專利名稱：具有一質(zhì)量負(fù)荷周邊的薄膜體聲波諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無(wú)
背景技術(shù)：
典型的薄膜體聲波諧振器(FBAR)是一種包括由(例如)鉬制成的一底部電極和一頂部電極的三層裝置。例如氮化鋁(AlN)的壓電材料介于所述兩個(gè)電極之間。如Ruby等人在2000年5月9日頒發(fā)的讓渡給AgilentTechnologies的美國(guó)專利第6,060,818號(hào)“SBAR Structures and Method ofFabrication of SBAR/FBAR Film Processing Techniques for the Manufacturingof SBAR/FBAR Filters”中所揭示，這個(gè)裝置放置于一形成于一襯底(例如硅)中的凹陷處或“游泳池”之上，其中以一犧牲材料填充這個(gè)凹陷處。當(dāng)去除所述犧牲材料時(shí)，在諧振器邊緣圍繞所述周邊固定于硅襯底處產(chǎn)生一“獨(dú)立式膜”。圖1展示一位于池之上并固定在所述池的邊緣且接著連接到一墊片的現(xiàn)有技術(shù)聲波諧振器的一裂開(kāi)(cleaved)部分。
這個(gè)諧振器的有效面積由所述頂部電極與底部電極之間的重疊界定。如Ruby等人在2002年5月7日頒發(fā)的讓渡給Agilent Technologies的美國(guó)專利第6,384,697號(hào)“Cavity spanning Bottom Electrode of a Substrate-Mounted BulkAcoustic Resonator”中所揭示，底部電極通?？邕^(guò)整個(gè)游泳池以將機(jī)械強(qiáng)度最大化。如Ruby等人在2002年7月23日頒發(fā)的讓渡給Agilent Technologies的美國(guó)專利第6,424,237號(hào)“Bulk Acoustic Perimeter Reflection System”中所教示，以將所述系統(tǒng)的Q最大化的量將頂部電極拉進(jìn)所述游泳池內(nèi)部(可能的地方)。
諧振器也可以包括一基本覆蓋所述頂部電極全部面積的質(zhì)量負(fù)荷層。此層降低了所述諧振器的諧振頻率。對(duì)于使用梯、半梯或點(diǎn)陣類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波器而言，此層允許頻率存在差別。半梯濾波器由級(jí)聯(lián)串聯(lián)諧振器(seriesresonator)和并聯(lián)諧振器(shunt resonator)制成。質(zhì)量負(fù)荷降低了與串聯(lián)諧振器相關(guān)的并聯(lián)諧振器的頻率。
為成功使用這些濾波器，包含所述濾波器的每一諧振器的質(zhì)量因數(shù)或Q均須很高。Q是被諧振器以各種方式損耗的能量數(shù)量所除的存儲(chǔ)在所述諧振器內(nèi)的射頻(rf)能量的數(shù)量。如果在所述諧振器中不存在能量損耗，那么Q將為無(wú)窮大。存儲(chǔ)在這一頻率的諧振器中的實(shí)際能量是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式而存在的。然而，總是存在一些損耗。一種損耗機(jī)理為熱聲損耗(thermalacoustic loss)，其中轉(zhuǎn)化為熱量的機(jī)械能(例如，系統(tǒng)作為熱量而損耗的能量)不容易再轉(zhuǎn)化為rf能量。
邊緣處的能量損耗有兩個(gè)來(lái)原。第一，轉(zhuǎn)化成側(cè)向模式形式的聲能可從所述諧振器側(cè)面泄漏并逸入所述襯底中。諧振器只恢復(fù)了所述能量的極少一部分。第二，由于這些邊緣曝露在各種干式和濕式化學(xué)處理中，薄膜邊緣的輪廓和質(zhì)量通常較差。側(cè)向模式將對(duì)這些粗糙邊緣進(jìn)行“取樣”并通過(guò)從所述粗糙邊緣分散且通過(guò)邊緣處原子的聲遷移(acoustic migration)而損耗能量。因此，將側(cè)向模式與所述諧振器邊緣的相互作用最小化很重要。

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)產(chǎn)生經(jīng)精密界定的聲阻抗失配增加薄膜體聲波諧振器(FBAR)中的有損耗側(cè)向模式的Q，例如距離所述FBAR有效面積的邊緣大約四分之一波長(zhǎng)(或多個(gè)四分之一波長(zhǎng))的寬度，使得在對(duì)任何缺陷進(jìn)行“取樣”之前，側(cè)向模式已自此邊緣反射。經(jīng)提高的Q增強(qiáng)了由FBAR諧振器構(gòu)件所構(gòu)成的濾波器和雙工器的產(chǎn)率。
通過(guò)更好地俘獲所述側(cè)向模式并提高這些側(cè)向模式的Q來(lái)提高所述諧振器的總Q。這反過(guò)來(lái)又提高了包括基諧模式的整個(gè)諧振器系統(tǒng)的Q。這通過(guò)將一環(huán)沿界定所述諧振器的有效面積的周邊而添加到兩個(gè)電極中的至少一個(gè)來(lái)完成。
諧振器結(jié)構(gòu)(FBAR)由將壓電材料夾在中間的兩個(gè)電極制成。兩個(gè)導(dǎo)電電極的相交界定了所述聲波諧振器的有效面積。將所述有效面積劃分為兩個(gè)同心區(qū)域一周邊或幀及一中心區(qū)域。將一環(huán)添加到兩個(gè)導(dǎo)電電極中的一個(gè)以提高所述電性能(就Q而言)。


圖1是一現(xiàn)有技術(shù)FBAR的橫截面的SEM。一種早期型式FBAR諧振器的裂開(kāi)樣本的一顯微照片。在此照片中，所述膜懸于游泳池之上且固定于邊緣處。新近的型式的膜被支撐在邊緣上的幾乎每一位置處。
圖2a和2b說(shuō)明一理想化的Q圓和一變跡諧振器(apodized resonator)在史密斯圓圖上的Q圓。這些圖也標(biāo)示所述諧振器的Rs、fs、Rp和fp以及Qp與Rp和Qs與Rs之間的關(guān)系。
圖3a-c是一獨(dú)立式FBAR的示意性橫截面。圖3a展示一現(xiàn)有技術(shù)FBAR。圖3b展示一具有凹環(huán)的現(xiàn)有技術(shù)變跡FBAR。圖3c展示本發(fā)明。
圖4a是一具有圖3a中所給定的橫截面的方形諧振器的Q圓。圖4b中標(biāo)繪了Γ與頻率的關(guān)系曲線的幅度。
圖5a是一具有圖3a中所給定橫截面的變跡諧振器的Q圓。圖5b中標(biāo)繪了Γ與頻率的關(guān)系曲線的幅度。
圖6是I類和II類壓電材料的一圖示w-k圖。一突出I類與II類壓電材料之間的差異的圖示w-k圖。ω截止點(diǎn)的頻率與fs(外延模式或活塞模式的諧振頻率)相同。
圖7是用于圖3a中所示的諧振器的前4個(gè)側(cè)向模式(S0、S1和A0、A1)的w-k曲線圖(通常稱為蘭姆波)的經(jīng)測(cè)量和調(diào)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。
圖8a和8b是圖3a和3b中所示諧振器(不具有環(huán)和具有一凹環(huán))的Q圓。圖8b中標(biāo)繪了所述兩個(gè)橫截面的Γ與頻率的關(guān)系曲線的幅度。
圖9a和9b是圖3a和3c中所示諧振器(不具有環(huán)和具有一凸環(huán))的Q圓。圖9b中標(biāo)繪了所述兩個(gè)橫截面的Γ與頻率的關(guān)系曲線的幅度。
圖10a為一半梯(half ladder)濾波器。圖10b展示一全梯(full ladder)濾波器。
圖11展示一半梯濾波器響應(yīng)。
圖12a-c展示表示一處于半梯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振器的Q圓、一具有一個(gè)質(zhì)量負(fù)荷厚度(ML1)的并聯(lián)諧振器和一具有另一質(zhì)量負(fù)荷(ML1和ML2)的并聯(lián)諧振器。黑箭頭指示所述濾波器的通帶在Q圓上的位置。
除添加了展示所述凹幀諧振器響應(yīng)和一凸幀諧振器響應(yīng)的兩個(gè)Q圓外，圖13a-c與圖12a-c展示相同的內(nèi)容。可見(jiàn)，由于在大部分圓上的Q都低于一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有技術(shù)FBAR或具有一凸幀的FBAR，凹幀將顯著降低濾波器響應(yīng)；相反，凸幀則通過(guò)相關(guān)頻率提高了Q。
圖14a和14b展示四個(gè)濾波器響應(yīng)。圖14b是所述通帶的放大圖。該圖是在所述并聯(lián)諧振器上具有及不具有凸幀的兩個(gè)不同濾波器設(shè)計(jì)。兩條紅色和紅紫色的曲線為標(biāo)準(zhǔn)FBAR諧振器，且兩條藍(lán)色曲線是其中并聯(lián)諧振器具有一凸框的兩個(gè)濾波器設(shè)計(jì)。
具體實(shí)施例方式
一薄膜體聲波諧振器(FBAR)的基諧模式為縱向延伸模式或“活塞”模式。通過(guò)將交流電壓應(yīng)用于處于FBAR諧振頻率的兩個(gè)電極而激發(fā)此模式。所述壓電材料將電能形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在一具有無(wú)限薄的電極的理想FBAR中，當(dāng)所應(yīng)用的頻率等于壓電媒體的聲速除以兩倍的所述壓電媒體厚度時(shí)f＝vac/(2*T)，其中T為所述壓電媒體的厚度，且vac為聲相速度，發(fā)生諧振。對(duì)于具有有限厚度電極的諧振器而言，這個(gè)等式由所述電極的加權(quán)速度和厚度來(lái)修改。
我們可以通過(guò)在史密斯圓圖上標(biāo)繪出當(dāng)頻率變化時(shí)反射能與應(yīng)用能(Γ)的比率來(lái)從數(shù)量與質(zhì)量方面理解一諧振器的Q。隨著應(yīng)用能的頻率增加，F(xiàn)BAR諧振器的幅度/相位在史密斯圓圖上掃出(sweep out)一個(gè)圓，這個(gè)圓稱為Q圓。所述Q圓第一次與實(shí)軸(水平軸)相交處對(duì)應(yīng)于活塞模式的頻率fs。實(shí)際阻抗(以歐姆測(cè)量)為Rs。隨著Q圓繼續(xù)圍繞史密斯圓圖周邊，其再次與實(shí)軸相交。所述Q圓與實(shí)軸相交的第二個(gè)點(diǎn)標(biāo)示為fp，即FBAR的反諧振頻率。將所述電阻的剩余實(shí)數(shù)部分標(biāo)示為Rp。圖2a展示一無(wú)寄生諧振的理想FBAR的Q圓。圖2b展示一現(xiàn)有技術(shù)FBAR的Q圓。在Q圓的下部西南四分之一處可見(jiàn)寄生諧振低于fs。對(duì)于濾波器應(yīng)用而言，希望最小化Rs而最大化Rp。質(zhì)量上，所述Q圓“擁抱”史密斯圓圖的邊越緊，裝置的Q越高。如果存在無(wú)損耗諧振器這樣的東西，那么所述Q圓將具有一半徑并將位于史密斯圓圖的邊緣處。
對(duì)于任何壓電材料而言，除了活塞模式外還存在側(cè)向模式。這些模式很易被激發(fā)。產(chǎn)生側(cè)向模式諧振的邊界條件由諧振器的邊緣界定。圖3a是一現(xiàn)有技術(shù)FBAR的橫截面實(shí)施例。虛線描繪這個(gè)諧振器的不同區(qū)域。圖3b說(shuō)明一在所述電極的頂面上具有一凹陷周邊的現(xiàn)有技術(shù)FBAR。對(duì)于兩個(gè)實(shí)例而言，所述FBAR包括II類壓電材料，例如AlN。
在圖3a中，由所述頂部電極的圖案化界定的邊緣為側(cè)向模式諧振形成一組邊界條件，且所述游泳池的邊緣為側(cè)向模式諧振形成另一組邊界條件。側(cè)向模式諧振稱為寄生模式，且由于其能夠?qū)⒛芰狂詈铣鏊鲋C振器而一般是所不希望的。
將側(cè)向模式最小化的一個(gè)方法是將所述諧振器邊緣“變跡”。變跡是一組不允許諧振器的任何兩個(gè)邊緣平行的設(shè)計(jì)規(guī)則。此外，如Larson等人在2001年4月10日頒發(fā)的受讓給Agilent Technologies的美國(guó)專利第6,215,375號(hào)“Bulk Acoustic wave Resonators with Improved Lateral Mode Suppression”中所教示，“直角”拐角由認(rèn)真選擇的角度所取代，以使得任何諧振均比在一方形或矩形諧振器中所看到的其初始強(qiáng)度減小10％或更多。圖2b展示一個(gè)變跡FBAR的Q圓。請(qǐng)注意，盡管看似已消除了高于fs的離散寄生諧振，但是低于fs的寄生模式仍較明顯。使用變跡法后，強(qiáng)烈存在的唯一寄生模式是那些頻率小于“活塞”模式的諧振fs的模式。這反映出AlN是一II類壓電材料的事實(shí)。
對(duì)于存在高于fs的較弱的側(cè)向聲波模式而言，變跡法迫使寄生側(cè)向模式經(jīng)歷來(lái)自不平行邊緣的許多反射，由此降低基本寄生諧振頻率。因此，相關(guān)頻率(例如，1850到1910MHz傳輸頻帶內(nèi)用于CDMA電話的PCS頻帶)中存在的諧振處于基本寄生側(cè)向模式的極高諧波。然而，將能量耦合到這些模式中表現(xiàn)為n次諧波的次序的逆。如果人們通過(guò)使用變跡法將一vac/2L側(cè)向模式的50次諧波轉(zhuǎn)到10,000次諧波(假設(shè)在諧振器中四處跳動(dòng)的反射側(cè)向模式的路徑長(zhǎng)度在完成一個(gè)回路前發(fā)生了約10,000次反射)，則這個(gè)寄生側(cè)向模式的耦合減少了50/10,000；其中L是方形諧振器邊緣之間的側(cè)向間隔(因?yàn)閭?cè)向尺寸比垂直厚度的厚度約大50到100倍—此厚度為活塞模式背面的尺寸，所以50次諧波約為適當(dāng)諧波)。
這種“涂抹”側(cè)向模式寄生諧振的方法的一個(gè)方面是每一側(cè)向模式諧振幾乎在每一頻率(而非在少數(shù)與基本vac/2L的n次諧波相關(guān)的離散頻率)都損耗少量能量。在Q圓上使用變跡法的影響是其使經(jīng)量測(cè)的Q圓趨于平滑，但導(dǎo)致Q圓自史密斯圓圖邊緣向內(nèi)拉伸，即指示較低的Q。
圖4a與b展示一方形諧振器的Q圓(4a)及其Γ與頻率的關(guān)系曲線(4b)。圖5a及b展示一變跡諧振器的Q圓(5a)及其Γ與頻率的關(guān)系曲線(5b)。Γ是反射系數(shù)。
在W0106647A1“Resonator Structure and Filter Comprising a ResonatorStructure”中，Kaitila等人教示了減少由于發(fā)生在活塞模式頻率附近的側(cè)向模式而導(dǎo)致的寄生模式的方法。
圖6突出I類與II類壓電薄膜(如Kaitila等人所展示)的w-k曲線圖。對(duì)于獨(dú)立式膜而言，Kaitila教示ZnO為I類壓電材料，且氮化鋁(AlN)為II類壓電材料。在圖6中，實(shí)線表示壓電材料的實(shí)際K值，且虛線表示想象的K值。對(duì)于想象的K值而言，傳播波是一種按指數(shù)規(guī)律衰減的波，且與所述討論無(wú)關(guān)。對(duì)于實(shí)際K值而言，所述波是一種行波或駐波。圖6中k＝0的點(diǎn)表示截止頻率且是外延模式或縱向模式的基頻。在ZnO的情況下，臨界側(cè)向模式以高于活塞模式頻率的頻率而存在。在AlN的情況下，臨界側(cè)向模式(critical lateral mode)(S1)以低于活塞模式頻率的頻率而存在。
圖7展示對(duì)于使用AlN作為壓電材料的現(xiàn)有技術(shù)FBAR(如圖3a中所示)，我們有II類壓電材料，其中可存在低于截止頻率(fs)的強(qiáng)側(cè)向模式。此模式為如2004年7月25日到30日在Colorado，Golden舉行的QNDE會(huì)議上由Telschow在“Laser Acoustic Imaging of Film Bulk Acoustic Resonator(FBAR)Lateral Mode Dispersion”中所教示的S1模式。然而，存在低于和高于截止頻率的其它對(duì)稱模式(S0、S2)和不對(duì)稱模式(A0、A1、A2)。應(yīng)注意這些模式相對(duì)較弱。
Kaitila教示為了減少使用AlN(II類壓電材料)的獨(dú)立式膜的側(cè)向模式寄生諧振，必須使用一凹幀。這個(gè)結(jié)構(gòu)在圖3b中已展示。
在圖8中，我們可以看到所述結(jié)構(gòu)(與無(wú)凹幀的相比)在Q圓(圖8a)上的效果及Γ與頻率的關(guān)系曲線圖。如Kaitila所教示，低于fs的寄生諧振(史密斯圓圖的西南四分之一處)確實(shí)大大減少了。
然而，正如圖8a中所見(jiàn)，具有凹幀的FBAR的Q圓具有較低的Q。在大多處(從9點(diǎn)處直到大約4點(diǎn)處)，具有凹幀的FBAR的Q圓具有顯著較低的Q。如果諧振器的Q在此區(qū)域內(nèi)(9點(diǎn)處到4點(diǎn)處)降低，那么濾波器將嚴(yán)重遭受頻率響應(yīng)的跌落和插入損耗。
Q在此區(qū)域內(nèi)降低的原因是區(qū)域2(見(jiàn)圖3b)中的聲阻抗位于諧振器中央?yún)^(qū)域(區(qū)域1)與幀外區(qū)域(區(qū)域3)的聲阻抗之間。如果區(qū)域2的寬度接近某一寬度，那么凹陷區(qū)域可減輕諧振器中央?yún)^(qū)域和邊遠(yuǎn)區(qū)域的聲阻抗失配。因此，從中央?yún)^(qū)域的基本外延模式轉(zhuǎn)化成側(cè)向模式的能量更容易從諧振器“泄漏”。特定地說(shuō)，雖然凹幀有助于抑制很強(qiáng)的S1側(cè)向模式，但是相對(duì)于更高模式的對(duì)稱和不對(duì)稱側(cè)向模式，其實(shí)際上增加了能量的泄漏。
在本發(fā)明中，將一凸幀添加到周邊以產(chǎn)生一環(huán)，從而使得S1側(cè)向模式顯著增強(qiáng)。然而，如圖3c中所示，凸幀(假設(shè)已正確選擇了寬度)充當(dāng)區(qū)域I與區(qū)域III之間的聲阻抗失配。凸幀添加質(zhì)量來(lái)產(chǎn)生所述聲阻抗失配。此質(zhì)量的額外增加可通過(guò)添加更多與電極相同的材料或具有更高比重的材料(如鎢)或具有更低比重的諸如電介質(zhì)的材料(例如，SiO2或AlN)來(lái)完成。
圖9a和9b展示周邊具有及沒(méi)有凸幀的變跡諧振器在Q圓上的影響。圖9a展示兩個(gè)Q圓的史密斯圓圖表示，且圖9b展示Γ與頻率的關(guān)系曲線。如在任一圖(a或b)中所見(jiàn)，添加凸幀大大增加了在史密斯圓圖西南四分之一處所見(jiàn)的“振動(dòng)”或“翻跟斗”(loop-de-loops)。然而，從約“9點(diǎn)”處開(kāi)始，具有凸幀的FBAR的Q更加緊密地“擁抱”史密斯圓圖的邊緣，因此在大部分頻率范圍之上顯示出更高的Q。
在這個(gè)說(shuō)明性實(shí)例中，對(duì)于一個(gè)其功能是在1930到1990MHz區(qū)域(WCDMA應(yīng)用)內(nèi)傳遞傳輸信號(hào)的FBAR濾波器而言，所述框的厚度為～400A且寬度為約5μm。用于所述框和頂部電極的材料是鉬。周邊環(huán)持續(xù)將～1000歐姆添加到PCM 50歐姆諧振器(PCM＝過(guò)程控制監(jiān)控器)的Rp。人們可在一諧振器的Q圓(如在諸如Agilent 8510網(wǎng)絡(luò)分析器的一網(wǎng)絡(luò)分析器上所測(cè)量)與史密斯圓圖右手側(cè)的實(shí)軸第二次相交的點(diǎn)處測(cè)量Rp。Q圓與實(shí)軸相交處的頻率為fp，且諧振器阻抗的實(shí)數(shù)部分為Rp。出于完整性考慮，fs和Rs是諧振器與史密斯圓圖左手側(cè)實(shí)軸第一次相交處的復(fù)數(shù)阻抗的實(shí)數(shù)部分的頻率和值。Rp通過(guò)簡(jiǎn)單的經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定的關(guān)系式Rp＝1.18kt2*Qp*Zo而直接與Q相關(guān)，其中kt2為有效耦合系數(shù)且Zo為諧振器阻抗，例如50歐姆。當(dāng)比較具有框(圖3c)和沒(méi)有框(圖3a)的兩個(gè)并行的諧振器時(shí)，kt2對(duì)于兩個(gè)PCM諧振器而言是相同的。由于對(duì)于兩個(gè)并行諧振器而言所述區(qū)域是相同的，Zo是相同的，因此Qp是已提高的參數(shù)。通常，可見(jiàn)在標(biāo)準(zhǔn)PCM諧振器上Rps的范圍為1000到2000歐姆，且在具有凸框的PCM諧振器上，Rps的范圍為2000到3000歐姆。本發(fā)明提高了Rp而不是諧振器在fs處的實(shí)電阻Rs。
圖3c說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。薄膜體聲波諧振器(FBAR)為一個(gè)三層夾層結(jié)構(gòu)，其包括由鉬制成的一個(gè)底部電極和一個(gè)頂部電極。例如氮化鋁(AlN)的壓電材料介于所述兩個(gè)電極之間。將這個(gè)三層夾層結(jié)構(gòu)放置于一形成于一襯底(例如硅)中的凹陷或“游泳池”之上，其中以一犧牲材料填充這個(gè)凹陷。當(dāng)去除所述犧牲材料時(shí)，在諧振器邊緣圍繞所述周邊固定于硅襯底處產(chǎn)生一“獨(dú)立式膜”。
將有效面積界定為頂部電極與底部電極的重疊。把對(duì)應(yīng)于有效面積周邊的環(huán)添加到兩個(gè)電極中的一個(gè)。環(huán)材料可與組成頂部電極與底部電極的材料(例如，鉬)相同，但是也可由包括諸如SiO2、AlN或Si3N4的其它電介質(zhì)的材料制成?；蛘?，也可使用一個(gè)外環(huán)來(lái)代替凸框，所述外環(huán)圍繞所述有效面積且其厚度與任一電極相同但是由具有更高聲阻抗的材料(例如，鎢)制成。
環(huán)尺寸經(jīng)選擇以提高如在諧振器(或在制成這些諧振器的濾波器上)上所測(cè)量的電特性。這可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)法、有限元素建模分析或其它分析解法確定所述幀的寬度與厚度來(lái)確定。
對(duì)應(yīng)于有效面積中央部分的區(qū)域1具有活塞模式的諧振頻率f0和聲阻抗η1。區(qū)域2對(duì)應(yīng)于有效面積的周邊。區(qū)域3對(duì)應(yīng)于有效面積的外部區(qū)域，而區(qū)域4為硅襯底之上的區(qū)域。對(duì)于每一區(qū)域而言，都存在相應(yīng)的諧振頻率及聲阻抗。在區(qū)域4中，由于所述襯底的厚度而導(dǎo)致所述基頻諧振極低。
雖然所述說(shuō)明性實(shí)施例展示將環(huán)添加到頂部電極的頂部表面，但是所述環(huán)可定位于任一電極的頂部或底部表面上。所述環(huán)可由導(dǎo)電或介電材料制成。
參看圖3c，沿周邊增加質(zhì)量有效增加了區(qū)域2的聲阻抗。因此，產(chǎn)生了中央?yún)^(qū)域與中央?yún)^(qū)域外部之間更大的阻抗失配。
將會(huì)出現(xiàn)以下情況諧振器或使用大量所述諧振器的濾波器需要一種特別平滑的側(cè)向模式自由響應(yīng)；濾波器響應(yīng)中的平滑度與所需Q相比較是較小的因數(shù)。
圖10a和10b展示濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)實(shí)例分別為半梯和全梯。本發(fā)明可適用于任何需要高Q的濾波器技術(shù)。
圖11展示一具有兩個(gè)“零點(diǎn)”和兩個(gè)“極點(diǎn)”的典型半梯濾波器的響應(yīng)。所述零點(diǎn)是兩個(gè)最小值而所述極點(diǎn)是兩個(gè)最大值。較低頻率的零點(diǎn)與并聯(lián)諧振器的外延諧振(“活塞”模式)相關(guān)。任何所添加的低于此頻率的“翻跟斗”或振動(dòng)都不會(huì)影響通帶響應(yīng)。由于AlN是II類諧振器，因此由在并聯(lián)諧振器上添加一幀而增強(qiáng)了S1所導(dǎo)致的增加的寄生模式都低于并聯(lián)諧振器的fs。
圖12a-c是所述通帶在Q圓上的位置。對(duì)于圖10中所示的串聯(lián)諧振器而言。在圖12a中，通帶位于Q圓上“7點(diǎn)”處與約“11點(diǎn)”處之間。通帶中的波紋由于S1側(cè)向模式而受寄生諧振的消極影響。
然而，如果觀察位于表示并聯(lián)諧振器(圖12b和12c)的Q圓上的通帶頻率處，可明白對(duì)于一種質(zhì)量負(fù)荷而言，通帶頻率的范圍是從約“10點(diǎn)”處到約“4點(diǎn)”處，而對(duì)于另一種質(zhì)量負(fù)荷而言，所述通帶頻率的范圍是從“1點(diǎn)”處到“5點(diǎn)”處。在所有情況下，低于fs的額外“振動(dòng)”都不會(huì)影響濾波器。
圖13a-c展示突出凹幀與凸幀的Q圓。顯然凹幀可引起濾波器響應(yīng)降低。這一點(diǎn)在圖14a及14b中可以看出。兩個(gè)半梯設(shè)計(jì)展示為在并聯(lián)諧振器上具有和沒(méi)有凸幀(因此有4條曲線)。對(duì)于兩個(gè)設(shè)計(jì)而言，幀的添加顯著有助于濾波器的插入損耗及通帶響應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種用于俘獲一頻帶內(nèi)的能量的裝置，其包含一第一電極；一定位于所述第一電極附近及上方的第二電極；所述第一電極與所述第二電極的重疊界定一有效面積；一插入所述第一電極與所述第二電極之間的壓電薄片；一定位于所述第一電極和第二電極中的一個(gè)的一表面上的環(huán)；其中所述環(huán)內(nèi)的區(qū)域具有一第一聲阻抗，所述環(huán)具有一第二聲阻抗，且所述環(huán)外的區(qū)域具有一第三聲阻抗；和所述第二聲阻抗大于所述第一和所述第三聲阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述環(huán)沿所述第二電極的外圍定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述環(huán)定位于所述第一電極內(nèi)并與所述第二電極的外圍直接相對(duì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述環(huán)集成在所述第一和所述第二電極中的所述一個(gè)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二電極中的所述一個(gè)具有一第一比重；和所述環(huán)具有一大于所述第一比重的第二比重。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二電極中的所述一個(gè)具有一第一比重；和所述環(huán)具有一小于所述第一比重的第二比重。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，所述環(huán)包含一介電材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，所述環(huán)包含一金屬材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其進(jìn)一步包含一在一表面中具有一空腔的襯底，所述第一電極橋接所述空腔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述環(huán)沿所述第二電極的外圍定位。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述環(huán)定位于所述第一電極內(nèi)且與所述第二電極的外圍直接相對(duì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述環(huán)集成在所述第一和所述第二電極中的所述一個(gè)內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述第一和第二電極中的所述一個(gè)具有一第一比重；和所述環(huán)具有一大于所述第一比重的第二比重。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述第一和第二電極中的所述一個(gè)具有一第一比重；和所述環(huán)具有一小于所述第一比重的第二比重。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，所述環(huán)包含一介電材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，所述環(huán)包含一金屬材料。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種由中間夾有一壓電材料的電極制成的諧振器結(jié)構(gòu)(FBAR)。所述兩個(gè)導(dǎo)電電極的相交界定了所述聲波諧振器的有效面積。將所述有效面積劃分為兩個(gè)同心區(qū)域一周邊或框及一中心區(qū)域。將一環(huán)添加到兩個(gè)導(dǎo)電電極中的一個(gè)以提高電性能(就Q而言)。
文檔編號(hào)H03H9/02GK1801614SQ20051007966
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月1日
發(fā)明者豐紅均, R·沙恩·法斯奇奧, 理查德·魯比, 保羅·布拉德利 申請(qǐng)人:安捷倫科技公司