声学滤波的美好展望-
适用于模块集成的新一代超低轮廓SAW，TC SAW和BAW器件
摘要：在过去几十年中，很少有技术像移动通信技术这样在世界范围内取得如此大的成功。移动无线通信仍在快速发展，并继续为日常应用创造新的可能性。随着对更高能效和更快移动计算能力需求的增长，在用户热切接受流式高清视频和其他创新的驱动下，对高数据速率的传输需求也日益增长。为了应对带宽需求，已经发布了更多的新频带用于移动通信，或已经摆脱其他应用（如模拟电视），并致力于这个新的目的。此外，已经采用了更有效的传输标准，例如最先进的长期演进（LTE）和LTE-Advanced。 手机声波过滤
带宽的考虑
铱-192
图1给出了LTE中使用的当前频带的图形概述。水平频率轴限制在3 GHz，因此省略了频带22,31,42和43。垂直方向，频带被随机分类以避免重叠。不同区域差异，全球范围内使用40多个频段。带宽和间距差异很大; 然而，低频带（大约800MHz）和中频带区域（约2,000 M按摩毯Hz）被密集占用。标记为蓝的频带用于时分双工（TDD）系统，上行链路[发射机（Tx）]和下行链路[接收机（Rx）]之间的干扰不是问题。对于频分双工，Tx和Rx具有单独的频带，图1中Tx标记为红，而Rx为绿。
Tx和Rx频带之间的相对距离可低至0.78％，如，BAND 25。此外，相邻频带之间的间隔非常紧。从系统的角度来看，隔离请求和抑制电平高达60 dB，而插入衰减必须保持低于约2-3 dB，以增加电池寿命并减少内部发热。为了实现通带中的低衰减与紧密间隔的抑制带中的高衰减之间的过渡，滤波器裙部的陡度必须非常高。该要求也必须保持在最终客户要求的较宽的环境温度变化范围内（例如-25 / + 85°C），以抵消器件制造中的预期变化。 器件尺寸和成本的考虑
随着以全球范围内工作为目标的智能手机的频段的数量不断增加，还有其他重要的条件要考虑，即，尺寸和成本。虽然在更多频带中的工作是必需的，并且每个频带需要单独的滤波器器件，但是用户不会接受增加手机的尺寸和成本。因此，滤波解决方案必须减小尺寸，特别是高度，并且所应用的技术必须具有合理的成本或缩小（因为一个晶片上的芯片产出数量在增加）。
对于LTE，载波聚合（允许数据传输同时多个频带）是另一个重要课题。在硬件层面上，这对连接在一起的多个滤波器或双工器施加共存条件，而不会降低其他频带的阻抗匹配或插入衰减。
声波滤波是有吸引力的，因为在相同频率下，典型的声波波长约小于电磁波长五个数量级。这一事实使得亚毫米级的谐振器甚至是适合于手机应用的完整的滤波器成为可能。过去，在钽酸锂基板上只包含一层金属的传统SAW滤波器主导市场，因为它们简单且生产成本效益高，同时具有用于标准应用的良好性能。 当环境温度变化时，声表器件通常随着温度的变化经历近似线性地频移。可以通过温度系数频率（TCF）来表征，对于LiTaO 3，通常在-30至-45ppm / K的范围内，取决于测量的分贝水平，左侧和右侧裙部，以及较小程度上的声学结构的细节（金属化高度和比例）。在超过±60K的范围内，这样的器件会频移大约±40x60 ppm =±2,400 ppm =±0.24％，消耗了Band25双工器的上述带隙(0.78%)的一半以上。因为制造变化将是类似的顺序，将需要具有几乎无限裙边陡度的滤波器，当然这由于所应用的谐振器的有限Q而不可行。
主要的先决条件
为了手机声表滤波器应用的现在和未来的市场，可以确定以下主要先决条件：
密钥索引
*小TCF
*限制制造变化或修剪补偿
激光夜视*增加裙陡度
*减小尺寸和高度
从标准SAW特性转向高级性能的先进技术
谐振器是用于频率滤波的电声部件的基本构件。SAW谐振器通常由叉指换能器组成（IDT），夹在两个反射器之间，从而将声波约束在IDT区域（图2）。IDT中的相邻条带连接到相反的总线，因此具有不同的潜力。利用晶体内的压电效应，电能可以通过IDT以声波的形式转化为声能。当谐振时，IDT的条带间距或音高是声波波长的一半。
改进的滤波器性能
消声室制作长期以来，SAW器件的生产主要是通过使用压电单晶晶片材料（在衬底的顶部仅有一个金属层）来实现IDT（图2）。用于手机应用的基板材料几乎专门就是LiTaO3，因为可以实现的谐振器带宽完全符合这些应用中的带宽要求。
风机盘管电机通过将具有不同金属化高度的多个过滤器结构添加到一个芯片（n-in-one滤波器）中或通过优化的金属线作为过滤器设计中使用的各种IDT之间的接触来实现主要发展。主要技术挑战是：1）实现构成IDT结构条带的精确宽度所需的高横向精度，以及2）IDT的精确金属厚度; 在频率稳定性和带宽方面，两者都显着影响滤波器性能。
随着产品性能要求的提高，需要基于现有的薄膜技术，开发新一代SAW滤波器，使用半导体设备进行附加功能层的沉积和干蚀刻。为了达到更好的性能，温度变化带来的频率精度和稳定性，以及滤波器的裙陡度，必须通过添加额外的层或设计元素进行改进。
许多因素影响微声滤波器裙部的陡度。但是由于SAW滤波器主要由单端口谐振器和其他谐振器组成，裙的陡度很大程度上取决于它们的品质因素。因此，已经采取措施来改善纵向方向的波浪引导，并减少基板中的泄漏和散射损失，成功地减少了能量损失。
谐振器的横向约束的产生对于支撑SAW活塞模式非常有效。可以实现活塞模式谐振器
几种方法。其中之一是在IDT结构的每个条带的末端添加额外的质量（例如，高密度的金属块）（图3）。实现所要求的性能改进，需要高水平理解和器件的仿真精度，以及高分辨率光刻技术。
提高频率精度
除了提高滤波器性能外，还需要提高频率精度。频率变化主要受两种效果影响：1）温度变化带来的频率偏移 2）生产公差。为了实现优化的频率精度，这两种效果必须最小化。
温度变化
由于温度变化引起的频偏可以通过在IDT的顶部加上额外的二氧化硅（SiO 2）层来降低。
SiO 2在相关温度范围内具有随着温度升高而刚度增加的特性。如果SAW器件被额外的SiO 2层覆盖，则一些声能将位于SiO 2层中，一些位于压电晶片中。通过选择SiO 2层和晶片中正确的能量比，可以获得减小的频移。为了避免在顶层SiO2层中产生湿气积聚，必须应用附加的钝化层。
由于能量分布在基板和电介质SiO2层上，谐振器带宽可以减少更多。 因此，传统的LiTaO3基板材料与SiO2层结合，用于温度补偿仅适用于窄带手机应用。对于大多数频带，基板材料已经改为铌酸锂（LiNbO3），因为其固有的较高的电声耦合允许足够大的谐振器带宽。
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