具有改進(jìn)的通帶特性的橫向耦合式體聲波濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種橫向耦合式體聲波(LBAW)濾波器(70)，其包括：用于攜帶體聲波的振動(dòng)層(73)；電極裝置(71,72,74)，其包括：耦合于振動(dòng)層(73)的第一電極(71)，用以激發(fā)至振動(dòng)層(73)的至少一個(gè)具有第一頻帶的縱波模式和一個(gè)具有第二頻帶的剪切波模式，和耦合于振動(dòng)層的第二電極(72)，用以感應(yīng)濾波通過信號(hào)，其中第一和第二電極(71,72)相對(duì)于彼此橫向地設(shè)置；與振動(dòng)層(73)聲學(xué)連接的聲學(xué)反射器結(jié)構(gòu)(75)。根據(jù)本發(fā)明，反射器結(jié)構(gòu)(75)適于在第一頻帶處、比在第二頻帶處更有效地將振動(dòng)層(73)與其周圍環(huán)境聲學(xué)隔離，從而在第二頻帶處抑制剪切波模式對(duì)濾波通過信號(hào)的影響。本發(fā)明有助于改善LBAW濾波器通帶的質(zhì)量。
【專利說明】具有改進(jìn)的通帶特性的橫向耦合式體聲波濾波器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及體聲波(BAW)薄膜技術(shù)。具體地說，本發(fā)明涉及一種橫向耦合式BAff(LBAff)濾波器以及借助LBAW濾波器對(duì)射頻(RF)信號(hào)進(jìn)行濾波的方法。這種濾波器具有權(quán)利要求1的前序部分所述的特征。

【背景技術(shù)】
[0002]BAff諧振器
[0003]體聲波薄膜裝置可用作諧振器。圖1示出了基于薄膜技術(shù)的固定安裝的壓電BAW諧振器的示意圖。構(gòu)成諧振器的壓電薄膜層和電極層將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲學(xué)振動(dòng)，反之亦然。諧振器固定地安裝在硅襯底上，這意味著諧振器與具有由高、低聲學(xué)阻抗(Z)材料的交替層所構(gòu)成的聲反射器(聲布拉格反射器或“聲反射鏡”)的襯底聲學(xué)隔離。這種類型的諧振器通常稱為固定安裝的諧振器(SMR)。另一種可能性是制作自立膜式諧振器，通常稱為薄膜諧振器或FBAR。
[0004]在BAW裝置中，體波的傳播方向典型地沿著厚度軸(圖1的z軸)。粒子位移要么垂直于傳播方向(剪切波)，要么平行于傳播方向(縱波)。在厚度方向上，聲波具有聲學(xué)波長λζ。體聲波在電極之間反射，并且當(dāng)壓電層與電極的厚度d使得聲學(xué)半波長的整數(shù)倍N包含在壓電層與電極層所形成的厚度范圍內(nèi)時(shí)，即dpi_+els = Νλζ/2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生駐波(厚度諧振)。厚度模式的特征基于整數(shù)N和粒子運(yùn)動(dòng)的方向。圖2示出了兩種體波模式:一階厚度延伸(TEl)模式(上)和二階厚度剪切(TS2)模式(下)。在TEl模式下，粒子位移平行于傳播方向(厚度方向)，并且在壓電層與電極的厚度內(nèi)存在一個(gè)半波長(λζ/2)。在TS2模式下,粒子位移垂直于傳播方向，并且在壓電層與電極的厚度內(nèi)存在一個(gè)波長(λ ζ)。
[0005]波也可以如同具有橫波長λ ,,的板波那樣在橫向上傳播。圖2中針對(duì)TEl和TS2模式進(jìn)行顯示。在橫向有限尺寸的諧振器中，由于來自諧振器邊緣的反射，使得可以在橫向上產(chǎn)生駐波模式。
[0006]諧振器的聲學(xué)特性可以通過散布(dispers1n)圖來描述，即，通過示出了體聲波諧振模式的橫波數(shù)Icl i = 2 π / λ i i對(duì)頻率f的視圖來描述，參見圖3，其為BAW諧振器層堆疊的計(jì)算散布圖的示例。BAW諧振器的散布特性主要由薄膜層堆疊來確定。圖3中示出了二階厚度-剪切TS2振動(dòng)模式和TEl振動(dòng)模式的初動(dòng)頻率(在該頻率處振動(dòng)模式首次出現(xiàn))。針對(duì)TEl模式，初動(dòng)頻率與針對(duì)橫波數(shù)kN = O的頻率相同。基礎(chǔ)的厚度諧振接近于k = 0(橫波長為無窮大)。散布曲線描述了橫向傳播的波(板波)關(guān)于頻率的特性。如果TS2模式出現(xiàn)在比TEl模式低的頻率處，則認(rèn)為散布為類型1，相反情況則認(rèn)為是類型2。
[0007]BAff濾波器
[0008]濾波器可以通過電連接單端口諧振器而形成梯式或網(wǎng)格濾波器。另一種可能是通過針對(duì)聲波將諧振器彼此放置得足夠接近而在它們之間設(shè)置機(jī)械(聲學(xué))耦合，從而從一個(gè)諧振器耦接到另一諧振器。這種裝置稱為耦合式諧振濾波器(CRF)。
[0009]在BAW裝置中，堆疊壓電層之間的垂直聲學(xué)耦合使用在堆疊式晶體濾波器(SCF)(參見IEEE1987年第41屆頻率控制討論會(huì)會(huì)報(bào)第371-381頁，“Thin film resonatortechnology”,作者R.M.Lakin等)和垂直耦合式CRF(參見ΙΕΕΕ2004年超聲研討會(huì)會(huì)報(bào)第 416-419 頁，“Single-to-balanced Filters for Mobile Phones using CoupledResonator BA W Technology”,作者 G.G.Fattinger 等)中。在 SCF 中，兩個(gè)壓電層通過中間電極隔開。在垂直耦合式CRF中，耦合層用于修改壓電層之間的耦合強(qiáng)度。CRF可使用SMR技術(shù)或膜技術(shù)來制備。
[0010]已經(jīng)表明，薄膜垂直耦合式CRF提供相對(duì)較寬頻帶的頻率響應(yīng)(中心頻率為1850MHz的為80MHz帶寬，或者帶寬是中心頻率的4.3% (參見Fattinger等人的文獻(xiàn)))。它們還能夠進(jìn)行不平衡至平衡(換衡)轉(zhuǎn)換。垂直耦合式CRF的缺點(diǎn)是需要大量的層以及它們對(duì)壓電層厚度的靈敏度。這使得制備工藝?yán)щy并因此昂貴。
[0011]體聲波薄膜裝置(LBAW)中的橫向聲學(xué)耦合是一種有前景的濾波器制備技術(shù)，但是它尚未獲得廣泛研究。然而，可以證明，TEl模式LBAW的濾波性能相當(dāng)于或優(yōu)于目前商業(yè)可獲得的聲波濾波器。然而，濾波器通帶的下方可見強(qiáng)的雜散響應(yīng)(由TEl模式形成)。雜散峰值是由于強(qiáng)的二階厚度-剪切(TS2)波振動(dòng)模式的激發(fā)而導(dǎo)致的。為了使該原型濾波器可商業(yè)實(shí)現(xiàn)，就必須對(duì)這種響應(yīng)加以抑制。
[0012]更詳細(xì)地，與垂直聲學(xué)耦合相比，BAff中的橫向聲學(xué)耦合可通過由在壓電層上彼此接近放置的電極所形成的兩個(gè)或多個(gè)窄諧振器(寬度W是壓電層厚度d的量級(jí))來實(shí)現(xiàn)。圖4a是在布拉格反射器45 (固定安裝式諧振器類型，SMR)上制備的雙電極LBAW40的示意圖。反射器45將諧振器與襯底46隔離，以防止聲能量泄漏到襯底中，從而減少損耗。壓電激勵(lì)(piezoactive)波導(dǎo)部以附圖標(biāo)記43表示，并且電極表示為部件41，42和44。
[0013]端口 I中的電輸入信號(hào)通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)越過間隙與端口2機(jī)械地耦合，并產(chǎn)生輸出電信號(hào)。圖4b的示例中的電極為叉指形(梳狀)，但也可以是其他形狀。耦合強(qiáng)度由結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性以及由電極之間的間隙來確定。
[0014]如針對(duì)雙電極結(jié)構(gòu)的圖5a和5b所示的那樣，在簡化圖中，帶通頻率響應(yīng)由LBAW結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的兩個(gè)橫向駐波諧振而形成。在偶數(shù)模式諧振中，兩個(gè)電極同相振動(dòng)，而在奇數(shù)諧振中，它們的相位相反。針對(duì)運(yùn)行在TEl模式下的諧振器而言，具有較長波長的偶數(shù)模式諧振在頻率上低于波長較短的奇數(shù)模式諧振。駐波諧振之間的頻率差確定了濾波器所能實(shí)現(xiàn)的帶寬，并且該頻率差取決于該結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性和電極尺寸。
[0015]LBAW較垂直CRF的主要常規(guī)優(yōu)點(diǎn)在于簡單的制備技術(shù)，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)壓電層并且不需要耦合層。在高頻上的操作會(huì)比針對(duì)表面聲波部件的操作更容易，因?yàn)椴僮黝l率主要由層厚度而不是電極尺寸來確定。近來，還證明，通過LBAW濾波器可獲得寬帶寬(3dB帶寬為2GHz的5% )，這使得它們針對(duì)大多數(shù)射頻應(yīng)用均是可行的，參見IEEE于2010年10月11-14 日的 2010 年超聲研討會(huì)(IUS)會(huì)報(bào)第 966-969 頁，“Laterally coupled BAff filterswith5% bandwidth”,作者M(jìn)eltaus, J.等。這也可以從圖6a和圖6b中看出，圖6a不出了針對(duì)CRF濾波器(3dB帶寬為4.3%)的帶寬，而圖6a示出了針對(duì)LBAW濾波器的更寬帶寬?？梢钥闯?，針對(duì)所希望的TEl通帶上的信號(hào)質(zhì)量，LBAff也優(yōu)于CRF。
[0016]當(dāng)前響應(yīng)的問題在于由厚度-剪切TS2模式引起的低于所期望的通帶的雜散通帶。為了防止聲能量耗散到襯底中，優(yōu)選以如下方式設(shè)計(jì)反射器堆疊(reflector stack):反射器堆疊不僅反射縱波而且還在一定程度上反射剪切波。而且，由于橫向拓?fù)浒ㄕY(jié)構(gòu)，垂直電激勵(lì)信號(hào)與剪切模式振動(dòng)存在強(qiáng)耦合。因此，厚度剪切波模式被有效地激發(fā)并且還與濾波器結(jié)構(gòu)電耦合，由此產(chǎn)生了不希望的通帶。圖6b中清楚看到位于1790MHz處的雜散響應(yīng)。由于薄膜層堆疊的聲學(xué)特性，TS2通帶位于相對(duì)接近且低于濾波器通帶的頻率處。
[0017]在垂直耦合式BAW的情況中，先前已經(jīng)報(bào)道過由反射器設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的不希望通帶抑制，參見 R.Aigner 等人的 “Bulk Acoustic Wave Filter and Method for EliminatingUnwanted Side Passbands” 以及 US 2005/0200433。此外，US 6，933，807 還論述了將多個(gè)BAW諧振器(垂直地)耦合以形成具有最優(yōu)通帶的濾波裝置的可能性。在這些例子中，不希望的通帶不過是相對(duì)遠(yuǎn)離實(shí)際通帶，并且不像在LBAW裝置的情況中那樣地接近濾波通帶。而且，它們是操作模式的主要更高次諧波，即，與操作模式相同(通常為縱向)但卻是更高階振動(dòng)模式，而不是不同的(通常為剪切)模式。在LBAW裝置中，與剪切振動(dòng)的耦合要比BAW型CRF中的耦合強(qiáng)，其中BAW型CRF中的橫向尺寸通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LBAW中的橫向尺寸(CRF中的壓電層厚度的100倍，大約為LBAW的壓電層厚度)，并且橫向場(chǎng)不明顯。在BAW型CRF中節(jié)約操作頻率上的剪切振動(dòng)能量不像在LBAW中那樣重要。因此，BAW型CRF所使用的技術(shù)和結(jié)構(gòu)無法用于抑制LBAW濾波器中產(chǎn)生的不希望通帶。
[0018]因此，需要一種用于抑制LBAW濾波器的不希望通帶的改進(jìn)技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的是提供一種用于改善LBAW濾波器的通帶質(zhì)量和近通帶(near-passband)響應(yīng)的技術(shù)方案。
[0020]本發(fā)明基于如下評(píng)論:盡管不希望雜散通帶很接近所期望通帶，但可以通過在壓電濾波器下方設(shè)置反射器堆疊來抑制不希望部分，其中所述反射器堆疊設(shè)計(jì)為:在所述不希望通帶的頻率處使剪切波穿過所述反射器，而在濾波器通帶處對(duì)剪切波和縱波二者進(jìn)行反射以確保低損耗。
[0021]更具體地，根據(jù)本發(fā)明的橫向耦合體聲波濾波器的特征在于權(quán)利要求1所述的特征。優(yōu)選實(shí)施例的特征在于從屬權(quán)利要求。
[0022]在一個(gè)實(shí)施例中，所述濾波器包括:
[0023]-壓電激勵(lì)振動(dòng)層，其用于攜帶體聲波，
[0024]-電極裝置，其耦合于所述振動(dòng)層，用于激發(fā)至所述振動(dòng)層的至少一個(gè)具有第一頻帶的縱波模式和一個(gè)具有第二頻帶的剪切波模式，并且
[0025]-為感應(yīng)濾波通過信號(hào)，所述電極裝置包括彼此間橫向聲學(xué)耦合且放置在所述振動(dòng)層之上的第一和第二電極裝置，以及與所述振動(dòng)層的底邊相耦合的導(dǎo)電的第三電極，和
[0026]-與所述振動(dòng)層聲學(xué)連接的聲學(xué)反射器結(jié)構(gòu)，所述反射器結(jié)構(gòu)適于在所述第一頻帶、比在所述第二頻帶更有效地將所述振動(dòng)層與其周圍環(huán)境聲學(xué)隔離。
[0027]換言之，針對(duì)處于所述第一頻帶的聲學(xué)模式的所述反射器結(jié)構(gòu)的反射率要優(yōu)于針對(duì)處于所述第二頻帶的聲學(xué)模式的反射率。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的對(duì)電RF信號(hào)進(jìn)行濾波的方法包括:
[0029]-設(shè)置體聲波諧振器，以形成橫向體聲波濾波器，所述體聲波諧振器包括:
[0030].單個(gè)振動(dòng)層，
[0031].第一和第二電極,其稱合于所述振動(dòng)層并且彼此橫向聲學(xué)稱合,和
[0032].聲學(xué)反射器結(jié)構(gòu)，其適于將所述振動(dòng)層與其周圍環(huán)境進(jìn)行聲學(xué)隔離，
[0033]-將待濾波的RF信號(hào)饋送至所述第一電極，以激發(fā)至所述振動(dòng)層的聲波，其中所述聲波包括至少一個(gè)具有第一頻帶的縱波模式和一個(gè)具有第二頻帶的剪切波模式，
[0034]-通過允許剪切波至少部分地通過所述聲學(xué)反射器結(jié)構(gòu)來在第二頻帶處抑制所述剪切波模式，
[0035]-通過由所述聲學(xué)反射器結(jié)構(gòu)的反射，將處于所述第一頻帶的所述縱波模式和剪切波1吳式基本上保持在所述振動(dòng)層中上，
[0036]-使用所述第二電極來讀取所述濾波通過信號(hào)。
[0037]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在電頻率響應(yīng)(插入損耗)中，與所述第一頻帶相比，所述第二頻帶被抑制了至少6dB,更具體說的是至少10dB。
[0038]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述反射器結(jié)構(gòu)包括非對(duì)稱式多層結(jié)構(gòu)，其中所述層的厚度及聲學(xué)阻抗適于展現(xiàn)在接近所述振動(dòng)層的第一區(qū)域中以及在遠(yuǎn)離所述振動(dòng)層的第二區(qū)域中的不同聲學(xué)特性。
[0039]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述反射器結(jié)構(gòu)位于底部電極層下面，從而使得所述反射器結(jié)構(gòu)的最上層(典型地由S12制備)與所述底部電極層相接觸。所述底部電極層可以是連續(xù)的或圖案化的。
[0040]所述反射器結(jié)構(gòu)優(yōu)選為層狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含由具有不同聲學(xué)阻抗的至少兩種不同材料構(gòu)成的五層或更多層堆疊的可分辨層。通常，不同材料的層交替地排列。
[0041]所述反射器結(jié)構(gòu)和/或諧振器結(jié)構(gòu)或者它們的界面還可以包含一個(gè)或多個(gè)附加層，例如粘合層。
[0042]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述反射器結(jié)構(gòu)的至少某些層厚度與理想聲學(xué)布拉格反射器(縱向四分之一波反射器)的層厚度不同，其中不同的材料層交替，并且具有相同聲學(xué)阻抗的層的厚度相同。如本文所用的“縱向四分之一波反射器”滿足以下等式:
[0043]t = λ /4 = Vlongitudianl/ (4f0)
[0044]其中，操作頻率為&，Vlongitudianl是反射器中每種材料的特性，并且在&處縱向體波的速度由λ = Vlmgitudianl/f。給出。
[0045]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述第一和第二頻帶部分地重疊，并且所述反射器結(jié)構(gòu)適于基本上僅在頻帶的非重疊范圍中提供對(duì)剪切波的影響的所述抑制。
[0046]具體的說，在本結(jié)構(gòu)中，所述反射器最上層下面的層可被修改，從而使得剪切波不會(huì)在所述第二頻帶處(即，在TS2諧振頻率處及其周圍)被有效地反射，但與此同時(shí)，剪切波在濾波器頻帶(即，TEl的諧振頻率)處被有效地反射以確保低損耗。另一方面，可以修改最上層以改變反射器結(jié)構(gòu)的散布特性。更詳細(xì)的設(shè)計(jì)原理及示例將在后續(xù)說明。
[0047]根據(jù)另一實(shí)施例，作為調(diào)整層厚度的替代或附加，所期望的與頻率相關(guān)的反射器效果還通過從一組多于兩種的材料中選擇所述反射器結(jié)構(gòu)中各種層的聲學(xué)材料來實(shí)現(xiàn)。
[0048]裝置(具體來說是反射器結(jié)構(gòu))的散布特性以可進(jìn)行濾波器操作的方式來設(shè)計(jì):即，在濾波器頻帶內(nèi)發(fā)生電極中的能陷(energy trapping)并且該結(jié)構(gòu)優(yōu)選表現(xiàn)為具有有效縱波反射率的類型I散布。然而，也可以設(shè)計(jì)表現(xiàn)為類型2散布的結(jié)構(gòu)。
[0049]振動(dòng)層通常為壓電激勵(lì)層。對(duì)壓電層以及其相對(duì)側(cè)上的電極層的厚度進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的能陷和期望的諧振頻率。
[0050]本發(fā)明具有顯著優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的是由于改進(jìn)的通帶特性使得LBAW濾波器更適于商業(yè)RF應(yīng)用。已經(jīng)證明，不論雜散與濾波通帶有多接近，通過重新設(shè)計(jì)反射器，使得在剪切波的通帶頻率處雜散剪切波能穿過反射器，而在濾波通帶處可對(duì)縱向和剪切波二者均進(jìn)行反射，從而對(duì)不希望通帶抑制了 SdB。同時(shí)，在濾波通帶處的損耗沒有顯著增加，這是對(duì)濾波器的高效操作的基本要求。這意味著對(duì)通帶質(zhì)量的極大改善。通過進(jìn)一步優(yōu)化，可預(yù)期大于1dB的抑制。
[0051]與垂直耦合式BAW濾波器相比，本結(jié)構(gòu)允許顯著減少所需的層數(shù)。具體的說，只需要一層壓電激勵(lì)主振動(dòng)層和較少的電極層。因此，本發(fā)明也減少了壓電激勵(lì)主振動(dòng)層厚度的制造公差(由于多個(gè)這種層之間不需要耦合)。
[0052]下面，參考附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)做出更詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0053]圖1:基于薄膜技術(shù)的固定安裝式壓電BAW諧振器的示意圖。
[0054]圖2:示出了 BAW諧振器中的TEl和TS2板波模式的示意性側(cè)視圖。
[0055]圖3:示出了板波模式的橫波數(shù)Iil i = 2π/λ ||VS激勵(lì)頻率f的散布圖。
[0056]圖4a:具有四分之一波長反射器的雙頂電極式LBAW濾波器的示意性側(cè)視圖。
[0057]圖4b =LBAff濾波器中的電極布置的俯視圖。
[0058]圖5a =LBAff結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的偶數(shù)與奇數(shù)橫向駐波模式。
[0059]圖5b: ? LBAff結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的兩種橫向駐波所形成的帶通頻率響應(yīng)曲線的示意圖。
[0060]圖6a:垂直耦合式CRF的帶寬曲線圖。
[0061]圖6b:基準(zhǔn)LBAW濾波器的帶寬曲線圖。
[0062]圖7a:具有能抑制不希望剪切波響應(yīng)的反射器結(jié)構(gòu)的雙端口 LBAW濾波器的側(cè)視圖。
[0063]圖7b:聲學(xué)反射器TS2的反射率對(duì)能抑制不希望剪切波響應(yīng)的反射器結(jié)構(gòu)的頻率的示意圖。
[0064]圖8a:通過修改反射器堆疊來抑制LBAW濾波器中TS2通帶的示意圖，由此，品質(zhì)因數(shù)Q = I/ (1-1 r|2),r =反射率，針對(duì)TS2諧振頻率處的剪切波的反射率降低(虛線)，而針對(duì)縱波的反射率則保持不變。復(fù)合值是基于假設(shè)1%的聲能量在剪切振動(dòng)中來計(jì)算的。
[0065]圖Sb:示出了對(duì)不希望的TS2通帶進(jìn)行抑制的示意性頻率響應(yīng)曲線。
[0066]圖9a =LBAff堆疊的金屬化區(qū)域的仿真散布圖(TS2初動(dòng)頻率為?1800MHz而TEl在?1990MHz處初動(dòng))。
[0067]圖9b:經(jīng)修改的LBAW堆疊的金屬化區(qū)域的仿真散布圖(TS2曲線非常弱，這表示損耗波模式，TEl的初動(dòng)頻率為?1990MHz)。
[0068]圖1Oa:未修改的LBAW堆疊中的反射器反射率的一維仿真。實(shí)曲線:縱波，虛曲線:剪切波。
[0069]圖1Ob:經(jīng)修改的LBAW堆疊中的反射器反射率的一維仿真。實(shí)曲線:縱波，虛曲線:剪切波。
[0070]圖11:通過針對(duì)未修改的堆疊(實(shí)曲線)和經(jīng)修改的堆疊(虛曲線)的FEM仿真來計(jì)算的信號(hào)傳輸(電頻率響應(yīng))(已將經(jīng)修改的堆疊中的不希望的TS2通帶抑制了 8dB)。

【具體實(shí)施方式】
[0071]圖7a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的濾波器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括平面底部(基部ground)電極層74上的平面壓電激勵(lì)層73。輸入和輸出端口或電極71和72由壓電激勵(lì)層73頂部上的圖案化層來制備。底部電極74下面是由若干子層75a-e形成的聲學(xué)反射器75。子層包括交替形式的低阻抗層75a，75c及75e和高阻抗層75b及75d。聲學(xué)反射器75下面是用于支承整個(gè)結(jié)構(gòu)并吸收穿過聲學(xué)反射器75的聲能量的襯底76。
[0072]更詳細(xì)地，根據(jù)圖7自上而下列出的結(jié)構(gòu)包括:
[0073]-導(dǎo)電性頂部電極層，其被圖案化以形成至少兩個(gè)電極71和72，
[0074]-壓電激勵(lì)層73，
[0075]-導(dǎo)電性底部電極層74，
[0076]-反射器堆疊，其包括:
[0077].具有第一厚度的低阻抗第一層75a,
[0078].具有第二厚度的高阻抗第二層75b，
[0079].具有第三厚度的低阻抗第三層75c，
[0080].具有第四厚度的高阻抗第四層75d，
[0081].具有第五厚度的低阻抗第五層75e，
[0082]-支承整個(gè)濾波器70的襯底層76。
[0083]術(shù)語低阻抗和高阻抗應(yīng)當(dāng)理解為使得每個(gè)低阻抗層的聲學(xué)阻抗不大于任何高阻抗層的聲學(xué)阻抗。低阻抗層和高阻抗層通常由不同材料制成。在這些組中的每個(gè)組內(nèi)，該組中各個(gè)層的材料以及相應(yīng)的聲學(xué)阻抗通常彼此相同，但是也可以互不相同。
[0084]與現(xiàn)有技術(shù)的LBAW濾波器相反，對(duì)聲學(xué)反射器75的子層75a_e的厚度進(jìn)行調(diào)整，從而選擇性地使振動(dòng)層73中所產(chǎn)生的不同模式的通帶頻率通過或被反射。存在一些可單獨(dú)使用或組合使用的一般性規(guī)則來設(shè)計(jì)這種反射器結(jié)構(gòu):
[0085]-位于所期望的操作頻率(例如，濾波器中心頻率)處的四分之一波長反射器可以作為設(shè)計(jì)起點(diǎn)。也就是，在所期望的操作頻率處，各反射器層厚度是在此頻率時(shí)材料中所使用的聲波類型(例如，縱向體波)的聲學(xué)波長的四分之一。
[0086]-根據(jù)所使用的壓電材料以及要使用的振動(dòng)模式，可能有必要調(diào)整層的厚度從而獲得所期望的散布特性。例如，當(dāng)使用固有地具有類型2散布的壓電AlN時(shí)，獲得那種在頻率上使二階厚度-剪切模式(TS2)低于TEl模式的散布類型可能較為理想。針對(duì)1/5102反射器而言，這通常意味著增加最上層S12層的厚度。
[0087]-為了確保低損耗，理想的是使剪切波反射位于濾波器通帶內(nèi)部。為此，可以調(diào)整層厚度(包括振動(dòng)層和電極層)。通常，這意味著根據(jù)它們的四分之一波長值來減小反射器層厚度。
[0088]-在確定諧振頻率或不希望的振動(dòng)模式(其形成不希望的通帶響應(yīng)，例如TS2)的頻率之后，調(diào)整層厚度，以便針對(duì)那些頻率周圍的不希望振動(dòng)來降低反射器的反射率，而所期望的散布類型和濾波器通帶處的低損耗得以保留。為此，應(yīng)盡可能少地修改諧振器的層(振動(dòng)層和電極)和最接近諧振器的反射器層，優(yōu)選為根本不做修改。如果需要的話，將它們修改為接近但不超過其在不希望響應(yīng)的頻率處的四分之一波長值。這確保了濾波器的操作保持為近似最優(yōu)。
[0089]-最上層的反射器層下面的反射器層修改為接近、如果需要時(shí)超過其在不希望響應(yīng)的頻率處的四分之一波長值。這確保了不希望的剪切波頻率可通過反射器。
[0090]根據(jù)以上給出的一般性規(guī)則，可對(duì)若干實(shí)際的實(shí)施例進(jìn)行描述。
[0091]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，堆疊包括至少兩個(gè)高聲學(xué)阻抗層，其中距離振動(dòng)層較遠(yuǎn)的那一高聲學(xué)阻抗層比更接近振動(dòng)層的高聲學(xué)阻抗層厚。
[0092]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，堆疊包括至少三個(gè)低聲學(xué)阻抗層，其中最外層不會(huì)厚于最外層之間的任何低聲學(xué)阻抗層的厚度。
[0093]在一典型實(shí)施例中，最接近振動(dòng)層的反射器層所具有的厚度大于具有相同數(shù)量的層并且處于不希望響應(yīng)的頻率的縱向四分之一波長反射器結(jié)構(gòu)的相應(yīng)層的厚度，而其余反射器層中的至少一個(gè)層具有比它們的相應(yīng)層小的厚度。在一個(gè)實(shí)施例中，只有最上層的反射器層下面那層(即，自頂部的第二反射器層)所具有的厚度小于它在縱向四分之一波長反射器結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)層的厚度。其他層具有相同或更大的厚度。
[0094]例如，與不希望響應(yīng)的頻率上的縱向四分之一波長反射器結(jié)構(gòu)相比，五層的反射器結(jié)構(gòu)如下:
[0095]?第一層75a(最上層)有較大厚度。
[0096].第二層75b具有較小厚度。
[0097].第三層75c具有較大厚度。
[0098].第四層75d具有較大厚度。
[0099].第五層75e具有較大厚度。
[0100]為給出更確切的示例，各層自上而下的相對(duì)厚度處于以下范圍內(nèi)(壓電激勵(lì)層的相對(duì)厚度是1800個(gè)單位):
[0101]-低阻抗第一層:900-1200，特別為950-1050，
[0102]-高阻抗第二層:500-700，特別為520-580，
[0103]-低阻抗第三層:900-1400，特別為1000-1300，
[0104]-高阻抗第四層:750-1000，特別為800-900，
[0105]-低阻抗第五層:850-1100，特別為900-1000。
[0106]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，上面提及的單位是納米。相應(yīng)的縱向四分之一波長反射器層的厚度將在下面的章節(jié)“仿真示例”中給出。
[0107]圖7b中示出了反射率的概略形狀對(duì)根據(jù)圖7a的反射器結(jié)構(gòu)的剪切波的頻率?？梢钥闯?，在TS2通帶的頻率處存在顯著的切口，其專門抑制雜散響應(yīng)。
[0108]如后面將借助仿真而示出的那樣，可以在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)這種行為(圖1Oa和1b)。
[0109]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電極71，72包括在振動(dòng)層頂部上的兩個(gè)局部或圖案化電極，并且在振動(dòng)層下面存在附加的一個(gè)平面電極層。具體地說，電極71，72可設(shè)置在振動(dòng)層頂上的叉指形(梳狀)構(gòu)造中，以便形成叉指形換能器(IDT)。
[0110]如圖7a所示，取代作為平面的連續(xù)電極層，底部電極層也可以進(jìn)行圖案化以形成至少兩個(gè)電極。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，底部電極層包括布置在叉指形構(gòu)造中的兩個(gè)電極部分(未示出)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，頂部和底部電極二者均適于作為叉指形換能器，以便形成四電極濾波器。優(yōu)選的是，頂部和底部電極具有相同的幾何形狀，具體說是相同的叉指形幾何形狀。
[0111]如果在壓電激勵(lì)層的頂部和底部上有兩個(gè)電極，則可以在濾波器中實(shí)現(xiàn)簡單的平衡-不平衡(換衡)信號(hào)轉(zhuǎn)換(也稱為差分單端轉(zhuǎn)換)。目前許多無線電裝置使用單獨(dú)的換衡部件。已證明，具有TS2抑制反射器結(jié)構(gòu)的本LBAW濾波器能在單個(gè)部件中與換衡轉(zhuǎn)換相兼容，這使得本發(fā)明更加適于實(shí)際應(yīng)用。
[0112]電極和堆疊設(shè)計(jì)為在濾波器所期望的通帶頻率處陷獲(trap)振動(dòng)層的所期望的波模式。
[0113]應(yīng)當(dāng)指出，反射器堆疊優(yōu)選設(shè)計(jì)為不但能反射縱波(其是濾波器通帶內(nèi)的顯著波模式)，而且還反射剪切波(其在較小程度上也出現(xiàn)在厚度延伸模式中，以便最大化濾波器的輸出信號(hào))。因此，反射器堆疊設(shè)計(jì)為使其在通帶內(nèi)能良好地反射縱波和剪切波，但在TS2模式的初動(dòng)處及其周圍傳送剪切波，從而抑制不希望的通帶響應(yīng)。
[0114]用于濾波器的不同層的可能材料包括:
[0115]-頂部電極:Al、Mo
[0116]-壓電激勵(lì)層:A1N、ZnO、ScAIN、LiNbO3
[0117]-底部電極:Mo、Al、Pt
[0118]-低阻抗反射材料:S12
[0119]-高阻抗反射材料:W、Mo、AlN、ZnO、Si3N4、Ta2O5
[0120]-襯底:硅、玻璃、石英、藍(lán)寶石
[0121]然而，還可以選擇可用于每個(gè)層的其他可能的材料。
[0122]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，調(diào)整后的堆疊還設(shè)計(jì)為保留可使濾波器操作獲得更低損耗的其他特性:類型I散布、濾波器結(jié)構(gòu)內(nèi)的能量陷獲(濾波器之外的漸逝波)、以及足夠高的機(jī)電耦合系數(shù)。還有利的是，使TS2模式在頻率上盡可能遠(yuǎn)離TEl模式。然而，TS2模式的峰值通常在所期望的濾波器操作頻率的15%之內(nèi)，由此根據(jù)上述原則，需要非常細(xì)致地調(diào)整反射器。
[0123]仿真示例
[0124]在下文中，借助兩種反射器及諧振層堆疊的設(shè)計(jì)來說明本發(fā)明的可行性。第一種(稱為未修改堆疊)設(shè)計(jì)為可有效地反射縱波和剪切波，并具有強(qiáng)TS2響應(yīng)。
[0125]然后，對(duì)未修改堆疊進(jìn)行修改，以獲得上述功能。這種堆疊用來說明本發(fā)明。
[0126]在表I中，針對(duì)原始(未修改)的反射器及諧振器堆疊以及經(jīng)修改的堆疊，自上而下地給出層的材料和厚度。作為參考，還給出了在1800MHz (接近TS2曲線的初動(dòng)頻率)處的反射器層的四分之一波長厚度。
[0127]表1:仿真堆疊中自上而下的層厚度(nm)。針對(duì)反射器層，還給出了針對(duì)在TS2初動(dòng)頻率(1800MHz)處的縱波的是四分之一波長反射器。
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[0129]應(yīng)當(dāng)指出，層的材料可以是本示例所使用材料以外的其他材料。
[0130]由此可知，在經(jīng)修改的堆疊中，最接近諧振器(Wl和Si02_l)的反射器層根本不做修改，或者僅是從剪切-反射厚度向著四分之一波長厚度稍做修改。另一方面，下面的層(Si02_2、W2、Si02_3)，改變得甚至比四分之一波長堆疊所需要的還多。為了保留必要的濾波操作特性，諧振器層(壓電振動(dòng)層和電極層)可能也需要修改。
[0131]散布特性
[0132]圖9a_9b示出了針對(duì)兩種堆疊中的金屬化區(qū)域而計(jì)算的散布特性(參見【專利附圖】

【附圖說明】)。正X軸表示實(shí)波數(shù)(傳播波)，負(fù)X軸表示虛波數(shù)(漸逝波)。銳曲線意味著波模式是單純傳播模式還是漸逝模式，模糊曲線表示復(fù)數(shù)波數(shù)/有損波模式。
[0133]未修改的LBAW的示例性堆疊的金屬化(電極)區(qū)域的散布(圖9a)顯示出TS2模式與TEl模式在K = O時(shí)的頻率之間的頻率差為?160MHz，其中TEl模式起始于1990MHz而TS2模式起始于1830MHz。
[0134]在經(jīng)修改的示例性堆疊的電極區(qū)域(圖9b)中，TEl模式起始于1990MHz，并且針對(duì)TS2曲線在K = O時(shí)的頻率為1830MHz。因此，與未修改的堆疊相比，散布曲線在頻率上不會(huì)顯著位移。針對(duì)TS2模式的曲線不太突出，這表明波模式損耗較大。
[0135]反射器的反射率
[0136]針對(duì)未修改及經(jīng)修改的堆疊的仿真反射器反射率繪制在圖1Oa和1b中。在未修改堆疊中，在TEl諧振頻率(1990MHz，由垂直虛線表示)處，縱波(實(shí)線)的反射率接近1，而剪切波(虛線)的反射率接近0.995。在TS2模式的初動(dòng)頻率(1800MHz，由垂直虛線表示)處，剪切波的反射率也較高(線性刻度為0.992)。
[0137]在經(jīng)修改的堆疊中，在TEl和TS2模式的初動(dòng)頻率(1990Mhz和1800MHz，由垂直虛線表示)處，縱波的反射率接近I。對(duì)剪切波而言，在TS2模式的初動(dòng)頻率(1800MHz，由垂直虛線表示)周圍的反射率顯著減小，反射率大約為0.55。注意，圖中不同的y軸刻度。
[0138]位移場(chǎng)
[0139]層堆疊中剪切波的位移場(chǎng)分布例如可通過仿真來研究。通常，在未修改堆疊中，在頂層S12層的位移幅度非常高，并且越深入堆疊位移幅度越低。在經(jīng)修改的堆棧中，整個(gè)反射器的位移幅度相當(dāng)。這表明，在經(jīng)修改的堆疊中，剪切振動(dòng)穿過了聲學(xué)反射器而沒有被有效反射。
[0140]FEM (有限元)仿真
[0141]一維模型不會(huì)同時(shí)考慮縱波橫波和剪切波。為了更詳細(xì)地仿真出效果，使用COMSOL多物理量FEM求解器。
[0142]圖11示出針對(duì)未修改(實(shí)曲線)和經(jīng)修改(虛曲線)的堆疊而計(jì)算的(FEM)信號(hào)傳輸(電頻率響應(yīng))。與未修改的堆疊相比，經(jīng)修改的堆棧中的TS2響應(yīng)(參見以下濾波器通帶，略高于1800MHz)抑制了?8dB。濾波器通帶的損耗水平保持不變。
【權(quán)利要求】
1.一種橫向I禹合式體聲波濾波器(70),包括: -用于攜帶體聲波的振動(dòng)層(73)， -電極裝置(71，72，74)，其包括:耦合于所述振動(dòng)層(73)的第一電極(71)，用以激發(fā)至所述振動(dòng)層(73)的至少一個(gè)具有第一頻帶的縱波模式和一個(gè)具有第二頻帶的剪切波模式，和耦合于所述振動(dòng)層的第二電極(72)，用以感應(yīng)濾波通過信號(hào)，其中所述第一和第二電極(71,72)相對(duì)于彼此橫向設(shè)置， -與所述振動(dòng)層(73)聲學(xué)連接的聲學(xué)反射器結(jié)構(gòu)(75), 其特征在于， -所述反射器結(jié)構(gòu)(75)適于在所述第一頻帶處、比在所述第二頻帶處更有效地將所述振動(dòng)層(73)與其周圍環(huán)境聲學(xué)隔離，從而在所述第二頻帶處抑制所述剪切波模式對(duì)所述濾波通過信號(hào)的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，在電頻率響應(yīng)中，就插入損耗而言，與所述第一頻帶相比，所述第二頻帶抑制了至少6dB，特別為至少10dB。
3.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，所述反射器結(jié)構(gòu)(75)包括非對(duì)稱的多層結(jié)構(gòu)(75a_e)，其中所述層的厚度和聲學(xué)阻抗適于展現(xiàn)接近所述振動(dòng)層(73)的第一區(qū)域中以及遠(yuǎn)離所述振動(dòng)層的第二區(qū)域中的不同聲學(xué)特性。
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，所述反射器結(jié)構(gòu)(75)包括至少四層交替排列的高 、低聲學(xué)阻抗層(75a_e)的堆疊，其中所述低阻抗層(75a，75c，75e)中每一層的固有聲學(xué)阻抗不大于所述高阻抗層(75b，75d)中任一層的固有聲學(xué)阻抗。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的濾波器，其特征在于， -所述堆疊中最靠近振動(dòng)層(73)的最上層(75a)的厚度大于四分之一波長縱向反射器結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的計(jì)算層厚度，其反射率針對(duì)所述第二頻帶而處于最高， -所述最上層(75a)下方的堆疊中的層(75b_e)中至少一層的厚度、優(yōu)選為至少一半的層的厚度、典型地為所有層的厚度小于所述四分之一波長縱向反射器結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的計(jì)算層厚度，其反射率針對(duì)所述第二頻帶而處于最高。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的濾波器，其特征在于，所述堆疊包括至少兩個(gè)高聲學(xué)阻抗層(75b，75d)，其中更遠(yuǎn)離所述振動(dòng)層(73)的那一層(75d)比更接近所述振動(dòng)層(73)的那一層(75b)厚。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，所述堆疊包括至少三個(gè)低聲學(xué)阻抗層(75a，75c，75e)，其最外層(75a，75e)不厚于所述最外層之間的低聲學(xué)阻抗層(75c)中的任一層。
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，所述振動(dòng)層(73)由壓電材料制成，并且所述第一和第二電極(71，72)相對(duì)于彼此橫向設(shè)置在所述振動(dòng)層(73) —側(cè)上，并且所述電極裝置還包括設(shè)置在所述振動(dòng)層(73)的相對(duì)側(cè)上的第三平面電極(74)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的濾波器，其特征在于，所述振動(dòng)層(73)由壓電材料制成，并且所述第一和第二電極(71，72)設(shè)置在所述振動(dòng)層(73)的一側(cè)上，并且所述電極裝置包括相對(duì)于彼此橫向設(shè)置在所述振動(dòng)層的相對(duì)側(cè)上的第三和第四電極。
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，所述電極裝置包括在所述振動(dòng)層(73)的一側(cè)或兩側(cè)上設(shè)置的叉指形構(gòu)造中的兩個(gè)分支電極。
11.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，所述縱波模式是一階厚度延伸(TEL)模式，并且所述剪切波模式是二階厚度剪切模式(TS2)。
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，所述剪切波模式的頻率偏離于所述縱波模式的頻率不超過15%。
13.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，所述濾波器包括自上而下列出的但不排除任何中間層的下列層: -導(dǎo)電的第一電極層，其被圖案化以形成至少兩個(gè)電極(71，72)， -壓電激勵(lì)層(73)， -導(dǎo)電的第二電極層(74)， -具有第一厚度的低阻抗第一層(75a)， -具有第二厚度的高阻抗第二層(75b)， -具有第三厚度的低阻抗第三層(75c)， -具有第四厚度的高阻抗第四層(75d)， -具有第五厚度的低阻抗第五層(75e)， -支承整個(gè)濾波器的 襯底層(76)， 其中，所述低阻抗層(75a，75c，75e)中每一層的固有聲學(xué)阻抗不大于所述高阻抗層(75b, 75d)中任一層的固有聲學(xué)阻抗。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的濾波器，其特征在于，各層的相對(duì)厚度處于如下范圍內(nèi)，其中所述壓電激勵(lì)層的相對(duì)厚度為1800個(gè)單位: -低阻抗第一層(75a):900-1200,特別為 950-1050， -高阻抗第二層(75b):500-700,特別為520-580， -低阻抗第三層(75c):900-1400,特別為1000-1300， -高阻抗第四層(75d):750-1000,特別為800-900， -低阻抗第五層(75e):850-1100,特別為900-1000。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的濾波器，其特征在于，所述振動(dòng)層(73)的厚度為500-3000nm，特別是 1500_2000nm。
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，所述第一頻帶在0.5-5GHz范圍內(nèi)。
17.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，所述第一和第二頻帶部分地重疊，并且所述反射器結(jié)構(gòu)(75)適于基本上僅在頻帶的非重疊范圍處提供對(duì)剪切波影響的所述抑制。
18.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，在所述第二頻帶處使剪切波穿過所述反射器結(jié)構(gòu)(75)，并且在所述第一頻帶中剪切波和縱波二者均從所述反射器結(jié)構(gòu)(75)中反射。
19.一種電RF信號(hào)的濾波方法，包括: -設(shè)置根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的橫向體聲波濾波器(70)，-將待濾波的RF信號(hào)饋送至所述第一電極(71)，從而激發(fā)至所述振動(dòng)層(73)的聲波，其中所述聲波包括至少一個(gè)具有第一頻帶的縱波模式和一個(gè)具有第二頻帶的剪切波模式，-通過允許剪切波至少部分地通過所述聲學(xué)反射器結(jié)構(gòu)(75)而在第二頻帶處抑制所述剪切波模式， -通過由所述聲學(xué)反射器結(jié)構(gòu)(75)的反射，在所述第一頻帶處將所述縱波模式和剪切波豐旲式基本上保持在所述振動(dòng)層(73)中， -使用所述第二電極( 72)來讀取所述濾波通過信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H03H9/17GK104205632SQ201280066944
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月11日
【發(fā)明者】約翰娜·麥陶斯, 托馬斯·彭薩拉 申請(qǐng)人:芬蘭國家技術(shù)研究中心