為什么說德州儀器實現了BAW技術的新突破？
每個電子系統都必須要有心跳——時鐘信號，它可以幫助每個組件完美同步的運行。幾十年來，設計人員一直使用石英晶體來產生這種電子心跳。通過晶體振蕩，實現精確的節奏。但當這些昂貴的晶體出現磨損時，它們就會抖動或跳變，進而影響計時的精確性。
近日，德州儀器公布了該公司所稱的“突破性”體聲波（BAW）諧振器技術。這些微型計時器尺寸僅有100微米，比頭發的直徑還小，但它們的運行頻率遠遠高于石英晶體，它可以將高精度和超低抖動時鐘直接集成到包含其他電路的封裝中，TI稱。這使得TI能夠為嵌入式市場推出業界首款無晶體無線MCU，SimpleLink CC2652RB，其時鐘包含在同一芯片中。
通過將相同的BAW技術應用于網絡基礎設施，TI推出了名為LMK05318的網絡同步器，即使在高系統級干擾下也能實現400 Gbps鏈路性能。
TI負責連接微控制器的副總裁Ray Upton解釋說，新技術對于“以穩定的方式移動大量數據”至關重要，從而改善了高性能通信。 TI高速數據和時鐘副總裁Kim Wong表示，該技術還實現了物聯網設備之間的高精度和強大通信，現在可以以不那么笨重的形式開發。
簡而言之，BAW技術的進步為有線和無線網絡帶來了“更高的性能，更簡單的設計，更低的成本和更小的尺寸”，Wong解釋道。
BAW-和LC-QVCO的芯片顯微照片
TI的BAW諧振器技術有多重要
IDC連接和智能手機半導體研究總監Philip Solis說，“新的BAW諧振器技術非常重要，因為TI正在將其集成到其硅芯片產品中，從而縮短設計時間，解決方案尺寸和元件成本！
此外，Solis說，“使用BAW諧振器比使用石英晶體更準確。”石英晶體需要額外的元件來延長其精度 - 隨著時間的推移 - 其性能發生變化，超出了可控制的溫度變化，他補充說。
基于BAW的差分振蕩器
正如他解釋的那樣，“如果它只是一種不同的定時方式，它會更準確并減少對其他外部元件的需求，但BAW諧振器是用硅制造的，作為各種TI產品的一部分！
今天，定時通常需要石英晶體。 “每個人都使用石英晶體作為時鐘，”索利斯說。在這種情況下，BAW諧振器技術通過消除對安裝在PCB上的外部元件的需求，為TI提供了巨大的優勢，他指出。
當被問及為什么業內沒有人建造類似BAW諧振器的東西時，Upton說，“這非常難以開發。”TI在研究MEMS方面已經涉足了多年。但是，將電能轉換為機械聲學同時保持信號在干凈的時鐘內穩定且穩健并不容易。
過去，BAW諧振器技術常被用于過濾諸如智能電話之類的通信技術中的信號。在業內，TI首次將這項技術用于集成時鐘功能。為了深入了解TI 這次在BAW技術上的新突破，我們要從BAW濾波器的原理說起：
Bulk Acoustic Wave(BAW) filter
BAW filter適合于高頻率。BAW filter的大小隨著頻率增加而減少。BAW filter有對溫度變化不敏感，插入損耗小，帶外衰減大(steep filter skirts)等優點。
聲波在BAW filter里是垂直傳播。BAW是bulk，物體內傳播。
BAW filter的最基本結構是兩個金屬電極夾著壓電薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度為2um)，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波(standing wave)。
為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結構和外部環境之間必須有足夠的隔離才能得到最小loss和最大Q值。聲波在固體里傳播速度為~5000m/s，也就是說固體的聲波阻抗大約為空氣的105倍，所以99.995%的聲波能量會在固體和空氣邊界處反射回來，跟原來的波(incident wave)一起形成駐波。而震蕩結構的另一面，壓電材料的聲波阻抗和其他襯底(比如Si)的差別不大，所以不能把壓電層直接deposit(沉積)在Si襯底上。
有一種方法是在震蕩結構下方形成Bragg reflector，把聲波反射到壓電層里面。Reflector由好幾層高低交替阻抗層組成，比如第一層的聲波阻抗大，第二層的聲波阻抗小，第三層聲波阻抗大，而且每層的厚度是聲波的λ/4，這樣大部分波會反射回來和原來的波疊加。這種結構整體效果相當于和空氣接觸，大部分聲波被反射回來，這種結構稱為BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)，如下圖。
還有一種方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator), 包括Membrane type和Airgap type。
Membrane Type是從substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面)，形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity)。
Membrane type類似于BAW resonator的基本模型，兩面都是空氣，由于空氣的聲波阻抗遠低于壓電層的聲波阻抗，大部分聲波都會反射回來。不過薄膜結構需要足夠堅固以至于在后續工藝中不受影響。相比BAW-SMR，membrane type 較少一部分跟底下substrate接觸，不好散熱。
Airgap type在制作壓電層之前沉積一個輔助層(sacrificial support layer)，最后再把輔助層去掉，在震蕩結構下方形成air gap。
因為只是邊緣部分跟底下substrate接觸，這種結構在受到壓力時相對脆弱，而且跟membrane type類似，散熱問題同樣需要關注。
BAW filter種類
BAW filter可以把多個resonator按一定拓撲結構連接。BAW filter有多種類型，包括ladder type filter，lattice type filter，stacked crystal filter和coupled resonator filter。這里只簡單介紹ladder type和lattice type。
Ladder type(SAW最后也提過)使用的resonator包括串聯和并聯，一個串聯的resonator加一個并聯的resonator稱為一個stage，整個ladder type filter可以由好幾個stage組成。
了解ladder type filter的工作原理之前我們再看看BAW resonator的基本模型，如下圖。
典型的基本結構如上圖(a)，上下金屬電極中間夾著壓電層，對應的mBVD等效電路如上圖(b)，對應的阻抗如上圖(c)，可以看出有兩個resonance頻率，串聯(fs)和并聯(fp)。工作原理如下圖。
在通頻帶(pass band)上，series resonator fs阻抗很小，保證信號通過，shunt resonator fp阻抗很大，阻止信號通過。
Lattice filter中每一個stage有4個resonator，包括2個串聯和2個并聯，基本模型如下圖。
Ladder type可以用在單端(single-ended/unbalanced)和差分(balanced)信號上，而lattice type更適合用在差分(balanced)信號上。
BAW filter常用的壓電材料
石英(quartz)作為常見的壓電材料，在高電壓和高壓力的情況下表現出線性反應，但還沒有合適的方法把石英做成薄膜deposit在Si襯底上。合適的BAW壓電材料需要high electromechanical coupling coefficient，low electromechanical loss，high thermal stability，還要符合IC工藝技術。
目前最常用的BAW壓電材料有AlN(aluminum nitride)，PZT(lead zirconate titanate)，ZnO(zinc oxide)。
關于波(wave)
物理上，波主要分為兩種，一種是電磁波(electromagnetic wave)，這種波不需要任何媒介，而是通過由最初的帶電粒子產生的電場和磁場的周期性震蕩來傳播，所以在真空中也可以傳播。無線電波(radio wave)，微波(microwave)，可見光，X射線，伽馬射線都屬于電磁波。
還有一種是機械波(mechanical wave)，通過媒介(固體，液體或氣體)傳播，而且媒介的物質會變形。比如聲波在空氣中傳播時，空氣分子會跟周圍的分子互相碰撞著進行不斷的傳播。
機械波有兩種基本的wave motion; longitudinal(compressive) wave(縱波)和transverse wave(橫波)。
Longitudinal(compressive) wave(縱波)
在縱波中，粒子的運動方向和波的傳播方向是平行的，不過每個粒子不會沿著波的方向移動，只是在各自的平衡狀態上前后震動，如下圖。
Transverse wave(橫波)
在橫波中，粒子的運動方向和波的傳播方向相互垂直。粒子也不會沿著波的傳播方向移動，只是在各自的平衡狀態下上下震動，如下圖。
之前提到的BAW- SMR和FBAR filter圖中，聲波都以縱波(longitudinal)形式傳播，即粒子震動方向和波的傳播方向是平行的。也有不同結構，聲波以橫波(transverse)形式傳播。
而對于SAW，也叫Rayleighsurface wave，既有縱波也有橫波。固體中粒子以橢圓軌跡震動，橢圓的長軸垂直于固體表面，隨著固體深度越深，粒子運動幅度越小。
相比SAW filter, 聲波在BAW filter物體內傳播(縱波或橫波)。BAW filter結構有BAW - SMR，FBAR(membrane type和airgap type)。
BAW filter更適合于2.5GHz以上的頻率，BAW filter的制造工藝也非常符合現有的IC制造工藝，適合和其他的active電路做整體的integration。
無需石英：行業首創的無晶體無線MCU
TI這次發布的新產品中包括業內首創的無晶體無線微處理器（MCU），它在封裝內集成了一個TI BAW諧振器。設計工程師可利用此MCU完成更簡單、更小巧的設計，同時還能提升性能、降低成本。由于設計人員無需篩選、校準和組裝外部石英晶體，從而加快了產品上市的時間。
TI互連微控制器事業部的副總裁Ray Upton表示：“通過運用并分析大量的數據做出準確、明智的決策是一項非常重要的創新能力。無線網絡是這種數據遷移的核心，通過連接設備連接最后一英里的能力是數據循環的關鍵部分！
到2022年，物聯網應用的支出預計將從2018年的1510億美元左右提升至1.2萬億美元。[i]這一大幅增長表明，物聯網應用正在深入滲透各個領域？萍脊、媒體和電信企業90%的高管表示，物聯網是他們業務戰略的核心。
Ray Upton說：“物聯網應用推廣的一個主要瓶頸是集成度不高，而無晶體無線技術可為物聯網應用帶來巨大的優勢！
TI新推出的搭載 BAW技術的最新款SimpleLink?多重標準MCU可集成到低功率無線射頻設備中，例如低功耗無晶體藍牙和Zigbee®技術，從而減少由外部晶體引起的無線射頻故障。
消除時鐘噪音：基于TI BAW技術的網絡同步器減少數字噪聲
TI發布的另一款產品是基于BAW技術的網絡同步器，與石英晶體一同使用，可減少數字噪聲或抖動。這些噪聲和抖動通常來自數據中心核心網絡中有線或無線硬件基礎設施的通信子系統的輸入信號。消除噪音將為5G網絡等電信系統帶來諸多優勢。
TI副總裁兼高速數據與時鐘事業部總經理Kim Wong表示：“未來通信基礎設施的時鐘要求，會遠遠超出當前石英晶體諧振器的設備性能。通過將TI BAW諧振器直接集成到時鐘設備中，我們可以實現超低抖動性能和彈性，滿足在通信轉型的過程中對數據管道在抗震動與抗沖擊方面日益嚴苛的要求！
微型計時器的工作原理
TI BAW振蕩器是一種電子振蕩器電路，它利用壓電效應，通過震動的微型聲波諧振器（BAW）的機械諧振產生穩定的電子信號。這種精確的高頻信號可為電子系統提供時鐘和計時參考。
基于TI BAW技術的產品可為設計工程師提供多種優勢：
更小的尺寸。集成至芯片封裝中，電路設計師無需在電路板上安裝單獨的時鐘器件。
大多數情況下能耗更低。許多物聯網應用要求快速開啟時鐘系統。基于TI BAW技術的振蕩器的喚醒速度比石英晶體快100倍。
更小的數字噪音。TI網絡同步器芯片提供的抖動性能優于目前市場上的同類性能最佳設備。
更潔凈的時鐘。TI BAW諧振器提供超潔凈的計時參考，這對每秒數百Gb的高速數據傳輸十分重要。它也能集成到無線射頻（RF）芯片上，作為單芯片無線解決方案。
核心影響
隨著5G網絡和下一代通信技術的出現，從商業到醫療保健、農業和教育的眾多領域都將受其影響。
一旦在通信基礎設施到位可以支持大量數據的傳輸，企業和政府就會希望提供無線覆蓋，以便在最后一英里的點對點連接，從倉庫中相互通信的對象到通信智能手機、恒溫器、心率監測器和許多其他設備之間。
Ray Upton說：“通過改變系統的設計方法，我們的TI BAW諧振器技術將為下一代的工業和通信應用的發展鋪平道路！
編輯：ls 最后修改時間：2023-03-27
