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[導(dǎo)讀]很多通信系統(tǒng)發(fā)展到某種程度都會有小型化的趨勢。一方面小型化可以讓系統(tǒng)更加輕便和有效,另一方面,日益發(fā)展的IC**技術(shù)可以用更低的成本生產(chǎn)出大批量的小型產(chǎn)品。MEMS(Mic

很多通信系統(tǒng)發(fā)展到某種程度都會有小型化的趨勢。一方面小型化可以讓系統(tǒng)更加輕便和有效,另一方面,日益發(fā)展的IC**技術(shù)可以用更低的成本生產(chǎn)出大批量的小型產(chǎn)品。

MEMS(MicroElectromechanical System)是這種小型產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)之一。MEMS可以檢測環(huán)境的變化并通過微型電路產(chǎn)生相關(guān)反應(yīng)。MEMS的主要部分包括sensor(微傳感器)或actuator(微執(zhí)行器)和transducer(轉(zhuǎn)換裝置),其中sensor可以檢測某種物理,化學(xué)或生物的存在或強(qiáng)度,比如溫度,壓力,聲音或化學(xué)成分,transducer會把一種energy轉(zhuǎn)換成另外一種(比如從電信號到機(jī)械波)。

目前MEMS被廣泛的利用在多個(gè)領(lǐng)域里,如下圖。

 

 

這篇文章主要說說MEMS的幾種RF相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品,, FBAR filter,也是目前手機(jī)中最常用的幾種filter。

,和FBAR中,A都代表著Acoustic。Acoustic w**e中文翻譯成聲波,聲波按頻率分成3段,audio, infrasonic(次聲波)和ultrasonic(超聲波)。

Audio的頻率為20Hz ~ 20KHz, 是人耳能聽見的范圍。

Infrasonic(次聲波)是低頻率,20Hz一下,人耳聽不到,可以用來研究地理現(xiàn)象(比如地震)。

Ultrasonic(超聲波)是20KHz到109KHz,也是人耳聽不到的范圍。

下面提到的聲波都是超聲波的范圍,首先我們看看 filter。

Surface Acoustic W**e(SAW) filter

顧名思義,SAW是一種沿著固體表面(surface)傳播的聲波(acoustic w**e)。

一個(gè)基本的SAW filter由壓電材料(piezoelectric substrate)和2個(gè)Interdigital Transducers(IDT)組成,如下圖。

 

 

IDT是由交叉排列的金屬電極組成,上圖中左邊的IDT把電信號(electrical signal)轉(zhuǎn)成聲波(acoustic w**e),右邊的IDT把接收到的聲波再轉(zhuǎn)成電信號。

電信號和聲波(屬于mechanical w**e)之間轉(zhuǎn)換也稱為electromechanical coupling。

那IDT是怎么把電信號轉(zhuǎn)成聲波呢?原因在于IDT下方的壓電材料。

壓電(piezoelectricity or piezoelectric effect)

Piezoelectricity這詞來源于希臘語piezein,表示施加壓力,1880年由兩位法國物理學(xué)家(Pierre,Paul-Jacques Curie)發(fā)現(xiàn)。壓電是指某些晶體(Crystal)受到外部壓力時(shí)會產(chǎn)生電壓,相反地,如果某些晶體兩面存在電壓,晶體形狀會輕微變形。

為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象?

首先說晶體,科學(xué)意義上的晶體指其原子或分子在三維空間內(nèi)以非常有規(guī)律地排列,而且隔一段距離重復(fù)著unit cell(基本組成單元)的固體,比如食鹽和糖也是晶體。大部分晶體的unit cell原子排列是對稱的(with a center of symmetry),不管有沒有外部壓力,基本單元里的net electric dipole始終是零,而壓電晶體的原子排列是不對稱的(lacks a center of symmetry)。

 

 

壓電晶體原子排列雖然不對稱,但正電荷(positive charge)會和附近負(fù)電荷(negative charge)相互抵消(更確切是electric dipole moments相互抵消),所以整體的晶體不帶電。當(dāng)晶體受到壓力時(shí)外形會變化,一些原子間距離會變得更近或者更遠(yuǎn),打亂了原來保持的平衡,出現(xiàn)凈電荷(net electrical charge),晶體表面出現(xiàn)positive charge和negative charge。這種現(xiàn)象稱為壓電(piezoelectric effect)。

 

 

相反地,晶體兩端加電壓時(shí)原子受到“electrical pressure”,為了保持電荷的平衡,原子來回震動使壓電晶體形狀輕微變形。這種現(xiàn)象稱為reverse-piezoelectric effect。

石英(quartz)是很常見的壓電材料,我們平時(shí)生活中使用的石英表也利用了石英的壓電特性。紐扣電池給手表里面的電路供電,電路會讓石英晶體精確的震蕩(震動)32768次/秒,再把震蕩轉(zhuǎn)成一次/秒的脈沖,脈沖再驅(qū)動小型電機(jī)進(jìn)而轉(zhuǎn)動齒輪(指針)。

SAW filter常用的壓電材料有LiTaO3,LiNbO3,SiO2等。其基本結(jié)構(gòu)中左邊IDT交叉排列的電極之間交流電壓產(chǎn)生壓電材料的mechanical stress并以SAW的形式沿著表面?zhèn)鞑?,而在垂直方向上SAW幅度快速衰落。右邊的IDT也是同樣結(jié)構(gòu),只是接收SAW,輸出電信號。中間部分的shielding會影響輸入和輸出之間的耦合(coupling),關(guān)系到通帶內(nèi)的幅度ripple和群時(shí)延(group delay)。

SAW filter也可以用ladder type(串并組合),如下圖。

 

 

SAW的頻率可以大致參考以下公式:F = V/λ

V是SAW的速率(velocity),大概3100m/s, λ是IDT電極之間間距。

從公式可以看出,頻率越高IDT電極之間間距越小,所以SAW filter不太適合大約2.5GHz以上的頻率。另外很小的間距(高頻率)下電流密度太大(高功率)會導(dǎo)致電遷移(electromigration)和發(fā)熱等問題,當(dāng)然,通過一些方法(IDT材料的改進(jìn)等)也可以彌補(bǔ)這些。

SAW filter對溫度變化也敏感,性能隨著溫度升高變差。TC(temperature compensated)-SAW filter就是為了改善溫度性能,IDT上增加了保護(hù)涂層。普通的SAW filter頻率溫度系數(shù)(TCF, temperature coefficient of frequency)大約-45ppm/oC左右,而TC-SAW大約-15到-25ppm/oC。增加的涂層使工藝變得復(fù)雜,成本也增加,不過相對 filter還是便宜一些。

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