專利名稱：體聲波器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及體聲波(BAW)器件及其制造，尤其是涉及包括可靠安裝有BAW體聲波共振器的濾波器。本發(fā)明還涉及含有這種濾波器的通訊設(shè)備(例如射頻接收機/或發(fā)射機)。
對移動通信產(chǎn)品地要求是小而輕，諸如蜂窩式手提電話。人們預(yù)期將來可應(yīng)用甚至更小的，例如集成在手表以及衣服上的通訊裝置。所有這些產(chǎn)品要求射頻(RF)濾波器大致覆蓋范圍是0.5吉赫至10吉赫，以使所接收的信號免受干擾，這些干擾來自同樣手機中的發(fā)送器或者來自外部產(chǎn)生的不需要的信號。這些濾波器必須具有低的通帶插入損耗(典型的小于2分貝)以便獲得足夠的信噪比。為達到此目的，作為各濾波器基本組件的共振器必須具有高的品質(zhì)因數(shù)Q。Q的定義為處于共振頻率的共振器每一周期的儲能除以處于相同頻率的共振器的每一周期的能耗。通常情況下，Q值超過500是需要的并且是可實現(xiàn)的。
在腔內(nèi)共振器通常采用駐波形式。
分立式和分布式二種反射都可以采用。常規(guī)的體聲波和表面聲波(SAW)共振器是基于這兩種選擇的共振器實例。為使尺寸為最小值，分立反射是優(yōu)選的，因為腔的長度通常只是所用共振頻率模式波長的1/2。因而體聲波共振器有可能比SAW共振器小得多，因為一個SAW共振器可能要求100個波長左右的腔長度，由于這緣故，體聲波共振器是優(yōu)選的。
可以獲得基于聲波或電磁波的共振器。由于二個主要原因，令那些利用電磁波的裝置優(yōu)選聲波共振器。首先，聲波在材料中的傳播速度通常低于電磁波速度4到5個數(shù)量級，因而對任何給定的頻率存在相當大的縮減空間。其次，可實現(xiàn)的機械品質(zhì)因數(shù)通常比相同材料的電氣品質(zhì)因數(shù)更大。
已經(jīng)研究了兩種通用類型的用于射頻的體聲波共振器。第一種共振器采用薄膜構(gòu)成共振腔。這種方案不吸引人是因為該薄膜是脆性的并且易受應(yīng)力作用彎曲。如

圖1所示，第二種共振器采用了所謂的SMR(穩(wěn)固安裝的共振器)。這些器件中，在基板4上安裝一層或多層聲學失配層2，起反射聲波的作用。用壓電層10將上電極6和下電極8由分開，并在基板4上形成。因為反射器層是沉積在一個固體基板上，故SMR結(jié)構(gòu)堅固。
在圖1所示的體聲波共振器中，通過設(shè)在兩個金屬層之間的壓電材料層10來實現(xiàn)所要求的電能和機械能之間轉(zhuǎn)化，在這兩個金屬層中形成電極61、62和8。雖然SMR采用了較多的分布反射，但共振器尺寸比薄膜共振器并無顯著的增加，這是因為在二種情形下，厚度主要由基板厚度決定。每一個上電極61和62限定一個在其下的具有壓電層的單獨共振器以及下電極8。這兩個共振器與公共的下電極8，在它們之間的交叉處有效地進行串聯(lián)，共振器是一種一端器件。在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，它的兩個端子由電極61和62構(gòu)成。
迄今為止報導過的射頻濾波器通過階梯結(jié)構(gòu)或者點陣結(jié)構(gòu)電連接至SMR。這些濾波器的階梯結(jié)構(gòu)顯示出良好性能，其插入損耗小于2db并且亂真響應(yīng)電平非常低。然而，這樣的結(jié)構(gòu)也有不少缺點。例如，在偏離聲共振的頻率處，每個共振器表現(xiàn)象一個電容器，所以整個濾波器阻帶響應(yīng)基本上是電容器網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)。這導致僅僅為了減小阻帶卻需要額外的共振器。因此，在通帶中，增加了占用的面積和插入損耗但是并沒有改善選擇性。即使適中的阻帶電平仍然需要很多共振器(例如，大約45分貝的阻帶電平最少要有9個共振器)。這對在射頻應(yīng)用方面推進濾波器的小型化，是一個嚴重的問題。
另外，由于個別的共振器的布置，要求階梯結(jié)構(gòu)中串聯(lián)和并聯(lián)的共振器的中心處于不同的頻率。這意味著，例如，必須將額外的具有極精確厚度的質(zhì)量負荷層沉積在并聯(lián)共振器上，以使它們的反共振頻率(極小導納)減少到串聯(lián)共振器的共振頻率(極小阻抗)相同的頻率。
圖2示出了用于如圖1所示的共振器的常規(guī)BAW的等效電路模型的示意圖。Co是該共振器的靜態(tài)電容，Cm與Lm分別是動態(tài)電容和電感，Rm是動態(tài)電阻，動態(tài)電阻描述共振器的機械損失。共振頻率由f0＝1/[2π√(CmLm)]與無載品質(zhì)因數(shù)是由Qu＝(2πf0Lm)/Rm給出。
關(guān)于薄膜體聲波共振器的制造工藝由本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員處可知，例如國際專利申請WO98/16957公開了一種薄膜體聲波共振器及其制造方法，其內(nèi)容結(jié)合于此以供參考。
如上所述，在一種濾波器內(nèi)，通常布置多于一個的共振器，按階梯或點陣結(jié)構(gòu)彼此進行電連接，以便獲得最佳濾波器特性。由于每個共振器內(nèi)存在靜態(tài)電容Co，連接若干如圖1所示的濾波器會引起本身缺乏設(shè)計靈活性，接近標準的理想濾波器類型諸如巴特沃恩或契比雪卡是不易實現(xiàn)的。在階梯結(jié)構(gòu)內(nèi)共振器的電連接，同樣導致要求串聯(lián)與并聯(lián)共振器的中心位于不同的共振頻率。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種體聲波器件包括在基板上形成一或多個聲反射器層；在上述的一個聲反射器層或各聲反射器層上形成下電極；在上述的下電極上形成一種壓電層；并且，至少三個上電極成形在上述的壓電層的上方，每個上電極至少部分地覆蓋下電極，并同放置于其下的壓電層部分及下電極一起限定一個共振器元件，其中上述的上電極被橫向地間隔開，使得當信號作用在上述的處在器件共振頻率的下電極與上電極之間時，通過壓電層部分之間的聲耦合該信號被耦合到另一個共振器元件，并且其中上電極被安排為至少有一個內(nèi)上電極和兩個外上電極，而且其中該上電極或者每個內(nèi)上電極都電連接到下電極。
本發(fā)明提供一種采用SMR的器件，該器件不是電耦合，而是聲耦合的。這種聲耦合允許該器件趨向于更小型并且導致更靈活的濾波器設(shè)計。在電極之間的電連接提供了內(nèi)上電極與下電極之間的固定電位。該電位最好為零，并且最好接地。這種接地通過減少上電極之間的寄生電容提供該器件輸出與輸入間的電磁屏蔽。
那些內(nèi)上電極和下電極之間通常通過一個或多個通孔進行連接。
最好，每個共振器的中心頻率位于相同的共振頻率。這使得一種更簡單的層結(jié)構(gòu)而且是可能的，因為所有共振器構(gòu)成旁路橋臂，等效的串聯(lián)橋臂無疑由相鄰共振器間的聲耦合提供。因此，有可能增加器件中的共振器數(shù)目以便獲得一種更高階的濾波器，而不是像現(xiàn)有設(shè)計那樣，僅僅降低阻帶電平。因此，有可能不用常規(guī)階梯結(jié)構(gòu)，而完成一種濾波器設(shè)計。在常規(guī)階梯結(jié)構(gòu)中，將并聯(lián)共振器的反共振頻率設(shè)成與串聯(lián)共振器的共振頻率相同。本發(fā)明改善了制造的簡單性，從而降低了制造器件的成本。
最好，橫向間隔開的上電極間距在0.5與2.0微米之間，最好為0.7和1.3微米?？梢詫崿F(xiàn)1微米左右的間距以確保相鄰上電極與相關(guān)共振器之間實現(xiàn)聲耦合。
最好，該壓電層被選擇具有一個厚度，該厚度基本上等于共振頻率主模波長的1/2。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種設(shè)計體聲波器件的方法，該體聲波器件有兩個外共振器和至少一個內(nèi)共振器，這些共振器中的每一個相對于相鄰的共振器或各共振器被橫向間隔開，每個共振器有一個上電極、一個下電極與一個介于二者之間的壓電層，該方法包括步驟確定最佳的上電極寬度用于在電極處進行振蕩單模的能量吸收；確定歸一化的低通原型值用于所選濾波器類型及由這些值確定外共振器的加載品質(zhì)因數(shù)；根據(jù)外共振器的加載品質(zhì)因數(shù)，確定濾波器外上電極所需面積；根據(jù)這些面積和單模能量吸收的最佳電極寬度，計算各外電極長度；從這些歸一化低通原型值，確定內(nèi)共振器偶合系數(shù)，然后根據(jù)前面確定的偶合系數(shù)和內(nèi)共振器間距之間關(guān)系，確定這些共振器之間的間隙寬度。
參照附圖對本發(fā)明實例進行詳細描述，其中圖1a和1b分別示出常規(guī)的牢固安裝的BAW體聲波共振器的截面圖和俯視圖，該共振器由兩個串聯(lián)連接的共振器形成。
圖2示出常規(guī)BAW共振器的等效電路圖；圖3和4分別示出根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的一種過濾器實例的平面圖和截面圖；圖5示出圖3和4所示濾波器的等效電路；圖6示出一種根據(jù)本發(fā)明的五階濾波器的響應(yīng)特性，它由圖5所示等效線路的該器件輸入輸出間三個不同寄生電容數(shù)值估算出；以及，圖7示出圖6所示濾波器的三個不同Q值的通帶響應(yīng)變化。
圖3和4分別示出按照本發(fā)明的針對五階濾波器的可一種能結(jié)構(gòu)的平面圖和截面圖。圖1a基本上展示出這種薄膜層狀結(jié)構(gòu)，并參照圖4進行描述。該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出適合共模連接。
參照圖3和4，濾波器12有一組由金屬層18構(gòu)成的上電極141至145。上電極144和145起器件輸入和輸出電極的作用，并且與電極142至144電隔離。若干接觸點20用于將電極142至144連接到地。接觸點20指明了彈拋芯片(flip-chip)或?qū)Ь€連接引線的可能位置。在本實例中，金屬底層32由二個通孔22通過連接到電極142至144而被接地。壓電層30用來隔離上與下金屬層，并將施加在該器件電極141和142間的電信號轉(zhuǎn)換為聲振動。圖3的布局具有等于濾波器階數(shù)的共振器數(shù)目，在目前情況下，該數(shù)目為5。如圖1所示，在基板25上安裝一個或多個聲學失配層24以反射由壓電層30產(chǎn)生的聲波。
使用過程中，電信號由連接電極141的輸入26接收，從而在壓電層30中產(chǎn)生聲波。如下文所述，聲學失配層24反射聲波，而且將處于器件共振頻率上的電波聲耦合到電極142。該過程在連續(xù)的電極對之間重復(fù)直到信號從電極145通過輸出28被輸出。
層狀結(jié)構(gòu)所支持的聲模不同于出現(xiàn)在單晶中的聲模。圖3和4所示的共振器與濾波器，采用特有的振蕩模式即厚度模式，它的共振頻率主要由共振器的厚度決定(即壓電層和電極層組合厚度)而非其他尺度。該濾波器采用基于能量吸收概念的聲耦合共振器，這是將聲振動限制在共振器電極區(qū)域，它是由于不同的波導性質(zhì)和共振器的電極與非電極區(qū)的截止頻率導致發(fā)生。相關(guān)波導被要求是該非電極區(qū)的一個截止模式，所以儲能隨電極邊緣的距離而急劇地衰減。電極的寬度決定有多少模式被能量吸收，同時該易失能量的空間衰減率和相鄰共振器之間間隙的寬度決定它們之間的耦合度。相鄰共振器的邊緣間隔大約在0.5到2.0微米，最好為0.7到1.3微米，可提供令人滿意的聲耦合量。
SMR通常依靠被稱為TE1的最低厚度延伸變形模，對于TE1，質(zhì)點的運動垂直于表面(至少一維近似)。這種具體模式的激發(fā)是壓電材料的薄膜沉積取向的結(jié)果。所推薦用作壓電層的材料是任何自然地凝成c-軸垂直層的材料諸如氧化鋅、AIN、PZT和PLZT。
在一維SMR模型中，共振模在所有頻率上表現(xiàn)為一種純厚度延伸變形(TE)模，所以不考慮與其他模式的耦合。對于所建議的結(jié)構(gòu)必須考慮場變動和沿平行層表面方向和垂直層表面方向的質(zhì)點運動分量。必須求解這些場方程以便獲得作為頻率對每個模式和每個區(qū)域的函數(shù)(即色散關(guān)系)的波數(shù)。這些解表明哪個層結(jié)構(gòu)和厚度可以支持要求的振蕩模和哪個很可能支持能量吸收模式。電極和間隙寬度與內(nèi)共振器耦合之間關(guān)系也可從色散關(guān)系得出。
在本發(fā)明器件中的聲耦合一般地由厚度延伸(TE)和厚度切變(TS) 兩種模式引起。然而，其他的模式可以被激勵到一個產(chǎn)生不可接受的亂真響應(yīng)電平上，除非所建議的結(jié)構(gòu)被優(yōu)化設(shè)計。
圖5示出圖3共振器的等效電路。該電路包括若干如圖2所示的并聯(lián)耦合電路。共振器間的聲耦合意味著內(nèi)共振器(即全部的且不說輸入輸出共振器)由于它們的電終端并不傳輸信號、這允許那些終端電連接成，例如雙方都連接到地線，此類終端連接消除那些共振器靜態(tài)電容的影響。
如圖5所示，在等效電路模型里，聲耦合可用鄰近共振器間的互感M描述?；ジ衅鱉j，j+1被包括在每一對鄰近共振器的動電感Lm，j和Lm，j+1之間。因為在本設(shè)計中這些共振器的二個電極都接地，從每一個內(nèi)振器排除了該靜態(tài)電容，因此短路Co，從而增加了濾波器設(shè)計的靈活性。Cp是上電極輸入和輸出之間的寄生電容，它可利用靜電分析確定。由該共振器的一維聲場模型可以獲得對Co(對每一個末端共振器)和Cm、Lm與Rm(對所有的共振器)的近似值。
Mj，j+1的確定要求(至少)一個二維聲場模型，額外的量綱包括平行于圖3和4中共振器的短邊方向(沿X方向)。該共振頻率的匹配給出這些元件的近似值，由線路模型和兩個間隔很小的共振器的二維聲場模型預(yù)計該共振頻率。每個間隙寬度和互感值還對應(yīng)于一個如下所述的濾波器設(shè)計過程中所需要的偶合系數(shù)值。更高的互感值和偶合系數(shù)值對應(yīng)于更緊密的內(nèi)共振器間隔。
現(xiàn)在將對根據(jù)本發(fā)明的體聲波器件的設(shè)計進行更詳細地描述。假定已經(jīng)確定了層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適合于位于各該濾波器的中心頻率fo的各獨立共振器，而且該一維模型已被用于確定歸一化單共振器等效電路元件值(即單位面積的值)。下文描述了一種適合于圖3和4布局可能的濾波器設(shè)計步驟利用二維模型確定最佳共振器寬度用于對單模的能量吸收。然后，由該濾波器的指標，選擇濾波器類型，例如巴特沃恩或任何其他具有適當?shù)?db帶寬、濾波器階數(shù)、通帶紋波的想要的設(shè)計類型。
然后，計算或從已發(fā)表的查詢表獲得相應(yīng)的所謂″歸一化低通原型″值。由這些值，計算出濾波器輸入輸出的加載品質(zhì)因數(shù)QL和去歸一化的單共振器等效電路的元件值。采用去歸一化的靜態(tài)電容決定這些為二個共振器所需的面積。
從這些面積，以及以前計算的能量吸收單模的最佳寬度，計算共振器輸入和輸出中的每一個的長度。最初，可以將該寬度和共振器長度設(shè)置成相同值。然后，由該歸一化低通原型值計算和去規(guī)格化共振器偶合系數(shù)，該偶合系數(shù)被用來定量分析相鄰共振器之間偶合效率，然后利用以前確定的偶合系數(shù)與內(nèi)共振器間距之間的關(guān)系來確定共振器之間間隙寬度的第一次估算，以及計算等效電路模型的互感。
最后，完全二維聲場模型可用于優(yōu)化該共振器和間隙寬度，從而使響應(yīng)盡可能接近到那些指定指標，并且確保充分抑制那些耦合不必要振蕩模的響應(yīng)。
通過采用圖3和4所述的濾波器結(jié)構(gòu)獲得許多優(yōu)勢。首先，對于任何濾波器結(jié)構(gòu)，通過輸入輸出之間的電磁(主要是電容性的)耦合降低了最終阻帶電平。如圖3所示，通過通孔及其他連接使除輸入輸出外的全部電極被短路接地，獲得了最大屏蔽。其次，如上所述，在沒有改變有用的運動元件的條件下，有效地消除了不需要的內(nèi)共振器的寄生靜態(tài)電容，該靜態(tài)電容限制了濾波器設(shè)計靈活性。最后，應(yīng)當指出，自從全部共振器可被集中于相同頻率因此可使用相同的層狀結(jié)構(gòu)以來，按照本發(fā)明制作的濾波器、采用聲學上耦合共振腔比電耦合類型更簡單。
在圖6和7中示出利用圖5的第五階契比雪夫濾波器(壓電層中采用PZT-4)等效電路預(yù)計的響應(yīng)。圖6示出了由輸入與輸出間寄生電容造成的阻帶的電位降低，該寄生電容在圖3的布局中被減少到最小。假設(shè)一個Q為1000的共振器。該圖示出假設(shè)輸入與輸出電極之間不同的寄生耦合電容Cp值的濾波器響應(yīng)Cp＝0(底部曲線)，Cp＝0.01Co(中間曲線)，Cp＝0.05Co(頂端曲線)。
圖7示出不同的品質(zhì)因數(shù)Q值對該器件通帶的影響。該圖表明Q＝500時的值在技術(shù)能力范圍之內(nèi)，此時2分貝插入損耗是可能的。不包括連接衰減器，該濾波器的面積大約是50平方微米左右。這比采用任何已知技術(shù)和設(shè)計方法的具有可比性能的濾波器面積小得多。如此尺寸的濾波器是可和其他的元件一起集成在(例如)硅，或彈拋芯片，該芯片安裝在一個小的MCM(多芯片模塊)的基板上。對于設(shè)計考慮來說，例如，一組在多模多帶UMTS/GSM手機中提供前端選擇性的射頻濾波器，其尺寸是充分小的。
圖3示出一個具體的用于本發(fā)明器件的可能結(jié)構(gòu)，雖然替換方案也是可能的。例如，有可能將第一和第二行共振器并聯(lián)布置在不同類型終端之間，這二行中對應(yīng)共振器的每一對串聯(lián)連接。對本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員來說，各種其他的改變將是明顯的。
權(quán)利要求
1.一種體聲波器件，該器件包括一層或多層形成在基板上的聲反射器層；在所述聲反射器層或各聲反射器層上形成的下電極；在所述下電極上形成的壓電層；和在所述的壓電層上方形成至少三個上電極，每一個上電極至少部分地覆蓋下電極，并由位于其下的壓電層部分及下電極定出共振器元件，其中所述上電極橫向地被間隔，使得施加在所述上電極和所述下電極間的處于該器件共振頻率的電信號，通過壓電層部分之間的聲偶合而被偶合到其他的共振器元件，并且其中這些上電極被布置成有兩個外上電極和至少一個內(nèi)上電極，其中該內(nèi)上電極或每一個內(nèi)上電極與下電極電連接。
2.按照權(quán)利要求1的器件，其中每一個共振器的中心頻率位于相同的共振頻率。
3.按照權(quán)利要求1或2的器件，其中該內(nèi)上電極或每一個內(nèi)上電極和該下電極被連接到一個公共的電位。
4.按照權(quán)利要求3的器件，其中該公共電位是地電位。
5.按照上述任何一項權(quán)利要求的器件，其中該橫向分隔開的上電極的間隔在0.5與2.0微米之間。
6.按照上述任何一項權(quán)利要求的器件，其中所選壓電層的厚度為二分之一聲波波長，該聲波頻率為該器件的共振頻率。
7.按照上述任何一項權(quán)利要求的器件，其中壓電層是從ZnO、AIN、PZT、和PLZT的一組材料中選出的一種材料制成。
8.按照上述任何一項權(quán)利要求的器件，其面積為100至10,000平方微米之間。
9.按照上述任何一項權(quán)利要求的器件，其中該一個聲反射器層或更多聲反射器層是或由多孔二氧化硅制成。
10.一種射頻帶通濾波器，該帶通濾波器包括如上述任何權(quán)利要求所要求的器件。
11.一種射頻接收機/或發(fā)射機，該接收機/或發(fā)射機包括如權(quán)利要求10所要求的帶通濾波器。
12.一種設(shè)計體聲波器件的方法，該體聲波器件有兩個外共振器和至少一個內(nèi)共振器，每一個共振器相對于一個相鄰共振器或那些相鄰共振器被橫向間隔開，每一個共振器有上電極、下電極和插入其中的壓電層，該方法包括步驟確定最佳的上電極寬度，用于對處于該電極范圍內(nèi)振蕩的單模進行能量吸收；確定所選濾波器類型的歸一化低通原型值，并由此確定該外共振器的加載品質(zhì)因數(shù)；根據(jù)外共振器的加載品質(zhì)因數(shù)確定濾波器外上電極所需面積；根據(jù)這些面積和用于對單模進行能量吸收的最佳電極寬度，計算每一個外電極的長度；從歸一化低通原型值，根據(jù)前面所確定的偶合系數(shù)和內(nèi)共振器間隔之間關(guān)系，確定內(nèi)共振器偶合系數(shù)，然后確定這些共振器之間的間隙寬度。
13.按照權(quán)利要求12的方法，該方法還包括步驟采用該濾波器的完全二維場模型調(diào)整該共振器和間隙寬度使得該濾波器的響應(yīng)得以優(yōu)化。
全文摘要
一種具有若干共振器元件(14)的體聲波器件,這些元件被橫向間隔開,因此當處于該器件共振頻率的信號(26)被施加在共振器元件(1文檔編號H03H9/17GK1389018SQ01802371
公開日2003年1月1日 申請日期2001年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月20日
發(fā)明者R·F·米爾索姆 申請人:皇家菲利浦電子有限公司