专利名称：体声波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种体声波(bulk acoustic wave)装置，例如一种体声波滤波器。
背景技术：
由于它们的高共振频率和它们的高质量，体声波谐振器已被广泛地使用，特别是在移动无线电通讯中。一种最简单实现的体声波谐振器包括设置在两个金属电极之间的一压电材料薄膜层。通用的压电材料例如是氮化铝(AlN)或者氧化锌(ZnO)。图3示出了一种具有静态电容C的示例性体声波谐振器30，其包括一压电材料层，下面将被称为压电层32，并位于第一电极或者顶部电极T和第二电极或者底部电极B之间。顶部电极和底部电极的名称仅仅用于定义目的，并不代表对体声波谐振器的空间排列和定位的任何限制。更确切地说，正如下文的解释，顶部电极和底部电极的名称用来定义这些电极相对于压电材料极化的位置，这样就可以从指示T和B电极的等效电路图中导出各个体声波谐振器的极化。
如果在体声波谐振器30的第一电极T和第二电极B之间施加电场，那么相互的或者相反的压电效应将导致体声波谐振器30机械地延伸或者收缩，如上所述，延伸或者收缩的情况取决于压电材料的极化。这意味着如果电场被反向施加在T和B电极之间，那么将得到相反的情况。在交变场的情况下，在压电层32中产生声波，并基于体声波谐振器的实施情况，例如，该波将平行于电场作为纵波，或者作为横波横向于电场传播，例如在压电层32的界面处将被反射。只要压电层32的厚度d等于声波的波长λ的一半的整数倍，就会发生共振态和/或共鸣振动。然后共振基频即最小的共振频率fres将与压电层32的厚度d成反比。这意味着体声波谐振器以外部指定的频率振动。
压电特性和由此的体声波谐振器的共振特性取决于各种因素，举例来说，取决于压电材料、生产方法、制造过程中施加在体声波谐振器上的极化、和晶片的尺寸。如上所述，特别是共振频率基于压电层的厚度d。
如上所述，体声波谐振器呈现电极化。体声波谐振器的机械变形，伸出(extraction)或者收缩的方向取决于施加到第一电极T和第二电极B之间的电场的方向以及体声波谐振器30的极化方向。例如，如果体声波谐振器的极化和电场的方向指向同一方向，那么体声波谐振器30收缩，反之，当体声波谐振器30的极化和电场的方向指向相反的方向时，体声波谐振器30延伸。
在已知的体声波谐振器各种结构中，典型地，所谓的FBAR(薄膜式体声音共鸣器)和SMR(固态安装的谐振器)之间的差别。此外，不仅具有一个压电层32的体声波谐振器的技术是已知的，而且具有多个压电层的体声波谐振器的技术也是已知的。
体声波谐振器被滤波器使用，例如，图4示出了梯形结构中所允许的体声波滤波器的电路图，其包括电接地42，信号输入端44，信号输出端46，第一串联谐振器48，第二串联谐振器50，第三串联谐振器52，第一并联谐振器54，第二并联谐振器56，第三并联谐振器58和第四并联谐振器60，串联谐振器48、50、52串接在信号输入端44和信号输出端46之间，并且第一并联谐振器54并行地连接在信号输入端44和电接地42之间，第二并联谐振器连接在第一串联谐振器48和第二串联谐振器50之间的连接点和电接地42之间，第三并联谐振器58连接在第二串联谐振器50和第三串联谐振器52之间的连接点和电接地之间，以及第四并联谐振器60并行地连接在信号输出端46和电接地42之间。每个串联和并联谐振器都包括顶部电极T和底部电极B，这在图4的等效电路图中示出，以便示出体声波谐振器的极化。
例如滤波器电路的问题是体声波谐振器的热应力。但是，这个问题可以通过例如体声波设备广泛使用的体声波谐振器“级联”方法解决。在下面，级联的意思是一连串或串联连接的开关元件。呈现静态电容C的体声波谐振器被两个级联的体声波谐振器所代替，每一个谐振器都呈现静态电容2C，这样总电容还是C。原则上，这样的级联的体声波谐振器具有与相应的单个体声波谐振器相同的阻抗特性。如上所述，级联的主要动机是体声波谐振器的热应力减少4，呈现静态电容2C的一对级联的体声波谐振器比呈现静态电容C的相应单个体声波谐振器大相差4的事实引起热应力的减少。
例如，US 005231327A描述了这样一种级联的方法，其中呈现静态电容C的体声波谐振器被两个串连连接的呈现静态电容2C的体声波谐振器所代替，这两个体声波谐振器共用一个压电层。
另一个问题是体声波设备例如体声波谐振器、体声波滤波器、或者直接运行在移动无线电系统的天线上呈现非线性工作状态的体声波天线转换开关。例如，如果发射功率值超过0.1W，这个问题就随体声波天线转换开关出现。
上述级联的副作用是能量密度也减少系数4，并且由此非线性作用与级联谐振器减小6dB。
可是，级联的主要缺点是如果滤波器的所有体声波谐振器都被级联，那么级联显著地增加了体声波设备的尺寸。通常不可能对滤波器的所有谐振器分支都采用级联，经常仅对直接信号通路中最小的体声波谐振器应用级联，例如仅对依据图4的具有梯形结构的滤波器中的串联谐振器48、50、52，因为这些体声波谐振器受过热危害的影响最大。
发明内容
本发明的目的是提供一种体声波装置和一种体声波滤波器，其使得在不显著增加体声波谐振器尺寸的情况下减小体声波谐振器的非线性特性成为可能。
这个目的是通过依照权利要求1的体声波装置和依照权利要求14的体声波滤波器来实现的。
本发明提供一种体声波装置，其具有相互反平行连接的第一体声波谐振器和第二体声波谐振器。
本发明基于对非线性工作状态的主要作用是在体声波天线转换开关的输出频谱中产生明显的二次谐波以及互调效应的观察。非线性的主要原因是在体声波设备的所有活动层中所发现的非常高的这些功率级的能量密度，这样本身的压电效应就不再遵循变形和/或应力和电场之间完全的线性关系。
此外，本发明基于对两个体声波谐振器的谐波相互作用彼此减小的发现，并且在理想的情况下，以适当的尺寸彼此相互抵消，这是由于反平行连接即它们相互反向极化的平行连接，并且由于所导致的所提供电压的符号改变和/或所导致的施加电压之间的相移，这样非线性作用被减小和/或消除。
为了更精确地表达，本发明考虑到在低电压和/或弱电场下，体声波谐振器的变形正比于产生变形的电场，反之亦然的事实。但是对于更大的电压和/或电场来说，电场与它所产生的变形之间的比值不再成比例，即它变得非线性。考虑到所述事实，下面的观察和考虑导出本发明。
开始，本发明基于新颖性观察，导致体声波谐振器从线性工作状态偏离的主要机构是在存在偏压应力和/或附加应力时共振频率的偏移。这种偏压应力可以是机械的或者电气的，并导致应力加强。所述应力加强不能通过线性压电等式描述。
该偏压应力可以由例如作用在压电层上的机械压力产生，也可以由通过压电层施加的高电压特别是高直流电压产生。已证实共振频率几乎以线性方式向上和向下变化，同时直流电压在负高压到正高压的宽范围内变化，或者摆动。这种效应被称作VCF效应(VCF＝频率的电压系数)。对于偏移的方向，体声波谐振器共振频率的偏移是依据例如直流电压的符号，并且对于偏移的量，它是依据电压的量值。已对基于氮化铝的体声波谐振器测量为2千兆赫的频率变化的值例如在20ppm/v的范围内。这种应力加强正变得与高频信号的高幅值有关，并在激发信号和/或输入信号的两倍频率处产生大比例和/或声音。在上述同一体声波谐振器上执行的高频测量显示出所发射的功率包括二次谐波，其在+30dBm的基波的-10dBm范围内。
在这些结果的基础上，已实现模拟模型，其考虑VCF效应，结果是VCF效应控制，或者决定性地影响体声波谐振器的非线性工作状态，并且是改进性能的关键所在。由于VCF效应可以通过改变施加电压的符号而转换，因此也可能补偿VCF效应在谐振器上的冲击，通过将同一谐振器分成等尺寸的两个区域，并在反相下运行这些区域来补偿，特别是通过将一个呈现静态电容C的体声波谐振器分成两个区域，两个区域呈现静态电容C/2，并在反平行结构中运行和/或切换该两个区域来补偿，这样它们表现得像呈现静态电容C的体声波谐振器，但是其呈现显著地减小的非线性，这是由于两个区域的VCF效应被消除。具有创造性的体声波装置和/或反向平行连接的两个体声波谐振器的谐波被彼此叠加，以适当尺寸彼此消弱和彼此消除。
这样，依据本发明提供体声波装置，其包括两个反平行连接的体声波谐振器，其呈现在相应常规体声波谐振器上改进的特性，即减小的非线性特性和/或减少的谐波。
依据本发明，滤波器电路可以这样被改进，例如通过使用发明的体声波装置代替体声波谐振器。本发明的优选实施例包括两个体声波谐振器，其共振频率具有相同的值，并具有相同的VCF，这样其共振频率由于VCF效应在同一方向上偏移并偏移相同的量值。这样一种匹配确保了两者的谐波具有相同的频率值。
此外，本发明特别优选的实施例包括两个体声波谐振器，其不仅仅具有相同的共振频率和相同的VCF，并且具有相同的阻抗和特别是相同的静态电容，这样反平行连接的体声波谐振器的谐波幅值大小相同，并且这样二次谐波彼此抵消。
如此，体声波装置的创造性的实施例具有的主要优点是它们改进了体声波装置的线性，并且在不增加放置在体声波设备上的空间需求的情况下显著地减小了和/或消除了谐波的产生。
与级联方法相反，体声波装置仅稍稍增加了滤波器所需要的总范围。因此，这种方法对体声波谐振器分支，特别是对于级联太大的滤波器是非常有利的。
下面将结合附图详细解释本发明的优选实施例，其中图1A示出了发明性实施例的截面图；
图1B和1C示出了依据图1A的示意图发明性的体声波装置的两个不同实施例的图解剖面，其中第一体声波谐振器和第二体声波谐振器包括公共的压电层；图2示出了在梯形结构中具有三个发明性的体声波装置的改进的体声波滤波器的框图；图3示出了体声波谐振器的截面图；图4示出了梯形结构中通用体声波滤波器的框图。
具体实施例方式
一开始，指出图1B和1C中相同或者相等的特征被提供从图1A中已知的相应特征的附图标记，并且它们模式机能的重复描述被省略。
图1A示出了体声波装置发明性实施例的截面图，其具有第一体声波谐振器72和第二体声波谐振器74，体声波谐振器72包括压电层72P，第一电极72T和第二电极72B，第二体声波谐振器74包括压电层74P，第一电极74T和第二电极74B。该第一体声波谐振器72从第一电极72T沿第二电极72B的方向被极化，并且该第二体声波谐振器74也从第一电极74T沿第二电极74B的方向被极化，并且第一体声波谐振器72的第一电极72T被电连接到第二体声波谐振器74的第二电极74B，和体声波装置的第一电气端76，同时第一体声波谐振器72的第二电极72B被电连接到第二体声波谐振器74的第一电极74T，和体声波装置的第二电气端78。箭头72R指向第一体声波谐振器72的典型极化方向，并且箭头74R指向第二体声波谐振器74的典型极化方向。对发明的体声波装置和/或两个体声波谐振器72、74的反平行连接基本的唯一事情是两个体声波谐振器72、74的极化72R、74R具有相对于第一电极72T、74T和第二电极72B、74B相同的方向。可选地，例如，两个体声波谐振器72、74的极化也可以指向从第二电极72B、74B到第一电极72T、74T的方向。
这样，体声波装置由反平行连接的体声波谐振器对组成。
第一体声波谐振器72和第二体声波谐振器74具有相同的电容，例如C/2，这样体声波装置总体作为呈现电容C的体声波谐振器，但是其与相应的呈现电容C的通用体声波谐振器相比包括显著地减小的非线性特性和由此改进的信号传输特征和/或频率特征。
已有技术中的这方面在上文已做了描述，体声波谐振器有许多变化的实现方式。例如，体声波谐振器72、74也可以任意地包括多个压电层，既使图1A仅仅示出了一个压电层72P、74P。此外，体声波装置可以通过互连两个独立的和/或单独的体声波谐振器72、74来产生，还可以选择地，例如通过互连两个共用一个公共压电层的体声波谐振器72、74来产生。优选地，具有相同构造的体声波谐振器72、74用于发明性的体声波装置。
图1B和1C示出了依据图1A的示意图发明性的体声波装置的两个不同实施例的图解剖图，其中第一体声波谐振器72和第二体声波谐振器74分别包括公共的压电层724P和724P′。换一种不同的表达，公共压电层724P、724P′包括与第一体声波谐振器72相连的第一区域72P和与第二体声波谐振器74相连的第二区域74P。
在图1B中，第一区域72P中公共压电层的极化72R和第二区域74P中公共压电层的极化74R在方向上相反，并且第一体声波谐振器72和第二体声波谐振器以相同相位进行电操作，或者换一种不同的表达，第一体声波谐振器的第一电极72T在与第二体声波谐振器74的第二电极74B相同的相位上运行，并且第一体声波谐振器72的第二电极72B在与第二体声波谐振器74的第一电极74T相同的相位上运行。
图1C示出了体声波装置的第二实施例，其中第一体声波谐振器72和第二体声波谐振器74包括公共压电层724P′。但是与依据图1B的实施例不同，图1C示出了一个实施例，其中与第一体声波谐振器72相连的第一区域72P的极化(72R)和与第二体声波谐振器74相连的公共压电层724P′的第二区域74中的极化74R是同一方向的，并且第一体声波谐振器72和第二体声波谐振器74在反相上进行电气运行。换一种不同的表达，第一体声波谐振器的第一电极72T在与第二体声波谐振器74的第一电极74T相反的相位上运行，和第一体声波谐振器72的第二电极72B在与第二体声波谐振器74的第二电极相反的相位上运行。
这样，图1B和1C示出了体声波装置的两个不同的实施例，其具有两个具有公共压电层的体声波谐振器并被彼此反平行地连接。
图2示出了在梯形结构中具有三个发明性的体声波装置和/或反平行的体声波谐振器对作为平行元件的改进的体声波滤波器的示例性电路图，第一发明性的体声波装置82由反平行连接的体声波谐振器对84和86组成，第二发明性的体声波装置88由反平行连接的体声波谐振器对90、92组成，和第三发明性的体声波装置94由反平行连接的体声波谐振器对96、98组成。第一体声波装置82的第一体声波谐振器84具有第一电极84T和第二电极84B，第一体声波装置82的第二体声波谐振器86具有第一电极86T和第二电极86B，第二体声波装置88的第一体声波谐振器90具有第一电极90T和第二电极90B，第二体声波装置88的第二体声波谐振器92具有第一电极92T和第二电极92B，第三体声波装置94的第一体声波谐振器96具有第一电极96T和第二电极96B，和第三体声波装置94的第二体声波谐振器98具有第一电极98T和第二电极98B。作为第四平行元件，图2包括具有第一电极100T和第二电极100B的普通体声波谐振器100。此外，图2包括三个在信号输入102E和信号输出102A之间串联的常规体声波谐振器，第一串联体声波谐振器104具有第一电极104T和第二电极104B，第二串联体声波谐振器106具有第一电极106T和第二电极106B，和第三串联体声波谐振器108具有第一电极108T和第二电极108B。信号输入端102E(IN)和信号输出端102A(OUT)都与公共电接地102G(GND)相连。与图4相比，图2这样示出了一个具有梯形结构的改进体声波滤波器，其中图4中平行的谐振器56、58、60已被优选地呈现相同电容的发明性的体声波装置82、88、94代替。依据本发明，单独的体声波装置的体声波谐振器被反平行连接，例如第一体声波装置82的第一体声波谐振器84和第二体声波谐振器86被反平行连接，其通过将第二体声波谐振器86的第一电极86T与第一体声波谐振器84的第一电极84T交换和/或将第二体声波谐振器86的第二电极86B与第一体声波谐振器84的第二电极84B交换以图示方式在电路图中表示出来。这样，体声波装置82、88、94的第一体声波谐振器84、90、96的第一电极84T、90T、96T与体声波装置82、88、94的第二体声波谐振器86、92、98的第二电极86B、92B、98B电连接，反之亦然。
不考虑图4中描述的具有创造性的实施例，具有创造性的体声波装置可以在任何地方使用，并且自然地也可以在串联回路上，即代替串联体声波谐振器104、106、108。
可替换地，体声波装置72、74、104、106、108也可以具有其它电容除了C/2。
不考虑上面提出和/或解释的具有创造性的实施例，发明性的体声波装置原则上可以被应用到所有体声波谐振器实现方式中，例如也可以应用到具有多个压电层的体声波谐振器，FBAR或者SMR型的体声波谐振器，其极化的排列不与电极平行或者两个电极被设置在压电层同一侧的体声波谐振器中。
这样，体声波装置的具有创造性的实施例使相同的能够以有效的和节约空间的方式作为体声波谐振器、体声波滤波器或者体声波转换开关和/或代替体声波谐振器，例如在滤波器电路、转换开关电路或者振荡器电路中被采用，这样它们的频率特性被改进和/或它们的非线性被降低。
此外，具有创造性的体声波装置不仅可以包括两个体声波谐振器，而且可以包括多个反向平行连接的体声波谐振器。总之，由此可以表明发明性的体声波装置使例如体声波滤波器中的非线性效应通过采用反向平行连接的这些滤波器谐振器对或者谐振器组能够被降低和/或消除。这些谐振器对或者谐振器组反平行连接使非线性效应能够显著地减小和/或显著地减少谐波的产生，但不增加体声波设备或者整个滤波器的尺寸，或者不增加体声波设备或者整个滤波器的成本。
附图标记表30体声波谐振器32压电层T第一或者顶部电极B第二或者底部电极42电接地44信号输入端
46信号输出端48第一串联谐振器50第二串联谐振器52第三串联谐振器54第一并联谐振器56第二并联谐振器58第三并联谐振器60第四并联谐振器72第一体声波谐振器72P第一体声波谐振器的压电层72T第一体声波谐振器的第一电极72B第一体声波谐振器的第二电极74第二体声波谐振器74P第二体声波谐振器的压电层74T第二体声波谐振器的第一电极74B第二体声波谐振器的第二电极76体声波装置的第一电气端78体声波装置的第二电气端82第一体声波装置84第一体声波装置的第一体声波谐振器84T第一体声波装置的第一体声波谐振器的第一电极84B第一体声波装置的第一体声波谐振器的第二电极86第一体声波装置的第二体声波谐振器86T第一体声波装置的第二体声波谐振器的第一电极86B第一体声波装置的第二体声波谐振器的第二电极88第二体声波装置90第二体声波装置的第一体声波谐振器90T第二体声波设备的第一体声波谐振器的第一电极90B第二体声波装置的第一体声波谐振器的第二电极92第二体声波装置的第二体声波谐振器
92T第二体声波装置的第二体声波谐振器的第一电极92B第二体声波装置的第二体声波谐振器的第二电极94第三体声波装置96第三体声波装置的第一体声波谐振器96T第三体声波装置的第一体声波谐振器的第一电极96B第三体声波装置的第一体声波谐振器的第二电极98第三体声波装置的第二体声波谐振器98T第三体声波装置的第二体声波谐振器的第一电极98B第三体声波装置的第二体声波谐振器的第二电极100常规体声波谐振器100T常规体声波谐振器的第一电极100B常规体声波谐振器的第二电极102E信号输入端102A信号输出端102G电接地
权利要求
1.一种体声波装置，包括反平行连接的第一体声波谐振器(72、84、90、96)和第二体声波谐振器(74、86、92、98)。
2.如权利要求1所要求的体声波装置，其中第一体声波谐振器(72、84、90、96)的共振频率，和第二体声波谐振器(74、86、92、98)的共振频率呈现相同的值。
3.如权利要求2所要求的体声波装置，其中第一体声波谐振器(72、84、90、96)的共振频率，和第二体声波谐振器(74、86、92、98)的共振频率，由于VCF效应在共振频率的量值和方向上呈现相同的偏移。
4.如权利要求1所要求的体声波装置，其中第一体声波谐振器(72、84、90、96)的阻抗，和第二体声波谐振器(74、86、92、98)的阻抗是相同的。
5.如权利要求1所要求的体声波装置，其中第一体声波谐振器(72、84、90、96)的电容，和第二体声波谐振器(74、86、92、98)的电容是相同的，并且包括C/2的值，其中体声波装置由此呈现总电容C。
6.如权利要求1所要求的体声波装置，其中第一体声波谐振器(72、84、90、96)和第二体声波谐振器(74、86、92、98)在结构上是相同的。
7.如权利要求1所要求的体声波装置，其被构造成谐振器。
8.如权利要求1所要求的体声波装置，其中第一体声波谐振器72的第一电极72Z被电连接到第二体声波谐振器74的第二电极74B和该体声波装置的第一电气端76，和第一体声波谐振器72的第二电极72B被电连接到第二体声波谐振器74的第一电极74T和该体声波装置的第二电气端78，并且其中该体声波谐振器72、74另外对于它们的第一电极72T、74T和它们的第二电极72B、74B具有相同的极化。
9.如权利要求1所要求的体声波装置，其被实施为滤波器。
10.如权利要求1所要求的体声波装置，其被实施为转换开关。
11.如权利要求1所要求的体声波装置，其中第一体声波谐振器(72、84、90、96)和第二体声波谐振器(74、86、92、98)包括公共压电层(724P、724P′)。
12.如权利要求11所要求的体声波装置，其中公共压电层(724P′)的第一区域(72P)与第一体声波谐振器(72)相连，并且公共压电层(724P′)的第二区域(74P)与第二体声波谐振器(74)相连，第一区域中公共压电层的极化(72R)和第二区域中公共压电层的极化(74R)是同一方向并且第一体声波谐振器(72)和第二体声波谐振器(74)在反相上电气运行。
13.如权利要求11所要求的体声波装置，其中公共压电层(724P)的第一区域(72P)与第一体声波谐振器(72)相连，并且公共压电层(724P)的第二区域(74P)与第二体声波谐振器(74)相连，第一区域中公共压电层的极化(72R)和第二区域中公共压电层的极化(74R)在方向上是相反的并且第一体声波谐振器(72)和第二体声波谐振器(74)在同相上电气运行。
14.一种具有梯形结构的体声波滤波器，包括与公共地(102G)相连的信号输入端(102E)和信号输出端(102A)，被构造成体声波装置的体声波滤波器的至少一个串联谐振器或者一个并联谐振器，包括反平行连接的第一体声波谐振器(72、84、90、96)和第二体声波谐振器(74、86、92、98)。
全文摘要
已给出一种体声波装置的描述，其具有彼此反平行连接的第一体声波谐振器(72、84、90、96)和第二体声波谐振器(74、86、92、98)，以减小非线性效应，特别是谐波。
文档编号H03H9/54GK101079610SQ20061010646
公开日2007年11月28日 申请日期2006年6月22日 优先权日2005年6月22日
发明者R·艾格纳, M·汉德特曼 申请人:英飞凌科技股份公司