專利名稱：具有聲學(xué)效應(yīng)材料的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有聲學(xué)效應(yīng)材料的器件以及運(yùn)行這種器件的方法。
因?yàn)橐苿?dòng)電信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)不同，而且在發(fā)送范圍內(nèi)根據(jù)所需帶寬的不同而提出越來越多的不同標(biāo)準(zhǔn)，所以人們希望有一種可以覆蓋所有這些標(biāo)準(zhǔn)或者至少這些標(biāo)準(zhǔn)的一部分的移動(dòng)電信裝置。在這種情況下，出現(xiàn)了發(fā)送頻帶和接收頻帶處于不同的頻率的問題，此外還有不同帶寬的問題。因此迫切地需要可以電子調(diào)諧的電信裝置濾波器，使之可以通過軟件把電話調(diào)節(jié)到所希望的標(biāo)準(zhǔn)。
目前還沒有解決以上問題的調(diào)諧濾波器。當(dāng)前應(yīng)對的方法是采用電信技術(shù)中得到檢驗(yàn)的表面波濾波器(OFW濾波器)并按照需要在這些濾波器之間來回切換。OFW器件以多種多樣的形式用作可無線電請求的或者自行發(fā)送傳感器、識(shí)別標(biāo)志或者濾波器。現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施形式公開于例如，DE 198 60 058 C1、EP 0 746 775 B1、EP 0 655 701 B1、EP 0 651 344 B1、EP 0 619 906 B1、US 5 691 698、US 5 841 214、US5 966 008、US 5 910 779，US 6 029 324、US 6 084 503。
OFW濾波器本身以其穩(wěn)定性而著稱從而遺憾地不能夠調(diào)諧或者只能在非常窄的限界內(nèi)調(diào)諧。在一個(gè)裝置中使用多個(gè)濾波器當(dāng)然會(huì)導(dǎo)致需要較大的位置并且提高了成本，因?yàn)獒槍γ總€(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別需要一個(gè)濾波器。所述的OFW濾波器還不能用半導(dǎo)體技術(shù)集成化，所以必須遵從混合電路方案。
為了至少繞開這種混合電路方案，人們一再提出用體波工作的FBARS(薄膜體波諧振器)，所述的FBARS可以至少部分兼容CMOS地制造。然而這里對每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也需要自身的濾波器甚至于多個(gè)濾波器。這種方法的主要問題在于，在生產(chǎn)技術(shù)上沒有掌握所要求的頻率精度，從而不能批量生產(chǎn)，也就不能降低成本。
由EP 0 834 989 A2公知一種FBAR，其彈性常數(shù)可以至少部分地改變。然而這種改變卻小得不能夠抵消制造波動(dòng)，更談不到實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波器。
因此本發(fā)明的任務(wù)是，提出一種器件，所述器件可以用作濾波器。并且其聲學(xué)常數(shù)可以在這樣的程度上進(jìn)行改變借助于各所考慮電信標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)的控制來調(diào)節(jié)該聲學(xué)常數(shù)。這里，聲學(xué)常數(shù)特別被理解為彈性常數(shù)，譬如剛性，以及密度。所述的材料常數(shù)確定音速，從而確定聲學(xué)效應(yīng)材料中的聲振動(dòng)的頻率。
所述的任務(wù)通過具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的器件和方法解決。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)在材料的相變點(diǎn)和/或相變點(diǎn)附件可以獲得大的聲學(xué)常數(shù)改變。通過改變聲學(xué)效應(yīng)材料的聲學(xué)常數(shù)可以用所希望的方式調(diào)節(jié)聲學(xué)效應(yīng)材料中傳播的聲波的頻率。這不論是對表面波還是體波都適用，從而可以選擇性地構(gòu)成器件以利用表面波和/或體波工作。如果所述器件的具有聲學(xué)效應(yīng)材料至少部分是壓電材料，那么可追溯到公知的把電磁波轉(zhuǎn)換成聲波的技術(shù)。因此尤其可以設(shè)想表面波器件上裝入叉指式換能器，或者在體波器件的聲學(xué)效應(yīng)材料的兩個(gè)相對側(cè)面上設(shè)置電極。
如果可以把聲學(xué)效應(yīng)材料的聲學(xué)常數(shù)影響得產(chǎn)生至少0.5％的速度改變，就說明接近相變點(diǎn)。這足以補(bǔ)償制造波動(dòng)。然而最好更充分應(yīng)用為最少1％、5％的速度改變，特別是10％的速度改變。
用壓電材料作聲學(xué)效應(yīng)材料時(shí)優(yōu)選地把相變點(diǎn)選在鐵電相與順電相之間的相變點(diǎn)。這里聲學(xué)效應(yīng)材料的聲學(xué)常數(shù)可以在寬的范圍內(nèi)改變，尤其是通過改變壓電耦合改變。為了能夠較大程度地充分利用壓電效應(yīng)把電磁波耦合進(jìn)聲學(xué)效應(yīng)材料中的聲波，此時(shí)，最好應(yīng)當(dāng)在相變點(diǎn)的鐵電相一側(cè)工作。
如果聲學(xué)效應(yīng)材料的一個(gè)空間上確定的部分處在第一相，而另一個(gè)空間上確定的部分在第二相，就可以避免直接在相變點(diǎn)按照Kramers-Kronig關(guān)系出現(xiàn)的衰減。
優(yōu)選地，所述器件含有改變聲學(xué)效應(yīng)材料的聲學(xué)常數(shù)的裝置和/或含有這種裝置的連接端口。所述的裝置例如可以具有尤其是在聲學(xué)效應(yīng)材料上施加電壓的元件，借助于所述電壓可以改變材料的聲學(xué)常數(shù)。施加電壓的元件例如可以用安排在所述器件上尤其是安排在聲學(xué)效應(yīng)材料上的電極的形式構(gòu)成。對于交流電壓也可以采用感應(yīng)性工作元件。
改變聲學(xué)常數(shù)的裝置也可以具有調(diào)節(jié)溫度，尤其調(diào)節(jié)聲學(xué)效應(yīng)材料溫度的元件，借助于所述溫度可以改變材料的聲學(xué)常數(shù)。改變溫度的元件可以以加熱和/或冷卻裝置的形式構(gòu)成。尤其可以考慮珀耳貼元件。
改變聲學(xué)常數(shù)的裝置也可以具有調(diào)節(jié)其它熱力學(xué)量，例如壓力，尤其調(diào)節(jié)聲學(xué)效應(yīng)材料中的壓力的元件，借助于所述壓力就可以改變材料的聲學(xué)常數(shù)。
所述的器件優(yōu)選地實(shí)施為表面波器件、體波器件或者靜電耦合的薄膜振子，尤其是在其聲學(xué)效應(yīng)材料方面確定尺寸使之可以用作為所希望的頻率范圍內(nèi)的濾波器。
在根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)行具有聲學(xué)效應(yīng)材料的器件的方法中，改變所述聲學(xué)效應(yīng)材料的聲學(xué)常數(shù)，其中聲學(xué)效應(yīng)材料至少部分地處在相變點(diǎn)和/或在相變點(diǎn)附近。
在所述方法中有利地采用上述類型的器件，和本發(fā)明的其它重要特征和優(yōu)點(diǎn)由參照附圖對一個(gè)實(shí)施例的說明給出。附圖中

圖1是具有聲學(xué)效應(yīng)材料的器件，和圖2是控制所述器件的電路。
圖1示出具有聲學(xué)效應(yīng)材料2的器件1。所述的具有聲學(xué)效應(yīng)器件由壓電物質(zhì)例如LiNbO3、LiTaO3、Bi12GeO20、Li2B4O7、AlPO4、GaAs、ZnO和/或石英構(gòu)成。
聲學(xué)效應(yīng)材料至少部分地處在相變點(diǎn)和/或在相變點(diǎn)附近。所述的相變點(diǎn)尤其是鐵電材料的居里點(diǎn)。眾所周知，在居里點(diǎn)附近介電常數(shù)ε隨著溫度發(fā)生強(qiáng)烈變化，另外也隨著所加的電場發(fā)生強(qiáng)烈變化。這種變化通過壓電耦合改變材料的剛性cc=c0+d2ϵ.]]>式中c0代表沒有壓電效應(yīng)時(shí)的吸音材料的剛性，而d代表聲學(xué)效應(yīng)材料的壓電常數(shù)。介電常數(shù)ε、剛性c、c0和壓電常數(shù)d一般為張量。
如果ε的值很大，譬如在居里點(diǎn)就是這樣的情況，從而通過壓電效應(yīng)使聲學(xué)效應(yīng)材料得到的壓電剛性化(piezoelectric stiffening)式中可以去掉d2/ε，
從而得到近于不存在壓電效應(yīng)的剛性。反之，如果ε下降，就會(huì)出現(xiàn)加強(qiáng)的剛性。這里聲學(xué)效應(yīng)材料在其總體涉及的體積內(nèi)自行改變。
聲學(xué)常數(shù)的這種改變性有很大的不穩(wěn)定性，尤其是與溫度相關(guān)。另一種不穩(wěn)定性來自于制造，也可來自于可能發(fā)生的老化。為了控制所有的這些不穩(wěn)定性，需要可以據(jù)以進(jìn)行調(diào)節(jié)的固定基準(zhǔn)。在這種情況下，不穩(wěn)定性的時(shí)間常數(shù)非常不同。制造確定的不穩(wěn)定性與時(shí)間無關(guān)，因此可以通過施加電壓的U的校正值U制造加以補(bǔ)償，該校正值存儲(chǔ)于固定的存儲(chǔ)器中。補(bǔ)償老化穩(wěn)定性的校正值U老化卻需要不時(shí)地設(shè)定為最新狀態(tài)。這種老化效應(yīng)中當(dāng)然地還包括所有電子線路自身出現(xiàn)的效應(yīng)。相反地，補(bǔ)償溫度的校正值U溫度卻需要不斷地更新，因?yàn)椴粌H緩慢改變的環(huán)境溫度起作用，而且溫度本身可也在運(yùn)行中改變(自身發(fā)熱)。
除了校正電壓外，如果是可連續(xù)調(diào)節(jié)的濾波器最后還要能夠自行連續(xù)調(diào)節(jié)頻率，以能夠調(diào)節(jié)相應(yīng)的頻帶及設(shè)定頻率f設(shè)定。為此，施加電壓U設(shè)定。
總之在兩個(gè)在聲學(xué)效應(yīng)材料2上平面布置的電極3、4上疊加有上述所有電壓UFBAR＝U設(shè)定+U老化+U制造+U溫度+U復(fù)位。
由實(shí)施為FBAR的器件1產(chǎn)生的頻率f實(shí)際與固定基準(zhǔn)頻率f基準(zhǔn)相關(guān)。其中不斷地跟蹤調(diào)節(jié)UFBAR直至f實(shí)際-f基準(zhǔn)為所希望的值f設(shè)定-f基準(zhǔn)。這里還補(bǔ)償上以上沒有專門說明的所有可能的其它效應(yīng)。
此外在聲學(xué)效應(yīng)材料2上還安排有珀耳貼元件5，用所述的珀耳貼元件5通過加熱或冷卻聲學(xué)效應(yīng)材料達(dá)到溫度補(bǔ)償。這里，在較好的熱絕緣和較小的熱容(薄膜)的情況下，加熱及冷卻聲學(xué)效應(yīng)材料的時(shí)間常數(shù)較小。
除了用FBARS作體積厚度振子外，本發(fā)明的一個(gè)擴(kuò)展還在于，在壓電耦合薄膜振子中加入聲致改變層(MEMS)，如例如Clark T.-C.Nguyen“Micromachining Technologies for MiniaturizedCommunication Devices”，Proceedings of SPIE，Santa Clara，Canifonia，1998，第24-38頁所述。其中改變振動(dòng)薄膜的剛性從而同樣得到頻率調(diào)諧。這種諧振器的最好在中間頻率范圍使用，與放在前端區(qū)的厚度振子不同。利用這個(gè)擴(kuò)展不僅能夠使前端濾波器，還能夠使中間頻率濾波器可以采用半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行集成，連同與之相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。前端濾波器和中間頻率濾波器甚至制造在帶有部分共用的控制和調(diào)節(jié)裝置的芯片上，。
圖2是控制的舉例。其中兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的器件1、1`實(shí)施為單門諧振器(Eintorresonator)并且安排成可調(diào)諧的梯形濾波器。經(jīng)輸入端6向可調(diào)諧的梯形濾波器中輸入輸入信號(hào)，其中器件1`被串聯(lián)接入信號(hào)通道，而器件1被并聯(lián)接地。用上述的方式經(jīng)控制電壓U1、U2控制這兩個(gè)器件的聲學(xué)常數(shù)從而控制其頻率。從微控制器9經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器7、8調(diào)節(jié)控制電壓U1、U2。在可調(diào)諧梯形濾波器的輸出端12可以引出以所希望的方式濾波的有用信號(hào)。
在與信號(hào)通道串聯(lián)連接的器件1`的輸出端上設(shè)有用于測量接收場強(qiáng)的裝置10。由測量接收場強(qiáng)的裝置10所測量的接收場強(qiáng)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器11饋送到微控制器9。
器件1、1`構(gòu)成的與接收方串聯(lián)的梯形濾波器由微處理器9在其中間頻率上失諧直到測量接收場強(qiáng)的裝置10的輸出達(dá)到最大的接收場強(qiáng)。
此外并不是一定要無間隙地覆蓋當(dāng)前的移動(dòng)電信中800MHz至2.5GHz范圍的整個(gè)頻帶。覆蓋900MHz至2GHz就足夠了。這里對FBARS可以應(yīng)用諧波。在較低的頻率范圍由基波覆蓋，而較高的范圍則使用一次諧波。通過在FBARS的薄膜結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)電極構(gòu)形和相應(yīng)的控制可以達(dá)到模式選擇，也就是把所述的濾波器優(yōu)選地要么以基波運(yùn)行要么以諧波運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.具有聲學(xué)效應(yīng)材料(2)的器件，所述材料(2)的聲學(xué)常數(shù)至少可以部分地改變，其特征在于，所述聲學(xué)效應(yīng)材料至少部分地處在相變點(diǎn)和/或在相變點(diǎn)附近。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述聲學(xué)效應(yīng)器件(2)至少部分地是壓電材料。
3.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，相變點(diǎn)是鐵電相與順電相之間的相變點(diǎn)。
4.如以上權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于，聲學(xué)效應(yīng)材料(2)的一部分處于一個(gè)相，而聲學(xué)效應(yīng)材料(2)的另一部分處于另一相。
5.如以上權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于，所述器件(1)具有改變聲學(xué)效應(yīng)材料的聲學(xué)常數(shù)的裝置(3、4、5)和/或這種裝置的連接端口。
6.如至少權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，用于改變聲學(xué)常數(shù)的裝置(3、4)具有在聲學(xué)效應(yīng)材料(2)上施加電壓的元件，借助于所述電壓可以改變聲學(xué)效應(yīng)材料(2)的聲學(xué)常數(shù)。
7.如至少權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，用于改變聲學(xué)常數(shù)的裝置(5)具有調(diào)節(jié)溫度的元件，借助于所述溫度可以改變聲學(xué)效應(yīng)材料(2)的聲學(xué)常數(shù)。
8.如以上權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于，所述的器件(1)是表面波器件、體波器件或者薄膜振子。
9.如以上權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于，所述的器件(1)是濾波器。
10.運(yùn)行具有聲學(xué)效應(yīng)材料(2)的器件(1)的方法，其中-改變所述聲學(xué)效應(yīng)材料(2)的聲學(xué)常數(shù)，并且-所述聲學(xué)效應(yīng)材料(2)至少部分地在相變點(diǎn)和/或在相變點(diǎn)附近運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有聲學(xué)效應(yīng)材料的器件，其聲學(xué)常數(shù)至少可以部分地被改變。所述聲學(xué)效應(yīng)材料至少部分地處于相變點(diǎn)和/或在相變點(diǎn)附近。
文檔編號(hào)G06K19/16GK1466813SQ01816270
公開日2004年1月7日 申請日期2001年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月25日
發(fā)明者T·奧斯特塔格, C·科爾登, W·瑞勒, T 奧斯特塔格 申請人:西門子公司