专利名称：压电谐振器及制造法、用其之滤波器、双工器、通讯器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电谐振器、制造压电谐振器的方法、以及使用压电谐振器的滤波器、双工器和通讯器件。尤其是，本发明涉及一种能够去除寄生分量的改良压电谐振器，制造该压电谐振器的方法，以及使用该压电谐振器的滤波器、双工器和通讯器件。
背景技术：
合并在诸如手机之类电子设备中的元件常常要求体积小重量轻。例如，在手机中所使用的滤波器就需要具有体积小以及能够精确地调整频率的特性。
一种可以满足这些要求的已知滤波器是使用压电谐振器的滤波器(例如，参考日本专利公开号No.60-68711，PP2-4，附图3和4)。
图14A是常规压电谐振器基本结构的剖面图。在图14A中，压电谐振器710设置在基片705上。在基片705上，采用精密处理技术通过基片705下面的局部腐蚀形成空腔704。压电谐振器710包括压电体701，它是谐振器的主要部件；以及分别设置在压电体701上下的上电极702和下电极703。
凹的空腔704设置在基片705中，以确保压电谐振器710的振动。
压电谐振器710可以通过分别设置在压电体701上下的上电极702和下电极703在厚度方向上施加一个电场。这样，压电谐振器710就会在厚度方向上振动。
现在，使用在有限平面上以厚度方向垂直振动的方式来讨论压电谐振器710的工作。图14B是用于讨论压电谐振器710工作的投影示意图。正如图14B所示的，当电场施加到上电极702和下电极703时，电能就会在压电体701上转换成机械能。感生的机械能振动是在厚度方向上延伸的振动，并因此压电体701在类似于电场的方向上延伸和缩短。
当压电谐振器710的厚度为t，则压电谐振器710使用在压电体701厚度中的谐振振动以产生对应于满足t＝λ/2的波长λ的谐振频率为fr1(＝v/λ)的谐振。这里v是在形成压电谐振器710材料中的声波平均速度。
在图14所示的压电谐振器710的结构中，通过形成空腔704，以确保在压电体701厚度方向上的垂直振动。
图14C是压电谐振器710的等效电路图。正如图14C所示，压电谐振器710的等效电路包括一个串联谐振电路和一个并联谐振电路。即，等效电路包括一个由一个电容器(C1)、一个电感器(L1)和一个电阻器(R1)所组成的串联谐振电路，和一个由一个电容器(C0)并联连接串联谐振电路所组成的并联谐振电路。因此，压电谐振器710具有谐振频率和反谐振频率。图14D是显示图14C所示等效电路中的导纳频率特性的图形。正如图14D所示，导纳在frl谐振频率上呈现出最大，而在反谐振频率fa1上呈现出最小。
这里，fr1和fa1具有下列关系fr1=12πL1·C1]]>fa1=fr1+C1C0]]>当压电谐振器710使用导纳的频率特性应用于滤波器时，能够获得使用压电谐振器的谐振振动具有低损耗小体积的滤波器。
实际上，由于压电谐振器是部分固定在基片上的，所以整个压电谐振器不能够产生自由的垂直振动。如图14A所示，振动部分可以分成为固定在空腔704周边部分的振动区域和采用两端作为自由端振动的振动区域，例如，空腔的上端部分。
在振动部分中，所存在的由振动部分厚度所定义的振动可作为主要谐振振动。振动部分固定在空腔的周边部分，并且该固定部分不能完全固定成固定端。因此，具有频率f1的主要谐振振动可以通过固定部分传播至基片。其结果是，根据振动部分的支撑和固定情况，除了以基本模式(这里称之为具有频率f1的1/2波长模式)中的厚度方向上的所需垂直振动以外，还会在主要谐振频率的频率f1附近频率产生不需要的频率振动。
这类不需要振动所产生的原因是一种寄生振动，它是由固定部分振动泄漏到基片所激发产生的。这里，假定寄生振动的谐振频率是在主要谐振振动的主要谐振频率附近。当主要谐振振动泄漏至基片时，就会产生寄生振动(不需要的振动)。由于不需要振动的谐振频率是在主要谐振频率的附近，所以不需要的振动就会引起寄生谐振频率产生在主要谐振频率的附近。图15A显示了存在着不需要振动时的导纳频率特性。正如图15A所示，寄生振动，即，寄生谐振频率713，存在于谐振频率fr1和反谐振频率fa1之间。
图15B是使用压电谐振器的滤波器结构的电路图。图15C显示了当具有通过的寄生谐振频率713的压电谐振器用于图15B所示的滤波器时的带通频率特性。
正如图15B所示，当具有寄生谐振频率713的压电谐振器相互并联连接和于另一个谐振器串联连接以形成一个滤波器时，就能够获得具有两个急剧衰减极点的频率带通特性(边缘特性)。然而，由于寄生谐振频率713的原因，在通带中会发生不平坦714。如果使用具有不平坦的714的滤波器，则通过不平坦的信号就在信号幅值上大于或小于所设计的电平。其结果是，就会发生通讯质量下降。
一般来说，对滤波器来说，很重要的是在所需要的带宽中不存在任何寄生谐振频率。因此，就需要形成滤波器的串联谐振器和并联谐振器不能在所需带宽内产生寄生谐振频率。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种能够抑止在预定带宽内的寄生谐振频率的压电谐振器，制造这类压电谐振器的方法，以及使用这类压电谐振器的滤波器、双工器和通讯器件。
为了能够解决以上所提及的问题，本发明具有以下性能。本发明提出了一种压电谐振器，它包括一个基片；一个形成在基片上的下电极；一个形成在下电极上的压电体；一个形成在压电体上的上电极；以及在由下电极、压电体和上电极所形成的振动部分下的空腔；其中，当振动部分的厚度为波长一半时的振动谐振频率定义为fr，形成空腔材料中的声的平均速度定义为Vc，根据谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值定义为λc(＝Vc/fr)时，则空腔的深度可设置为等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8。
较佳的是，空腔的深度可设置为n×λc/2。
例如，当压电谐振器用于形成带通滤波器时，空腔的深度较佳的确定为在带通滤波器所需通带带宽一半的频率范围内不存在任何寄生谐振频率。
例如，当带通滤波器用于个人通讯服务(PCS)时，空腔的深度较佳的确定为等于和大于n×λc/2-λc/10和等于和小于n×λc/2+λc/10。
较佳的是，空腔在截面上具有矩形形状。
本发明也提出了一种制造压电谐振器的方法，该方法包括在基片上形成下电极的步骤；在下电极上形成压电体的步骤；在压电体上形成上电极的步骤；在由下电极、压电体和上电极所构成的振动部分下形成空腔的步骤；确定空腔深度的准备步骤；其中，在准备步骤中，当振动部分的厚度为波长一半时的振动谐振频率定义为fr，形成空腔材料中的声的平均速度定义为Vc，根据谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值定义为λc(＝Vc/fr)时，则空腔的深度可设置为等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8，式中n为整数。
例如，在空腔形成的步骤中，具有在准备步骤中所确定深度的空腔较佳的是采用腐蚀基片表面和将支撑部分层叠在基片表面的方法来形成。
例如，在空腔形成的步骤中，具有在准备步骤中所确定深度的空腔较佳的是采用腐蚀基片表面且腐蚀深度大于在准备步骤中所确定的深度以及在腐蚀表面的底部部分形成调整层的方法来形成。本发明还提出了一种包括多个压电谐振器的滤波器，其中，至少一个压电谐振器包括一个基片；一个形成在基片上的下电极；一个形成在下电极上的压电体；一个形成在压电体上的上电极；以及在由下电极、压电体和上电极所形成的振动部分下的空腔；其中，当振动部分的厚度为波长一半时的振动谐振频率定义为fr，形成空腔材料中的声的平均速度定义为Vc，根据谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值定义为λc(＝Vc/fr)时，则空腔的深度可设置为等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8，式中n为整数。
同样，本发明还提出了一种由包括多个压电谐振器的滤波器所构成的双工器，其中，至少一个压电谐振器具有上述性能。
本发明还进一步提出了一种包括压电谐振器的通讯器件，其中，压电谐振器具有上述性能。
根据本发明，可以从谐振频率和反谐振频率中去除寄生频率。同样，也可以从谐振频率中分离出寄生频率。于是，寄生频率可以抑止在预定带宽中。因此，当压电谐振器用于滤波器时，就能够将寄生谐振排斥至带宽以外，从而获得平坦的带宽特性。
特别是，当空腔深度为n×λc/2时，就能够将寄生谐振频率大部分从谐振频率中分离出来。
同样，当压电谐振器用于形成带通滤波器时，空腔的深度可以确定成使得在带通滤波器所需通带带宽的一半频率范围内不存在任何寄生谐振频率。这样，带通滤波器就能够具有平坦的带通特性。
特别是，当带通滤波器用于个人通讯服务(PCS)时，空腔的深度可以设置成等于等于和大于n×λc/2-λc/10和等于和小于n×λc/2+λc/10。这样，就能够在PCS的通带中获得平坦的带通特性。
此外，根据本发明，只需采用确定空腔深度的简单处理工艺，就能够制造出获得寄生谐振抑止的压电谐振器。也就是说，不需要任何抑止寄生谐振的其它处理工艺，从而简化了制造处理工艺。
本发明的上述和其它目的、性能、方面和优点将通过以下结合附图的本发明详细描述中变得更加显而易见。
附图简要说明图1是根据本发明第一实施例的压电谐振器1的剖面示意图；图2以图形方式显示了空腔104的深度t2和在图1所示压电谐振器1上所激发谐振的谐振频率之间相互关系的仿真结果；图3A、3B、3C、3D、3E、3F和3G以图解方式描述了根据第一实施例的压电谐振器1的制造方法；图4A以图形方式显示了在图1所示压电谐振器1上的空腔104的深度t2和激发谐振的谐振频率之间相互关系的仿真结果；图4B以图形方式显示了在与空腔深度有关的主谐振频率和最接近主谐振频率的寄生谐振频率之间的频率差异；图5A以图形方式显示了当空腔104的深度设置为λc/2时的导纳特性；图5B以图形方式显示了当空腔104的深度设置为3λc/4时的导纳特性；图6A是具有支撑部分所形成的空腔的压电谐振器的剖面示意图；图6B是具有通过腐蚀基片表面提供支撑部分所形成空腔的压电谐振器的剖面示意图；图6C是图1所示压电谐振器的另一结构的剖面示意图，在该结构中，压电体231的上表面的尺寸不同于上电极232的下表面的尺寸；
图6D是图6A所示压电谐振器的另一结构的剖面示意图，在该结构中，压电体231的上表面的尺寸不同于上电极232的下表面的尺寸；图6E是图6B所示压电谐振器的另一结构的剖面示意图，在该结构中，压电体231的上表面的尺寸不同于上电极232的下表面的尺寸；图7A、7B、7C、7D、7E、7F和7G以图解方式描述了图6A所示的压电谐振器的制造方法；图8A、8B、8C、8D、8E、8F和8G以图解方式描述了图6B所示的压电谐振器的制造方法；图9A、9B、9C、9D、9E和9F以图解方式描述了根据第七实施例的压电谐振器的制造方法；图10以图解方式显示了根据本发明第八实施例的梯形滤波器600的结构；图11以图形方式显示了根据在具有PCS频带的主谐振频率的压电谐振器中的空腔深度在主谐振频率和最接近主谐振频率的寄生谐振频率之间的差异；图12以图解方式显示了一例根据本发明第十实施例的天线双工器400结构的实例；图13以图解方式显示了一例根据本发明第十实施例的通讯器件411结构的实例；图14A是显示常规压电谐振器710的基本结构的剖面示意图；图14B是用于讨论压电谐振器710的工作的投影示意图；图14C是显示压电谐振器710的等效电路图；图14D以图形方式显示了图14C所示的等效电路中导纳的频率特性；图15A以图形方式显示了当发生不需要谐振时导纳的频率特性；和，图15B是显示使用压电谐振器的滤波器结构的电路图；和，图15C是显示当具有寄生谐振频率713的压电谐振器用于图15B所示的滤波器时的频率传输特性。
具体实施例方式
以下将参考附图详细描述本发明的实施例。
(第一实施例)图1是根据本发明第一实施例的压电谐振器1的剖面示意图。在图1中，压电谐振器1包括一个压电体101，一个上电极102，一个下电极103，一个空腔104，以及一个基片105。
下电极103形成在基片105上，它可以采用，例如，钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)、铂(Pt)或金(Au)材料。
压电体101形成在下电极103上，它采用合适的压电材料，例如，氧化锌(ZnO)锆钛酸铅(PZT)，或者氮化铝(AlN)。
上电极102形成在压电体101上，它可以采用，例如，钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)、铂(Pt)或金(Au)材料。
空腔104形成在下电极103下面的基片105上面部分上。例如，在形状上，空腔104可具有矩形或梯形形状。
这里，由上电极102、压电体101和下电极103所形成的振动部分110的厚度所定义的谐振频率可标记为fr。同样，由空腔104的深度所定义的谐振频率可标记为frc。在第一实施例中，谐振频率fr和谐振频率frc可以设置成相互不同。这里，将在振动部分110中的声的平均速度标记为Vs。采用振动部分110的上端和下端固定的方式，谐振频率fr为fr＝Vs/(2×t1)。同样，形成空腔104材料中的声平均速度可标记为Vc。采用空腔104的下端成为自由端的方式，则谐振频率frc为frc＝(2n-1)×Vc/(4×t2)。这里，n是等于或大于1的任意整数。
振动部分110的振动可通过在振动部分110和基片105之间的连接部分泄漏至基片105。泄漏至基片105的振动可具有各种频率。因此，泄漏振动可以引起基片105和/或空腔在各种频率上振动。在基片105和/或空腔104上发生这类谐振的原因是因为空腔104变成了谐振管。因此，在基片105和/或空腔104上的谐振主要取决于空腔104的形状。因此，在基片105和/或空腔104上谐振的谐振频率接近于由空腔104深度所定义的谐振频率。当接近于由空腔104深度所定义谐振频率的谐振是由接近于振动部分110的谐振频率所激发时，就会产生寄生谐振频率。因此，根据本实施例，由振动部分110的厚度t1所定义的谐振频率可以不同于由空腔104的厚度t2所定义的谐振频率。这样，可以防止由于泄漏振动所产生的谐振在振动部分110谐振频率附近激发。于是，很显然，在谐振频率fr的附近不会产生寄生谐振频率。
本发明者通过仿真发现由振动部分110的厚度t1所定义的谐振频率可以不同于由空腔104的深度所定义的谐振频率，从而可以防止由于泄漏振动所产生的谐振在振动部分110谐振频率附近激发。
图2以图形方式显示了空腔104的深度t2和在图1所示压电谐振器1上所激发谐振的谐振频率之间相互关系的仿真结果。在图2中，水平轴表示空腔104的深度。垂直轴表示频率(GHz)。在图2中，可得出在压电谐振器1上所激发的寄生谐振与空腔104深度的关系正如图2所示，恒定的谐振频率接近于在大约2.6GHz至大约2.7GHz范围附近。这些谐振频率都是由振动部分110的厚度t1所定义谐振(下文称之为主谐振)的谐振频率(下文称之为主谐振频率)。
图2也显示了谐振频率随空腔104深度的变化。例如，得出了在大约3.0GHz至大约1.5GHz范围内变化的谐振频率与在从0.5μm至2.3μm变化的空腔深度的关系。也得出了在大约3.5GHz至大约1.7GHz范围内变化的谐振频率与在从1μm至3μm变化的空腔深度的关系。还得出了在大约3.5GHz至大约2.3GHz范围内变化的谐振频率与在从2μm至3μm变化的空腔深度的关系。对于相同深度的空腔104来说，可以同时发生以上所提及的这些谐振频率的谐振。于是，对于一个深度的空腔104来说，可以得出多种谐振频率。
正是如此，在压电谐振器1中，可以产生不是主谐振的多个谐振(寄生谐振)。正如图2所示，寄生谐振可以随着空腔104的深度而变化。因此，在由空腔104的深度所定义的谐振频率(下文中称之为空腔谐振频率)附近存在着寄生谐振的谐振频率(寄生谐振频率)。
当由空腔104深度所定义的空腔谐振频率基本符合由振动部分110的深度所定义的主谐振频率时，在主谐振频率附近就会存在着寄生谐振频率。因此，在主谐振附近会产生许多寄生谐振。
另一方面，随着主谐振频率和空腔谐振频率的变化，在主谐振频率附近不存在任何寄生谐振频率。因此，在主谐振附近就不会产生寄生谐振。其结果是，有可能提供一种压电谐振器，它具有导纳所呈现出的特性且在谐振频率fr和防谐振频率fa之间没有寄生谐振频率。当采用该谐振器来构成滤波器时，就能够获得平滑的带通特性。
正是如此，根据第一实施例，由振动部分110的厚度所定义的谐振频率可以设置成不同于由空腔104的深度所定义的谐振频率。因此，就有可能防止在振动部分110振动所引起的主谐振频率中的寄生谐振频率泄漏至基片105。
在第一实施例中，空腔深度可以设置成使得由振动部分110的厚度所定义的谐振频率可以设置成不同于由空腔104的深度所定义的谐振频率。另外，空腔104的深度可以设置成使得在由振动部分110的厚度所定义的谐振频率和由空腔104的深度所定义的谐振频率之间的频率差Af大于滤波器所需频率带宽(通带)f，从而提供一个具有平滑通带特性曲线的滤波器。
例如，在个人通讯服务(PCS)中的频率带宽，这在美国、加拿大和其它国家中所提供的数字手机服务的频率带宽为从1860MHz至1990Mhz。这样，传输和接受的通带带宽为60MHz。当梯形结构形成的压电谐振器来构成滤波器时，在由振动部分110的厚度所定义的谐振频率和由空腔104的深度所定义的谐振频率之间的频率差应该等于和大于30MHz，从而可以获得传输/接收滤波器的平滑通带特性曲线。
(根据第一实施例的压电谐振器的制造方法)图3A、3B、3C、3D、3F和3G以图解方式描述了根据第一实施例的压电谐振器1的制造方法。下文中将参考图3A、3B、3C、3D、3F和3G来描述根据第一实施例的压电谐振器1的制造方法。
首先，正如图3A所示，制备基片105。
接着，作为准备步骤，确定空腔104的深度，使得由振动部分110的厚度所定义的谐振频率不同于由空腔104的深度所定义的谐振频率。随着，正如图3B所示，在基片105的表面上提供以上述方法所确定深度的空腔104，以形成基片105。
接着，正如图3C所示，在空腔104中嵌入一层牺牲层106，该牺牲层以后将被去除。牺牲层106是由易溶解的材料制成的，例如，磷硅玻璃(PSG)。
接着，正如图3D所示，在基片105的整个空腔104上提供下电极103。
接着，正如图3E所示，在基片105上沉积压电体101，使之覆盖下电极103。可以采用诸如溅射设备或CVD设备来进行沉积。
接着，正如图3F所示，在压电体101上面提供用于形成振动部分110的上电极102。
最后，正如图3G所示，去除在空腔104中的牺牲层106，以完成空腔104。牺牲层106的去除可以采用氢氟酸溶液的溶解或者其它方法来进行。
根据上述制造方法，所确定的空腔的深度使得由振动部分110的厚度所定义的谐振频率不同于由空腔104的深度所定义的谐振频率，并且根据所确定的深度来形成空腔104。仅仅只需要采用这种简单的工艺方法，就能够制造具有抑止寄生谐振效应的压电谐振器。也就是说，不需要任何其它工艺方法力抑止寄生谐振，从而简化了制造工艺方法。
(第二实施例)根据第二实施例的压电谐振器的结构类似于第一实施例，因此也将参照图1。在第二实施例中，谐振频率fr是基于具有振动部分110厚度的振动(1/2振动)为一半波长(λp/2)。另外，在空腔104材料(在基片105)中的声平均速度为Vc。此外，基于谐振频率fr和声平均速度Vc所代表那个的数值可表示为λc(＝Vc/fr)。在第二实施例中，空腔104的深度t2可设置成满足(2-1)×λc/4，式中n为整数。这里，当形成空腔的部件(例如，基片)是由多种材料所构成时，λc可以从这些材料中的各种材料的声平均速度Vc中引伸出来(这可以适用于所有下列实施例)。
图4A以图形方式显示了在图1所示压电谐振器1上的空腔104的深度t2和激发谐振的谐振频率之间相互关系的仿真结果。图4B以图形方式显示了在与空腔深度有关的主谐振频率和最接近主谐振频率的寄生谐振频率之间的频率差异。通过虚线将图4A和图4B连接在一起，图4A所示的空腔深度与图4B所示的空腔深度有关。
正如参考图2所讨论的那样，主谐振频率显示出与空腔深度基本无关的恒定数值，这是由振动部分110的厚度t1所定义的谐振频率。随着空腔104的深度而变化的谐振频率是寄生谐振频率，这取决于空腔104的深度t2。
正如图4B所示，当空腔104的深度t2大约是λc/4的奇数倍时，则在谐振频率和寄生谐振频率之间的频率差异就最小。例如，在图4B所示的点Mi1、Mi2、和Mi3上的空腔104深度分别为λc/4、3×λc/4和5×λc/4，并且频率差异最小。
相反，当空腔104的深度t2大约是λc/4的偶数倍时，则频率差异就最大。例如，在图4B所示的点Ma1和Ma2上的空腔104深度分别为λc/2和λc，并且频率差异最大。
因此，采用在具有最大频率差的空腔深度和具有最小频率差的空腔深度之间的中间点作为临界点，就能够确定是否在主谐振频率附近产生寄生谐振。也就是说，当空腔深度等于或大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8(n是整数)时，在主谐振频率附近就不会产生寄生谐振，正如在空腔深度等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8的情况(在图4B中所示的范围W1内)，或者等于或大于λc-λc/8和等于和小于λc+λc/8的情况(在图4B中所示的范围W2内)。
即，空腔104的深度可设置成不是n×λc/4，更具体的说，使之等于或大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8(n是整数)，从而抑止在振动部分110的谐振频率附近的寄生谐振。
正如以上所讨论的，在第二实施例中，空腔104的深度设置成使之等于或大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8(n是整数)。当满足上述条件时，空腔104不会以λc/4的振动模式谐振。因此，即使振动部分110的振动从它的支撑部分泄漏至基片105，寄生谐振不会在主振动附近激发。其结果是，就能够获得在谐振频率fr和反谐振频率fa之间没有寄生频率的导纳曲线。当使用这类谐振器来形成滤波器时，它的带通特性曲线是平滑的。同样，根据空腔104的深度，可以将主谐振频率和寄生谐振频率从多个滤波器通带带宽中相互分离出来。在这种情况下，就能够提供一种在带通带宽中没有寄生谐振频率的滤波器。
(根据第二实施例的压电谐振器的制造方法)以下将参考图3A、3B、3C、3D、3F和3G讨论根据第二实施例的压电谐振器的制造方法。
首先，正如图3A所示，制备基片105。
接着，作为准备步骤，确定空腔104的深度，使之等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8。
之后，流程进入类似于根据第一实施例的压电谐振器的制造流程。
根据上述制造方法，仅仅只需提供设置空腔104的深度的步骤，该步骤使得其深度不是n×λc/4，更具体的说，使之等于或大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8(n是整数)，就能够制造出具有寄生谐振抑止效应的压电谐振器。这样，就不需要抑止寄生谐振的其它处理工艺，从而使得制造工艺变得更加容易。
(第三实施例)根据第三实施例的压电谐振器的结构类似于第一实施例，因此也将参照图1。在第三实施例中，空腔104的深度t2设置为n×λc/2(n是整数)。
正如图4B所示，如果空腔104的深度t2设置为n×λc/2，在主谐振频率和最接近主谐振频率的寄生谐振频率之间的差异是最大的。其结果是，寄生谐振频率不会存在于主谐振频率附近。
图5A以图形方式显示了当空腔104的深度设置为λc/2时的导纳特性。即，图5A图形显示了在图4B所示的点Ma1上的导纳特性。
图5B以图形方式显示了当空腔104的深度设置为接近3λc/4时的导纳特性。也就是说，图5B图形显示了在图4B所示的Mi2点上的导纳特性。
正如图5A所示，当空腔104的深度设置为λc/2时，则在接近2.66GHz(点P1)的主谐振频率和接近2.58GHz(点P2)的寄生谐振频率之间的差异为84MHz。当该压电谐振器用于形成通带带宽为大约40MHz的带通滤器时，它的通带特性曲线将不会在通带带宽中具有寄生谐振。
另一方面，正如图5B所示，当空腔104的深度设置为3λc/4时，则在接近2.67GHz(点P3)的主谐振频率和接近2.61GHz(点P4)的寄生谐振频率之间的差异为60MHz。
该等级的频率差异表示寄生谐振频率存在于主谐振频率(2.67GHz)的附近。当该压电谐振器用于用于形成通带带宽为大约40MHz的带通滤器时，它的通带特性曲线将在通带带宽中具有寄生谐振。
正是如此，在第三实施例中，空腔104的深度设置为n×λc/2。这样，就能够获得在谐振频率fr和反谐振频率fa之间没有寄生谐振频率的导纳曲线，其中，寄生谐振频率大部分从主谐振频率中相分离。当这类谐振器用于形成滤波器时，它的带通特性曲线将在整个宽带带宽中是平滑的。
在第三实施例中，空腔104的深度可以设置为接近于n×λc/2，以获得类似的效应。即，即使空腔的深度没有精确大的符合n×λc/2，也能够获得类似的效应，并且可以认为这类谐振器等效于根据本发明所设计的谐振器。
(第四实施例)在第一至第三实施例中，正如图1所示，讨论了在基片105的上部形成具有空腔104的压电谐振器。然而，这并不意味着限制压电谐振器的结构。在第四实施例中，讨论了各种典型的改进。
图6A是显示采用支撑部分207来形成具有空腔的压电谐振器结构的剖面示意图。正如图6A所示，支撑部分207可以设置在基片105a上，以形成空腔204。这样，可以在具有支撑部分207的基片105a上形成下电极103。同样，在该结构中，空腔204的深度可根据在第一至第三实施例中所讨论的条件来确定，从而减小了在主谐振频率附近的寄生谐振频率。同样，通过沉积支撑部分207形成空腔204，从而有可能精确地控制空腔204的深度。这种控制在制造过程中是非常有效的。此外，如果支撑部分207是由高声波阻抗的材料所制成的，则可以扩大基片105的材料选择范围，并且也可以获得减小寄生谐振的效应。在图6A中，λc是基于在支撑部分207和基片105a中的声平均速度Vc1定义的，而谐振频率fr是由振动部分110的厚度所定义的。即，λc＝Vc1/fr。
图6B是显示具有通过腐蚀基片表面形成的空腔以及提供支撑部分的压电谐振器结构的剖面示意图。正如图6B所示，腐蚀基片105a的表面，形成凹入的部分214b。此外，形成支撑部分217，以产生空心的部分214a。同样，在该结构中，空腔204的深度可根据在第一至第三实施例中所讨论的条件来确定，从而减小了在主谐振频率附近的寄生谐振频率。同样，空腔214可采用腐蚀基片105的表面以及沉积支撑部分217的方法来形成，从而有可能精确地的控制空腔214的深度。这种控制在制造过程中是非常有效的。此外，如果支撑部分207是由高声波阻抗的材料所制成的，则可以扩大基片105的材料选择范围，则可以获得其它减小寄生谐振的效应。在图6B中，λc是基于在支撑部分217和基片105b中的声平均速度Vc2定义的，而谐振频率fr是由振动部分110的厚度所定义的。即，λc＝Vc2/fr。
图6C是显示图1所示压电谐振器的另一结构的剖面示意图，在该结构中，压电体231的上表面的尺寸不同于上电极232的下表面的尺寸。图6D是显示图6A所示压电谐振器的另一结构的剖面示意图，在该结构中，压电体231的上表面的尺寸不同于上电极232的下表面的尺寸。图6E是显示图6B所示压电谐振器的另一结构的剖面示意图，在该结构中，压电体231的上表面的尺寸不同于上电极232的下表面的尺寸。
正如图6C至6E所示，所形成的振动部分210使得其压电体231的上表面的尺寸不同于上电极232的下表面的尺寸，并且压电体231的下表面的尺寸等于下电极233的上表面的尺寸。同样，在这种情况下，如果空腔234、204和214的深度是根据第一至第三实施例中的条件来形成的，就能够获得类似于在第一至第三实施例中所获得的效应。同样，在这种情况下，λc可基于形成空腔材料的声平均速度和振动部分的谐振频率fr来定义。
值得注意的是，即使压电体231的上表面的尺寸不同于上电极232的下表面的尺寸，就能够获得类似于在第一至第三实施例中所获得的效应。
(第五实施例)图7A、7B、7C、7D、7F和7G以图解方式讨论了图6A所示的压电谐振器的制造方法。以下参考图7A、7B、7C、7D、7F和7G来讨论图6A所示压电谐振器的制造方法。
首先，正如图7A所示，制备基片105a。
接着，作为准备步骤，根据第一至第三实施例中的任一实施例来确定空腔的深度。也就是说，空腔的深度确定成使得由振动部分厚度所定义的谐振频率不同于由空腔深度所定义的谐振频率；空腔深度设置成等于或大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8(n是整数)，或者空腔的深度设置成n×λc/2(n是整数)。随后，空腔的确定深度可根据支撑部分207的高度来确定。
随着，正如图7B所示，在基片105a的表面上形成具有所确定高度的支撑部分207。
接着，正如图7C所示，在支撑部分207中嵌入一层牺牲层306，该牺牲层以后将被去除。牺牲层106是由易溶解的材料制成的，例如，磷硅玻璃(PSG)。
接着，正如图7D所示，在基片105a的整个支撑部分207上提供下电极103。
接着，正如图7E所示，在支撑部分207和牺牲层306上沉积压电体101，使之覆盖下电极103。可以采用诸如溅射设备或CVD设备来进行沉积。
接着，正如图7F所示，在压电体101上面形成上电极102。
最后，正如图7G所示，去除在空腔204中的牺牲层106，以完成空腔204。牺牲层106的去除可以采用氢氟酸溶液的溶解或者其它方法来进行。
正是如此，根据第五实施例，空腔的深度根据第一至第三实施例中的任一实施例来确定，并且形成具有高度等于深度的支撑部分。仅仅只需要采用这种简单的处理工艺，就能够制造出具有寄生谐振抑止效应的压电谐振器。也就是说，不需要任何附加的抑止寄生谐振的处理工艺，从而简化制造的处理工艺。
(第六实施例)图8A、8B、8C、8D、8F和8G以图解方式讨论了图6B所示的压电谐振器的制造方法。以下参考图8A、8B、8C、8D、8F和8G来讨论图6B所示压电谐振器的制造方法。
首先，正如图8A所示，制备基片115。
接着，作为准备步骤，根据第一至第三实施例中的任一实施例来确定空腔的深度。也就是说，空腔的深度确定成使得由振动部分厚度所定义的谐振频率不同于由空腔深度所定义的谐振频率；空腔深度设置成等于或大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8(n是整数)，或者空腔的深度设置成n×λc/2(n是整数)。这里，在第六实施例中，空腔的确定深度可称之为设置数值。
随着，正如图8B所示，腐蚀基片115的表面，以形成基片105b和凹下的部分214b。
接着，正如图8C所示，在腐蚀的区域周围形成支撑部分217。这时，可以将支撑部分217的高度调整到由凹下部分214b和具有设置数值的空心部分214b所形成的空腔214的深度。
接着，正如图8D所示，在空腔214中嵌入一层牺牲层406a，该牺牲层以后将被去除。牺牲层106a是由易溶解的材料制成的，例如，磷硅玻璃(PSG)。
接着，正如图8E所示，在支撑部分216和空腔214中的牺牲层406a上提供下电极103。
接着，正如图8F所示，沉积压电体301，用以覆盖下电极103，并随后在压电体101上沉积上电极102。可以采用诸如溅射设备或CVD设备来进行沉积。
最后，正如图8G所示，去除牺牲层406a以完成空腔214。牺牲层406a的去除可以采用氢氟酸溶液的溶解或者其它方法来进行。
正是如此，根据第六实施例，空腔的深度可根据第一至第三实施例中的任一实施例来确定，并且形成具有高度等于深度的支撑部分。仅仅只需要采用这种简单的处理工艺，就能够制造出具有寄生谐振抑止效应的压电谐振器。也就是说，不需要任何附加的抑止寄生谐振的处理工艺，从而简化制造的处理工艺。
值得注意的是，图6C、6D和6E所显示的压电谐振器可以使用图3、7和8所示方法中的任一方法来制造且可以在形成下电极和压电体的范围中变化。
(第七实施例)根据第七实施例的压电谐振器不同于第一实施例，在该实施例中，通过腐蚀基片所形成的空腔底部提供了一层用于调整空腔深度的调整层。
图9A、9B、9C、9D、9F和9G以图解方式描述了根据第七实施例的压电谐振器的制造方法。以下参考图9A、9B、9C、9D、9F和9G来详细讨论根据第七实施例的压电谐振器的制造方法。
首先，正如图9A所示，制备基片115。
接着，根据第一至第三实施例中的任一实施例来确定空腔的深度。也就是说，空腔的深度确定成使得由振动部分厚度所定义的谐振频率不同于由空腔深度所定义的谐振频率；空腔深度设置成等于或大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8(n是整数)，或者空腔的深度设置成n×λc/2(n是整数)。这里，在第七实施例中，空腔的确定深度可称之为设置数值。
正如图9B所示，腐蚀基片115的表面，去除部分。这时，凹下部分504的深度可大于设置数值。
接着，正如图9C所示，在凹下部分504的底部形成空腔深度调整层504a。这时，空腔深度调整层504a的厚度可调整，使得空腔504b的深度具有设置数值。
接着，正如图9D所示，在空腔504b中嵌入一层牺牲层506，该牺牲层以后将被去除。牺牲层506是由易溶解的材料制成的，例如，磷硅玻璃(PS6)。
接着，正如图8E所示，在空腔504a中的牺牲层506上沉积下电极103。随后，沉积压电体301，使之覆盖下电极103。随后，在压电体101上沉积上电极102。该沉积可以采用诸如溅射设备或CVD设备来进行。
最后，正如图9F所示，去除牺牲层506以完成空腔504a。牺牲层506的去除可以采用氢氟酸溶液的溶解或者其它方法来进行。
正是如此，根据第七实施例，空腔的深度可根据第一至第三实施例中的任一实施例来确定，并且随后形成调整层，以便于形成具有确定深度的空腔。仅仅只需要采用这种简单的处理工艺，就能够制造出具有寄生谐振抑止效应的压电谐振器。也就是说，不需要任何附加的抑止寄生谐振的处理工艺，从而简化制造的处理工艺。
在第一至第七实施例中，压电体是粘结在下电极上。另外，压电体可以插入在下电极和压电体之间。也就是说，压电体可以任意定位，只要它形成在下电极上即可。同样，压电体可以插入在压电体和上电极之间。也就是说，上电极可以任意定位，只要它是形成在压电体上即可。这样，当压电体插入时，可以由包括压电体的振动部分的厚度来定义谐振频率fr。
(第八实施例)接着，参考图10，讨论应用根据本发明压电谐振器的梯形滤波器的结构。
图10图形显示了根据本发明第八实施例的梯形滤波器600的结构。在图10中，该梯形滤波器600包括一个第一压电谐振器610，一个第二压电谐振器620，以及输入/输出端630和640。第一和第二压电谐振器610和620各自具有一个由第一至第三实施例中任一实施例中所讨论的条件所定义的空腔。
第一压电谐振器610串联连接在输入/输出端630和640之间。因此，第二压电谐振器620以一个并联谐振器的方式工作。
这些压电谐振器采用这种连接方式时，就形成了具有L形结构的梯形滤波器。
第一压电谐振器610的谐振频率可设置成不同于第二压电谐振器620的谐振频率。此外，第一压电谐振器610的谐振频率可以设置成高于第二压电谐振器620的谐振频率。这样，就可以获得具有带通特性的梯形滤波器。较佳的是，第一压电谐振器610的谐振频率可设置成等于或接近第二压电谐振器620的谐振频率，从而可获得具有带通平坦的优良梯形滤波器。
在第八实施例中，根据本发明的压电谐振器应用于一级梯形滤波器。另外，压电谐振器可以用于多级梯形滤波器。
同样，在第八实施例中，滤波器具有L形梯形结构。另外，即使滤波器具有T形或∏形梯形结构，也能够获得相似的效应。此外，不用说，具有T形或∏形梯形结构的多级滤波器也能够获得类似的效应。
还有，不仅梯形而且格子形滤波器结构也能够获得类似效应。也就是说，滤波器结构并不意味着限制于上述结构，并且滤波器可以具有任意结构，只要至少使用了一个根据本发明的压电谐振器。
(第九实施例)根据第九实施例的压电谐振器结构类似于第一实施例，因此也参考图1。在第九实施例中，讨论了具有在PCS带宽中的主谐振频率的压电谐振器。图11图形显示了根据具有在PCS频带中的主谐振频率的压电谐振器中的空腔深度在主谐振频率和最接近主谐振频率的寄生谐振频率之间的差异。在图11中，水平轴表示了由波长λc归一化的空腔104深度的数值。垂直轴表示在主谐振频率和接近于主谐振频率的寄生频率之间的差异(下文中称之为频率差)。
PCS频率带宽为1850至1990MHz。这样，对传输和接受的通带带宽为60MHz。因此，当形成图10所示的梯形滤波器时，只需要压电谐振器，使得在通带带宽的1/2频率(即，30MHz)的范围中不存在任何寄生谐振。正如图11所清晰显示的那样，当空腔104的深度是在0.4λc至0.6λc的范围内时，在通带带宽一半的频率范围内不存在着任何寄生谐振。此外，当空腔104的深度为0.6λc时，在主谐振频率和寄生谐振频率之间的差异最大，则因此可以认为寄生谐振对滤波器的通带带宽的影响最小。
在图11中，已经讨论了在主谐振频率和寄生谐振频率之间的差异接近于0.5λc的情况。这种讨论也可以同样应用于1.5λc、1.5λc、2.4λc，......。即，当n是整数时，空腔104的深度设置成等于和大于n×λc/2-0.1λc和等于和小于n×λc/2+0.1λc，就可以获得具有平坦带宽通带特性的滤波器。
在第九实施例中，描述了压电谐振器的空腔深度使之具有在PCM带宽中的主谐振频率。这种讨论也可以同样适用于其它频率带宽。也就是说，压电谐振器所具有的主谐振频率也可以在宽带码分多址(W-CDMA)的通带带宽中，这是通用移动通讯系统(UMTS)、全球移动系统(GSM)等等所使用的带宽，空腔的深度可以设计成在所需通带带宽一半的频率范围内没有寄生谐振。这样，就能够获得具有平坦带宽通带特性的滤波器。正是如此，当使用根据本发明压电谐振器所形成的滤波器时，空腔深度可以确定成使得在所需通带带宽一半频率范围内没有寄生谐振。采用这样的结构，就能够获得具有平坦带宽通带特性的滤波器。特别是，当这类带通滤波器用于PCM时，空腔104的深度可以设置成等于和大于n×λc/2-0.1λc和等于和小于n×λc/2+0.1λc，这样就不会产生30MHZ的寄生谐振。因此，就可以获得60MHz的平坦带通特性，这是带通性的。
按照惯例，为了能够获得平坦的带通特性，例如，可以调整在谐振器中的电感阻抗。为了达到这一目的，经常是必须采用复杂的方案，例如，明显地改变谐振器的结构。然而，当使用根据本发明的压电谐振器来形成滤波器时，仅仅只需要使用改变空腔深度的简单方案就可以获得平坦带通特性，这在特殊应用中是非常有效的。
(第十实施例)在第十实施例中，讨论了使用上述实施例中任一压电谐振器的天线双工器和通讯器件。
图12图形显示了一例根据本发明第十实施例的天线双工器400结构的实例。在图12中，天线双工器400包括一个TX滤波器(传输滤波器)401，该滤波器应用了根据本发明的压电谐振器；一个Rx滤器(接收滤波器)402，以及由两个传输线形成的相移电路403。Tx滤波器使得在传输带宽内的信号能够通过并衰减在接收带宽内的信号。Rx滤波器402使得在接收带宽内的信号通过并衰减在传输带宽内的信号。采用这一结构，可以实现天线双工器具有诸如低损耗的优良特性。值得注意的是，滤波器的数量、形成滤波器的压电谐振器的级数等等并不意味着要限制于图12所示的这些实例，并可以任意设计。同样，形成Tx滤波器401和/或Rx滤波器402的压电谐振器可以是任意的，只要这些压电谐振器中至少有一个是根据本发明的压电谐振器。
图13图形显示了一例根据本发明第十实施例的通讯器件的实例。在图13中，通讯器件411包括，图12所示的天线双工器404、一个传输放大器405、一个滤波器406、一个传输电路407、一个接收放大器408、一个接收电路409、以及一个天线410。由传输电路407所输出的传输信号通过滤波器406和传输放大器405输入至天线双工器404。输入至天线双工器404的传输信号通过天线410传输。另一方面，在天线410上所接收到的接收信号通过天线双工器404和接收放大器408输入至接收电路409。正是如此，采用具有诸如低损耗小尺寸的优良特性的天线双工器404，就能够获得高性能的通讯器件。值得注意的是，根据本发明的压电谐振器可以用于滤波器406。同样，通讯器件并不意味着限制于图3所示的实例，它可以采用任何设计。此外，根据本发明压电谐振器的各部分并不限制于谐振器和滤波器。根据本发明的压电谐振器可以应用于接受端的滤波器。
正是如此，通过晶根据本发明的压电谐振器应用于天线双工器和通讯器件，就能够获得具有优良特性的天线双工器和通讯器件。
在压电谐振器、制造压电谐振器、使用压电谐振器的滤波器、双工器和通讯器件的方法中，抑止了寄生谐振，从而改善了特性。因此，它们可以有效地应用于手机、无线通讯、无线互联网连接以及其它等等。
在详细讨论本发明的过程中，上述说明在所有方面都进行了说明，但这并不意味着是限制。应该理解的是，在不背离本发明的范围的条件下可以引伸出众多的其它改进和变型。
权利要求
1.一种压电谐振器(1)，它包括一个基片(105)一个下电极(103)，形成在所述基片上；一个压电体(101)，形成在所述下电极上；一个上电极(102)，形成在所示压电体上；以及，一个空腔(104)，它在由所述下电极、压电体和上电极所形成的振动部分(110)的下面；其特征在于，具有振动部分厚度的振动谐振频率是波长的一半，它可标记为fr，在形成空腔材料中的声平均速度可标记为Vc，和，基于谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值可标记为λc(＝Vc/fr)，空腔的深度设置为等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8，式中n为整数。
2.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述空腔深度设置为n×λc/2。
3.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，当压电谐振器用于形成带通滤波器时，空腔的深度确定为在带通滤波器所需通带带宽一半的频率范围内不存在任何寄生谐振频率。
4.如权利要求3所述的压电谐振器，其特征在于，当带通滤波器用于个人通讯服务(PCS)时，空腔的深度确定为等于和大于n×λc/2-λc/10和等于和小于n×λc/2+λc/10。
5.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述空腔在截面上具有矩形形状。
6.一种压电谐振器的制造方法，该方法包括在基片上形成下电极的步骤；在下电极上形成压电体的步骤；在压电体上形成上电极的步骤；在由下电极、压电体和上电极所构成的振动部分下形成空腔的步骤；确定空腔深度的准备步骤；其中，在准备步骤中，当振动部分的厚度为波长一半时的振动谐振频率定义为fr，形成空腔材料中的声的平均速度定义为Vc，和，基于谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值定义为λc(＝Vc/fr)，空腔的深度设置为等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8，式中n为整数。
7.如权利要求6所述的压电谐振器制造方法，其特征在于，在空腔形成的步骤中，具有在准备步骤中所确定深度的空腔采用腐蚀基片表面和将支撑部分层叠在基片表面的方法来形成。
8.如权利要求6所述的压电谐振器制造方法，其特征在于，在空腔形成的步骤中，具有在准备步骤中所确定深度的空腔采用腐蚀基片表面且腐蚀深度大于在准备步骤中所确定的深度以及在腐蚀表面的底部部分形成调整层的方法来形成。
9.一种包括多个压电谐振器的滤波器(600)，其特征在于，它包括至少一个压电谐振器包括一个基片(105)；一个形成在基片上的下电极(103)；一个形成在下电极上的压电体(101)；一个形成在压电体上的上电极(102)；以及一个在由下电极、压电体和上电极所形成的振动部分下的空腔；以及，其中，当振动部分的厚度为波长一半时的振动谐振频率定义为fr，形成空腔材料中的声的平均速度定义为Vc，基于谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值定义为λc(＝Vc/fr)，空腔的深度可设置为等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8，式中n为整数。
10.一种由包括多个压电谐振器的滤波器形成的双工器(400)，其特征在于，它包括至少一个压电谐振器包括一个基片(105)；一个形成在基片上或上方的下电极(103)；一个形成在下电极上或上方的压电体(101)；一个形成在压电体上或上方的上电极(102)；以及一个在由下电极、压电体和上电极所形成的振动部分下方的空腔(104)；并且这里，具有振动部分的厚度为波长一半的振动谐振频率取为fr，形成空腔的材料中的声平均速度取为Vc，并且基于谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值定义为λc(＝Vc/fr)，空腔的深度可设置为等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8，式中n为整数。
11.一种包括多个压电谐振器的通讯器件(411)，其特征在于，它包括至少一个压电谐振器包括一个基片(105)；一个形成在基片上的下电极(103)；一个形成在下电极上的压电体(101)；一个形成在压电体上的上电极(102)；以及一个在由下电极、压电体和上电极所形成的振动部分下的空腔；以及，其中，当振动部分的厚度为波长一半时的振动谐振频率定义为fr，形成空腔材料中的声的平均速度定义为Vc，基于谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值定义为λc(＝Vc/fr)，空腔的深度可设置为等于和大于n×λc/2-λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8，式中n为整数。
全文摘要
一种压电谐振器包括一个基片；一个形成在基片上的下电极；一个形成在下电极上的压电体；一个形成在压电体上的上电极；以及在由下电极、压电体和上电极所形成的振动部分下的空腔；其中，当振动部分的厚度为波长一半时的振动谐振频率定义为fr，形成空腔材料中的声的平均速度定义为Vc，根据谐振频率fr和声平均速度Vc所确定的数值定义为λc(＝Vc/fr)时，则空腔的深度可设置为等于和大于n×λc/2－λc/8和等于和小于n×λc/2+λc/8。
文档编号H03H9/02GK1619944SQ20041009054
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月8日 优先权日2003年11月7日
发明者中冢宏, 大西庆治, 中村弘幸, 山川岳彦, 山口博司 申请人:松下电器产业株式会社