專利名稱：結(jié)合了薄膜聲耦合變換器的聲電隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)合了薄膜聲耦合變換器的聲電隔離器。
背景技術(shù)：
電隔離器(galvanic isolator)允許信息信號(hào)從其輸入端通到其輸出端，但是在其輸入端與其輸出端之間沒(méi)有導(dǎo)電路徑。沒(méi)有導(dǎo)電路徑使電隔離器可以防止不期望的電壓在其輸入端與其輸出端之間通過(guò)。嚴(yán)格地說(shuō)，電隔離器只阻擋直流(DC)電壓，不過(guò)通常的電隔離器也會(huì)另外阻擋交流(AC)電壓，例如電力線處的音頻電壓。電隔離器的一種示例是數(shù)據(jù)耦合器，它使高數(shù)據(jù)率的數(shù)字信息信號(hào)通過(guò)，但是會(huì)阻擋DC電壓，另外還阻擋低頻AC電壓。
數(shù)據(jù)耦合器的一種示例是光隔離器，例如Agilent Technologies，Inc.銷售的光隔離器。在光隔離器中，由發(fā)光二極管(LED)將電信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光信號(hào)經(jīng)過(guò)不導(dǎo)電的光傳輸介質(zhì)(通常是空氣隙或光波導(dǎo))，并由光檢測(cè)器接收。光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。是因?yàn)楣庑盘?hào)可以通過(guò)不導(dǎo)電的光傳輸介質(zhì)，而不需要金屬導(dǎo)體，所以提供了電隔離功能。
其他的數(shù)據(jù)耦合器包括由第一線圈磁耦合到第二線圈所組成的變壓器。使電信息信號(hào)通過(guò)第一線圈會(huì)將電信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁通量。磁通量通過(guò)空氣或不導(dǎo)電的透磁材料到達(dá)第二線圈。第二線圈將磁通量轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。變壓器允許高數(shù)據(jù)率信息信號(hào)通過(guò)，而阻擋DC電壓和低頻AC電壓的傳輸。磁通量傳輸體造成的阻礙足以防止DC電壓和低頻AC電壓從輸入端通到輸出端。有時(shí)也用隔直電容來(lái)提供類似的隔離功能。
便宜的光隔離器的數(shù)據(jù)率通常由于器件的電容以及光器件的功率限制而被限制在約10Mb/s。采用變壓器方式需要線圈具有大電感同時(shí)還要能夠傳輸高數(shù)據(jù)率的信息信號(hào)。這種相互矛盾的需求常常難以兼顧。使用電容器不能在導(dǎo)電路徑中提供絕對(duì)的隔斷，因?yàn)樾畔⑿盘?hào)會(huì)以電的方式傳輸通過(guò)。更好的解決方案將電信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一種形式的信號(hào)(例如光或磁通量)，然后將這種另外形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。這樣可以消除輸入端與輸出端之間的電路徑。
許多數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以100Mb/s的速度工作。需要一種能夠以100Mb/s或更高速度工作的緊湊、便宜的電隔離器。還需要一種易于制造并具有良好的共模抑制的緊湊、便宜的電隔離器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在第一方面提供了一種聲電隔離器。聲電隔離器的實(shí)施例包括載波信號(hào)源、被連接以接收信息信號(hào)和載波信號(hào)的調(diào)制器、解調(diào)器、以及連接在調(diào)制器與解調(diào)器之間的電隔離聲耦合器，所述電隔離聲耦合器包括電隔離薄膜聲耦合變換器(FACT)。
在第二方面，本發(fā)明提供了一種用于對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行電隔離的方法。該方法的實(shí)施例包括提供電隔離聲耦合器的步驟，電隔離聲耦合器包括電隔離薄膜聲耦合變換器(FACT)；提供載波信號(hào)的步驟；用信息信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制以形成調(diào)制電信號(hào)的步驟；經(jīng)過(guò)電隔離聲耦合器對(duì)調(diào)制電信號(hào)進(jìn)行聲耦合的步驟；以及從經(jīng)過(guò)電隔離聲耦合器聲耦合的調(diào)制電信號(hào)恢復(fù)信息信號(hào)的步驟。
包括電隔離FACT的電隔離聲耦合器體積小巧，制造便宜，還能夠?qū)?shù)據(jù)率超過(guò)100Mbit/s的信息信號(hào)進(jìn)行聲耦合，并能在其輸入端與其輸出端之間承受很大的DC或AC電壓。另外，包括電隔離FACT的電隔離聲耦合器在其輸入端與其輸出端之間提供了良好的共模抑制。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的聲電隔離器的框圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的聲耦合器一種示例的示意圖，所述聲耦合器可以用作圖1所示聲電隔離器的電隔離聲耦合器；圖3的曲線圖示出作為圖2所示聲耦合器組成部分的薄膜聲耦合變換器(FACT)一種示例性實(shí)施例的頻率響應(yīng)特性；圖4A是圖2所示聲耦合器一種實(shí)際示例的俯視圖；圖4B和圖4C分別是沿圖4A所示剖面線4B-4B和4C-4C的剖視圖；圖5A是圖4B中標(biāo)有5A的部分的放大圖，示出了聲去耦器的第一實(shí)施例；圖5B是圖4B中標(biāo)有5A的部分的放大圖，示出了聲去耦器的第二實(shí)施例；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的聲耦合器一種示例的示意圖，所述聲耦合器可以用作圖1所示聲電隔離器的電隔離聲耦合器；圖7A是圖6所示聲耦合器一種實(shí)際示例的俯視圖；圖7B和圖7C分別是沿圖7A所示剖面線7B-7B和7C-7C的剖視圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的聲耦合器一種示例的示意圖，所述聲耦合器可以用作圖1所示聲電隔離器的電隔離聲耦合器；圖9A是圖8所示聲耦合器一種實(shí)際示例的俯視圖；圖9B和圖9C分別是沿圖9A所示剖面線9B-9B和9C-9C的剖視圖；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的聲耦合器一種示例的示意圖，所述聲耦合器可以用作圖1所示聲電隔離器的電隔離聲耦合器；
圖11A是圖10所示聲耦合器一種實(shí)際示例的俯視圖；圖11B和圖11C分別是沿圖11A所示剖面線11B-11B和11C-11C的剖視圖；圖12A是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的聲耦合器一種示例的示意圖，所述聲耦合器可以用作圖1所示聲電隔離器的電隔離聲耦合器；圖12B是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的聲耦合器一種示例的示意圖，其中組成其的那些FACT制造在同一襯底上；圖13是示出圖12B所示聲耦合器一種實(shí)際示例的俯視圖；以及圖14是示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例用于對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行電隔離的方法一種示例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的聲電隔離器10的框圖。聲電隔離器10在其輸入端子和其輸出端子之間傳輸電信息信號(hào)SI，同時(shí)在其輸入端子與其輸出端子之間提供電隔離。聲電隔離器10不僅提供DC電隔離，而且提供AC電隔離。另外，聲電隔離器10在其輸入端子與其輸出端子之間具有良好的共模抑制。電信息信號(hào)SI通常是高數(shù)據(jù)率的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，但也可以是模擬信號(hào)。在一種應(yīng)用中，電信息信號(hào)SI是100Mbit/s的以太網(wǎng)信號(hào)。
在所示的示例中，聲電隔離器10由本地振蕩器12、調(diào)制器14、電隔離聲耦合器16和解調(diào)器18組成。在所示的示例中，本地振蕩器12是電載波信號(hào)SC的源。調(diào)制器14的輸入端被連接為從聲電隔離器10的輸入端子22、24接收電信息信號(hào)SI以及從本地振蕩器12接收載波信號(hào)SC。調(diào)制器14的輸出端連接到電隔離聲耦合器16的輸入端26、28。
電隔離聲耦合器16在輸出端32、34處提供了差分輸出。電隔離聲耦合器16的輸出端32、34連接到解調(diào)器18的輸入端。解調(diào)器18的輸出端連接到聲電隔離器10的輸出端子36、38。
電隔離聲耦合器16具有帶通頻率響應(yīng)，這將在下面參考圖3進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本地振蕩器12產(chǎn)生載波信號(hào)SC，其標(biāo)稱頻率位于電隔離聲耦合器16的通帶中心。在聲電隔離器10的一種示例性實(shí)施例中，電隔離聲耦合器16的通帶中心頻率為1.9GHz，本地振蕩器12產(chǎn)生頻率為1.9GHz的載波信號(hào)SC。本地振蕩器12將載波信號(hào)SC饋送到調(diào)制器14的載波信號(hào)輸入端。
調(diào)制器14從輸入端子22、24接收電信息信號(hào)SI并用電信息信號(hào)SI對(duì)載波信號(hào)SC進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)SM。通常，調(diào)制電信號(hào)SM是根據(jù)電信息信號(hào)SI調(diào)制過(guò)的載波信號(hào)SC。可以使用任何適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方案。在一種示例中，載波信號(hào)由電信息信號(hào)SI進(jìn)行幅度調(diào)制，電信息信號(hào)SI是數(shù)字信號(hào)，具有分別代表0和1的低信號(hào)電平和高信號(hào)電平，在這種示例中，調(diào)制電信號(hào)SM具有分別代表電信息信號(hào)中的0和1的小幅度和大幅度。
如下面將要參考圖2和圖4A-4C詳細(xì)說(shuō)明的，電隔離聲耦合器16將調(diào)制電信號(hào)SM從其輸入端26、28聲耦合到其輸出端32、34，從而向解調(diào)器18的輸入端提供電輸出信號(hào)SO。電輸出信號(hào)SO類似于調(diào)制電信號(hào)SM，即，它是具有與載波信號(hào)SC相同的頻率、與調(diào)制電信號(hào)SM相同的調(diào)制方案以及與電信息信號(hào)SI相同的信息內(nèi)容的調(diào)制電信號(hào)。解調(diào)器18對(duì)電輸出信號(hào)SO進(jìn)行解調(diào)以恢復(fù)電信息信號(hào)SI作為恢復(fù)電信息信號(hào)SR?；謴?fù)電信息信號(hào)SR被從解調(diào)器18輸出到輸出端子36、38。
如本領(lǐng)域所知，解調(diào)器18包括檢測(cè)器(未示出)，該檢測(cè)器從電輸出信號(hào)SO恢復(fù)電信息信號(hào)SI。在一種示例中，檢測(cè)器對(duì)電輸出信號(hào)SO進(jìn)行整流和積分以恢復(fù)電信息信號(hào)SI。通常，對(duì)于電信息信號(hào)SI是數(shù)字信號(hào)的應(yīng)用，在期望用于這些應(yīng)用的一種實(shí)施例中，解調(diào)器18通常還在檢測(cè)器之后包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路。CDR電路用于對(duì)從電輸出信號(hào)SO中恢復(fù)的原始電信息信號(hào)波形進(jìn)行清理以產(chǎn)生恢復(fù)電信息信號(hào)SR。解調(diào)器向聲電隔離器10的輸出端子36、38提供恢復(fù)電信息信號(hào)SR。
適于用作聲電隔離器10中的本地振蕩器12、調(diào)制器14和解調(diào)器18的電路是本領(lǐng)域公知的。因此，不再對(duì)本地振蕩器12、調(diào)制器14和解調(diào)器18進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
在圖1所示的實(shí)施例中將本地振蕩器12示為聲電隔離器10的一部分。在其他實(shí)施例中，聲電隔離器10不帶本地振蕩器，而是具有載波信號(hào)輸入端子(未示出)，聲電隔離器經(jīng)過(guò)這些輸入端子從外部載波信號(hào)發(fā)生器接收載波信號(hào)SC。在這樣的實(shí)施例中，載波信號(hào)輸入端子為聲電隔離器提供載波信號(hào)源。
現(xiàn)在將對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的可用作聲電隔離器10中電隔離聲耦合器16的聲耦合器進(jìn)行說(shuō)明。如下面將參考圖3詳細(xì)說(shuō)明的一樣，這些實(shí)施例都具有帶通頻率響應(yīng)。聲耦合器的通帶特征在于中心頻率和帶寬。通帶的帶寬確定了可以由聲耦合器進(jìn)行聲耦合的信息信號(hào)最大數(shù)據(jù)率。為了簡(jiǎn)單起見，將把聲耦合器的通帶中心頻率稱為“聲耦合器的中心頻率”。如下面會(huì)更詳細(xì)說(shuō)明的，聲耦合器的實(shí)施例是部分由各種傳聲材料的層組成的，這些層的厚度取決于聲信號(hào)在傳聲材料中的波長(zhǎng)，所述聲信號(hào)的標(biāo)稱頻率等于聲耦合器的中心頻率。在圖1所示聲電隔離器10中，載波信號(hào)SC的標(biāo)稱頻率等于用作電隔離聲耦合器16的聲耦合器的中心頻率。
在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)“四分之一波層(quarter-wave layer)”將用于表示這樣的傳聲材料層，該層的標(biāo)稱厚度t等于聲信號(hào)在材料中波長(zhǎng)的四分之一的奇數(shù)倍，其中所述聲信號(hào)的標(biāo)稱頻率等于聲耦合器的中心頻率，即t≈(2m+1)λn/4(1)其中λn為上述傳聲材料中聲信號(hào)的波長(zhǎng)，m為大于或等于零的整數(shù)。四分之一波層的厚度可以與標(biāo)稱厚度相差λn/4的約±10％。也可以使用這個(gè)容限范圍之外的厚度，但性能會(huì)惡化，不過(guò)四分之一波層的厚度總是與λn/2的整數(shù)倍差別顯著。
此外，本發(fā)明中，在上述術(shù)語(yǔ)“四分之一波層”前加上表示四分之一波長(zhǎng)數(shù)目的數(shù)字來(lái)表示這樣的四分之一波層，該層的厚度等于上述聲信號(hào)在該層的材料中波長(zhǎng)四分之一的具體倍數(shù)。例如，術(shù)語(yǔ)“一倍四分之一波層”將用于表示這樣的傳聲材料層，其標(biāo)稱厚度t等于聲信號(hào)在材料中波長(zhǎng)的四分之一，即t≈λn/4(式(1)中m＝0)，其中所述聲信號(hào)的頻率等于聲耦合器的中心頻率。一倍四分之一波層是最小可能厚度的四分之一波層。與之類似，三倍四分之一波層的標(biāo)稱厚度t等于上述聲信號(hào)在材料中波長(zhǎng)的四分之三，即t≈3λn/4(式(1)中m＝1)。
術(shù)語(yǔ)“半波層(half-wave layer)”將用于表示這樣的傳聲材料層，該層的標(biāo)稱厚度t等于聲信號(hào)在材料中波長(zhǎng)一半的整數(shù)倍，其中所述聲信號(hào)的頻率等于聲耦合器的中心頻率，即t≈nλn/2(2)其中n為大于零的整數(shù)。半波層的厚度可以與標(biāo)稱厚度相差λn/2的約±10％。也可以使用這個(gè)容限范圍之外的厚度，但性能會(huì)惡化，不過(guò)半波層的厚度總是與λn/4的奇數(shù)倍差別顯著。可以在術(shù)語(yǔ)“半波層”前加上數(shù)字來(lái)表示這樣的半波層，該層的厚度等于上述聲信號(hào)在該層的材料中波長(zhǎng)一半的具體倍數(shù)。
聲電隔離器以及作為其組成部分的電隔離聲耦合器的特征在于“擊穿電壓”。聲電隔離器的擊穿電壓是這樣的電壓，當(dāng)在聲電隔離器的輸入端子與輸出端子之間施加該電壓時(shí)，會(huì)造成大于閾值漏電流的漏電流流過(guò)。在像本發(fā)明中這樣具有多個(gè)輸入端子和多個(gè)輸出端子的聲電隔離器中，通過(guò)將輸入端子彼此電連接、輸出端子也彼此電連接來(lái)測(cè)量擊穿電壓。電隔離聲耦合器的擊穿電壓是這樣的電壓，當(dāng)在聲諧振電絕緣體的輸入端與輸出端之間施加該電壓時(shí)，會(huì)造成大于閾值漏電流的漏電流流過(guò)。在像本發(fā)明中這樣具有多個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端的電隔離聲耦合器中，通過(guò)將輸入端彼此電連接、輸出端也彼此電連接來(lái)測(cè)量擊穿電壓。閾值漏電流取決于具體應(yīng)用情況，通常為微安量級(jí)。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的聲耦合器100一種示例的示意圖。聲耦合器100包括輸入端26和28、輸出端32和34、以及電隔離薄膜聲耦合變換器(FACT)105。FACT 105由第一去耦堆疊聲體波諧振器(DSBAR)106、第二DSBAR 108、電路140和電路141組成，電路140對(duì)DSBAR 106和DSBAR 108進(jìn)行互連，還將DSBAR 106、108連接到輸入端26、28，電路141對(duì)DSBAR 106和DSBAR 108進(jìn)行互連，還將DSBAR 106、108連接到輸出端32、34。在電隔離FACT 105中，至少各個(gè)DSBAR 106、108的薄膜聲體波諧振器(FBAR)之一的壓電元件在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供電隔離。
在用作圖1所示聲電隔離器10中的電隔離聲耦合器16時(shí)，聲耦合器100將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34，同時(shí)在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供電隔離。因此，聲耦合器100有效地將輸出端子36、38與輸入端子22、24電隔離開來(lái)，并使輸出端子與輸入端子在電壓方面可以具有高達(dá)其額定擊穿電壓的電壓差。另外，聲耦合器100和此處所述的其他聲耦合器實(shí)施例還在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供共模抑制。最后，在聲耦合器100和此處所述的其他聲耦合器實(shí)施例中，各個(gè)DSBAR 106、108的壓電元件中至少一個(gè)在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供電隔離。
在電隔離FACT 105中，DSBAR 106與DSBAR 108各由成對(duì)堆疊的薄膜聲體波諧振器(FBAR)以及這些FBAR之間的聲去耦器組成。DSBAR 106由下部薄膜聲體波諧振器(FBAR)110、堆疊在FBAR 110上的上部FBAR 120、以及下部FBAR 110與上部FBAR 120之間的聲去耦器130組成。DSBAR 108由下部FBAR 150、堆疊在FBAR 150上的上部FBAR 160、以及下部FBAR 150與上部FBAR 160之間的聲去耦器170組成。在某些實(shí)施例中，聲去耦器130、170是電絕緣性的，可以提供額外的電隔離。
FBAR 110由相反的平面電極112、114與這些電極之間的壓電元件116組成。FBAR 120由相反的平面電極122、124與這些電極之間的壓電元件126組成。聲去耦器130位于FBAR 110的電極114與FBAR 120的電極122之間。FBAR 150由相反的平面電極152、154與這些電極之間的壓電元件156組成。FBAR 160由相反的平面電極162、164與這些電極之間的壓電元件166組成。聲去耦器170位于FBAR 150的電極154與FBAR 160的電極162之間。
電路140將DSBAR 106的FBAR 110以反并聯(lián)(anti-parallel)方式與DSBAR 108的FBAR 150電連接，并電連接到輸入端26、28。具體地說(shuō)，電路140將FBAR 110的電極112電連接到FBAR 150的電極154以及輸入端26，還將FBAR 110的電極114電連接到FBAR 150的電極152以及輸入端28。電路141將DSBAR 106的FBAR 120和DSBAR 108的FBAR160串聯(lián)在輸出端32、34之間。具體地說(shuō)，電路141將輸出端32連接到FBAR 120的電極124，將FBAR 120的電極122連接到FBAR 160的電極162，并將FBAR 160的電極164連接到輸出端34。
電路140將FBAR 110、150以反并聯(lián)方式電連接，使之將輸入端26、28處接收到的調(diào)制電信號(hào)SM相等但反相地施加到FBAR 110、150。FBAR 110、150將調(diào)制電信號(hào)SM轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的聲信號(hào)。電路140將FBAR110、150以反并聯(lián)方式電連接，從而將調(diào)制電信號(hào)SM施加到FBAR 110使FBAR 110機(jī)械收縮，而將調(diào)制電信號(hào)SM施加到FBAR 150使FBAR150產(chǎn)生相同量的機(jī)械膨脹，反之亦然。因此，F(xiàn)BAR 150產(chǎn)生的聲信號(hào)與FBAR 110產(chǎn)生的聲信號(hào)是反相的。因此，F(xiàn)BAR 160從FBAR 150接收到的聲信號(hào)與FBAR 120從FBAR 110接收到的聲信號(hào)是反相的。FBAR120、160將它們接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換回相應(yīng)的電信號(hào)。FBAR 160產(chǎn)生的電信號(hào)與FBAR 120產(chǎn)生的電信號(hào)反相。電路141將FBAR 120、160串聯(lián)連接，使FBAR兩端的電壓相加，使電極124與164之間的電壓差以及輸出端32、34之間的電壓差為FBAR 120、160各自兩端電壓的二倍。出現(xiàn)在輸出端32、34之間的電輸出信號(hào)So具有與施加在輸入端26、28兩端的調(diào)制電信號(hào)SM相同的頻率并包括其信息內(nèi)容。因此，聲耦合器100將調(diào)制電信號(hào)SM有效地從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34。
輸出端32、34至少通過(guò)壓電元件126、166而與輸入端26、28電絕緣。通常的壓電元件具有高電阻率和高擊穿電場(chǎng)。例如，濺射沉積的氮化鋁樣品具有約875kV/mm的測(cè)得擊穿電場(chǎng)。因此，聲耦合器100在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供了電隔離。在聲去耦器130、170是電絕緣性的那些實(shí)施例中，聲去耦器130、170分別與壓電元件126、166電串聯(lián)，提供了額外的隔離。
在聲耦合器100中，聲去耦器130對(duì)FBAR 110產(chǎn)生的聲信號(hào)到FBAR 120的耦合進(jìn)行控制，聲去耦器170對(duì)FBAR 150產(chǎn)生的聲信號(hào)到FBAR 160的耦合進(jìn)行控制。聲去耦器130、170控制聲耦合器100的帶寬。具體地說(shuō)，由于聲去耦器130與FBAR 110和120之間的聲阻抗基本上不匹配，所以與通過(guò)FBAR 110與FBAR 120之間的直接接觸進(jìn)行耦合相比，聲去耦器130更少將FBAR 110產(chǎn)生的聲信號(hào)耦合到FBAR 120。與之類似，由于聲去耦器170與FBAR 150和160之間的聲阻抗基本上不匹配，所以與通過(guò)FBAR 150與FBAR 160之間的直接接觸進(jìn)行耦合相比，聲去耦器170更少將FBAR 150產(chǎn)生的聲信號(hào)耦合到FBAR 160。
圖3示出了聲耦合器100一種示例性實(shí)施例的頻率響應(yīng)特性。聲耦合器100在大于100MHz的通帶寬度中顯示出了平坦的帶內(nèi)響應(yīng)，其寬度足以傳輸調(diào)制電信號(hào)SM一種實(shí)施例的整個(gè)帶寬，所述調(diào)制電信號(hào)SM是用一種數(shù)據(jù)率高于100Mbit/s的電信息信號(hào)SI實(shí)施例對(duì)載波信號(hào)SC進(jìn)行調(diào)制得到的。聲耦合器100的頻率響應(yīng)還在通帶之外顯示出了陡峭的下降特性。
圖4A是示出聲耦合器100一種實(shí)際示例的平面圖。圖4B和圖4C是分別沿圖4A中所示剖面線4B-4B和4C-4C的剖視圖。在圖2與圖4A-4C中，采用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)記聲耦合器100的元件。
在圖4A-4C所示聲耦合器100的實(shí)施例中，構(gòu)成FACT 105的DSBAR 106和DSBAR 108懸掛在襯底102中限定的共用腔104上方。將DSBAR 106和108懸掛在腔上方使組成DSBAR 106的堆疊FBAR 110、120以及組成DSBAR 108的堆疊FBAR 150、160響應(yīng)于調(diào)制電信號(hào)SM進(jìn)行機(jī)械諧振。也可以采用使DSBAR106和108機(jī)械共振的其他懸掛方案。例如，DSBAR 106和DSBAR 108可以懸掛在襯底102中限定的相應(yīng)的腔(未示出)上方。在另一種示例中，可以通過(guò)聲布拉格反射器(未示出)將DSBAR 106、108與襯底102聲隔離，像John D.Larson III等在題為“Cavity-Less Film Bulk Acoustic Resonator(FBAR)Devices”的美國(guó)專利申請(qǐng)公開No.20050104690中所述那樣，該申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人并通過(guò)引用而結(jié)合。
在圖4A-4C所示的示例中，襯底102的材料是單晶硅。由于單晶硅是半導(dǎo)體，并因此不是良好的電絕緣體，所以襯底102通常由單晶硅的基底層101與位于基底層主要表面上的電介質(zhì)材料絕緣層103組成。絕緣層的示例性材料包括氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、聚酰亞胺、交聯(lián)聚亞苯基聚合物以及任何其他合適的電絕緣材料。絕緣層103使DSBAR 106、108以及電路140、141與基底層101絕緣?；蛘撸r底102的材料可以是陶瓷材料，例如具有很高電阻率和擊穿電場(chǎng)的氧化鋁(Al2O3)。
在圖4A-4C所示的示例中，壓電材料的壓電層117提供了壓電元件116和156，壓電材料的壓電層127提供了壓電元件126和166。另外，在圖4A-4C所示的示例中，聲去耦材料的單一聲去耦層131提供了聲去耦器130和170，這將在下面參考圖5A進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
在圖4A-4C所示的實(shí)施例中，圖2所示的輸入端26用端子焊盤26A、26B來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2所示輸入端28用端子焊盤28來(lái)實(shí)現(xiàn)。端子焊盤26A、26B和28位于襯底102的主要表面上。圖2所示電路140由電跡線(electrical trace)133、173和167組成，電跡線133從端子焊盤26A伸到FBAR 110的電極112，電跡線173從端子焊盤26B延伸到FBAR 150的電極154，電跡線167在端子焊盤26A與26B之間延伸。另外，連接焊盤176、從端子焊盤28延伸到連接焊盤176的電跡線139、以及從連接焊盤176延伸到FBAR 150的電極152的電跡線177共同組成了電路140(見圖2)中將FBAR 150的電極152連接到端子焊盤28的那部分。電跡線139、與連接焊盤176電接觸的連接焊盤136、以及從連接焊盤136延伸到FBAR 110的電極114的電跡線137共同組成了電路140(見圖2)中將FBAR 110的電極114連接到端子焊盤28的那部分。電跡線133、137、173和177都在襯底102的部分主要表面上方延伸。另外，電跡線133、177在部分壓電層117下方延伸，電跡線137、173在部分壓電層117上方延伸。
輸出端32、34是分別用位于襯底102主要表面上的端子焊盤32、34實(shí)現(xiàn)的。圖2所示電路141由電跡線135、171和175組成，電跡線135從端子焊盤32延伸到FBAR 120的電極124，電跡線171從FBAR 120的電極122延伸到FBAR 160的電極162，電跡線175從端子焊盤34延伸到FBAR 160的電極164。電跡線135、175各自在壓電層127、聲去耦層131、壓電層117和襯底102的部分主要表面上方延伸。電跡線171在聲去耦層131部分主要表面上方延伸。
各個(gè)輸入端26、28與襯底102之間存在基本上相同的電容。輸入端26、28各具有一個(gè)與襯底102相鄰的電極和一個(gè)與襯底102分開的電極，這些電極由相應(yīng)的壓電元件連接到所述的輸入端。在所示的示例中，輸入端26通過(guò)壓電元件156連接到與襯底相鄰的電極112和與襯底分開的電極154，輸入端28通過(guò)壓電元件116連接到與襯底相鄰的電極152和與襯底分開的電極114。此外，各個(gè)輸出端32、34與襯底102之間也存在基本上相同的電容。輸出端32、34連接到電極124和164，每個(gè)電極都由兩個(gè)壓電元件以及聲去耦器與襯底分開。因此，聲耦合器100是電平衡的，因此具有高的共模抑制比。
在聲電隔離器10(見圖1)的某些實(shí)施例中，本地振蕩器12、調(diào)制器14和解調(diào)器18是在襯底102中或其上制造的，通常略去端子焊盤26、28、32、34，并使電跡線133、139和173延伸來(lái)連接到組成部分調(diào)制器14的相應(yīng)跡線，電跡線135、175延伸來(lái)連接到組成部分解調(diào)器18的相應(yīng)跡線。
圖5A是圖4B中標(biāo)有5A的部分的放大圖，示出聲去耦器130的第一實(shí)施例。下面對(duì)聲去耦器130的說(shuō)明也適用于聲去耦器170。因此將不再單獨(dú)對(duì)聲去耦器170進(jìn)行說(shuō)明。在圖5A所示實(shí)施例中，聲去耦器130由聲去耦材料制成的聲去耦層131組成。聲去耦層131位于FBAR 110和120中的各個(gè)電極114與122之間以提供聲去耦器130。聲去耦層131還位于FBAR 150和160中的各個(gè)電極154與162之間以提供聲去耦器170。或者，聲去耦器130和170也可以由單獨(dú)的聲去耦層(未示出)提供。
聲去耦層131的聲去耦材料的聲阻抗介于空氣與FBAR 110、120的材料之間。在聲去耦器130是電絕緣性的實(shí)施例中，聲去耦層131的聲去耦材料還具有高電阻率和高的擊穿電壓。
材料的聲阻抗是材料中應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)速度之比，以瑞利(縮寫為“rayl”)為單位進(jìn)行測(cè)量。FBAR 110、120各自的壓電元件116、126的壓電材料通常是氮化鋁(AlN)，電極112、114、122和124的材料通常是鉬(Mo)。FBAR 150、160各自的壓電元件156、166的壓電材料通常為氮化鋁(AlN)，電極152、154、162和164的材料通常是鉬(Mo)。AlN的聲阻抗通常約為35Mrayl，鉬的聲阻抗約為63Mrayl?？諝獾穆曌杩辜s為1krayl。
通常，聲去耦層131的聲去耦材料與組成FBAR 110、120各自的壓電元件116、126的壓電材料相比，聲阻抗要小大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。聲耦合器100的通帶帶寬取決于聲去耦層131的聲去耦材料與FBAR 110和120的材料之間的聲阻抗差異。在FBAR 110、120的材料如上所述的聲去耦器100實(shí)施例中，聲阻抗處于約2Mrayl到約8Mrayl的聲去耦材料使得聲去耦器具有足以使聲電隔離器10(見圖1)以高于100Mb/s的數(shù)據(jù)率工作的通帶寬度。
在聲電隔離器10(見圖1)中，確定輸入端22、24與輸出端36、38之間擊穿電壓的主要因素是壓電層127的壓電材料的擊穿電場(chǎng)以及壓電層127的厚度。在聲耦合器100像通常一樣具有絕緣聲去耦層131的那些實(shí)施例中，擊穿電壓增大了一定量，這個(gè)量取決于聲去耦層131的聲去耦材料的擊穿電場(chǎng)和聲去耦層131的厚度。
對(duì)于一定的聲去耦材料，用厚度大于一倍四分之一波層的層作為聲去耦層131的聲耦合器100實(shí)施例，與用一倍四分之一波層作為聲去耦層131的實(shí)施例相比，使聲去耦器100的擊穿電壓增大的量通常更大。但是，聲去耦層131厚度大于一倍四分之一波層的聲耦合器100的實(shí)施例通常具有這樣的頻率響應(yīng)，即由于這種較厚的聲去耦層能夠支持多個(gè)聲模式而表現(xiàn)出雜散響應(yīng)效果(spurious response artifact)。雜散響應(yīng)效果往往降低了聲耦合器100輸出的電輸出信號(hào)SO的“眼”的張開程度。為了確保聲電隔離器10(見圖1)輸出的恢復(fù)電信息信號(hào)SR的完整性，對(duì)于用厚度大于一倍四分之一波層的層作為聲去耦層131的聲耦合器100實(shí)施例，與用一倍四分之一波層(m＝0)作為聲去耦層131的聲耦合器100的實(shí)施例相比，通常需要在解調(diào)器18中使用更復(fù)雜類型的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。聲去耦層131是一倍四分之一波層的那些聲耦合器100實(shí)施例通常以最佳的信號(hào)完整性將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28耦合到輸出端32、34。
聲去耦層131通過(guò)將用于聲去耦材料的前驅(qū)體液體旋涂到電極114和154上方來(lái)形成。通過(guò)旋涂形成的聲去耦層通常會(huì)由于涂有聲去耦材料的表面輪廓而具有不同厚度的區(qū)域。在這樣的實(shí)施例中，聲去耦層131的厚度是聲去耦層中位于電極114與122之間以及位于電極154與162之間那部分的厚度。
許多材料是電絕緣性的，具有高的擊穿電場(chǎng)并具有上述范圍內(nèi)的聲阻抗。此外，許多這樣的材料可以用于上述厚度范圍內(nèi)的均勻厚度的層中。因此，這樣的材料都可能適用于作為聲去耦層131的聲去耦材料。但是，聲去耦材料還必須能夠耐受制造操作中的高溫，所述制造操作是在已沉積聲去耦層131以形成聲去耦器130、170之后進(jìn)行的。在聲去耦器100的實(shí)際實(shí)施例中，在沉積聲去耦材料之后，通過(guò)濺射來(lái)沉積電極122、124、162、164以及壓電層127。在這些沉積處理過(guò)程中可以達(dá)到高達(dá)400℃的溫度。因此要用在這樣的溫度下仍保持穩(wěn)定的材料作為聲去耦材料。
與FBAR 110、120、150和160的其他材料相比，通常的聲去耦材料具有很高的單位長(zhǎng)度聲衰減。但是，由于聲去耦層131通常小于1μm厚，所以聲去耦材料制成的聲去耦層131引起的聲衰減通?？梢院雎?。
在一種實(shí)施例中，用聚酰亞胺作為聲去耦層131的聲去耦材料。聚酰亞胺由E.I.Du Pont de Nemours and Company以Kapton的商標(biāo)出售。在這種實(shí)施例中，由通過(guò)旋涂而施加的聚酰亞胺構(gòu)成的聲去耦層131提供聲去耦器130和聲去耦器170。聚酰亞胺具有約4Mrayl的聲阻抗和約165kV/mm的擊穿電場(chǎng)。
在另一種實(shí)施例中，用聚(對(duì)二甲苯)作為聲去耦層131的聲去耦材料。在這種實(shí)施例中，由通過(guò)真空沉積施加的聚(對(duì)二甲苯)構(gòu)成的聲去耦層131提供聲去耦器130和聲去耦器170。聚(對(duì)二甲苯)本領(lǐng)域也稱為“聚對(duì)二甲苯(Parylene)”。由二聚體前驅(qū)體二對(duì)二甲苯可以制成聚(對(duì)二甲苯)，所述二聚體前驅(qū)體二對(duì)二甲苯和用于對(duì)聚對(duì)二甲苯層進(jìn)行真空沉積的設(shè)備從許多供應(yīng)商處都可以獲得。聚對(duì)二甲苯具有約2.8Mrayl的聲阻抗和約275kV/mm的擊穿電場(chǎng)。
在另一種實(shí)施例中，用交聯(lián)聚亞苯基聚合物作為聲去耦層131的聲去耦材料。這種實(shí)施例中，由通過(guò)旋涂而施加到電極114的交聯(lián)聚亞苯基聚合物構(gòu)成的聲去耦層131提供聲去耦器130和聲去耦器170。交聯(lián)聚亞苯基聚合物是作為集成電路所用的低介電常數(shù)的電介質(zhì)材料開發(fā)的，因此在FBAR 120和160的后續(xù)制造期間聲去耦材料所經(jīng)受的高溫下仍保持穩(wěn)定。交聯(lián)聚亞苯基聚合物具有約2Mrayl的計(jì)算聲阻抗。這個(gè)聲阻抗處于使聲耦合器100的通帶寬度足以用于在超過(guò)100Mbit/s的數(shù)據(jù)率下工作的范圍內(nèi)。
前驅(qū)體溶液含有聚合形成相應(yīng)的交聯(lián)聚亞苯基聚合物的各種低聚物，這樣的前驅(qū)體溶液由The Dow Chemical Company，Midland，MI以SiLK的注冊(cè)商標(biāo)出售。通過(guò)旋涂來(lái)施加前驅(qū)體溶液。這些前驅(qū)體溶液中名為SiLKTMJ的一種還含有附著力促進(jìn)劑，由這一種前驅(qū)體溶液獲得的交聯(lián)聚亞苯基聚合物具有2.1Mrayl，即約2Mrayl的計(jì)算聲阻抗。這種交聯(lián)聚亞苯基聚合物具有約400kV/mm的擊穿電場(chǎng)。
用于聚合形成交聯(lián)聚亞苯基聚合物的低聚物由含有雙環(huán)戊二烯酮(biscyclopentadienone)和芳族乙炔的單體來(lái)制備。采用這些單體形成可溶低聚物不需要過(guò)度取代。前驅(qū)體溶液含有溶解在γ-丁內(nèi)酯和環(huán)己酮溶劑中的指定低聚物。低聚物在前驅(qū)體溶液中的百分比決定了前驅(qū)體溶液旋涂時(shí)的層厚。在涂敷之后，加熱蒸發(fā)溶劑，然后使低聚物凝固形成交聯(lián)聚合物。雙環(huán)戊二烯酮與乙炔在形成新的芳香環(huán)的4+2環(huán)加成反應(yīng)中發(fā)生反應(yīng)。進(jìn)一步凝固得到交聯(lián)聚亞苯基聚合物。Godschalx等在美國(guó)專利No.5,965,679中公開了上述交聯(lián)聚亞苯基聚合物，該專利通過(guò)引用而結(jié)合于此。Martin等在Development of Low-Dielectric Constant Polymer for theFabrication of Integrated Circuit Interconnect，12 ADVANCEDMATERIALS，1769(2000)中說(shuō)明了另外的實(shí)施細(xì)節(jié)，該文章同樣通過(guò)引用而結(jié)合。與聚酰亞胺相比，交聯(lián)聚亞苯基聚合物的聲阻抗較小，聲衰減較小，介電常數(shù)較低，擊穿電場(chǎng)較高。此外，前驅(qū)體溶液的旋涂層能夠產(chǎn)生厚度在200nm量級(jí)的高質(zhì)量交聯(lián)聚亞苯基聚合物膜，這個(gè)厚度是聲去耦層131的典型厚度。
在一種可替換實(shí)施例中，聲去耦層131中提供了聲去耦器130和聲去耦器170的聲去耦材料是具有比FBAR 110、120、150、160大得多的聲阻抗的材料?，F(xiàn)在還沒(méi)有公開過(guò)具有這種特性的材料，但是今后可能會(huì)得到這種材料，或者今后也可能得到更低聲阻抗的FBAR材料。這種高聲阻抗聲去耦材料的四分之一波層厚度如上所述。
圖5B是圖4B中標(biāo)有5A的部分的放大圖，示出了聲去耦器130的第二實(shí)施例。下面對(duì)聲去耦器130的說(shuō)明也適用于聲去耦器170。因此，將不再對(duì)聲去耦器170進(jìn)行單獨(dú)說(shuō)明。在圖5B所示的實(shí)施例中，聲去耦器130由位于FBAR 110的電極114與FBAR 120的電極122之間的聲布拉格結(jié)構(gòu)161組成。聲布拉格結(jié)構(gòu)161包括位于高聲阻抗布拉格元件165、167之間的低聲阻抗布拉格元件163。壓電層127提供的電隔離使布拉格結(jié)構(gòu)161可以包括所有的導(dǎo)電布拉格元件。但是，下述實(shí)施例可以增大聲耦合器100的擊穿電壓，該實(shí)施例中布拉格結(jié)構(gòu)161的布拉格元件163、165和167中至少其一包括具有高電阻率、低介電系數(shù)和高擊穿電場(chǎng)的性能的材料層。
每個(gè)布拉格元件163、165和167都是四分之一波層。低聲阻抗布拉格元件163是低聲阻抗材料構(gòu)成的四分之一波層，而每個(gè)高聲阻抗布拉格元件165、167都是高聲阻抗材料構(gòu)成的四分之一波層。這些布拉格元件的材料相互之間的聲阻抗用“低”和“高”來(lái)表征，布拉格元件材料相對(duì)于壓電元件116和126的壓電材料的聲阻抗，也用“低”和“高”來(lái)表征。通常用共同的四分之一波層材料來(lái)提供聲去耦器130的布拉格結(jié)構(gòu)161和聲去耦器170的布拉格結(jié)構(gòu)(未示出)。
在一種實(shí)施例中，低聲阻抗布拉格元件163是二氧化硅(SiO2)的四分之一波層，二氧化硅的聲阻抗約為13Mrayl，每個(gè)高聲阻抗布拉格元件165、167分別是與電極114、122相同材料(例如鉬)的四分之一波層，鉬的聲阻抗約為63Mrayl。對(duì)高聲阻抗布拉格元件165和FBAR 110的電極114采用相同材料使高聲阻抗布拉格元件165還可以用作電極114。類似地，對(duì)高聲阻抗布拉格元件167和FBAR 120的電極122采用相同材料使高聲阻抗布拉格元件167還可以用作電極122。
在一種示例中，高聲阻抗布拉格元件165、167是鉬構(gòu)成的一倍四分之一波層，低聲阻抗布拉格元件163是SiO2構(gòu)成的一倍四分之一波層。在載波SC頻率約為1.9GHz的一種實(shí)施例中，鉬高聲阻抗布拉格元件165、167的厚度約為820nm，SiO2低聲阻抗布拉格元件163的厚度約為260nm。
用于低聲阻抗布拉格元件163的一種可替換材料是交聯(lián)聚亞苯基聚合物，例如上述由Dow Chemical Co.以SiLK的注冊(cè)商標(biāo)出售的前驅(qū)體溶液制成的交聯(lián)聚亞苯基聚合物。用于低聲阻抗布拉格元件163的可替換材料示例還包括氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿(HfO)、釔鋁石榴石(YAG)、二氧化鈦(TiO2)以及各種玻璃。用于高聲阻抗布拉格元件165、167的一種可替換材料是鎢(W)。
在剛剛說(shuō)明的示例中，布拉格元件163、165和167中只有一個(gè)是絕緣的，聲耦合器100的擊穿電壓，以及聲電隔離器10的擊穿電壓由壓電層127的厚度和壓電層127的壓電材料的擊穿電場(chǎng)、以及低聲阻抗布拉格元件163的厚度和低聲阻抗布拉格元件163材料的擊穿電場(chǎng)來(lái)確定。
通過(guò)使組成布拉格結(jié)構(gòu)161的所有布拉格元件163、165和167都由電絕緣材料來(lái)制造，可以提高聲耦合器100的擊穿電壓。在一種示例性實(shí)施例中，每個(gè)高聲阻抗布拉格元件163和167都是二氧化硅(SiO2)構(gòu)成的四分之一波層，低聲阻抗布拉格元件165是交聯(lián)聚亞苯基聚合物構(gòu)成的四分之一波層，例如上述由Dow Chemical Co.以SiLK的注冊(cè)商標(biāo)出售的前驅(qū)體溶液制成的交聯(lián)聚亞苯基聚合物。但是，二氧化硅具有約30kV/mm的較低擊穿電場(chǎng)，由于典型的交聯(lián)聚亞苯基聚合物中聲速較低，所以由其構(gòu)成的四分之一波層較薄。另一種布拉格結(jié)構(gòu)161的全絕緣實(shí)施例中擊穿電壓高得多，在該實(shí)施例中，每個(gè)高聲阻抗布拉格元件是氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成的四分之一波層，低聲阻抗布拉格元件165是二氧化硅構(gòu)成的四分之一波層。氧化鋁具有約44Mrayl的聲阻抗以及幾百千伏/mm的擊穿電場(chǎng)。另外，氧化鋁中的聲速比在典型的交聯(lián)聚亞苯基聚合物中高約7倍。與施加到二氧化硅構(gòu)成的兩個(gè)四分之一波層和交聯(lián)聚亞苯基聚合物構(gòu)成的一個(gè)四分之一波層兩端相比，將一定電壓施加到氧化鋁構(gòu)成的兩個(gè)四分之一波層和二氧化硅構(gòu)成的一個(gè)四分之一波層兩端造成的電場(chǎng)低得多。
用于布拉格元件163、165和167的可替換電絕緣材料示例包括氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿(HfO)、釔鋁石榴石(YAG)、二氧化鈦(TiO2)以及各種玻璃。上述示例是基本上以聲阻抗的降序列出的。如果用具有較低聲阻抗的材料作為低聲阻抗布拉格層163的材料，則可以用這些示例中的任意示例作為高聲阻抗布拉格層165、167的材料。
對(duì)于其中高聲阻抗布拉格元件165、167與低聲阻抗布拉格元件163之間的聲阻抗差較小這樣的聲去耦器130實(shí)施例，布拉格結(jié)構(gòu)161可以由多于一個(gè)(n)低聲阻抗布拉格元件與相應(yīng)數(shù)目個(gè)(n+1)高聲阻抗布拉格元件交錯(cuò)組成。例如，布拉格結(jié)構(gòu)161可以由兩個(gè)低聲阻抗布拉格元件與3個(gè)高聲阻抗布拉格元件交錯(cuò)組成。雖然任何一個(gè)布拉格元件都不必是電絕緣的，但是如果布拉格元件中有一個(gè)或多個(gè)是電絕緣的，則得到的擊穿電壓更高。
某些電隔離器需要在其輸入端子與輸出端子之間具有高于1千伏的擊穿電壓。在上面參考圖2所述的聲耦合器100中，在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供的電隔離可能不足以使聲電隔離器10(圖1)滿足這樣的擊穿電壓要求，所述電隔離是由壓電元件126、166提供的，在某些情況下聲去耦器130、170也提供電隔離。
下面將對(duì)根據(jù)本發(fā)明的聲耦合器另外的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。這些實(shí)施例包括電隔離FACT，所述電隔離FACT中每個(gè)DSBAR都是絕緣去耦堆疊聲體波諧振器(IDSBAR)，所述IDSBAR具有一個(gè)或多個(gè)聲諧振電絕緣體位于組成IDSBAR的薄膜聲體波諧振器(FBAR)之間。除了由上述壓電元件120、160以及在某些情況下還由聲去耦器130、170提供的電絕緣之外，所述的一個(gè)或多個(gè)聲諧振電絕緣體也在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供電絕緣。因此，這些聲耦合器實(shí)施例具有比上面參考圖2所述的聲耦合器100更高的擊穿電壓。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的聲耦合器200一種示例的示意圖。圖7A是聲耦合器200實(shí)際示例的俯視圖，圖7B和圖7C分別是沿圖7A中所示剖面線7B-7B和7C-7C的剖視圖。在圖6與圖7A-7C中，采用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)記聲耦合器200的元件。
聲耦合器200包括輸入端26和28、輸出端32和34和電隔離薄膜聲耦合變換器(FACT)205。FACT 205由第一絕緣去耦堆疊聲體波諧振器(IDSBAR)206、第二IDSBAR 208、電路140和電路141組成，電路140對(duì)IDSBAR 206和IDSBAR 208進(jìn)行互連，還將IDSBAR 206、208連接到輸入端26、28，電路141對(duì)IDSBAR 206和IDSBAR 208進(jìn)行互連，還將IDSBAR 206、208連接到輸出端32、34。在電隔離FACT 205中，IDSBAR 206與IDSBAR 208各自是根據(jù)第一IDSBAR實(shí)施例的IDSBAR。根據(jù)第一IDSBAR實(shí)施例的IDSBAR的最簡(jiǎn)形式具有依次位于組成它的FBAR之間的第一聲去耦器、四分之一波聲諧振電絕緣體和第二聲去耦器。聲諧振電絕緣體提供了額外的電絕緣性能而并未削弱從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34的調(diào)制電信號(hào)SM的傳輸完整性。根據(jù)第一IDSBAR實(shí)施例的IDSBAR 206使聲耦合器200具有比上面參考圖2所述的聲耦合器100的其他類似實(shí)施例更高的擊穿電壓。
在用作圖1所示聲電隔離器10中的電隔離聲耦合器16時(shí)，聲耦合器200將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34，同時(shí)在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供電隔離。因此，聲耦合器200有效地將輸出端子36、38與輸入端子22、24電隔離開來(lái)，并使輸出端子與輸入端子在電壓方面可以具有高達(dá)其額定擊穿電壓的電壓差。
在聲耦合器200中，F(xiàn)ACT 205包括根據(jù)第一IDSBAR實(shí)施例的各個(gè)IDSBAR 206和IDSBAR 208。IDSBAR 206和IDSBAR 208各具有依次位于其FBAR之間的第一聲去耦器、四分之一波聲諧振電絕緣體和第二聲去耦器。
在圖6和圖7A-7C所示聲耦合器200的示例中，IDSBAR 206包括下部薄膜聲體波諧振器(FBAR)110、堆疊在FBAR 110上的上部FBAR120、依次位于下部FBAR 110和上部FBAR 120之間的第一聲去耦器130、四分之一波聲諧振電絕緣體216和第二聲去耦器230。IDSBAR 208包括下部FBAR 150、堆疊在FBAR 150上的上部FBAR 160、依次位于下部FBAR 150和上部FBAR 160之間的第一聲去耦器170、四分之一波聲諧振電絕緣體256和第二聲去耦器270。IDSBAR 206和IDSBAR 208的其他實(shí)施例各自在各個(gè)FBAR之間交錯(cuò)包括兩個(gè)或更多個(gè)(n)聲諧振電絕緣體和相應(yīng)數(shù)目(n+1)的聲去耦器。
這里將不再對(duì)上面參考圖2和圖4A-4C說(shuō)明的FBAR 110、120、150和160、第一聲去耦器130和170、電路140和141以及襯底102進(jìn)行說(shuō)明。上面對(duì)聲去耦器130、170進(jìn)行的說(shuō)明也適用于聲去耦器230、270。因此，將不對(duì)聲去耦器230、270進(jìn)行單獨(dú)說(shuō)明?？梢杂蒙厦鎱⒖紙D5A和圖5B說(shuō)明的聲去耦器130的示例性實(shí)施例來(lái)提供各個(gè)聲去耦器130、170、230和270。可以用聲去耦材料構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)共同的四分之一波層提供第一聲去耦器130和第一聲去耦器170。在圖7A-7C所示的示例中，聲去耦材料構(gòu)成的聲去耦層131提供第一聲去耦器130、170。另外，也可以用一個(gè)或多個(gè)共同的四分之一波層材料提供聲去耦器230和聲去耦器270。在圖7A-7C所示的示例中，聲去耦材料構(gòu)成的聲去耦層131提供了第一聲去耦器130、170。另外，可以用聲去耦材料構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)共同的四分之一波層來(lái)提供第二聲去耦器230和第二聲去耦器270。在圖7A-7C所示的示例中，聲去耦材料構(gòu)成的聲去耦層231提供了第二聲去耦器230、270。或者，也可以單獨(dú)提供各個(gè)聲去耦器130、170、230和270。
現(xiàn)在將對(duì)四分之一波聲諧振電絕緣體216進(jìn)行說(shuō)明。下面的說(shuō)明也適用于四分之一波聲諧振電絕緣體256，所以將不再對(duì)四分之一波聲諧振電絕緣體256進(jìn)行單獨(dú)說(shuō)明。聲諧振電絕緣體216是由電絕緣材料構(gòu)成的四分之一波層。用一倍四分之一波層作為聲諧振電絕緣體216的那些聲耦合器200實(shí)施例通常會(huì)以最佳的信號(hào)完整性將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28耦合到輸出端32、34。
聲諧振電絕緣體216將FBAR 110產(chǎn)生的聲信號(hào)傳輸?shù)紽BAR 120，但是使FBAR 120與FBAR 110電絕緣。另外，壓電元件126也如上所述使FBAR 120與FBAR 110電絕緣。此外，聲去耦器130、230通常是電絕緣性的，因此在FBAR 110與FBAR 120之間提供另外的電絕緣。因此，聲耦合器200有效地將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34，而將輸出端32、34與輸入端26、28電隔離開來(lái)。
聲諧振電絕緣體216的電絕緣材料通常是電介質(zhì)或壓電材料，并且其標(biāo)稱聲阻抗與FBAR 110、120的聲阻抗匹配。例如，聲諧振電絕緣體216的材料與FBAR 110、120各自的壓電元件116、126的材料相同。在聲諧振電絕緣體216與壓電元件116、126材料不同的實(shí)施例中，聲阻抗的差異基本上小于一個(gè)數(shù)量級(jí)。在一種示例中，這些聲阻抗之比小于2。在一種實(shí)施例中聲諧振電絕緣體216的材料與壓電元件116、126的材料不同，該實(shí)施例中聲諧振電絕緣體216的材料例如是電介質(zhì)。適用于聲諧振電絕緣體216的電介質(zhì)材料包括氧化鋁(Al2O3)和非壓電(例如陶瓷)氮化鋁(AlN)。
盡管聲諧振電絕緣體216最好是一倍四分之一波層，但是在聲諧振電絕緣體216的典型壓電材料和電介質(zhì)材料中，聲速與在壓電元件126、166中可以相比。因此，以例如一倍四分之一波層的氮化鋁作為聲諧振電絕緣體216，其厚度與壓電元件126的厚度大約相等。結(jié)果，輸入端26、28與輸出端32、34之間一定的電壓施加在聲諧振電絕緣體216和壓電元件126的這種實(shí)施例兩端時(shí)，與施加在圖2所示聲耦合器100中的單獨(dú)的壓電元件126兩端時(shí)相比，產(chǎn)生的電場(chǎng)更小。因此，聲耦合器200通常具有比圖2所示聲耦合器100更高的擊穿電壓。
在聲耦合器200中，第一聲去耦器130對(duì)FBAR 110產(chǎn)生的聲信號(hào)到聲諧振電絕緣體216的耦合進(jìn)行控制，第二聲去耦器230對(duì)聲信號(hào)從聲諧振電絕緣體216到FBAR 120的耦合進(jìn)行控制。聲耦合器130、230共同限定了聲耦合器200的帶寬。具體地說(shuō)，由于第一聲去耦器130一方面與FBAR 110之間的聲阻抗基本上不匹配，另一方面與聲諧振電絕緣體216之間的聲阻抗基本上不匹配，所以與通過(guò)FBAR 110與聲諧振電絕緣體216之間的直接接觸進(jìn)行耦合相比，聲去耦器130更少將聲信號(hào)從FBAR110耦合到聲諧振電絕緣體216。與之類似，由于聲去耦器230一方面與聲諧振電絕緣體216之間的聲阻抗基本上不匹配，另一方面與FBAR 120之間的聲阻抗基本上不匹配，所以與通過(guò)聲諧振電絕緣體216與FBAR120之間的直接接觸進(jìn)行耦合相比，聲去耦器230更少將聲信號(hào)從聲諧振電絕緣體216耦合到FBAR 120。與上面參考圖2所述的、每個(gè)DSBAR都具有一個(gè)聲去耦器130的聲耦合器100相比，聲耦合器200的帶寬多少要窄一些。
可以用電絕緣材料構(gòu)成的共同的四分之一波層來(lái)提供聲諧振電絕緣體216和聲諧振電絕緣體256。在圖7A-7C所示的示例中，電絕緣材料的四分之一波層217提供了聲諧振電絕緣體216和256?；蛘?，也可以單獨(dú)提供聲諧振電絕緣體216和256。
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的聲耦合器300一種示例的示意圖。圖9A是示出聲耦合器300實(shí)際示例的俯視圖，圖9B和圖9C分別是沿圖9A中所示剖面線9B-9B和9C-9C的剖視圖。在圖8與圖9A-9C中，采用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)記聲耦合器300的元件。
聲耦合器300包括輸入端26和28、輸出端32和34以及電隔離薄膜聲耦合變換器(FACT)305。FACT 305由第一絕緣去耦堆疊聲體波諧振器(IDSBAR)306、第二IDSBAR 308、電路140和電路141組成，電路140對(duì)IDSBAR 306和IDSBAR 308進(jìn)行互連，還將IDSBAR 306、308連接到輸入端26、28，電路141對(duì)IDSBAR 306和IDSBAR 308進(jìn)行互連，還將IDSBAR 306、308連接到輸出端32、34。在電隔離FACT 305中，IDSBAR 306與IDSBAR 308各自是根據(jù)第二IDSBAR實(shí)施例的IDSBAR。根據(jù)第二IDSBAR實(shí)施例的IDSBAR的最簡(jiǎn)形式具有依次位于組成它的FBAR之間的第一半波聲諧振電絕緣體、聲去耦器和第二半波聲諧振電絕緣體。半波聲諧振電絕緣體提供了額外的電絕緣性能而并未削弱從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34的調(diào)制電信號(hào)SM的傳輸完整性。根據(jù)第二IDSBAR實(shí)施例的IDSBAR 306使聲耦合器300具有比上面參考圖6所述的聲耦合器200和上面參考圖2所述的聲耦合器100的其他類似實(shí)施例高得多的擊穿電壓。
在用作圖1所示聲電隔離器10中的電隔離聲耦合器16時(shí)，聲耦合器300將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34，同時(shí)在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供電隔離。因此，聲耦合器300有效地將輸出端子36、38與輸入端子22、24電隔離開來(lái)，并使輸出端子與輸入端子在電壓方面可以具有高達(dá)其額定擊穿電壓的電壓差。
在聲耦合器300中，F(xiàn)ACT 305包括根據(jù)第二IDSBAR實(shí)施例的各個(gè)絕緣去耦堆疊聲體波諧振器(IDSBAR)306和IDSBAR 308。IDSBAR306和IDSBAR 308各自具有依次位于其FBAR之間的第一半波聲諧振電絕緣體、聲去耦器和第二半波聲諧振電絕緣體。半波聲諧振電絕緣體的數(shù)目有兩個(gè)，并且厚度是上面參考圖6和圖7A-7C所述的聲諧振電絕緣體216、256的兩倍，因此，總共提供的電隔離性能是聲諧振電絕緣體216或聲諧振電絕緣體256的大約四倍。結(jié)果，與上面參考圖2所述的聲耦合器100和上面參考圖6所述的聲耦合器200的其他類似實(shí)施例相比，聲耦合器300的實(shí)施例在輸入端26、28與輸出端32、34之間具有更高的擊穿電壓。
在圖8和圖9A-9C所示聲耦合器300的示例中，IDSBAR 306包括下部薄膜聲體波諧振器(FBAR)110、堆疊在FBAR 110上的上部FBAR120、以及依次位于下部FBAR 110和上部FBAR 120之間的第一半波聲諧振電絕緣體316、聲去耦器130和第二半波聲諧振電絕緣體326。IDSBAR308包括下部FBAR 150、堆疊在FBAR 150上的上部FBAR 160、以及依次位于下部FBAR 150和上部FBAR 160之間的第一半波聲諧振電絕緣體356、聲去耦器170和第二半波聲諧振電絕緣體366。IDSBAR 306和IDSBAR 308的其他實(shí)施例在各個(gè)FBAR之間交錯(cuò)包括偶數(shù)個(gè)(2n)半波聲諧振電絕緣體和相應(yīng)數(shù)目(2n-1)的聲去耦器。
這里將不再對(duì)上面參考圖2和圖4A-4C說(shuō)明的FBAR 110、120、150和160、聲去耦器130和170、電路140和141以及襯底102進(jìn)行說(shuō)明?？梢杂蒙厦鎱⒖紙D5A和圖5B說(shuō)明的聲去耦器130的示例性實(shí)施例來(lái)提供各個(gè)聲去耦器130、170?？梢杂靡粋€(gè)或多個(gè)共同的四分之一波層材料提供聲去耦器130和聲去耦器170。在圖9A-9C所示的示例中，聲去耦材料構(gòu)成的聲去耦層131提供了聲去耦器130、170?；蛘?，也可以單獨(dú)提供各個(gè)聲去耦器130、170。
現(xiàn)在將對(duì)半波聲諧振電絕緣體316進(jìn)行說(shuō)明。下面的說(shuō)明也適用于半波聲諧振電絕緣體326、356和366。所以將不再對(duì)聲諧振電絕緣體326、356和366進(jìn)行單獨(dú)說(shuō)明。聲諧振電絕緣體316是由電絕緣材料構(gòu)成的半波層，該材料的標(biāo)稱聲阻抗與FBAR 110、120的聲阻抗匹配。用一倍半波層作為半波聲諧振電絕緣體316的那些實(shí)施例通常會(huì)以最佳的信號(hào)完整性將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28耦合到輸出端32、34。
在聲耦合器300的中心頻率處，半波聲諧振電絕緣體316和半波聲諧振電絕緣體326是透聲的。半波聲諧振電絕緣體316將FBAR 110產(chǎn)生的聲信號(hào)耦合到聲去耦器130，半波聲諧振電絕緣體326將聲去耦器130傳輸?shù)穆曅盘?hào)耦合到FBAR 120。因此，IDSBAR 306具有與上面參考圖2和圖4A-4C說(shuō)明的DSBAR 106類似的傳輸特性。另外，半波聲諧振電絕緣體316、326使FBAR 120與FBAR 110電絕緣。壓電元件126以及通常的聲去耦器130也如上所述提供另外的電絕緣。IDSBAR 308也具有類似的特性。因此，聲耦合器300有效地將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34，而將輸出端32、34與輸入端26、28電隔離開來(lái)。
上面參考圖6和圖7A-7C所述的、適用于四分之一波聲諧振電絕緣體216的材料，也適合用作半波聲諧振電絕緣體316、326、356和366。因此將不再對(duì)半波聲諧振電絕緣體316、326、356和366的材料進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。
半波聲諧振電絕緣體316的厚度是壓電元件126的兩倍，并且有兩個(gè)半波聲諧振電絕緣體316、326將FBAR 120與FBAR 110隔開。結(jié)果，輸入端26、28與輸出端32、34之間一定的電壓施加在半波聲諧振電絕緣體316和326、聲去耦器130以及壓電元件126的兩端時(shí)，與施加在上面參考圖2所述聲耦合器100的實(shí)施例中聲去耦器130和壓電元件126兩端時(shí)相比，產(chǎn)生的電場(chǎng)小得多。因此，聲耦合器300通常具有比聲耦合器100大得多的擊穿電壓。
可以用電絕緣材料構(gòu)成的共同的半波層來(lái)提供半波聲諧振電絕緣體316和半波聲諧振電絕緣體356，并用電絕緣材料構(gòu)成的共同的半波層來(lái)提供半波聲諧振電絕緣體326和半波聲諧振電絕緣體366。在圖9A-9C所示的示例中，電絕緣材料的半波層317提供了半波聲諧振電絕緣體316和356，電絕緣材料的半波層327提供了半波聲諧振電絕緣體326和366?；蛘?，也可以單獨(dú)提供聲諧振電絕緣體316、326、356和366。
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的聲耦合器400一種示例的示意圖。圖11A是示出聲耦合器400實(shí)際示例的俯視圖，圖11B和圖11C分別是沿圖11A中剖面線11B-11B和11C-11C的剖視圖。在圖10與圖11A-11C中，采用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)記聲耦合器400的元件。聲耦合器400提供了比上面參考圖2和圖4A-4C所述的聲耦合器100更高的擊穿電壓，而不帶另外的絕緣層。
聲耦合器400包括輸入端26和28、輸出端32和34、以及電隔離薄膜聲耦合變換器(FACT)405。在聲耦合器400中，F(xiàn)ACT 405包括第一去耦堆疊聲體波諧振器(DSBAR)106、第二DSBAR 108、電路440和電路141，電路440對(duì)DSBAR 106和DSBAR 108進(jìn)行互連，還將DSBAR106、108連接到輸入端26、28，電路141對(duì)DSBAR 106和DSBAR 108進(jìn)行互連，還將DSBAR 106、108連接到輸出端32、34。在電隔離FACT405中，電路440使DSBAR 106、108串聯(lián)連接。這樣將DSBAR 106、108各自的兩個(gè)薄膜聲體波諧振器(FBAR)中的壓電元件串聯(lián)在輸入端26、28與輸出端32、34之間，其中壓電元件提供電隔離。因此，對(duì)于一定的壓電材料和壓電材料厚度，以及對(duì)于一定的聲去耦器結(jié)構(gòu)和材料，聲耦合器400具有與上面參考圖6所述的聲耦合器200近似的擊穿電壓，但是更便于制造，因?yàn)榻M成其的層數(shù)更少。組成聲耦合器400的層數(shù)與上面參考圖2所述的聲耦合器100相同，但是聲耦合器100的擊穿電壓更低。
在用作圖1所示聲電隔離器10中的電隔離聲耦合器16時(shí)，聲耦合器400將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28聲耦合到輸出端32、34，同時(shí)在輸入端26、28與輸出端32、34之間提供電隔離。因此，聲耦合器400有效地將輸出端子36、38與輸入端子22、24電隔離開來(lái)，并使輸出端子與輸入端子在電壓方面可以具有高達(dá)其額定擊穿電壓的電壓差。
上面已經(jīng)參考圖2和圖4A-4C對(duì)DSBAR 106、108和襯底102進(jìn)行了說(shuō)明。電路440將DSBAR 106的FBAR 110與DSBAR 108的FBAR 150串聯(lián)在輸入端26、28之間，電路141將DSBAR 106的FBAR 120與DSBAR 108的FBAR 160串聯(lián)在輸出端32、34之間。具體地說(shuō)，在電路440中，輸入端26連接到FBAR 110的電極112，F(xiàn)BAR 110的電極114連接到FBAR 150的電極154，F(xiàn)BAR 150的電極152連接到輸入端28。此外，在電路141中，輸出端32連接到FBAR 120的電極124，F(xiàn)BAR 120的電極122連接到FBAR 160的電極162，F(xiàn)BAR 160的電極164連接到輸出端34。上述電路440、141的結(jié)構(gòu)分別將輸入端26、28連接到電極112、152，并將輸出端32、34分別連接到電極124、164。連接到輸出端32、34的電極124、164通過(guò)壓電元件116和156、聲去耦器130和170、以及壓電元件126和166而與連接到輸入端26、28的電極112、152物理上分隔開來(lái)。至少壓電元件116、156和壓電元件126、166是電絕緣性的。通常，聲去耦器130、170也是電絕緣性的。因此，對(duì)于類似的材料和層厚，聲去耦器400具有與上面參考圖6和圖7A-7C所述的聲去耦器200近似的擊穿電壓，但是由于具有較少的層而更便于制造。
在圖11A-11C所示的聲耦合器400實(shí)際示例中，圖10所示輸入端26、28是用位于襯底102主要表面上的端子焊盤26、28來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖10所示電路440包括電跡線133、177和173，電跡線133從端子焊盤26延伸到FBAR 110的電極112，電跡線177從FBAR 110的電極114延伸到FBAR 150的電極154，電跡線173從FBAR 150的電極152延伸到端子焊盤28。電跡線133、173在襯底102的部分主要表面上方和部分壓電層117下方延伸。電跡線177在壓電層117的部分主要表面上方延伸。
輸出端32、34是用位于襯底102主要表面上的端子焊盤32、34來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖11A-11C所示示例中電路141的實(shí)施例已經(jīng)在上面參考圖4A-4C進(jìn)行了說(shuō)明。
在聲電隔離器10的某些實(shí)施例中，調(diào)制器14與電隔離聲耦合器16是在同一襯底102中或其上制造的。在這些實(shí)施例中，通常略去端子焊盤26、28，并使電跡線133、173延伸來(lái)連接到組成部分調(diào)制器14的相應(yīng)跡線。另外或者可替換地，解調(diào)器18與電隔離聲耦合器16在同一襯底102中或其上制造。在這些實(shí)施例中，通常略去端子焊盤32、34，并使電跡線135、175延伸來(lái)連接到組成部分解調(diào)器18的相應(yīng)跡線。
在聲電隔離器10(見圖1)的某些實(shí)施例中，用上面參考圖2、圖6和圖8所述的聲耦合器中任意一種作為電隔離聲耦合器16，在這樣的實(shí)施例中，調(diào)制器14以單端調(diào)制電信號(hào)SM來(lái)驅(qū)動(dòng)聲耦合器的輸入端26、28。但是，在聲電隔離器10的某些實(shí)施例中，聲耦合器400用作電隔離聲耦合器16且調(diào)制器14具有對(duì)聲耦合器400的輸入端26、28進(jìn)行差分驅(qū)動(dòng)的差分輸出電路，這樣的實(shí)施例可以以最佳的信號(hào)完整性將調(diào)制電信號(hào)SM從輸入端26、28耦合到輸出端32、34。差分輸出電路是本領(lǐng)域公知的，因此將不在此處加以說(shuō)明。
聲耦合器400還可以在圖1所示聲電隔離器10的某些實(shí)施例中用作電隔離聲耦合器16，在這些實(shí)施例中，通過(guò)把與上面參考圖2所述的FACT105類似的額外的薄膜聲耦合變換器(FACT)插入輸入端26、28與FACT 405之間，而使調(diào)制器14具有單端輸出。額外的FACT將調(diào)制器14的單端輸出轉(zhuǎn)換為適于驅(qū)動(dòng)FACT 405的差分信號(hào)。
圖12A是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的聲耦合器500示例的示意圖，其中，在輸入端26、28與FACT 405之間插入額外的FACT 505。聲耦合器500可以用作圖1所示聲電隔離器10中的電隔離聲耦合器16。
上面參考圖2和圖4A-4C對(duì)FACT 105進(jìn)行的說(shuō)明也適用于FACT505，只是用于指示后者元件的標(biāo)號(hào)用5代替1作為其第一位數(shù)字。例如，F(xiàn)ACT 505的FBAR 510相應(yīng)于上面參考圖2所述FACT 105的FBAR110。在圖12A所示的FACT 505實(shí)施例中，都與上面參考圖2進(jìn)行的說(shuō)明一樣，電路540將FBAR 510、550以反并聯(lián)方式連接并連接到輸入端26、28，電路541將FBAR 520、560串聯(lián)。反并聯(lián)的FBAR 510、550可以通過(guò)具有單端輸出的調(diào)制器14實(shí)施例來(lái)驅(qū)動(dòng)。串聯(lián)的FBAR 520、560產(chǎn)生適于對(duì)FACT 405的串聯(lián)FBAR 110、150進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的差分輸出信號(hào)。FACT 505的電路541連接到FACT 405的電路440，從而將FACT 505的串聯(lián)FBAR 520、560分別連接到FACT 405的串聯(lián)FBAR 110、160。
FACT 505和FACT 405可以彼此獨(dú)立地在單獨(dú)的襯底上制造。這樣獨(dú)立制造的FACT 505和FACT 405看上去分別與圖4A-4C中所示FACT 105和圖11A-11C中所示FACT 405類似。采用獨(dú)立制造的方式時(shí)，通過(guò)在FACT 505的端子焊盤32、34(見圖4A)與FACT 405的端子焊盤26、28(見圖11A)之間建立電連接(未示出)，而將FACT 505的電路541連接到FACT 405的電路440。FACT 505的端子焊盤26A、26B和28(見圖4A)提供了聲耦合器500的輸入端26、28，F(xiàn)ACT 405的端子焊盤32、34(見圖11A)提供了聲耦合器500的輸出端32、34。可以使用引線鍵合、倒裝芯片連接或其他適用的連接工藝來(lái)在FACT 505的電路541與FACT405的電路440之間建立電連接。
或者，F(xiàn)ACT 505和FACT 405也可以制造在同一襯底上。在這樣的實(shí)施例中，F(xiàn)ACT 505的電路541可以如上所述電連接到FACT 405的電路440。不過(guò)，通過(guò)將通到FACT 405的電連接反轉(zhuǎn)，可以對(duì)這種共用襯底的實(shí)施例結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此FACT 405的電路141連接到FACT 505的電路541，F(xiàn)ACT 405的電路440連接到輸出端32、34。圖12B是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的聲耦合器500實(shí)施例一種示例的示意圖，其中FACT405、505制造在同一襯底上。圖13是示出聲耦合器500這樣一種實(shí)施例的實(shí)際示例的俯視圖。FACT 450的剖視圖示于圖11A和圖11B中，F(xiàn)ACT505的剖視圖示于圖4B和圖4C中。
在圖12B和圖13所示的示例中，F(xiàn)ACT 405和FACT 505制造為懸掛在共用襯底102中限定的共用腔104上方，并具有共同的金屬層、共同的壓電層117和127、以及共同的聲去耦層131，在所述共同的金屬層中限定了FACT 405和FACT 505的電極和電跡線，所述共同的壓電層117和127提供了它們的壓電元件，所述共同的聲去耦層131提供了它們的聲去耦器?；蛘?，F(xiàn)ACT 405和FACT 505可以制造成懸掛在共用襯底中限定的各自的腔(未示出)上方，并具有共同的金屬層、壓電層和聲去耦層。又或者，F(xiàn)ACT 405和FACT 505可以制造成懸掛在共用襯底中限定的各自的腔(未示出)上方，并具有各自的金屬層、壓電層和聲去耦層。
如上所述，將通到FACT 405的電連接反轉(zhuǎn)來(lái)簡(jiǎn)化FACT 505與FACT405之間的電連接。與上面參考圖10和圖11A-11C所述的示例相比，這樣會(huì)使FACT 405中的聲信號(hào)流方向反轉(zhuǎn)。因此，F(xiàn)ACT 405中的聲信號(hào)流方向與FACT 505中相反。在圖12B和圖13所示的示例中，F(xiàn)ACT 405中的串聯(lián)FBAR 120、160接收分別來(lái)自FACT 505中FBAR 520、560的差分電信號(hào)，并響應(yīng)于其而產(chǎn)生聲信號(hào)，所述聲信號(hào)由各個(gè)聲去耦器130、170分別耦合到串聯(lián)FBAR 110、150。FBAR 110、150響應(yīng)于聲信號(hào)而產(chǎn)生差分電輸出信號(hào)SO。在FACT 505中采用反轉(zhuǎn)的信號(hào)流時(shí)，通過(guò)電跡線135與電跡線535之間的電連接以及電跡線175與電跡線575之間的電連接，將FACT 405的電路141電連接到FACT 505的電路541。電跡線535、135在壓電層127的主要表面上方從FACT 505的電極524延伸到FACT405的電極124，電跡線575、175在壓電層127的主要表面上方從FACT505的電極564延伸到FACT 405的電極164。連接到FACT 505各個(gè)電極512、552的端子焊盤26A、26B和端子焊盤28提供了聲耦合器500的輸入端26、28，連接到FACT 405各個(gè)電極112、152的端子焊盤32、34提供了聲耦合器500的輸出端32、34。
或者，也可以在同一襯底上制造FACT 405和FACT 505而不反轉(zhuǎn)FACT 405中聲信號(hào)的方向。在此情況下，電跡線535、575將FACT 505的各個(gè)電極524、564連接到FACT 405的各個(gè)電極112、152，連接到FACT 405各個(gè)電極124、164的端子焊盤32、34提供了聲耦合器500的輸出端32、34。
通過(guò)晶片級(jí)制造，一次制造幾千個(gè)與聲電隔離器10相似的聲電隔離器。這種晶片級(jí)制造使聲電隔離器制造便宜。對(duì)晶片進(jìn)行選擇性的刻蝕，以在晶片上將要制造各個(gè)聲電隔離器的電隔離器聲耦合器16的位置處限定腔。用犧牲材料(sacrificial material)填充腔并將晶片表面平面化。用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝，在晶片表面中和表面上制造要在晶片上制造的各個(gè)聲電隔離器的本地振蕩器12、調(diào)制器14和解調(diào)器18。然后用保護(hù)層覆蓋制造出的電路元件。用于保護(hù)層的示例性材料是氮化鋁和氮化硅。
此后通過(guò)對(duì)下列層依次進(jìn)行沉積和圖案化來(lái)制造上面參考圖4A-4C所述的聲耦合器100、上面參考圖11A-11C所述的聲耦合器400或上面參考圖13所述的聲耦合器500的實(shí)施例電極材料的第一層、壓電材料的第一層、電極材料的第二層、聲去耦材料層或聲布拉格結(jié)構(gòu)層、電極材料的第三層、壓電材料的第二層和電極材料的第四層。這些層形成了各個(gè)聲耦合器的FACT以及電路。電路還將FACT連接到調(diào)制器14和解調(diào)器18上的暴露連接點(diǎn)。
上面參考圖7A-7C所述的聲耦合器200的實(shí)施例也如上所述進(jìn)行制造，但是在對(duì)組成額外的聲去耦器的一個(gè)或多個(gè)層進(jìn)行沉積和圖案化之后，對(duì)電絕緣材料構(gòu)成的四分之一波層和組成該聲去耦器的一個(gè)或多個(gè)層進(jìn)行沉積和圖案化。上面參考圖9A-9C所述的聲耦合器300的實(shí)施例也如上所述進(jìn)行制造，但是在對(duì)組成聲去耦器的一個(gè)或多個(gè)層進(jìn)行沉積和圖案化之前和之后，分別對(duì)電絕緣材料構(gòu)成的第一半波層進(jìn)行沉積和圖案化，以及對(duì)電絕緣材料構(gòu)成的第二半波層進(jìn)行沉積和圖案化。
在制造聲耦合器之后，除去犧牲材料，使組成其的各個(gè)FACT懸掛在其相應(yīng)的腔上方。位置119處所示的操作孔使得可以對(duì)犧牲材料進(jìn)行操作以便將其除去。然后從制造出的電路元件除去保護(hù)材料。之后將襯底劃分為一個(gè)個(gè)與聲電隔離器10相似的聲電隔離器。美國(guó)專利申請(qǐng)公開No.20050093655中更詳細(xì)地說(shuō)明了可用于制造FACT的示例性工藝，該申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人并通過(guò)引用而結(jié)合，可以采用該工藝來(lái)制造上述聲電隔離器的FACT。
或者，聲耦合器100、200、300、400或500可以在不同于其上制造了本地振蕩器12、調(diào)制器14和解調(diào)器18的晶片的晶片上制造。在此情況下，可以用晶片鍵合工藝連接各個(gè)晶片來(lái)制造聲電隔離器，以形成與下述結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)是John D.Larson III等參考美國(guó)專利申請(qǐng)公開No.20050093659的圖8A-8E說(shuō)明的，該申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人并通過(guò)引用而結(jié)合。
在再一種可替換形式中，本地振蕩器12、調(diào)制器14和聲耦合器100、200、300、400或500在一個(gè)晶片上制造，相應(yīng)的解調(diào)器18在另一晶片上制造。然后像剛說(shuō)明的那樣將這些晶片鍵合在一起以形成聲電隔離器?；蛘撸谝粋€(gè)晶片上制造本地振蕩器12和調(diào)制器14，并在另一晶片上制造聲耦合器100、200、300、400或500以及解調(diào)器18。然后像剛說(shuō)明的那樣將這些晶片鍵合在一起以形成聲電隔離器。
在適用于本申請(qǐng)的另一種可替換形式中，規(guī)定聲電隔離器在輸入端子22、24與輸出端子36、38之間具有大的擊穿電壓，則在半導(dǎo)體晶片中以及晶片上制造多個(gè)輸入電路和多個(gè)輸出電路，每個(gè)輸入電路都包括本地振蕩器12的實(shí)例和調(diào)制器14的實(shí)例，每個(gè)輸出電路都包括解調(diào)器18的實(shí)例。然后將晶片單個(gè)化成為一個(gè)個(gè)半導(dǎo)體芯片，每個(gè)芯片都實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輸入電路或一個(gè)輸出電路。將每個(gè)聲電隔離器的電隔離聲耦合器16制造成懸掛在陶瓷晶片中限定的腔的上方，所述晶片具有位于其主要表面上的導(dǎo)電跡線。對(duì)于在晶片上制造的每個(gè)聲電隔離器，將實(shí)現(xiàn)了輸入電路的一個(gè)半導(dǎo)體芯片和實(shí)現(xiàn)了輸出電路的一個(gè)半導(dǎo)體芯片安裝在與導(dǎo)電跡線電接觸的陶瓷晶片上。例如，可以通過(guò)球焊(ball bonding)或倒裝芯片焊接(flip-chip bonding)將半導(dǎo)體芯片安裝在陶瓷晶片上。帶有所安裝的半導(dǎo)體芯片的陶瓷晶片也可以用在上述雙晶片結(jié)構(gòu)中。
在以約1.9GHz的載波頻率工作的聲電隔離器10一種示例性實(shí)施例中，電極112、114、122、124、152、154、162和164的材料是鉬。每個(gè)電極都具有約300nm的厚度，形狀為五邊形，面積約為12,000μm2。不同的面積給出不同的特征阻抗。如Larson III等在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并通過(guò)引用而結(jié)合的美國(guó)專利No.6,215,375中所說(shuō)明那樣，電極的邊不平行使FBAR 110、120、150和160中的橫模(lateral mode)最小化。對(duì)限定了電極112、114、122、124、152、154、162和164的金屬層進(jìn)行圖案化，使得在平行于晶片主要表面的各個(gè)平面中，F(xiàn)BAR 110的電極112和114具有同樣的形狀、尺寸、方向和位置，F(xiàn)BAR 120的電極122和124具有同樣的形狀、尺寸、方向和位置，F(xiàn)BAR 150的電極152和154具有同樣的形狀、尺寸、方向和位置，F(xiàn)BAR 160的電極162和164具有同樣的形狀、尺寸、方向和位置。通常，電極114和122也具有相同的形狀、尺寸、方向和位置，電極154和162具有相同的形狀、尺寸、方向和位置?？商鎿Q的電極材料包括例如鎢、鈮和鈦之類的金屬。電極可以具有多層結(jié)構(gòu)。
壓電元件116、126、156和166的材料是氮化鋁。每個(gè)壓電元件的厚度約為1.4μm?？商鎿Q的壓電材料包括氧化鋅、硫化鎘和極化鐵電材料，所述極化鐵電材料例如鈣鈦礦鐵電材料，包括鋯鈦酸鉛(PZT)、偏鈮酸鉛以及鈦酸鋇。
如上所述，組成圖5A所示聲去耦器130實(shí)施例的聲去耦層131的聲去耦材料是聚酰亞胺、聚對(duì)二甲苯或交聯(lián)聚亞苯基聚合物。聚酰亞胺的一倍四分之一波層約為100nm厚，而交聯(lián)聚亞苯基聚合物的一倍四分之一波層約為190nm厚。如上所述，可以用三倍、五倍或更多倍四分之一波層作為聲去耦層131。
在上面參考圖7A-7C說(shuō)明的聲耦合器200的實(shí)施例中，聲諧振電絕緣體216、256的材料是氮化鋁。每個(gè)聲諧振電絕緣體具有約1.4μm的厚度?？商鎿Q的材料包括氧化鋁(Al2O3)和非壓電氮化鋁。如上所述，組成圖7A所示聲去耦器230實(shí)施例的聲去耦層231的聲去耦材料是聚酰亞胺、聚對(duì)二甲苯或交聯(lián)聚亞苯基聚合物。
在上面參考圖9A-9C說(shuō)明的聲耦合器300的實(shí)施例中，半波聲諧振電絕緣體316、326、356和366的材料是氮化鋁。每個(gè)半波聲諧振電絕緣體具有約2.8μm的厚度?？商鎿Q的材料包括氧化鋁(Al2O3)和非壓電氮化鋁。
在聲電隔離器10的上述示例中，輸入端26、28連接到FBAR 110、120，輸出端32、34連接到FBAR 120、160。在其他實(shí)施例中，如上所述使聲信號(hào)的流動(dòng)方向反轉(zhuǎn)，將輸出端32、34連接到FBAR 110、150，并將輸入端26、28連接到FBAR 120、160。
圖14是示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例用于對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行電隔離的方法180一種示例的流程圖。在方框182，提供電隔離聲耦合器。電隔離聲耦合器包括電隔離薄膜聲耦合變換器(FACT)。在方框183，提供載波信號(hào)。在方框184，用信息信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)以形成調(diào)制電信號(hào)。在方框185，經(jīng)過(guò)電隔離聲耦合器對(duì)調(diào)制電信號(hào)進(jìn)行聲耦合。在方框186，從經(jīng)過(guò)聲耦合器進(jìn)行了聲耦合的調(diào)制電信號(hào)恢復(fù)信息信號(hào)。
本公開采用示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。但是，由權(quán)利要求限定的本發(fā)明并不限于所述的精確實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種聲電隔離器，包括載波信號(hào)源；調(diào)制器，所述調(diào)制器被連接以接收信息信號(hào)和所述載波信號(hào)；解調(diào)器；和連接在所述調(diào)制器與所述解調(diào)器之間的電隔離聲耦合器，所述電隔離聲耦合器包括電隔離薄膜聲耦合變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲電隔離器，其中，所述薄膜聲耦合變換器包括第一去耦堆疊聲體波諧振器和第二去耦堆疊聲體波諧振器，所述這些去耦堆疊聲體波諧振器各包括第一薄膜聲體波諧振器、第二薄膜聲體波諧振器以及位于所述第一薄膜聲體波諧振器與第二薄膜聲體波諧振器之間的聲去耦器；以及對(duì)所述那些去耦堆疊聲體波諧振器的第一薄膜聲體波諧振器進(jìn)行互連的第一電路；和對(duì)所述那些去耦堆疊聲體波諧振器的第二薄膜聲體波諧振器進(jìn)行互連的第二電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲電隔離器，其中所述第一電路還將所述那些第一薄膜聲體波諧振器連接到所述調(diào)制器；所述第二電路還將所述那些第二薄膜聲體波諧振器連接到所述解調(diào)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲電隔離器，其中所述第一電路將所述那些第一薄膜聲體波諧振器以反并聯(lián)方式連接；所述第二電路將所述那些第二薄膜聲體波諧振器串聯(lián)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲電隔離器，其中所述第一電路將所述那些第一薄膜聲體波諧振器串聯(lián)連接；所述第二電路將所述那些第二薄膜聲體波諧振器串聯(lián)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲電隔離器，其中所述調(diào)制器具有連接到所述第一電路的差分輸出；所述解調(diào)器具有連接到所述第二電路的差分輸入。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲電隔離器，其中所述薄膜聲耦合變換器是第一薄膜聲耦合變換器；所述調(diào)制器具有單端輸出；并且所述電隔離器還包括插入所述調(diào)制器與所述聲耦合器之間的第二薄膜聲耦合變換器，所述第二薄膜聲耦合變換器包括第一去耦堆疊聲體波諧振器和第二去耦堆疊聲體波諧振器，每個(gè)去耦堆疊聲體波諧振器包括第一薄膜聲體波諧振器和第二薄膜聲體波諧振器，所述那些第一薄膜聲體波諧振器以反并聯(lián)方式連接并連接到所述調(diào)制器的輸出端，所述那些第二薄膜聲體波諧振器串聯(lián)連接并連接到所述第一電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲電隔離器，其中每個(gè)所述薄膜聲體波諧振器包括成對(duì)的相反電極以及所述電極之間的壓電元件；所述第一電路連接到所述那些第一薄膜聲體波諧振器中位于所述聲去耦器遠(yuǎn)端的電極；所述第二電路連接到所述那些第二薄膜聲體波諧振器中位于所述聲去耦器遠(yuǎn)端的電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲電隔離器，其中，每個(gè)所述去耦堆疊聲體波諧振器還包括聲諧振電絕緣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲電隔離器，其中，所述聲諧振電絕緣體包括電絕緣材料的層，所述層與所述薄膜聲體波諧振器的聲阻抗相差小于一個(gè)數(shù)量級(jí)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲電隔離器，其中，所述聲諧振電絕緣體包括電絕緣材料的層，所述層與所述薄膜聲體波諧振器的聲阻抗匹配。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲電隔離器，其中每個(gè)所述去耦堆疊聲體波諧振器還在所述那些薄膜聲體波諧振器之間包括另外的聲去耦器；并且所述聲諧振電絕緣體包括電絕緣材料構(gòu)成的四分之一波層，所述層位于所述聲去耦器與所述另外的聲去耦器之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲電隔離器，其中所述聲諧振電絕緣體是第一半波聲諧振電絕緣體；每個(gè)所述去耦堆疊聲體波諧振器還包括第二半波聲諧振電絕緣體；并且所述聲去耦器位于所述第一半波聲諧振電絕緣體與所述第二半波聲諧振電絕緣體之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的聲電隔離器，其中，每個(gè)所述半波聲諧振電絕緣體都包括電絕緣材料構(gòu)成的半波層。
15.一種對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行電隔離的方法，所述方法包括下列步驟提供電隔離聲耦合器，所述電隔離聲耦合器包括電隔離薄膜聲耦合變換器；提供載波信號(hào)；用所述信息信號(hào)對(duì)所述載波進(jìn)行調(diào)制以形成調(diào)制電信號(hào)；經(jīng)過(guò)所述電隔離聲耦合器對(duì)所述調(diào)制電信號(hào)進(jìn)行聲耦合；以及從經(jīng)過(guò)所述電隔離聲耦合器聲耦合的所述調(diào)制電信號(hào)恢復(fù)所述信息信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述薄膜聲耦合變換器包括第一去耦堆疊聲體波諧振器和第二去耦堆疊聲體波諧振器，所述這些去耦堆疊聲體波諧振器各包括第一薄膜聲體波諧振器、第二薄膜聲體波諧振器和位于所述這些薄膜聲體波諧振器之間的聲去耦器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中每個(gè)薄膜聲耦合變換器包括與所述聲去耦器相鄰的第一平面電極、遠(yuǎn)離所述聲去耦器的第二電極以及所述這些電極之間的壓電元件；所述耦合的步驟包括向所述那些第一薄膜聲體波諧振器的第一電極施加所述調(diào)制電信號(hào)，和從所述那些第二薄膜聲體波諧振器的第一電極接收所述調(diào)制電信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述耦合的步驟包括將所述調(diào)制電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)；經(jīng)過(guò)電絕緣體傳輸所述聲信號(hào)；和將所述聲信號(hào)轉(zhuǎn)換回調(diào)制電信號(hào)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，每個(gè)所述去耦堆疊聲體波諧振器還在所述那些薄膜聲體波諧振器之間包括聲諧振電絕緣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲電隔離器及對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行電隔離的方法。聲電隔離器的實(shí)施例包括載波信號(hào)源、被連接以接收信息信號(hào)和載波信號(hào)的調(diào)制器、解調(diào)器、以及連接在調(diào)制器與解調(diào)器之間的電隔離聲耦合器，所述電隔離聲耦合器包括電隔離薄膜聲耦合變換器(FACT)。
文檔編號(hào)H04L5/14GK1953435SQ20061014007
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月18日
發(fā)明者約翰·D·拉森三世, 伊安·哈蒂卡斯特勒 申請(qǐng)人:安華高科技無(wú)線Ip(新加坡)私人有限公司