專利名稱：寬帶聲耦合薄膜baw濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的寬帶聲耦合薄膜體聲波(BAW)濾波器。
背景技術(shù)：
在無(wú)線電領(lǐng)域如移動(dòng)電話、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星定位等中廣泛使用基于微聲學(xué)和薄膜技術(shù)的射頻(RF)元器件，例如諧振器和濾波器。它們相比于對(duì)應(yīng)的集總元件的優(yōu)點(diǎn)包括小的尺寸和可大規(guī)模生產(chǎn)的能力。用于射頻器件的兩種基本的微聲技術(shù)是表面聲波(SAW)技術(shù)和體聲波(BAW)技術(shù)。在這一部分中將簡(jiǎn)單地介紹現(xiàn)有的濾波器技術(shù)以便提供本發(fā)明的背景。表面聲波器件在圖1a中示出了 SAW器件的示意圖。在壓電基板I上布圖形成了叉指換能器(IDT) 2,3 (薄膜金屬條的梳齒樣結(jié)構(gòu))。壓電基板例如為石英、LiNbO3 *LiTa03。IDT用來(lái)通過(guò)壓電效應(yīng)將輸入電信號(hào)Vin轉(zhuǎn)換成聲波，同時(shí)在輸出端口拾取聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換回電形式。SAW器件的操作頻率取決于聲波的速度以及IDT電極的尺寸:f C (γ /2p)其中，f為頻率，P為IDT的周期(見(jiàn)圖lb)，而V為表面波的速度。因此，如果速度保持為常量，則更高的操作頻率要求更小的P。

SAW換能器典型地為周期性的，然而該周期可能比圖1所示的更加復(fù)雜。體聲波器件在BAW器件中，采用壓電晶片或薄膜內(nèi)的聲振動(dòng)來(lái)處理輸入電信號(hào)。器件中的用于薄膜的壓電材料通常屬于6mm對(duì)稱群,例如ZnO、AlN和(MS。也可以米用其它的壓電材料，例如石英、LiNbO3或LiTaO3等。在圖2a中顯示了直接式安裝的BAW諧振器(SMR)的示意性截面，在圖2b中顯示了自支撐式(膜型)諧振器的示意性截面。在SMR中，由交替的高的和低的聲阻抗(Z)材料層構(gòu)成的聲布喇格反射器用來(lái)將壓電薄膜中的振動(dòng)與基板隔離開(kāi)，并且阻止聲泄漏。在膜器件中，通過(guò)在自支撐式膜上制造諧振器而實(shí)現(xiàn)了相同的功能。BAW諧振器的面積通常由用于使器件與系統(tǒng)阻抗相匹配所需的靜態(tài)電容來(lái)決定。濾波器可由諧振器通過(guò)將諧振器電連接來(lái)構(gòu)造。一個(gè)通用的例子是梯型濾波器，其中諧振器以T型部分或π型部分相連(圖3)。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)諧振頻率，就可以實(shí)現(xiàn)通帶響應(yīng)。增加上述部分的數(shù)量有助于加寬通帶。帶外信號(hào)抑制由諧振器結(jié)構(gòu)的電容來(lái)決定，并且通常處于 25dB的數(shù)量級(jí)。帶內(nèi)損耗主要由諧振器的Q值所決定。振動(dòng)模式和散布類型在聲諧振器的壓電層中，當(dāng)以激勵(lì)頻率f掃描時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的體聲振動(dòng)模式。在BAW器件中，體波的傳播方向通常是沿著厚度軸(z軸)。粒子的位移或是垂直于傳播方向(剪切波)，或是平行于傳播方向(縱波)。體模式的特征在于可匹配到諧振器結(jié)構(gòu)(壓電層和電極)的厚度中的體波長(zhǎng)λ z的半波長(zhǎng)的數(shù)量。另外，體模式可沿橫向(垂直于z軸)傳播，作為具有橫向波長(zhǎng)X11的板波。這在圖4a中針對(duì)兩種體模式(縱波和剪切波)而示出。在有限大小的諧振器中，從諧振器邊緣反射的板波可導(dǎo)致橫向駐波，并因而導(dǎo)致橫向諧振模式。BAW諧振器的聲學(xué)特性可通過(guò)散布曲線來(lái)描述，其中振動(dòng)的橫向波數(shù)kN表示為頻率的函數(shù)。圖4b顯示了 BAW諧振器中的散布特性的例子。帶有電極的(有源)區(qū)域的散布曲線由實(shí)線繪出，而無(wú)電極的(外部)區(qū)域的散布曲線由虛線繪出。在圖中示出了其中壓電層的厚度包括體振動(dòng)的波長(zhǎng)的大約一半的一階縱向(厚度伸縮，TEl)振動(dòng)模式，以及其中體振動(dòng)與厚度方向垂直并且在壓電層厚度中包括一個(gè)聲波長(zhǎng)的二階厚度切變(TS2)模式。其中TEl模式具有隨頻率增大而增大的ku的這種類型的散布稱作類型I。類型I的材料包括例如ZnO。氮化鋁為固有的類型2 (在圖4b中，TEl模式為下方的散布曲線，TE2模式為上方的散布曲線)，然而如果具有適當(dāng)設(shè)計(jì)的聲布喇格反射器，則諧振器結(jié)構(gòu)的散布曲線可裁剪為類型I。在圖4b中，正值的kN表示真實(shí)的波數(shù)(傳播波)，負(fù)值則對(duì)應(yīng)于假想的波數(shù)(隱失波)。為了產(chǎn)生諧振，聲能量必須被捕獲在諧振器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。在厚度方向上，與基板的隔絕(反射器或氣隙)確保能量的捕獲。在橫向方向上，在諧振器區(qū)域之外需要隱失波來(lái)捕獲能量。能量捕獲可以在頻率L和&2之間發(fā)生。在圖4b中以陰影顯示了針對(duì)TEl模式的會(huì)發(fā)生能量捕獲的頻率范圍，即f；2-fa。在類型I散布中，能量捕獲更容易實(shí)現(xiàn)。因此，當(dāng)使用AlN作為壓電材料時(shí)，反射器通常設(shè)計(jì)使得其將散布轉(zhuǎn)換為類型I。這在一定程度上限制了聲反射器的設(shè)計(jì)。由于橫向波數(shù)Iil +在散布曲線上增加(橫向波長(zhǎng)增加)，因此在諧振器結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了橫向駐波諧振(板模式)。為了產(chǎn)生板模式，諧振器的寬度W必須等于板模式的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍:W=N ( λ m/2)，對(duì)于模式m，其具有波數(shù)km=2 JI / λ m。
BAff器件中的聲耦合可以通過(guò)電連接單端口的諧振器來(lái)制作濾波器，以形成梯型或格型濾波器。另一種可能性是在諧振器之間設(shè)置機(jī)械(聲)耦合，這是通過(guò)將它們布置得彼此足夠緊密以使聲波從一個(gè)諧振器耦合到另一諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種器件稱作耦合諧振濾波器(CRF)。在BAW器件中，在堆疊式晶體濾波器(SCF，見(jiàn)圖5a)以及垂直耦合的CRF (圖5b)中使用了堆疊壓電層之間的垂直聲耦合。在SCF中，兩個(gè)壓電層由中間電極分隔開(kāi)。在垂直耦合的CRF中，耦合層用來(lái)修改壓電層之間的耦合強(qiáng)度。CRF能夠使用SMR或氣隙技術(shù)來(lái)制造。薄膜垂直耦合的CRF已經(jīng)顯示出能給出相對(duì)寬帶的頻率響應(yīng)(中心頻率1850MHz下為 80MHz,或中心頻率的 4.3%,圖 8a 摘自 G.G.Fattinger, J.Kaitila, R.Aigner andW.Nessler, “Single-to-balanced Filters for Mobile Phones using coupled ResonatorBAff Technology”，Proc.1EEE Ultrasonics Symposium, 2004，pp.416-419),其具備不平衡-平衡(巴倫)轉(zhuǎn)換的性能。垂直耦合的CRF的劣勢(shì)在于需要大量的層以及針對(duì)壓電層厚度的敏感度。這使得制造工藝?yán)щy，并且因而昂貴。BAff中的橫向聲耦合(LBAW)可以通過(guò)兩個(gè)或更多在薄層結(jié)構(gòu)4上的壓電層I (圖6)上布置的狹窄電極以使得聲振動(dòng)可以沿橫向從一個(gè)電極耦合到另一電極來(lái)實(shí)現(xiàn)。端口
1、5處的輸入電信號(hào)通過(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。該振動(dòng)機(jī)械地耦合而跨過(guò)間隙到端口
2、6，并且產(chǎn)生了輸出電信號(hào)。此例子中的電極為叉指狀的(梳齒樣)。耦合強(qiáng)度由結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性以及電極之間的間隙決定。帶通頻率響應(yīng)由在LBAW結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的兩個(gè)橫向駐波諧振模式形成，如圖7中針對(duì)雙電極結(jié)構(gòu)所示。在偶模式諧振中，兩個(gè)電極同相地振動(dòng)，而在奇模式諧振中，它們的相位相反。對(duì)于類型I諧振器來(lái)說(shuō)，具有更長(zhǎng)波長(zhǎng)的偶模式在頻率上小于更短波長(zhǎng)的奇模式。兩種模式之間的頻率差決定了能夠達(dá)到的濾波器的帶寬，并且取決于結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性質(zhì)和電極尺寸。垂直CRF的缺點(diǎn)在于它們的制造困難且成本昂貴，即，它們需要若干層，并且對(duì)壓電薄膜的厚度很敏感。因此，LBAW具有優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)槠渚哂泻?jiǎn)單的制造工藝，且操作頻率主要由壓電層的厚度決定(雖然也更小程度上由電極的幾何形狀決定)。然而迄今為止，所得到的帶寬太窄了，即，中心頻率的2%-3%。LBAff濾波器的一個(gè)問(wèn)題是通帶的平緩斜邊，這限制了元器件的應(yīng)用領(lǐng)域。如果能使斜邊陡峭，則LBAW濾波器的競(jìng)爭(zhēng)性能可顯著提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種基于薄膜技術(shù)和壓電薄膜的寬帶聲稱合體聲波(BAff)濾波器。本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)方面在于，濾波器可在GHz的頻率范圍內(nèi)操作。更具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的濾波器的特征如權(quán)利要求1的特征部分所述。通過(guò)本發(fā)明獲得了顯著的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例所獲得的優(yōu)點(diǎn)的例子如下所述?？梢詫?shí)現(xiàn)GHz頻率下的寬的頻帶寬度。至少在一些實(shí)施例中，頻帶寬度優(yōu)于已知的聲波兀器件。本發(fā)明還包括能夠在高頻率、如1-5GHZ下操作濾波器的實(shí)施例。由于頻率主要由膜厚度來(lái)決定，因此這意味著光刻不再必須是一個(gè)主要的限制因素，如同對(duì)于SAW元器件一樣。通過(guò)至少一些實(shí)施例所實(shí)現(xiàn)的其它優(yōu)點(diǎn)有，相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)性的耦合諧振BAW技術(shù)而言的相對(duì)簡(jiǎn)單的制造工藝，例如建立僅有一個(gè)壓電層的BAW工藝，與例如SAW和梯型BAW元器件相比更小的元器件尺寸，以及與例如梯型BAW元器件相比較高的帶外抑制。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的另一目的是提供一種涉及到使LBAW濾波器的阻帶衰減陡峭化的技術(shù)方案。另外，一些實(shí)施例提供了一種技術(shù)方案，其允許遠(yuǎn)離通帶的陡峭阻帶，并且與已知的技術(shù)方案相比占據(jù)更少的空間。這至少部分地因在這里提供的更簡(jiǎn)單的構(gòu)造而成為可能。額外地還提供了一種技術(shù)方案，其允許巴倫操作和從一個(gè)端口到另一端口的阻抗的變化。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，公開(kāi)了一種具有寬的(例如相對(duì)于中心頻率為5%)通帶的帶通濾波器，其采用壓電體聲波(BAW)諧振器之間的橫向聲耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。該器件優(yōu)選設(shè)計(jì)成使得采用一種體波模式(如一階縱向厚度模式)來(lái)產(chǎn)生通帶。通過(guò)正確地設(shè)計(jì)聲學(xué)和電學(xué)特性，可以在GHz頻率、例如l-5GHz下獲得與目前已知的聲濾波元器件、即表面聲波(SAW)或體聲波(BAW)器件相當(dāng)?shù)幕虮绕涓鼘挼膸?。這些實(shí)施例中的一些優(yōu)點(diǎn)通過(guò)與濾波器串聯(lián)式地或并聯(lián)式地增設(shè)一個(gè)或多個(gè)聲諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，通過(guò)使用諧振器的操作頻率，可以在濾波器的頻率響應(yīng)中產(chǎn)生深坑，這增大了通帶邊緣的陡峭度和通帶附近的阻帶衰減。還存在一些上述可行性會(huì)帶來(lái)益處的應(yīng)用。在通帶之上和/或之下增設(shè)零點(diǎn)使通帶的邊緣陡峭化，并且改善了阻帶衰減。通過(guò)并聯(lián)諧振器中的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振器中的串聯(lián)諧振，可以減少通帶衰減或增大帶寬。這樣，優(yōu)選的是將頻率選擇為使得并聯(lián)諧振器產(chǎn)生通帶之下的零點(diǎn)，并且串聯(lián)諧振器產(chǎn)生通帶之上的零點(diǎn)。LBAW諧振器中的阻帶衰減隨著遠(yuǎn)離通帶而增大，而例如在梯型濾波器中，阻帶衰減則下降，或保持在由諧振器的電容所決定的水平。此外，LBAW濾波器可實(shí)現(xiàn)濾波器內(nèi)的巴倫功能性而不需要單獨(dú)的元器件。此處可以實(shí)現(xiàn)具有陡峭的通帶和簡(jiǎn)單的制造工藝的巴倫濾波器。諧振器也可用作LBAW濾波器的匹配元件。與具有陡峭通帶的純梯型諧振器相比，本發(fā)明的實(shí)施例的不同點(diǎn)在于聲耦合的類型和濾波器的構(gòu)造。LBAW+諧振器可占據(jù)更小的空間，這是因?yàn)樗璧闹C振器更少，并且遠(yuǎn)離通帶的阻帶衰減更佳。


在下文中將通過(guò)示例并參考附圖來(lái)描述本發(fā)明。圖1a為SAW器件的不意圖，圖1b為SAW叉指換能器的不意圖。圖2a顯示了直接式安裝的BAW諧振器，圖2b顯示了氣隙式BAW諧振器。圖3顯示了諧振器的電連接的示意圖，其中圖3(a)為T(mén)型部分，圖3(b)為π型部分，圖3 (c)為5極/ 2部分的梯型濾波器。在諧振器之間無(wú)聲連接。圖4a顯示了兩種體模式(縱向模式和剪切模式)的體模式傳播，圖4b顯示了 BAW諧振器的散布曲線的示意圖。圖5a是堆疊晶體濾波器的示意圖，圖5b是垂直SMR型BAW CRF的示意圖。圖6是雙電極SMR LBAff結(jié)構(gòu)的示意圖。圖7a是雙電極LBAW的操作原理的示意圖。圖7b是雙板模式(奇和偶)產(chǎn)生了雙極濾波響應(yīng)。圖8a顯示了垂直耦合的CRF的電響應(yīng)的例子。在該例子中，最小的插入損耗為ldB，并且3dB帶寬為 80MHz (1850MHz中心頻率的4.3%)。圖9顯示了由申請(qǐng)人設(shè)計(jì)和制造的31電極的LBAW的顯微圖像。電極寬度W=2 μ m,間隙寬度G=2 μ m,電極長(zhǎng)度L=200 μ m。圖10顯示了針對(duì)該示例性濾波器的電極區(qū)域所計(jì)算的散布曲線。TEl截止頻率為 1850MHz。TS2k=0 頻率為 1780MHz。圖11顯示了針對(duì)該示例性濾波器堆疊的外部區(qū)域所計(jì)算的散布曲線。TEl截止頻率為 1935MHz。TS2k=0 頻率為 1808MHz。圖12顯示了由申請(qǐng)人設(shè)計(jì)和制造的31電極的LBAW濾波器的測(cè)量電頻率響應(yīng)。采用了匹配于在兩個(gè)端口處的并聯(lián)有5nH的120Ω的后測(cè)量(使用軟件)。中心頻率為1988MHz，最小插入損耗為2.ldB，相對(duì)的3dB帶寬為97MHz (中心頻率的4.9%)。
圖13以示意圖和電路圖顯示了諧振器與LBAW濾波器的連接。圖14顯示了針對(duì)諧振器的模擬頻率響應(yīng)。圖15顯示了針對(duì)雙指式LBAW濾波器的模擬頻率響應(yīng)(黑色)、輸入端中的并聯(lián)諧振器的模擬頻率響應(yīng)(深灰色)，以及輸出端中的并聯(lián)和串聯(lián)諧振器的模擬頻率響應(yīng)(淺灰色)。圖16顯示了針對(duì)雙指式LBAW濾波器的模擬頻率響應(yīng)(黑色)、輸出端中的并聯(lián)諧振器的模擬頻率響應(yīng)(深灰色)，以及輸出端中的并聯(lián)和串聯(lián)諧振器的模擬頻率響應(yīng)(淺灰色)。圖17顯示了針對(duì)雙指式LBAW濾波器的模擬頻率響應(yīng)(黑色)、輸入端中的并聯(lián)和串聯(lián)諧振器以及輸出端中的并聯(lián)諧振器的模擬頻率響應(yīng)(深灰色)，以及輸入端和輸出端中的并聯(lián)和串聯(lián)諧振器的模擬頻率響應(yīng)(淺灰色)。圖18顯示了針對(duì)九指式LBAW濾波器的模擬頻率響應(yīng)。圖19顯示了針對(duì)九 指式LBAW濾波器的模擬頻率響應(yīng)，該濾波器具有輸入端中的串聯(lián)和并聯(lián)諧振器(深灰色)以及輸出端中的串聯(lián)和并聯(lián)諧振器(淺灰色)。圖20顯示了針對(duì)九指式LBAW濾波器的模擬頻率響應(yīng)，其阻帶衰減隨著頻率遠(yuǎn)離通帶而得到改善。
具體實(shí)施例方式此處描述的濾波器基于圖6所示的SMR LBAW結(jié)構(gòu)。在此例子中，電極為叉指狀(梳齒樣)，但是其它的幾何形狀如圓形同樣是可行的。根據(jù)示例性實(shí)施例的LBAW濾波器設(shè)計(jì)成在一階厚度伸縮的TEl模式下工作。這是因?yàn)樵S多壓電薄膜材料具有在厚度方向上更強(qiáng)的電機(jī)械耦合，這意味著縱向振動(dòng)有效地耦合到在壓電層的厚度上的電激勵(lì)。基于如下所述的示例性濾波器，用于產(chǎn)生寬帶響應(yīng)的示例性結(jié)構(gòu)的特征在于:BAW結(jié)構(gòu)，其包括聲布喇格反射器4、電極和壓電層。雖然在該示例中所使用的壓電材料為A1N，然而也可使用其它6_對(duì)稱群壓電材料，例如ZnO。此外，也可以使用其它壓電材料的薄膜形式，例如已知的SAW材料，如LiNb03、LiTa03。BAW結(jié)構(gòu)的特征還在于其具有類型I散布。濾波器結(jié)構(gòu)具有帶兩個(gè)端口的叉指型電極結(jié)構(gòu)，在該例中可使用金屬，然而也可以使用其它導(dǎo)電性材料，在薄膜壓電層上沉積了電極5和6。電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成使得電極交替地與端口 I (輸入端)2和端口 2 (輸出端)3相連。在一個(gè)實(shí)施例中，電極5和6的數(shù)量總共為31個(gè)。它們的寬度為3 μ m,電極之間的間隙為2 μ m,電極的長(zhǎng)度為200 μ m。為清楚起見(jiàn)，層堆疊的具有頂部金屬的不同區(qū)域?qū)⒎Q為電極區(qū)域。不具有頂部金屬且處于電極之外的區(qū)域?qū)⒎Q為外部區(qū)域。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，薄膜層堆疊如下地設(shè)計(jì)。由頂部電極的厚度和材料密度所決定的頂部電極的質(zhì)量負(fù)載使得電極區(qū)域的TEl模式的kN=0頻率和外部區(qū)域的TS2模式的kN=0頻率之間的頻率差很小。更具體地說(shuō)，其使得外部區(qū)域的TS2模式的Icl ,=0頻率是電極區(qū)域的TEl截止頻率的95%-99%。在該示例中，外部區(qū)域的TS2模式的kN=0頻率為97.3%。
外部區(qū)域的TS2模式的Iil |=0頻率和外部區(qū)域的TEl模式的Iil ,=0頻率之間的頻率差設(shè)計(jì)成較大，例如為電極區(qū)域的TEl模式截止頻率的5%-15%。在本示例中，頻率差設(shè)計(jì)為
6.7%。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，TS2和TEl之外的頻率距離大于或者等于98%，更具體地在98%和99.5%之間，尤其更具體是如圖4b所示地為98.9%。類似地，該頻率距離表達(dá)為T(mén)El和TS2的k=0頻率之間的頻率差:(電極TEl-外部TS2)/外部TS2應(yīng)當(dāng)較小，例如處于1%的數(shù)量級(jí)。作為一個(gè)示例，所述頻率距離優(yōu)選在0.2%到2.1 %之間,尤其是在0.5%到1.8%之間，更好地在0.8%到1.5%之間，尤其更好地如圖4b所示地為1.1%。必須適當(dāng)設(shè)計(jì)的另一特征是電極拓?fù)洹ｋ姌O拓?fù)鋺?yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成使得間隙寬度G可保證偶模式下的良好耦合。例如，至少對(duì)于最普遍的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在所需的偶諧振模式下的間隙中，間隙寬度應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為隱失聲波的衰減長(zhǎng)度(即在該長(zhǎng)度處振幅A=Ac^lA5,其中Atl為原始振幅)的 20%-120%，優(yōu)選為 25%-110%。雖然在本示例中采用了 SMR型結(jié)構(gòu)，然而本發(fā)明并不限于這種類型的結(jié)構(gòu)。也可以使用其它類型的結(jié)構(gòu)，例如氣隙型結(jié)構(gòu)，只要聲學(xué)特性被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)即可。此外可使用TEl以外的其它體振動(dòng)模式。然而，驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)與所用的體聲模式的壓電耦合應(yīng)當(dāng)優(yōu)選為足夠強(qiáng)，使得能夠得到低的損耗。備選地，間隙寬度G可確定為相對(duì)于壓電層厚度d均一化。例如，G可設(shè)計(jì)成d的25%-200%。在本示例中，G設(shè)計(jì)成d的102%。電極寬度W設(shè)計(jì)成使得多個(gè)半波長(zhǎng)不能匹配于電極寬度內(nèi)。例如，W設(shè)計(jì)成小于所需的奇諧振模式下的橫向聲波的波長(zhǎng)λ-。電極的數(shù)量N 、電極寬度W和間隙寬度G設(shè)計(jì)成使得可以實(shí)現(xiàn)偶模式諧振頻率下的橫向聲波的所需波長(zhǎng)。也就是說(shuō)，N*W+N*G=X_n/2，其中λ _n是偶模式諧振頻率下的橫向聲波的波長(zhǎng)。對(duì)于本示例而言，N=31，W=3，并且G=2。此外，結(jié)構(gòu)的總寬度N*W+N*G使得捕獲在結(jié)構(gòu)中的最高階模式為所需的奇模式諧振。電極寬度W設(shè)計(jì)成使得能夠得到在所需的奇模式諧振頻率下的橫向聲波的波長(zhǎng)λ odd。例如，W 等于 λ odd 的 25%-50%。下表1-3限定了根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例的用于薄膜層的可接受的厚度范圍。首先在操作頻率f下相對(duì)于壓電材料中的聲波長(zhǎng)(λ)而確定壓電層厚度d (最小值和最大值)。然后，相對(duì)于壓電層厚度來(lái)限定頂部電極(tope)、底部電極(bote)和最上方反射層(Ml)的厚度(最小值和最大值)。tope、bote和Ml在圖6a中大致示意性地標(biāo)出。最上方反射層Ml之下的反射層設(shè)計(jì)成使得可以得到所需的波反射性。例如，起始點(diǎn)可以是等于材料中聲波長(zhǎng)的四分之一的厚度。器件的操作取決于這些層厚度的組合。因此，這些厚度不是獨(dú)立的。不止一層可對(duì)一種聲學(xué)或散布特性起作用，并且一層也可對(duì)幾種特性起作用。表I寬范圍的層厚百分比
權(quán)利要求
1.聲耦合薄膜BAW濾波器，包括: 壓電層(1)， 位于所述壓電層(I)上的輸入端口(2),用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲波,和 位于所述壓電層(I)上的輸出端口(3)，用于將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)， 其特征在于， 端口(2，3)包括定位成能實(shí)現(xiàn)聲耦合的電極(5，6)， 所述濾波器能夠在一階厚度伸縮的TEl模式中操作，和 其中，頂部電極(板背)的質(zhì)量負(fù)載設(shè)置成使得電極區(qū)域的TEl模式的k=0頻率和外部區(qū)域的TS2模式的k=0頻率之間的頻率差相對(duì)較小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，外部區(qū)域的TS2模式的k=0頻率處于電極區(qū)域的TEl截止頻率的93%到99.9%之間，尤其是95%到99%之間，特別是97%到98%之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濾波器，其特征在于，外部區(qū)域的TS2模式的k=0頻率處于電極區(qū)域的TEl截止頻率的98%到99.9%之間。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，電極(5，6)定位成使得橫向上的聲振動(dòng)從一個(gè)電極到另一個(gè)電極地將電極聲f禹合。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，濾波器結(jié)構(gòu)具有帶兩個(gè)端口的叉指型電極結(jié)構(gòu)，使得電極交替地與輸入端口(2)和輸出端口(3)相連。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，電極的拓?fù)湓O(shè)置成使得間隙寬度G保證了在偶模式下的良好耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的濾波器，其特征在于，在所需的偶諧振模式下的間隙中，間隙寬度處于隱失聲波的衰減長(zhǎng)度的20%到120%之間，尤其是25%到110%之間，其中波的衰減長(zhǎng)度表達(dá)為振幅A=Ac^lA5下的長(zhǎng)度，其中A0為原始振幅。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，電極寬度W設(shè)計(jì)成使得橫向聲波的超過(guò)一個(gè)半波長(zhǎng)不能匹配于電極寬度內(nèi)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，電極寬度W小于所需的奇諧振模式下的橫向聲波的波長(zhǎng)λ ―。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，電極的數(shù)量N、電極寬度W和間隙寬度G設(shè)計(jì)成使得能夠?qū)崿F(xiàn)偶模式諧振頻率下的橫向聲波的所需波長(zhǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的濾波器，其特征在于，N*W+N*G=Xeven/2，其中λe■是偶模式諧振頻率下的橫向聲波的波長(zhǎng)，并且捕獲在結(jié)構(gòu)中的最高階模式為所需的奇模式諧振。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，電極寬度W使得得到了在所需的奇模式諧振頻率下的橫向聲波的波長(zhǎng)λ-。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的濾波器，其特征在于，W處于λ_的25%到50%之間。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，實(shí)現(xiàn)了與系統(tǒng)阻抗水平的匹配，同時(shí)通過(guò)N、W和電極長(zhǎng)度L的組合將所需的損耗水平保持在通帶內(nèi)。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，在形成為薄膜堆疊的聲布喇格結(jié)構(gòu)(4)上或在氣隙結(jié)構(gòu)上形成壓電層(I)。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，在濾波器中以并聯(lián)和/或串聯(lián)的方式增設(shè)了一個(gè)或多個(gè)諧振器。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的濾波器，其特征在于，在濾波器之前和/或之后耦合了一個(gè)或多個(gè)諧振器。
18.一種用于制造根據(jù) 上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾波器的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及聲耦合薄膜BAW濾波器，包括壓電層(1)；位于壓電層(1)上的輸入端口(2)，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲波(SAW,BAW)；以及位于壓電層(1)上的輸出端口(3)，用于將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明，端口(2,3)包括定位成彼此接近的電極(5,6)，并且所述濾波器設(shè)計(jì)成能夠在一階厚度伸縮的TE1模式中操作。
文檔編號(hào)H03H9/56GK103222191SQ201180049857
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者約翰娜·麥陶斯, 托馬斯·彭薩拉 申請(qǐng)人:芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心