準的最大限值。在當今的物聯網世界中，此限值從 100 MHz 開始，上限則保持在 10 GHz 左右。高於該頻率的任何事物，則會直接歸類到微波領域。100 MHz 至 6 GHz 的範圍用於典型的都會環境，對這些環境中的所有用途來說，此頻寬已足夠。但電視傳播服務、行動通訊服務、WLAN，甚至政府／軍事用途佔用的頻率各有不同，因此使用的廣播訊號也有成千上百種。因此，即使是最普遍的裝置，要使用的 RF 濾波器也要經過一番挑選。這些濾波器要精挑細選，代表必須具備極高的品質因數和低損耗。

用於上述應用的 RF 濾波器類型，通常是帶通濾波器的形式。我們也知道，這些濾波器可以使用一連串千奇百怪的拓撲結構相連的電感和電容來打造。然而，儘管這些濾波器受人推崇且具有調適能力，但礙於電感和電容的固有損耗，仍然不適合 500 MHz 以上的應用，因為其 Q 值不足以精確對應我們的用途。

RF MEMS 濾波器

這表示我們必須改用諸如石英晶體等機械諧振器與音叉諧振器，原因在於其可達到我們所需的 Q 值 – 遠遠超過 10,000。石英為壓電材料，因此石英諧振器亦稱為壓電諧振器。這表示此材料在施加電荷時會產生機械運動，相反地，在對其施加機械壓力時則會產生電荷。

幾何和材料上的限制通常會決定這些機械式壓電諧振器的品質因數和諧振頻率。因此，為了擴大這些諧振器可以工作的頻率範圍，就得採用不同的材料和微機電系統 (MEMS) 製程來打造可在所需頻率工作的諧振器。有個壓電材料大受歡迎，那就是氮化鋁 (AlN)，主要是因為其性能與製造效率。

BAW 與 SAW 諧振器

接下來讓我們探討體聲波 (BAW) 諧振器，以及表面聲波 (SAW) 諧振器這兩種主要的諧振器類型。

BAW 諧振器

BAW 諧振器的組成是在兩個金屬電極之間放置一片壓電薄膜。這些電極會誘導聲波，聲波再沿著壓電薄膜的主體垂直傳播，並在電極之間形成駐波。

為了避免聲波逃逸到基板，BAW 濾波器有幾種配置：膜式諧振器 (MTR)、薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 和固態黏著式諧振器 (SMR)。

FBAR 和 MTR 裝置會在作用區下使用氣腔，形成懸浮膜。由於空氣的聲阻抗比典型的固體材料低 10^5 倍，因此散發到空氣中的能量極少，而且會反射 99.995% 的能量。

若是 SMR 裝置，會採用多層交替材料推疊製成聲波布拉格反射器，且所有材料都具有不同的反射指數，可藉此避免聲波逃逸到基板中。

在高阻抗層和低阻抗層之間的任何介面上，有很大比例的聲波會遭到反射，並且由於這些層彼此之間的距離為 λ/4，因此會以正確的相位相加。如果各層之間的阻抗比 z = Z1/Z2 很高，則使用三對反射層就可產生足以滿足任何實際用途的反射率。厚度為 λ/4 的 N 層對鏡子，其反射率的一般關係是 r= 1 - z^2N。

• 設計特性 (設計這類諧振器時有何重要因素為何？)：

製造 BAW 裝置時必須考量幾個材料參數：

• 壓電耦合係數 K_eff² 實際上代表裝置的能源轉換效率，由串聯諧振與並聯諧振峰值之間的距離而定義。若壓電層的耦合過低，則無法製造具備行動電話應用所需頻寬的濾波器。



• 上述方程式可透過串聯 (fs) 和並聯 (fp) 諧振頻率來計算有效耦合係數。
• 介電常數 εr。諧振器的阻抗水準，是由諧振器尺寸、壓電層厚度以及介電常數來決定。較高的介電常數 εr 有助於縮小諧振器的尺寸。
• 聲波速率：低聲速的材料可讓壓電層更薄，進而縮小裝置尺寸。
• 溫度係數：代表溫度改變時的頻移量。
• 若是 BAW 諧振器，效能指數 (FOM) 是最重要的參數之一，且可定義為 FOM = K_eff² × Q，其中 K_eff² 為有效耦合係數，Q 為品質因數。較大的 K_eff² 可提供大頻寬，切合 5G 頻段所需。

• 諧振特性：

濾波器的諧振頻率，是由壓電薄膜的聲速與厚度來決定。



其中 v 是聲速，d 是壓電薄膜的厚度。電極的厚度也會影響諧振頻率，不同的電極厚度會產生頻移，可用於控制濾波器的通帶。

SAW 諧振器

與 BAW 濾波器不同，在 SAW 濾波器中，聲波和能量會沿著基板的單一「表面」傳播。因此，SAW 諧振器的特性不像 BAW 濾波器那樣依賴基板的形狀或厚度。

SAW 諧振器可分為兩種主要類型：單孔 SAW 諧振器和雙孔 SAW 諧振器。反射器位於輸入和輸出指叉式傳感器 (IDT) 的兩側，以將聲波包圍在腔內以產生諧振。

• 設計特性 (設計這類諧振器時有何重要因素為何？)：

SAW 濾波器的設計特性與 BAW 濾波器非常相似，因為耦合係數和聲速在影響其輸出方面會發揮強大的作用。但更具體地說，有兩種主要方式可以影響 SAW 裝置的諧振頻率。若要增加諧振頻率，可以縮小 IDT 條的線寬和周期間隔。這需使用高精度光刻技術，如紫外線或電子束光刻。另一種方式是採用聲速更高的基板。

• 諧振特性：

  

  其中，「間距」為兩個 IDT 指中間位置之間的距離。

Lambda 聲波諧振器

Lambda 聲波諧振器採用 SAW 和 FBAR 諧振器的綜合結構，因此可以利用兩者的優點。此架構可提高品質因數與相位速度。

會使用浮動邊緣反射器或光柵來反射和包圍聲波。

• 設計特點 (設計這類諧振器時有何重要因素)：

共有三種主要的邊界條件：開路-開路、短路-開路，以及短路-短路。在此會忽略金屬化的機械效應。換句話說，已假定金屬化為無限薄。金屬化會略微降低相位速度，但為了簡單起見，通常會忽略這一點。

然而，雙 IDT 的製造複雜得多，因此也更昂貴。因此，最廣泛使用的配置是單 IDT 類型搭配厚 AIN 層，或是 IDT 浮動 BE 類型搭配薄 AIN 層。

• 諧振特性：

Lambda 聲波諧振器的諧振頻率是波模的相位速度與波長的比值，即

結論

SAW 濾波器可在大約 2 GHz 或更低的頻率下有效抑制不需要的訊號，同時在整個通帶頻率範圍內保持平坦的幅度響應。雖然可以製造低於 1.5 GHz 頻率用的 BAW 濾波器，也可良好配合 SAW 元件的頻率範圍，但這些較低頻率 BAW 元件的尺寸較大，會導致每個壓電晶圓的元件良率較低，因此在成本競爭力上難以與 SAW 濾波器競爭。

然而，由於 IDT 結構的尺寸會隨著 SAW 諧振器頻率的增加而縮小，因此若為了支援較高的頻率，而生產具有夠小 IDT 尺寸的 SAW 元件，反而不切實際。也因此，SAW 濾波器不用於 5G 應用，因為在這些頻率下，成本效益不比 BAW 濾波器。現今的 5G 應用領域採用 FBAR 濾波器，是因為其可在 100 MHz 至 10 GHz 的範圍內運作。FBAR 的插入損耗較低 (0.3 至 0.5db)，可大幅降低電流消耗，進而延長手持式裝置的電池續航力。

這絕非諧振器濾波器的全面說明，但我希望本文能向您進一步介紹 MEMS RF 濾波器以及背後的原理，以利您實際運用。