專利名稱：部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適合高頻應(yīng)用的部件。
在高頻應(yīng)用中，一方面使用涉及到機(jī)殼的信號，它在專業(yè)文獻(xiàn)中大多被稱做單端的信號，并且另一方面，使用差動(dòng)信號，它在專業(yè)文獻(xiàn)中大多被稱做平衡信號。涉及到機(jī)殼的信號對機(jī)殼電位變化很靈敏。相反，主要使機(jī)殼電位保持平衡的差動(dòng)信號對機(jī)殼電位的偏移不靈敏。
在某些高頻應(yīng)用中，例如移動(dòng)通信設(shè)備的天線和第一放大器級之間，使用涉及機(jī)殼的信號，該信號接著被濾波后并變換成差動(dòng)信號。此外，更多地需要阻抗匹配。
作為高頻信號用的濾波器更多地使用具有壓電層的諧振器，該壓電層設(shè)在兩個(gè)電極之間(參閱例如1995年IEEE MTT-S Internatonal883-886頁K.M.Lakin等人的文章；1993年IEEE Trans.MicrowaveTheory Techn.，第41卷，第12期，2139-2146頁K.M.Lakin等人的文章；和1996年IEEE Int.Frequency Control Symp.，558-562頁W.W.Lau等人的文章)。如果高頻信號連到兩個(gè)電極上，則在壓電層激勵(lì)起機(jī)械振蕩。用相當(dāng)于壓電層兩倍厚度的波長形成駐波。這種諧振器阻抗的頻率選擇性可以用于信號濾波。
曾建議采用這種諧振器的不同結(jié)構(gòu)形式(參閱1995年IEEEMTT-S International 883-886頁K.M.Lakin等人的文章)。首先將諧振器只固定在一個(gè)載體的邊緣，而有源的諧振器部分設(shè)置在一個(gè)空腔上部的膜片表面。另外，曾建議用一個(gè)空氣隙使有源諧振器部分與襯底隔離，用襯底將諧振器固定在邊緣。最后，曾建議將諧振器設(shè)置在反射諧振器放大的波長的一個(gè)層序列上面。在這種情況中，諧振器以其全部寬度與底座連接。該層序列具有多個(gè)λ/4層，并且起聲反射器的作用。這個(gè)諧振器所需位置典型地有200μm×200μm。
這些諧振器都有2個(gè)電極，也即，系指在專業(yè)文獻(xiàn)中多數(shù)被看作是單端口器件的單門裝置。
刊登在1993年IEEE Trans.Microwave Theory Techn.，第41卷，第12期2139-2146頁，由K.M.Lakin等人撰寫的文章中，建議采用雙端口裝置，該裝置在襯底的兩邊均具有一個(gè)裝在處于2個(gè)電極之間的壓電層。諧振器的一個(gè)其它的雙端口裝置在襯底上有2個(gè)彼此堆疊在一起的濾波器。對此，在襯底上有一個(gè)浮動(dòng)電極、在上面還有第一壓電層、接地電極、第二個(gè)壓電層和2個(gè)并排在一起的電極。這個(gè)裝置具有很高的插入衰減，盡管堆疊的濾波器作為單端口裝置具有很高的阻帶衰減。由于在雙端口裝置中需要2個(gè)壓電層，所以與單端口裝置相比這些裝置費(fèi)用也提高。
濾波高頻信號的另一種可能就在于使用表面波濾波器，在該濾波器上，2個(gè)電極被設(shè)置在由壓電材料(石英、鋰-鈮酸鹽)構(gòu)成的襯底的表面。通過這些電極激勵(lì)在襯底表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?。表面波濾波器的通常尺寸為2×3mm2。
本發(fā)明以解決提供適合高頻應(yīng)用的部件的問題為基礎(chǔ)，并且該部件作為多端口裝置可實(shí)現(xiàn)要求表面積很小和付出的費(fèi)用很小。
這個(gè)問題可按照權(quán)利要求1所述的部件解決。本發(fā)明的其它擴(kuò)展方案由從屬權(quán)利要求解決。
該部件具有一個(gè)壓電層，該壓電層具有第一電極對和第二電極對。在此，第一電極對具有下面的第一電極和上面的第一電極。第二電極對具有下面的第二電極和上面的第二電極。在此，這上面的第一電極和上面的第二電極設(shè)置在壓電層的第一主面。下面的第一電極和下面的第二電極則設(shè)置在處于第一主面對面的壓電層的第二主面。上面的第一電極、上面的第二電極、下面的第一電極和下面的第二電極在此均結(jié)構(gòu)化，其中，上面的第一電極結(jié)構(gòu)和上面的第二電極結(jié)構(gòu)以及下面的第一電極結(jié)構(gòu)和下面的第二電極結(jié)構(gòu)均互相交錯(cuò)。也就是換句話說，上面的第一電極和上面的第二電極的結(jié)構(gòu)以及下面的第一電極和下面的第二電極結(jié)構(gòu)均并排地、優(yōu)先是交替地排列。
例如，如果高頻信號加在第一電極對，則此信號就引起壓電層的機(jī)械振蕩。機(jī)械振蕩在整個(gè)壓電層形成，也是在這些范圍內(nèi)形成，即在上面的第一電極或下面的第一電極的相鄰的結(jié)構(gòu)之間，壓電層的表面并未覆蓋有關(guān)的電極。通過所謂的反向壓電效應(yīng)，在第二電極對的下面的第二電極和上面的第二電極之間，這種機(jī)械振蕩產(chǎn)生一個(gè)高頻信號。
首先，上面的第一電極、上面的第二電極、下面的第一電極和下面的第二電極結(jié)構(gòu)在尺寸上都是如此精細(xì)，以致它們具有比機(jī)械振蕩的波長小的尺寸，這種機(jī)械振蕩在把高頻信號加到第一電極對上時(shí)，一方面在上面的第一電極和上面的第二電極之間，以及另一方面在下面的第一電極和下面的第二電極之間將形成。
按照優(yōu)選的實(shí)施方案，上面的第一電極、上面的第二電極、下面的第一電極和下面的第二電極的結(jié)構(gòu)在尺寸上都是如此精細(xì)，以致它們具有比上面的電極和下面的電極之間的間隔的兩倍還小的尺寸。這就意味著，這些尺寸比高頻信號的波長小，對此在堆疊的層中形成駐波，并且以此滿足諧振條件。
如果第一電極對的結(jié)構(gòu)比諧振波長更精細(xì)，則這種結(jié)構(gòu)將減少對機(jī)械振蕩的影響，這種機(jī)械振蕩是在將高頻信號加到第一電極對時(shí)在整個(gè)壓電層形成的。根據(jù)這種尺寸，壓電層“看”不到這種結(jié)構(gòu)。通過所謂的反向壓電效應(yīng)，這種機(jī)械振蕩在第二電極對的下面第二電極和上面第二電極之間產(chǎn)生高頻信號。
加在第一電極對的高頻信號和在第二電極對上感應(yīng)出的高頻信號電流上彼此是不耦合的。這樣，下面的第一電極和上面的第一電極以及下面的第二電極和上面的第二電極電路上可以彼此獨(dú)立連接。特別是該部件可將涉及機(jī)殼的信號變換成差動(dòng)信號。對此，第一電極對的下面的第一電極或上面的第一電極被調(diào)到機(jī)殼電位，而第一電極對的另一電極則加載高頻信號。相反，第二電極對的上面的第二電極和下面的第二電極被調(diào)到對機(jī)殼電位保持平衡。以這種方式，涉及到機(jī)殼的輸入信號被變換成在第二電極對上的差動(dòng)信號。
該部件以此可同時(shí)對輸入信號進(jìn)行濾波和轉(zhuǎn)換。此外，經(jīng)設(shè)置有上面的第一電極和下面的第一電極以及上面的第二電極和下面的第二電極的面積，可在一個(gè)系統(tǒng)中，在不同的阻抗等級之間進(jìn)行阻抗匹配。因此，根據(jù)阻抗匹配，優(yōu)選規(guī)定第一電極對和第二電極對具有與壓電層平行的不同大小的面積。這樣，在使用該部件時(shí)，不僅可實(shí)現(xiàn)濾波功能，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換和阻抗匹配。與那些已知的進(jìn)行濾波、阻抗匹配和轉(zhuǎn)換需要許多元件甚至還需要復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)的方案相比，這就意味著節(jié)省了面積和經(jīng)費(fèi)。
這些結(jié)構(gòu)的尺寸，優(yōu)選在一個(gè)維上至少是介電層厚度的2倍的1/3還小。結(jié)構(gòu)的尺寸越小，則這種結(jié)構(gòu)對形成的機(jī)械振蕩或產(chǎn)生的感應(yīng)信號的影響越小。
具有第一電極對和第二電極對的壓電層不僅可以固定在使支架框中撐開空腔的膜片的表面上，而且可通過與之相連的襯底的空氣隙隔離，而且還可在聲反射鏡層之上實(shí)現(xiàn)，該聲反射鏡層阻礙處于下面襯底上的機(jī)械振蕩的傳播。
壓電層的厚度應(yīng)如此確定尺寸，以致在壓電層和相鄰的電極中或在壓電層、相鄰的層，例如一個(gè)反射鏡層，和電極中，在部件運(yùn)行時(shí)形成波長為λ的駐波。通常壓電層的厚度為λ/2或是其整數(shù)倍。如果在壓電層和相鄰的層中形成駐波，則壓電層的厚度為λ/4或是其奇數(shù)倍。
壓電層優(yōu)先至少具有材料AIN、ZnO、PdZrTiOx(PZT)的一種或各種其它的薄膜壓電材料。在這種情況下，壓電層的厚度在1μm和3μm之間。這種部件則作為濾波器適合400MHz和4GHz之間的頻率范圍。在這種情況下，電極最小尺寸為5μm和1μm之間。
按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方案，上面第一電極、下面第一電極、上面第二電極和下面第二電極均具有一個(gè)連接片，許多分結(jié)構(gòu)毗鄰這個(gè)連接片，這些分結(jié)構(gòu)與連接片連接。在此，上面第一電極和上面第二電極以及下面第一電極和下面第二電極這樣彼此排列，以致上面第一電極的分結(jié)構(gòu)和上面第二電極的分結(jié)構(gòu)以及下面第一電極的分結(jié)構(gòu)和下面第二電極的分結(jié)構(gòu)交替地排列。
分結(jié)構(gòu)特別可構(gòu)成指形，以致每個(gè)電極都具有梳狀形式，并且上面第一電極和下面第二電極叉指式排列。
分結(jié)構(gòu)的構(gòu)成另可選擇地可以成為分支狀或樹形。在此，上面電極的分結(jié)構(gòu)不同于下面電極的分結(jié)構(gòu)，其中在上面的電極分結(jié)構(gòu)和下面的電極分結(jié)構(gòu)之間有重疊區(qū)。
在激勵(lì)機(jī)械振蕩時(shí)，為有效抑制橫向模式，優(yōu)選不同地構(gòu)成部件中分結(jié)構(gòu)尺寸和之間的間隔，其中尺寸和間隔均圍繞一個(gè)平均值變化。特別可能的是這樣變化分結(jié)構(gòu)的形式，使其外形不具有直角。
上面第一電極和上面第二電極的連接片可以被調(diào)到與下面第一電極和下面第二電極的連接片平行。另可選擇地上面電極的連接片對下面電極的連接片轉(zhuǎn)一定角度。這具有的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)電極的結(jié)構(gòu)對形成的機(jī)械振蕩的影響進(jìn)一步減弱。
此外，上面電極的結(jié)構(gòu)與下面電極的結(jié)構(gòu)可以不一樣。這種不同不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)化形式，而且關(guān)系到結(jié)構(gòu)化尺寸。
下面將根據(jù)附圖中所述的實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。附圖并非是按比例畫出的。


圖1 示出按本發(fā)明所述部件的剖面。
圖2 示出該部件在圖1中用II-II表示的剖面，圖1所示剖面用I-I表示。
圖3 示出本發(fā)明所述的部件的俯視圖。
圖4和5 示出上面第一電極結(jié)構(gòu)和上面第二電極以及所屬下面第一電極和下面第二電極的詳圖。
圖6和7 示出上面第一電極和上面第二電極以及所屬下面第一電極和下面第二電極的結(jié)構(gòu)。
圖8和9 示出上面電極或下面電極的不同結(jié)構(gòu)。
在由單晶體硅構(gòu)成的襯底11上，在由氧化硅構(gòu)成的載體結(jié)構(gòu)12上，固定由多晶硅構(gòu)成的膜片13(參閱圖1和圖2)。在此，在襯底11和膜片13之間撐開一個(gè)空腔14，其體積為200μm×200μm×1μm。膜片13的厚度為0.4μm。
排列在膜片13的表面上是由金屬如鋁構(gòu)成的下面第一電極151、和由金屬如鋁構(gòu)成的下面第二電極152。在下面第一電極151和下面第二電極152的上面安排由AIN、ZnO或PbZrTiO(PZT)材料構(gòu)成的壓電層16，厚度為2μm。在壓電層16上面安排由金屬如鋁構(gòu)成的上面第一電極171、和由金屬如鋁構(gòu)成的上面第二電極172。
下面第一電極151和下面第二電極152分別具有交替排列的指形分結(jié)構(gòu)1511、1521，這就是說下面第一電極151的指形分結(jié)構(gòu)1511和下面第二電極152的指形分結(jié)構(gòu)1521均交替排列(參見圖5)。在空腔14邊緣不僅下面第一電極151而且下面第二電極152各有連接片1512、1522，在該連接片上指形分結(jié)構(gòu)1511、1521彼此連接。下面第一電極151和下面第二電極152的連接片1512、1522安排在空腔14相對的邊上。下面第一電極151的指形分結(jié)構(gòu)1511具有間隔為3μm，并且具有寬1μm和長200μm的矩形橫截面。它們彼此平行排列。指形分結(jié)構(gòu)1511的縱向是與連接片1512的縱向垂直排列。這些尺寸相應(yīng)地適合于下面第二電極152的分結(jié)構(gòu)1521。下面第一電極151和下面第二電極152厚度為0.4μm。壓電層16至少覆蓋下面第一電極151和下面第二電極152的指形分結(jié)構(gòu)1511、1521。
上面第一電極171和上面第二電極172像下面第一電極151和下面第二電極152的構(gòu)成類似。它們均具有經(jīng)連接片1712、1722彼此連接的指形分結(jié)構(gòu)1711、1721(參閱圖3和圖4)。在空腔14上面的區(qū)域，交替地排列著上面第一電極171的指形分結(jié)構(gòu)1711和上面第二電極172的指形分結(jié)構(gòu)1721(參閱圖2和3)。上面第一電極171和上面第二電極172的連接片1712、1722都排列在空腔14彼此相對的邊緣上。上面第一電極171和上面第二電極172的連接片1712、1722都平行于下面第一電極151和下面第二電極152的連接片1512、1522延伸(參閱圖4和圖5)。
上面第一電極171和下面第一電極151構(gòu)成第一電極對，上面第二電極172和下面第二電極152構(gòu)成第二電極對。在部件運(yùn)行中用輸入信號給第一電極對加負(fù)載，該輸入信號在壓電層中激勵(lì)起機(jī)械振蕩。這個(gè)機(jī)械振蕩在第二電極對中感應(yīng)產(chǎn)生輸出信號。
如果輸入信號是一個(gè)以機(jī)殼電位作參考的信號(單端信號)，則下面第一電極151被置于機(jī)殼電位，并且上面第一電極171被置于以機(jī)殼電位作參考的信號。于是，在下面第二電極152和上面第二電極172之間，則可以取出一個(gè)差動(dòng)信號(平衡信號)，該信號對機(jī)殼電位是平衡的。
在另一個(gè)實(shí)施例中，部件設(shè)置有上面第一電極21和上面第二電極22、下面第一電極23和下面第二電極24，下面將用圖6和圖7說明其結(jié)構(gòu)和相互排列。該部件的結(jié)構(gòu)此外相當(dāng)于圖1至圖5所述的部件的結(jié)構(gòu)。上面第一電極21和上面第二電極22均具有指形分結(jié)構(gòu)211、221，它們通過連接片212、222彼此連接。下面第一電極23和下面第二電極24同樣具有指形分結(jié)構(gòu)231、241，它們均通過連接片232、242彼此連接。
上面第一電極21和上面第二電極22以及下面第一電極23和下面第二電極24的指形分結(jié)構(gòu)211、221、231、241，均具有一個(gè)橫截面，該橫截面交替地含有菱形部分2111、2211、2311、2411和連接片狀部分2112、2212、2312、2412。
上面第一電極21和上面第二電極22的指形分結(jié)構(gòu)211、221相對于下面第一電極23和下面第二電極24的指形分結(jié)構(gòu)231、241旋轉(zhuǎn)90°，以致上面第一電極21和上面第二電極22的連接片212、222投射到下面第一電極23和下面第二電極24的連接片232、242上在90°下相交。相應(yīng)地，下面第一電極23和下面第二電極24的指形分結(jié)構(gòu)231、241相對于上面第一電極21和上面第二電極22的指形分結(jié)構(gòu)211、221旋轉(zhuǎn)90°。上面第一電極21的指形分結(jié)構(gòu)211和下面第一電極23的指形分結(jié)構(gòu)231是這樣彼此排列，以致其菱形部分2111、2311重疊。相應(yīng)地，上面第二電極22的指形分結(jié)構(gòu)221和下面第二電極24的指形分結(jié)構(gòu)241也是這樣彼此排列，以致其菱形部分2211、2411重疊。
在不僅適合下面的而且適合上面的電極的其它的電極配置中，第一電極31和第二電極32均具有梯形圖樣(參閱圖8)的指形分結(jié)構(gòu)311、321。在此，各個(gè)指形分結(jié)構(gòu)311、321的尺寸是不同的，以致這些尺寸圍繞一個(gè)平均值變化。指形分結(jié)構(gòu)311、321均通過連接片312、322彼此相連。指形分結(jié)構(gòu)311、321的梯形橫截面，以及分散的尺寸影響形成的側(cè)向模式不產(chǎn)生駐波。在上面和下面電極上都具有梯形分結(jié)構(gòu)的裝置中，這些梯形分結(jié)構(gòu)不僅平行地彼此對準(zhǔn)調(diào)平，而且也相對旋轉(zhuǎn)一定角度。
不僅可用于上面電極而且可用于下面電極的另一種電極配置具有第一電極41和第二電極42，這兩個(gè)電極均交替地具有矩形分結(jié)構(gòu)411、421和U形分支分結(jié)構(gòu)412、422(參閱圖9)。在此，矩形分結(jié)構(gòu)411、421和U形分支分結(jié)構(gòu)412、422通過連接片413、423彼此連接。在此，U形分支分結(jié)構(gòu)412、422均具有2個(gè)分枝，這兩個(gè)分枝與矩形分結(jié)構(gòu)411平行地對準(zhǔn)。在此，第一電極41的矩形分結(jié)構(gòu)伸入到第二電極42的U形分支分結(jié)構(gòu)422的分枝之間。相反，第二電極42的矩形分結(jié)構(gòu)421伸入到第一電極41的U形分支分結(jié)構(gòu)412的分枝之間。這些電極配置不僅適合上面而且也適合下面的電極，其中在上面電極的分結(jié)構(gòu)相對于下面電極中的分結(jié)構(gòu)平行或旋轉(zhuǎn)一定角度地對準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.部件-具有壓電層(16)，-具有第一電極對，它具有下面第一電極(151)和上面第—電極(171)，并且具有第二電極對，它具有下面第二電極(152)和上面第二電極(172)，-其中，上面第一電極(171)和上面第二電極(172)都設(shè)置在壓電層(16)的第一主面上，并且下面第一電極(151)和下面第二電極(152)設(shè)置在壓電層(16)的位于第一主面對面的第二主面上，-其中，上面第一電極(171)、上面第二電極(172)、下面第一電極(151)以及下面第二電極(152)均是結(jié)構(gòu)化的，其中上面第一電極(171)和上面第二電極(172)的結(jié)構(gòu)以及下面第一電極(151)和下面第二電極(152)的結(jié)構(gòu)分別相互嚙合在一起。
2.按照權(quán)利要求1所述的部件，其中，這些結(jié)構(gòu)在一維上具有一方面比上面第一電極(171)和上面第二電極(172)間隔的2倍還小的尺寸，和另一方面具有比下面第一電極(151)和下面第二電極(152)間隔的2倍還小的尺寸。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的部件，其中，在一維上，這些結(jié)構(gòu)的尺寸至少一方面比上面第一電極(171)和上面第二電極(172)間隔的2倍的1/10還小，以及另一方面比下面第一電極(151)和下面第二電極(152)間隔的2倍的1/10還小。
4.按照權(quán)利要求1至3之一所述的部件，-其中，下面第一電極(23)、下面第二電極(24)、上面第一電極(21)和上面第二電極(22)均有一連接片(212、222、232、242)，分結(jié)構(gòu)(211、221、231、241)與連接片(212、222、232、242)鄰界，并與這些連接片連接，-其中，上面第一電極(21)和上面第二電極(22)如此設(shè)置，以致上面第一電極(21)的分結(jié)構(gòu)和上面第二電極(22)的分結(jié)構(gòu)交替排列。-其中，下面第一電極(23)和下面第二電極(24)如此設(shè)置，以致上面第一電極(23)的分結(jié)構(gòu)(231)和上面第二電極(24)的分結(jié)構(gòu)(241)交替排列。
5.按照權(quán)利要求4所述的部件，其中，分結(jié)構(gòu)(211、221)構(gòu)成指形。
6.按照權(quán)利要求4所述的部件，其中，分結(jié)構(gòu)(412、422)至少部分地進(jìn)行分枝。
7.按照權(quán)利要求4至6之一所述的部件，其中，分結(jié)構(gòu)(311、321)之間的尺寸和/或間隔均圍繞一平均值變化。
8.按照權(quán)利要求4至7之一所述的部件，-其中，上面第一電極(151)的連接片(1512)如此對準(zhǔn)，以致其投射到第二主面上的投影與下面第一電極(171)的連接片(1712)交叉，-其中，上面第二電極(152)的連接片(1522)如此對準(zhǔn)，以致其投射到第二主面上的投影與下面第二電極(172)的連接片(172)交叉。
9.按照權(quán)利要求1至8之一所述的部件，-其中，壓電層(16)至少具有材料AIN、ZnO、PbZrTiOx(PZT)的一種，-其中，壓電層(16)的厚度在1μm和3μm之間，-其中，下面第一電極(151)、下面第二電極(152)、上面第一電極(171)和上面第二電極(172)，均有在1μm和3μm之間的最小的尺寸。
全文摘要
一種部件具有一個(gè)壓電層,它處于下面第一電極(151)和上面第一電極(171)之間以及在下面第二電極(152)和上面第二電極(172)之間。下面第一電極(151)、上面第一電極(171)、下面第二電極(152)和上面第二電極(172)是分別結(jié)構(gòu)化的,其中上面第一電極(171)和上面第二電極(172)的結(jié)構(gòu)以及下面第一電極(151)和下面第二電極(152)的結(jié)構(gòu)分別彼此嚙合在一起。該部件在高頻應(yīng)用中適合做濾波器、變換器、阻抗匹配器。
文檔編號H03H9/145GK1346539SQ00805918
公開日2002年4月24日 申請日期2000年3月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月30日
發(fā)明者R·埃格納, J·埃拉 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司, 諾基亞移動(dòng)電話有限公司