调整一个平衡滤波器和多个平衡滤波器的中心频率的方法

文档序号:7534913阅读:468来源:国知局
专利名称:调整一个平衡滤波器和多个平衡滤波器的中心频率的方法
技术领域
本发明总的涉及无线通信设备的谐振器结构,特别是体声波(bulk acoustic wave)滤波器结构。具体地,本发明是关于平衡的射频滤波器结构。
移动电信正在继续朝着更小的和更复杂的手持单元方向发展。这种发展导致对于移动通信装置中使用的元件和结构小型化的日益增长的需要。这种发展也关系到射频(RF)滤波器结构,尽管要求它越来越小型化,它应当仍然能够承受相当大的功率电平并且具有非常陡的通带边缘以及低的损耗。
现有技术的移动电话中使用的RF滤波器通常是分立的声表面波(SAW)或陶瓷滤波器。声表面波(SAW)谐振器典型地具有类似于

图1所示的结构。声表面波谐振器利用固体表面的声表面振动模式,在该模式中振动被约束在固体的表面,离开表面很快地衰减。SAW谐振器典型地包括压电层100和两个电极122,124。用SAW谐振器可以产生各种谐振器结构,诸如滤波器。SAW谐振器的优点是具有非常小的体积,但不幸地,不能承受高功率电平。
已经知道可以在半导体晶片(诸如硅(Si)或砷化镓(GaAs)晶片)上构建薄膜体声波谐振器。例如,在K.M.Lakin和J.S.Wang的题目为“Acoustic Bulk Wave Composite Resonators(体声波复合谐振器)”,Applied Physics Letters,Vol.38,No.3,pp.125-127,Feb.1,1981的论文中揭示了体声波谐振器,它包括被溅射在薄的硅膜片上的氧化锌(ZnO)薄膜压电层。而且,在Hiroaki Satoh,Yasuo Ebata,Hitoshi Suzuki,和Choji Narahara的,题目为“AnAir-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator(空气隙类型压电复合薄膜谐振器)”,I5 Proc.39thAnnual Symp.Freq.Control,pp.361-366,1985的论文中揭示了具有桥式结构的体声波谐振器。
图2显示具有桥式结构的体声波谐振器的一个例子。该结构包括被沉积在基片200上的薄膜片130。谐振器还包括在薄膜片上的底部电极110、压电层100、和顶部电极120。在膜片与基片之间通过从顶部一侧光刻掉某些基片造成一个缝隙。缝隙起到声隔离器作用,特别是隔离振动谐振器结构与基片。
体声波(BAW)谐振器还没有广泛使用,部分原因是由于还没有能给出方便地组合这样的谐振器与其它电路的方法。然而,BAW谐振器比起SAW谐振器来说具有某些优点。例如,BAW结构具有更好的对高功率电平的耐受能力。
下面首先描述几种类型的BAW谐振器。
体声波谐振器典型地被制作在硅(Si)、砷化镓(GaAs)、玻璃、或陶瓷基片上。可使用的另一种陶瓷基片是铝土(alumina)。BAW器件典型地是通过使用各种薄膜制造技术而被制造的,例如溅射、真空蒸发或化学蒸气沉积。BAW器件利用压电薄膜层以便产生体声波。典型的BAW器件的谐振频率是在0.5GHz到5GHz范围内,这取决于器件的体积和材料。BAW谐振器呈现典型的晶体谐振器的串联和并联谐振。谐振频率主要由谐振器的材料和谐振器的各层的尺度决定。
典型的BAW谐振器包含三个基本单元-声有源压电层,-在压电层的相反面上的电极,以及-与基片的声隔离。
压电层例如可以是ZnO,AlN,ZnS或任何其它可被制成为薄膜片的压电材料。作为另一个例子,可以使用铁电陶瓷作为压电材料。例如,可以使用PbTiO3和Pb(ZrxTi1-x)O3以及所谓的铅镧锆钛族的其它成员。
优选地,构成电极层所使用的材料是具有高的声阻的导电材料。电极例如可以包括任何适当的材料,诸如钨(W),铝(Al),铜(Cu),钼(Mo),镍(Ni),钛(Ti),铌(Nb),银(Ag),金(Au),和钽(Ta)。基片典型地由Si,SiO2,GaAs或陶瓷材料组成。
声隔离可以通过以下方法来产生-基片开通孔,-微机械桥路结构,或-声镜面结构。
在通孔和桥路结构中,声反射层是器件上和下方的空气界面。桥路结构典型地通过使用被蚀刻的牺牲层以产生自由站立结构来制造。使用牺牲层使得有可能使用各种基片材料,因为基片不需要像在通孔结构那样修改太多。桥路结构也可以通过使用蚀刻凹坑结构来产生,在这种情况下,凹坑必须被蚀刻在BAW谐振器下面的基片或材料层上,以便产生自由站立的桥路结构。
图3显示各种产生桥路结构的方式的一个例子。在沉积BAW结构的其它层以前,牺牲层135首先被沉积和形成图案。BAW结构的其余部分被部分地沉积在牺牲层135的上部以及形成图案。在完成了BAW的其余部分以后,牺牲层135被蚀刻掉。图3也显示了基片200、膜片层130、底部电极110、压电层100、和顶部电极120。牺牲层可以通过使用金属或聚合物作为材料来实现。
在通孔结构中,通过蚀刻掉在BAW谐振器结构的主要部分下面的基片,使得谐振器与基片形成声隔离。图4显示了BAW谐振器的通孔结构。图4显示了基片200、膜片层130、底部电极110、压电层100、和顶部电极120。通孔211被蚀刻成穿过整个基片。由于所需要的蚀刻,通孔结构通常只在Si或GaAs基片时实现。
隔离BAW谐振器与基片的另一种方法是通过使用声镜面结构。声镜面结构通过把声波发射回谐振器结构而实现隔离。声镜面典型地包括几层具有中心频率的四分之一波长厚度的层,另一些具有不同声阻抗的层。在声镜面中的层的数目典型地是奇数,典型的范围是从3到9。两个接连的层的声阻抗的比值应当很大,以便对BAW谐振器呈现尽可能低的声阻抗,与基片材料的相当高的阻抗不相同。在厚度为四分之一波长的压电层的情况下,镜面层被选择为使得对于谐振器呈现尽可能高的声阻抗。美国专利5 373 268揭示了这一点。高阻抗层的材料例如可以是金(Au),钼(Mo),或钨(W),以及低阻抗层的材料例如可以是硅(Si),多晶硅(poly-Si),铝(Al),或聚合物。由于在利用声镜面的结构中,谐振器与基片相隔离,以及基片不被修改太多,很多种材料可被用作为基片。聚合物层可以由具有低损耗特性和低声阻抗的任何的聚合物材料组成。优选地,聚合物材料是能够经受至少350℃的材料,因为在沉积声镜面结构和其它结构的其它层期间可能达到相当高的温度。聚合物层可以由聚酰亚醇(poiyimide),环辛烯(cyclotene),基于碳的材料,基于硅的材料或任何其它适当的材料组成。
图5显示在声镜面结构的上部的SAW谐振器的例子。图5显示了基片200、底部电极110、压电层100、和顶部电极120。声镜面结构150在本例中包括三层150a,150b。两层150a由第一材料构成,在这两层之间的第三层150b由第二层材料构成。第一和第二材料,如前所述,基于不同的声阻抗。材料的次序可以改变。例如,高声阻抗的材料可以处在中间,以及低声阻抗的材料可以处在两边,或反过来。底部电极也可被用作为声镜面的一个层。
图6显示BAW谐振器结构的另一个例子。图6所示的BAW谐振器是具有两层压电层100的堆叠的谐振器结构。除了底部电极110和顶部电极120以外,堆叠的结构需要中间电极115,它被连接到地电位。图6还显示膜片层130、基片200和把结构与基片隔离开的蚀刻凹坑210。
图7a显示使用体声波谐振器构建的栅格滤波器结构的电路图。包含BAW谐振器的栅格滤波器通常被设计成使得四个谐振器的两个谐振器(即谐振器A)具有比谐振器B高的谐振频率。典型地,谐振器A的串联谐振处在或接近于谐振器B的并联谐振频率,该频率是滤波器的中心频率。谐振频率上的差别可以与在阶梯结构的BAW滤波器中典型实施的相同的方式(即增加B谐振器的一个层的厚度或通过在B谐振器的上部沉积附加的层)而达到。附加层(有时被称为调谐层)可以是金属或介质层。图7b上显示这样的栅格结构的配置的例子。典型地,谐振器的体积由滤波器的想要的阻抗大小确定。阻抗大小主要由谐振器的固有的并联电容C0(即在上部电极与下部电极之间的电容)来确定。
正如在芬兰专利申请FI982824中说明的,栅格结构的四个谐振器中两个谐振器可能比起另两个谐振器具有较大的面积。具有大面积的谐振器可以是图7a上标记为B的谐振器或是图7a上标记为A的谐振器。当面积的比值被适当地选择时,这样的平衡滤波器的频率响应在通带外具有很陡的衰减。这是在许多应用中非常希望的带通滤波器特性。
在本说明中和特别是在附属权利要求中,术语谐振器面积是指谐振器的截面积,截面是在几乎平行于基片表面的平面上截取的,以及该面积由顶部电极和底部电极覆盖。虽然在图7a的例子中,四个谐振器的压电层是分开的,但谐振器的压电层可以形成单个连续的层。在这种情况下,谐振器的面积基本上由顶部电极和底部电极在出现重叠的位置处的重叠面积确定。
平衡滤波器典型地是带通滤波器。平衡滤波器的频率响应基本上是围绕某个频率(被称为中心频率)对称的。平衡滤波器典型地被设计成使得它们在中心频率时的阻抗大小与周围的电路最佳匹配,换句话说,与端接阻抗最佳匹配。通常,图7a上标记为A和B的谐振器具有相等的阻抗大小,但有可能通过设计平衡的滤波器结构使得谐振器A和B的阻抗的几何平均值等于端接阻抗。
通常地,非常重要的是,平衡滤波器具有某个特定的频率响应和某个特定的阻抗。频率响应例如规定了滤波器可被使用的射频频率。阻抗大小典型地由周围的电路确定,它通常是50Ω。如果滤波器的阻抗与周围电路不匹配,则滤波器的频率响应可能急剧地改变。典型地,在通带频率上,滤波器可以衰减太多,以及频率响应不一定能保持它的形状。
制造利用BAW谐振器的平衡滤波器的困难在于,当BAW滤波器的压电层被溅射沉积在基片晶片上时,压电层的厚度在整个晶片上不均匀。BAW谐振器的谐振频率主要由压电材料的声特性和压电层的厚度确定。谐振频率随压电层厚度的增加而增加。平衡滤波器的频率响应和中心频率取决于滤波器结构中谐振器的谐振频率。因此,在一个晶片上只有小部分制造的平衡滤波器可以呈现想要的中心频率和频率响应。例如,当中心频率处在1GHz左右时,压电层的非均匀性可能造成平衡滤波器的中心频率上大约8MHz的改变。中心频率的8MHz漂移在某些应用中可能是太大了。
当制造利用BAW谐振器的平衡滤波器时,中心频率的这个变化会使得产量非常低。有可能采取沉积某些附加层到晶片上、或从晶片上的某些谐振器中去除某些材料的方案。在晶片的某些部分上的BAW谐振器的层结构可以这样地修改,但这是非常麻烦的,以及涉及额外的处理步骤。
制造出来的平衡滤波器不具有想要的频率响应的这类问题,对于采用除BAW谐振器以外的谐振器的平衡滤波器也很尖锐。
利用BAW谐振器的平衡滤波器还有涉及环境温度的问题。利用ZnO的BAW谐振器的谐振频率典型地呈现-45ppm/℃(百万分之几)的温度系数。这意味着BAW谐振器的谐振频率随温度增加而降低。温度依赖性至少部分地是ZnO压电层的热膨胀的结果。因此,利用BAW谐振器的平衡滤波器的频率响应是依赖于温度的。这特别是在需要有大的工作温度范围的应用中是非常不方便的。
本发明的目的是给出用于调节平衡滤波器的中心频率的方法。本发明的另一个目的是给出一种可应用于中心频率动态改变的调节方法。优选地,用于调节平衡滤波器的中心频率的方法可以在制造平衡滤波器时被应用。
本发明的这些和其它目的是通过在一定的限制范围内调节平衡滤波器与周围电路之间的阻抗差而达到的。
按照本发明的方法是一种用于调节包括至少四个谐振器的平衡滤波器的中心频率的方法,以及该方法包括以下步骤-规定当平衡滤波器被连接到具有某个标称阻抗的电路时该平衡滤波器的标称中心频率,以及该方法的特征在于,它还包括以下步骤-确定当平衡滤波器被连接到具有一定的实际阻抗时该平衡滤波器的实际的中心频率,-比较平衡滤波器的实际中心频率与平衡滤波器的标称中心频率,以及-根据比较结果,在一定的限制范围内调节该电路的阻抗与平衡滤波器的阻抗之间的比值。
本发明还涉及在一个确定的基片上的多个平衡滤波器,其中每个平衡滤波器具有一定数目的(至少是四个)互相以一定的方式被连接的谐振器,以及所述多个平衡滤波器的特征在于,-属于所述多个平衡滤波器的每个平衡滤波器包括至少一个体声波谐振器,-属于所述多个平衡滤波器的一个平衡谐振器的体声波谐振器的总的面积被安排为取决于平衡滤波器在基片上的位置,以及-属于所述多个平衡滤波器的所有平衡滤波器具有几乎相同的实际中心频率。
从属权利要求进一步描述了本发明的优选实施例。
在按照本发明的方法中,平衡滤波器的中心频率通过调节周围电路的阻抗与平衡滤波器的阻抗的比值而被改变。平衡滤波器的频率响应通常被设计为,当平衡滤波器的阻抗与周围电路的阻抗具有相同的预定值时,频率响应以某个标称中心频率为中心。当阻抗比值出现少量改变时,中心频率从标称中心频率向更高的频率(当阻抗比增加时)或更低的频率(当阻抗比降低时)移动。频率响应的形状实际上保持不变。
在按照本发明的方法中,阻抗比值可以通过改变平衡滤波器的阻抗、周围电路的阻抗、或二者的阻抗而被修改。如果周围电路的阻抗与平衡滤波器的阻抗的比值太大或太小,则滤波器的频率响应不保持它的形状。所以,阻抗比只能在一定的限制范围内被调节。
本发明的一个优点在于,有可能通过调节例如平衡滤波器的输入端和/或输出端处的端接阻抗而补偿由于温度变化引起的平衡滤波器的中心频率的动态变化。
本发明的另一个优点在于,当变化是静态和由于平衡滤波器中谐振器的结构缺陷时,有可能补偿平衡滤波器的中心频率的变化。在这种情况下,修改平衡滤波器的阻抗(例如平衡滤波器中的特定的谐振器的阻抗)是有利的。如果平衡滤波器包括体声波谐振器,则它们的阻抗可通过修改谐振器的面积而被调节。如果平衡滤波器包括声表面波谐振器,则它们的阻抗可通过修改分支(finger)的数目和或分支的面积而被调节。在利用BAW谐振器的平衡滤波器的事例中,可以作出修改,以使得沉积的图案局部地被重新画出。在图案被设计和产生以后,可以使平衡滤波器的产量增加,而不用在制造过程中增加额外的步骤。按照本发明的方法可被应用于在现有技术范围内的、利用任何种类的BAW谐振器的平衡滤波器的制造。
基于谐振器单元的、和具有图7a所示的栅格拓扑的任何平衡滤波器的中心频率可以按照本发明通过修改周围电路的阻抗而被调谐。通过修改谐振器的阻抗来补偿制造上的非理想性,对于利用BAW谐振器的平衡滤波器多半是最有效的。在这方面,谐振器的面积可被容易地调节。也有可能通过把额外的电容添加到平衡滤波器的结构上而修改滤波器的阻抗,然而这除了能调谐中心频率以外可能恶化频率响应。将额外的线圈添加到平衡的谐振器上,使得通过改变滤波器的电感从而也修改滤波器的阻抗,但这里出现的问题除了恶化频率响应以外可能是线圈的体积。
现在将参照优选实施例和参照附图,更详细地描述本发明,其中图1显示按照现有技术的声表面波谐振器,图2显示按照现有技术的体声波谐振器,图3显示另一个具有桥路结构的体声波谐振器,图4显示具有通孔结构的体声波谐振器,图5显示通过声镜面结构与基片隔离的体声波谐振器,图6显示堆叠的体声波谐振器,图7显示平衡滤波器和平衡滤波器的结构,图8显示按照本发明的第一优选实施例的、用于调谐平衡滤波器的中心频率的方法的流程,图9显示改变终端阻抗对于平衡滤波器的频率响应的影响,图10显示按照本发明的第二优选实施例的、用于补偿温度对中心频率的影响的方法的流程图,图11显示压电层厚度变化对于利用BAW谐振器的平衡滤波器的频率响应的影响,图12显示图11所示的频率响应的放大部分,图13显示通过改变谐振器阻抗来补偿压电层厚度变化对于利用BAW谐振器的平衡滤波器的频率响应的影响,图14显示图13所示的频率响应的放大部分,图15显示用于在制造滤波器时调谐平衡滤波器的中心频率的方法的流程图,以及图16显示按照本发明的多个平衡滤波器。
以上在说明现有技术时参考了图1-7。相同的参考数字用于所有图上的相应的部件。
图8显示按照本发明的第一优选实施例的方法800的流程图。在这个方法中,在步骤801,确定或规定平衡滤波器的标称中心频率fc’。这是例如在平衡滤波器的设计过程中的典型的步骤。平衡滤波器的标称阻抗通常与标称中心频率一起被规定。平衡滤波器的标称阻抗通常与周围电路的标称阻抗相同。
在步骤802,确定当具有一定的实际阻抗ZF的平衡滤波器被连接到具有一定的实际阻抗ZIO的周围电路时的平衡滤波器的实际中心频率fc。有可能既不是周围电路的实际阻抗ZIO也不是平衡滤波器的实际阻抗ZF正好等于标称阻抗。如果方法800被使用于平衡滤波器的设计阶段,则在步骤802可以通过仿真来确定平衡滤波器的实际中心频率。它也可以基于实际地被连接到一定的周围电路的平衡滤波器的频率响应的测量结果。
在步骤803,检验实际中心频率fc是否不同于标称中心频率fc’。在标称中心频率周围可以有余额(它取决于应用项),平衡滤波器的实际中心频率应当落在这个范围内。实际中心频率例如由于温度变化或由于平衡滤波器的实际结构比起设计的结构有改变,可能不同于标称值。
如果发现滤波器的实际中心频率fc是不可接受的,则在步骤804确定它是太大还是太小。如果实际中心频率太小,则在步骤805增加周围电路的实际阻抗ZIO与平衡滤波器的实际阻抗ZF的比值。平衡滤波器的实际中心频率取决于这个比值ZIO/ZF。如果平衡滤波器的实际中心频率太大,则在步骤806减小比值ZIO/ZF。比值ZIO/ZF可以通过调节周围电路的阻抗、通过调节平衡滤波器的阻抗、或通过调节这二者的阻抗而被修改。
在方法800中,在步骤805和806比值ZIO/ZF的增加或减小可以是根据先前的测量结果。也有可能迭代地改变比值ZIO/ZF以便在步骤805或806每次改变后可执行步骤802。当比值ZIO/ZF对平衡滤波器的中心频率的影响通过仿真被考查时,这是相当容易的。
图9显示通过改变周围电路的阻抗值ZIO而改变比值ZIO/ZF值的结果。图9以典型的方式给出滤波器的频率响应将信号的衰减(S21)作为频率的函数给出。被考查的平衡滤波器采用四个BAW谐振器,其中压电层由ZnO制成,并且每个BAW谐振器的面积是108000μm2。滤波器被设计成以50Ω的标称阻抗运行,即平衡滤波器的阻抗被设计成50Ω,以及周围电路的阻抗被设计成50Ω(即,50Ω端接阻抗)。当使用50Ω端接阻抗测量滤波器的频率响应时,中心频率是大约943MHz。以50Ω测量的频率响应在图9上用实线和三角形标记。它是图9上最右面的频率响应。
图9上的另两条曲线相应于两个较小的ZIO数值20Ω和35Ω。对于ZIO=35Ω,测量的中心频率是大约938MHz(图9上的实线和方块形),以及对于ZIO=20Ω,测量的中心频率是大约933MHz(图9上只是实线)。正如从图9上看到的,减小端接阻抗ZIO将会降低中心频率,但基本上保持被考查的平衡滤波器的频率响应的原始的形状。对于端接阻抗20、35、和50Ω,通带内的衰减值基本上相同。具有约945MHz的中心频率的平衡滤波器的中心频率可通过调节端接阻抗ZIO而被减小约10MHz,然而基本上不改变频率响应的形状。
在图9上给出其结果的测量中,平衡滤波器的输入端口和输出端口的端接阻抗被改变。如果平衡滤波器后面接连着缓冲级,则有可能改变缓冲级的输入阻抗,以便例如补偿温度影响。如果滤波器的两个端口都被改变,则中心频率的偏移较大,但只改变一个端口阻抗也引起偏移。
在某些情形下,平衡滤波器从一侧被驱动为单端接形式的,即,输入和输出端口中的一个端口被接地。在这种情况下,如果在平衡侧的负载之间的节点不接地,则被耦合端口的端接阻抗的改变也影响中心频率。
图9上给出的影响可以在具有图7a上说明的结构的平衡滤波器中可以观察到。这并不是一种局限于利用BAW谐振器的平衡滤波器的特性。所以,中心频率的轻微调谐可以在任何具有图7a上说明的结构的平衡滤波器上实行。
图10显示按照本发明的第二优选实施例的用于补偿平衡滤波器的温度影响的方法1000。与前面的方法800相类似,在第一步骤801,规定平衡滤波器的标称中心频率fc’和平衡滤波器的标称阻抗(以及周围电路的标称阻抗)。
这里,假定平衡滤波器的中心频率是温度的函数,正如对于利用ZnO压电层的BAW谐振器的平衡滤波器的情形。在步骤1001,测量环境温度或直接测量平衡滤波器的温度(或其上安装滤波器的电路板的温度)。在步骤1002,确定在测量的温度下平衡滤波器的实际中心频率fc。平衡滤波器的中心频率的温度依赖性例如可以在利用平衡滤波器的系统进入运行以前提前进行测量。在这种情况下,可以有一个温度表格以及对于每个温度,有一个对应于先前测量的平衡滤波器的中心频率的项目。在步骤1001和1002,可以测量温度,以及可以在表格上查找对应的实际中心频率。在方法1000的步骤803和804,将实际中心频率fc与标称中心频率fc’进行比较,以及如果阻抗比值ZIO/ZF需要被调节,则可以在步骤1003和1004通过改变周围电路的阻抗ZIO而被完成。
对于-45ppm/℃的温度系数,中心频率的10MHz的偏移相应于200℃的温度改变。然而,补偿这么大的温度变化可能是不实际的。温度的提高,例如可能增加平衡滤波器的插入损耗,因此恶化滤波器的性能。
图11显示各种平衡滤波器的仿真的频率响应。在仿真中,假定滤波器包括四个BAW谐振器。平衡滤波器可以是如图7b上给出的。在BAW谐振器中,谐振频率主要取决于谐振器中的层的厚度以及在层材料中的声速。
图11和12中考查的平衡滤波器的差别在于,属于滤波器结构的四个BAW谐振器中的压电层厚度被改变。压电层厚度的改变引起类似的影响,但这里假定,电极层对于所有的五个平衡滤波器具有某个共同的厚度。表1给出对于五个平衡滤波器的每个滤波器的压电层的厚度。在图11和12上,每个BAW谐振器的面积是103300m2。
图11上五条频率响应曲线具有基本上相同的形状。图11上中间的频率响应曲线相应于BAW谐振器中具有2680nm的压电层厚度的平衡滤波器。两条最左面的频率响应曲线相应于那些其压电层比对应于中间曲线的平衡滤波器的压电层要厚出1%(最左的曲线)和0.5%的滤波器。两条最右面的频率响应曲线相应于其压电层比对应于那些中间曲线的平衡滤波器的压电层要厚出0.5%和1%(最右的曲线)的滤波器。
图12显示相同的频率响应曲线的放大图。正如从图12看到的,属于诸如图7b说明的滤波器结构的BAW谐振器的压电层厚度的0.5%的改变对于约943MHz的中心频率将会引起约4MHz偏移。在图12上,烦率响应曲线的形状非常均匀。
图13显示另外五个平衡滤波器的仿真的频率响应曲线。这五个平衡滤波器比起以上考查的那些平衡滤波器稍微作了修改。其差别在于,具有太厚和太薄的压电层的四个平衡滤波器的阻抗ZF已被修改。这样,比值ZIO/ZF被修改成可以补偿压电层的厚度变化。在仿真中,阻抗ZIO比是50Ω。在表1上给出了BAW谐振器的面积和相应的谐振器阻抗。
表1
正如图13上看到的,五条频率响应曲线几乎重叠。图14给出了频率响应在通带范围内的特性的更多的细节。当压电层的厚度变化通过改变比值ZIO/ZF比而被补偿时,五个平衡滤波器的中心频率处在5MHz内。当与图12的中心频率(它们是处在16MHz内)相比较时,这是明显的改进。
从图14可以看到,那个阻抗没有被修改的平衡滤波器的频率响应(在图4上标记为ZnO(0%))是最平坦的一条。对于那些具有与标称值相差±0.5%的压电层厚度、并且其阻抗稍微修改过的平衡滤波器,图13的频率响应曲线表明在943MHz的中心频率处稍微有一个凹陷。对于具有与标称值相差±1%的压电层厚度的、以及其阻抗比标称值稍微修改的平衡滤波器,在中心频率处多少有较深的凹陷。实际上,频率响应形状上的这些小的变化最多半不会引起任何问题。
在表1的最右面两列中给出的对于五个平衡滤波器结构的数值是粗略地最佳化的结果。通过BAW谐振器面积的更精细的调节,可以得出甚至更好的结果。
利用BAW谐振器的平衡滤波器通常通过使用薄膜技术来制造的。各种层被一层接一层地沉积在一起,压电层通常是BAW谐振器结构中最厚的层,它通常被溅射沉积。沉积过程是不理想的,所以,在晶片上出现小的厚度变化。
这些层的厚度变化(特别是那些压电层的厚度变化)影响BAW谐振器的谐振频率。谐振频率又影响平衡滤波器的频率响应,特别是其中心频率,正如可以在图11和12上看到的那样。
通过例如调节在与滤波器连接的电路中端接阻抗,有可能补偿由于压电层厚度变化引起的中心频率的移动。也有可能通过把适当的电容或线圈添加到滤波器结构上而调节滤波器的阻抗。加上额外的电容或线圈的问题是它们通常会造成更大的通带内衰减。
也有可能通过改变平衡滤波器的阻抗ZF而改变比值ZIO/ZF。当补偿由于制造引起的变化(例如,由于BAW谐振器的非均匀压电层厚度、或由于SAW谐振器中非均匀的分支尺寸引起的变化)时,这是非常有利的。
图15给出按照本发明的第三优选实施例的方法1500的流程图。通过使用这个方法,有可能补偿在设计滤波器时已出现的平衡滤波器的中心频率的变化。
方法1500从设计步骤801开始,在其中规定平衡滤波器的标称中心频率和标称阻抗。此后,在步骤1501,确定作为晶片上的位置的函数的平衡滤波器的实际中心频率fc。如果平衡滤波器利用BAW谐振器,则压电层的厚度变化(当目的是要制造均匀厚度的压电层时)可以通过使用这样的晶片来进行研究,在这种晶片中压电层是通过使用与在制造新的平衡滤波器时要被使用的相同的设备来进行沉积的。压电层的厚度可以直接例如通过探测沉积的压电层厚度、或例如通过测量在晶片上以常规方式制作的平衡滤波器的中心频率而被考查的。
此后在步骤803,将平衡滤波器的实际中心频率(它是在晶片上的位置的函数)与标称中心频率进行比较。在晶片的某些部分,压电层厚度和最终的实际中心频率可能是正确的,而不用对滤波器阻抗ZF作任何调整。如果中心频率小于或大于标称中心频率,则最好修改滤波器阻抗(步骤1502,1503),以便修改比值ZIO/ZF。比值ZIO/ZF的改变导致平衡滤波器的中心频率改变。降低平衡滤波器的阻抗ZF并同时保持周围电路的阻抗不变,可以使得实际的中心频率提高。同样地,增加平衡滤波器的阻抗ZF使得实际的中心频率降低。
平衡滤波器的阻抗取决于属于平衡滤波器的谐振器的阻抗。平衡滤波器的阻抗ZF因此可通过改变谐振器的阻抗而被改变。在BAW谐振器的情况下,谐振器的阻抗主要取决于压电层的厚度和谐振器的面积。谐振器的厚度是溅射沉积产生的结果,但谐振器的面积可以通过改变顶部和底部电极重叠的面积而容易地被控制。通过改变谐振器的面积,BAW谐振器的阻抗可被改变而不影响BAW谐振器的谐振频率。
为了降低BAW谐振器的阻抗(即为了补偿压电层太厚所造成平衡滤波器的中心频率太小),可以增加谐振器的面积。同样地,如果压电层的厚度太小,则可以通过减小谐振器的面积来补偿它。谐振器的面积很容易通过适当地设计在生产BAW谐振器的顶部和底部电极时使用的图案掩膜而进行控制。典型地,存在着一个对于BAW谐振器的标称值,它相应于压电层的标称厚度。如果压电层厚度和BAW谐振器面积都具有标称值,则利用BAW滤波器的平衡滤波器的实际中心频率就是标称中心频率。
在一些面积上会出现压电层比标称值厚或薄的情况,这是由于溅射沉积设备的特性而造成的,这种情况会随不同设备而变化。压电层可能在晶片的中心处最厚,或可能在一个圆周上最厚。在使用同一设备在溅射沉积条件不变的情况下制造压电层时,压电层的厚度的变化通常是相同的。通过考查使用某个设备沉积在晶片或其它基片上的压电层,可以发现压电层厚度的变化,然后在设计新的平衡滤波器时可以通过按照本发明的方法1500进行补偿。
平衡滤波器中的BAW谐振器可以具有不同的面积。例如,图7a上标记为A的谐振器可以具有一定的面积,而标记为B谐振器可以具有另一个面积。谐振器A和谐振器B的面积的比值例如可以是1.2。这样的平衡滤波器的频率响应在通带以外具有非常陡的衰减斜率。也有可能平衡滤波器的全部四个BAW谐振器都具有不同的面积。这可以是当其上制造平衡滤波器的晶片没有电绝缘时的情形。
某一个平衡滤波器的BAW谐振器的面积的比值影响平衡滤波器的频率响应。所以,当为了调节平衡滤波器的阻抗而改变面积时保持面积的比值是有利的。换句话说,在方法1500的步骤1502和1503中,在设计阶段把某一个平衡滤波器的BAW谐振器的面积乘以某一个取决于平衡滤波器在基片上的位置的常数是有利的。对于BAW谐振器面积的适当的数值,可以通过在对压电层的厚度变化或平衡滤波器的中心频率变化估值以后进行仿真而被找到。
一般,在基片板上可制造大量平衡滤波器。在图16上,示意地显示了这样的基片板1600。每个平衡滤波器构可以成被沉积在同一个基片上的更大的电路的一部分。一旦这些电路或平衡滤波器被制造在基片上,基片就被看作为适当的块,其中每个块一般包括一个平衡滤波器或一个包含平衡滤波器的电路。
在基片1600上,具有平衡滤波器1610、1620和1630,它们的阻抗按照本发明来进行调节。在设计阶段,规定一个,具有一定数目的谐振器(它们具有确定的谐振频率)的平衡滤波器以便能获得想要的频率响应。对于图16上作为例子给出的平衡滤波器1610、1620和1630,结构设计被规定为使四个BAW谐振器具有相等的面积。
平衡滤波器1620与基片中心的距离约为晶片半径的一半,该滤波器包括四个BAW谐振器(1621、1622、1623和1624),其中每个谐振器具有一定的面积。位于晶片中心的平衡滤波器1610类似地包括具有相等面积的四个BAW谐振器(1611、1612、1613和1614),但面积大于平衡滤波器1620中的BAW谐振器的面积。平衡滤波器的减小的阻抗可以补偿(至少部分地)由太厚的压电层造成的太低的中心频率。而且,位于晶片的边缘的平衡滤波器1630类似地包括具有相等面积的四个BAW谐振器,但面积小于平衡滤波器1620和1610中谐振器的面积。这里平衡滤波器的增加的阻抗可以补偿由太薄的压电层造成的太高的中心频率。
也可能在平衡滤波器中不是所有的或任意的谐振器是体声波谐振器。在多个这样的平衡滤波器中,平衡滤波器中的至少一个谐振器的阻抗可被改变。如果平衡滤波器包括体声波谐振器,则它的面积可以按适当的方式变化。而且,如果平衡滤波器包括一个以上的体声波谐振器,则属于平衡滤波器的体声波谐振器的总面积可以取决于例如平衡滤波器在基片上的位置。在属于平衡滤波器的谐振器之间的阻抗比值随各个平衡滤波器而不同的情况下,频率响应的形状也随不同的平衡滤波器而不同。
通过以上的说明,本领域技术人员将看到,可以在本发明的范围内作出各种修改。虽然已详细地描述了本发明的优选实施例,但应当看到,对于它的许多修改和变动是可能的,所有这些都属于本发明的真正精神和范围内。
权利要求
1.用于调节包括至少四个谐振器的平衡滤波器的中心频率的方法(800),包括以下步骤-规定(801)当平衡滤波器被连接到具有一定的标称阻抗的电路时该平衡滤波器的标称中心频率,其特征在于,它还包括以下步骤-确定(802)当平衡滤波器被连接到具有一定的实际阻抗时该平衡滤波器的实际的中心频率,-比较(803,804)平衡滤波器的实际中心频率与平衡滤波器的标称中心频率,以及-根据比较结果,在一定的限制范围内调节(805,806)该电路的阻抗与平衡滤波器的阻抗之间的比值。
2.按照权利要求1的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法(1500),其特征在于,对平衡滤波器的阻抗进行调节(1502,1503)。
3.按照权利要求2的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法,其特征在于,对平衡滤波器的至少一个谐振器的阻抗进行调节。
4.按照权利要求3的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法,其特征在于,平衡滤波器包括至少一个体声波谐振器,以及该方法还包括以下步骤-确定(501)具有一定的标称面积的所述体声波谐振器的平衡滤波器的实际中心频率,以及-根据实际中心频率调节所述体声波谐振器的面积。
5.按照权利要求4的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法,其特征在于,实际中心频率是通过确定所述体声波谐振器的压电层的厚度而被确定的。
6.按照权利要求4的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法,其特征在于,它还包括以下步骤-将多个平衡滤波器沉积在一定的基片上,每个平衡滤波器具有至少等于4个的一定数目的互相以一定的方式连接的谐振器,每个平衡滤波器至少包括一个体声波谐振器,以及-通过使用对于属于所述多个平衡滤波器的所有的平衡滤波器是共同的一定的步骤,处理属于所述多个平衡滤波器的每个平衡滤波器中的所述体声波谐振器的层结构,以及,属于所述多个平衡滤波器的每个平衡滤波器的所述体声波谐振器的面积是根据平衡滤波器在基片上的位置而被调节的。
7.按照权利要求6的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法,其特征在于,多个平衡滤波器被沉积在一定的圆盘形结构的基片上。
8.按照权利要求2的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法,其特征在于,它还包括把至少一个电容添加到平衡滤波器上的步骤。
9.按照权利要求8的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法,其特征在于,所述电容是可调节的。
10.按照权利要求2的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法,其特征在于,它还包括把至少一个线圈添加到平衡滤波器上的步骤。
11.按照权利要求1的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法(1000),其特征在于,平衡滤波器通过输入端口和输出端口被连接到一个电路,以及至少一个端口是可调节的(1003,1004)。
12.按照权利要求11的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法(1000),其特征在于,输入端口的阻抗和输出端口的阻抗是可调节的。
13.按照权利要求1的用于调节平衡滤波器的中心频率的方法(1000),其特征在于,它还包括以下步骤-确定(1001)平衡滤波器的工作温度,以及-平衡滤波器的实际中心频率在所述温度下被确定(1002),以及-把在所述温度下平衡滤波器的实际中心频率与平衡滤波器的标称中心频率进行比较(803,804)。
14.在一定的基片(1600)上的多个平衡滤波器(1610,1620,1630),每个平衡滤波器(1610、1620和1630)具有至少是四个的一定数目的互相以一定的方式被连接的谐振器,其特征在于,-属于所述多个平衡滤波器的每个平衡滤波器包括至少一个体声波谐振器(1611,1621,1631),-属于所述多个平衡滤波器的平衡谐振器的体声波谐振器的总的面积被安排成取决于平衡滤波器在基片上的位置,以及-属于所述多个平衡滤波器的所有平衡滤波器具有基本上相同的实际中心频率。
15.按照权利要求14的多个平衡滤波器,其特征在于,-每个平衡滤波器包括具有第一面积的、和把第一信号线连接到第三信号线的第一体声波谐振器(1611、1621和1631),具有第二面积的、和把第二信号线连接到第四信号线的第二体声波谐振器(1613、1623和1633),具有第三面积的、和把第一信号线连接到第四信号线的第三体声波谐振器(1612、1622和1632),和具有第四面积的、和把第二信号线连接到第三信号线的第四体声波谐振器(1614、1624和1634),以及-所述第一面积、第二面积、第三面积、和第四面积被安排为取决于所述平衡滤波器在基片上的位置。
16.按照权利要求15的多个平衡滤波器,其特征在于,在属于所述多个平衡滤波器的每个平衡滤波器中,第一面积、第二面积、第三面积、和第四面积的比值基本上是相同的。
17.按照权利要求16的多个平衡滤波器,其特征在于,所述基片基本上是圆盘形的板。
全文摘要
调节包括至少四个谐振器的平衡滤波器的中心频率的方法(800),其中规定(801)当平衡滤波器被连接到具有某个标称阻抗时的该平衡滤波器的标称中心频率,其特征在于,确定(802)当平衡滤波器被连接到具有某个实际阻抗时的平衡滤波器的实际的中心频率,把平衡滤波器的实际中心频率与标称中心频率进行比较(803,804),以及根据比较结果,在一定的限制范围内调节(805,806)电路与平衡滤波器之间的阻抗比值。
文档编号H03H9/54GK1298271SQ0013429
公开日2001年6月6日 申请日期2000年11月29日 优先权日1999年11月29日
发明者J·埃莱 申请人:诺基亚移动电话有限公司
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