宽带声耦合薄膜baw滤波器的制作方法

专利名称：宽带声耦合薄膜baw滤波器的制作方法
技术领域：
本发明大致上涉及体声波(BAW)滤波器。更确切地说，本发明涉及宽带声耦合体声波滤波器。尤其是，本发明涉及在GHz频率下操作的基于薄膜技术和压电式薄膜的那些滤波器。
背景技术：
这里简单定义下文中使用的ー些中心概念。横向传播的板波模式在压电板(晶片或薄膜层)中产生的体声厚度振动能够在板中横向传播(在水平方向上)。这种横向传播的波模式称作板波模式或兰姆波模式[I]。这里将使用用语“板波模式”。该波以横向波长λ x传播，并具有横向波数kx。不同类型的厚度振动能够作为板波传播。这种振动类型的例子有厚度伸縮(TE)振动和厚度切变(TS)振动(图I)。在前者中，粒子位移处于压电板的厚度方向上(图I中的z轴)，而在后者中其与厚度方向垂直。当板的厚度t等于整数个半波长λζ吋t=NAノ2，λ z=v/f，其中N为整数，V是声波在压电材料中的速度，而f为操作频率，那么在压电板中会产生厚度谐振。在一阶模式中，N=l，并且在厚度t内有ー个半波长。在图I中显示了ー些板波类型。从上到下为一阶厚度伸缩模式TE1，ニ阶厚度切变模式TS2，一阶厚度切变模式TS1，弯曲模式。横向方向上的传播具有横向波长λχ。横向驻波谐振横向传播的板波可以从例如电极边缘的间断处反射。因此在横向有限结构中，可以产生横向驻波谐振。当有限结构的横向尺寸W等于整数个横向传播的半波长入!￡时W=Nλ ノ2，产生横向驻波谐振。整数N意为谐振的阶数。在一阶谐振中，在结构的横向长度 中有ー个半波长。横向驻波谐振能够针对任何厚度振动模式(例如TE模式或TS模式)产生。在图2中显示了具有宽度W和厚度t的横向有限板中的TEl和TS2厚度振动模式(板波模式)的前两个横向驻波谐振。第一谐振(2a和2c)具有横向波长Xx=2W，其在板的宽度中是对称的，而第二谐振具有横向波长Xx=W(2b和2d)，其在板的宽度中是反対称的。散布图横向传播的板波的横向波数kx和频率f之间的关系称作板波的散布，并且作为散布图展示出来。在散布图中，负X轴通常对应假想的波数(隐失波)，而正X轴对应真实的波数(传播波)。在图3中显示了计算的散布图。图中表示了ニ阶厚度切变(TS2)和一阶厚度伸縮(TEl)的板波模式。谐振模式的电耦合压电膜中的机械振动产生电场。为了该电场在谐振器的电极之间产生电压，需要使得电极上的总电荷非零。
声稱合机械振动可以在谐振器结构之间机械地耦合。机械耦合能够通过隐失波或通过传
播波产生。
相关技术的大致说明目前，基于微声和薄膜技术的例如谐振器和滤波器的射频(英文縮写RF)部件广泛地应用于例如移动电话、无线网络、卫星定位等无线电应用中。它们相对于集总元件中的对应物的优势包括小尺寸以及大規模生产能力。两种主要的用于RF设备的微声技术为表面声波(SAW)技术和体声波(BAW)技术。在这一部分中将简单介绍现有的滤波器技术，以便为本发明提供背景知识并且将本发明与现有技术区分。表面声波器件叉指换能器(IDT)即薄膜金属条的梳齿样结构(參照图4)在压电基板(例如石英、LiNbO3或LiTaO3)上布图。IDT用来通过压电效应将输入电信号Vin转换成沿表面传播的声波，同时用来在输出端ロ拾取声信号并将之转换回电形式。器件的操作频率通过f = 2p/v取决于声波的速度以及IDT电极的尺寸，其中f为频率，P为IDT的周期，而V为表面波的速度。因此，如果速度保持为常量，则更高的操作频率要求更小的P。体声波器件在BAW器件中,压电晶片或薄膜内的声振动用来处理输入电信号。在牢固安装的BAff谐振器(SMR)中，由交替的高的和低的声阻抗(Z)材料层构成的声反射器用来将压电薄膜中的振动与基板隔离开，并且阻止声泄漏。在膜器件中，通过加工和压电谐振器与基板之间的气隙实现了相同的功能。厚度振动和板波散布如上面所解释的，当以激励频率f扫描时，在压电层中产生不同的厚度振动模式，例如纵向振动(也称作厚度伸缩振动，即振动是在厚度方向上，与z轴平行)和切变振动(与Z轴垂直的振动)的。这样的厚度振动可以作为板波在横向方向上传播。板波的声学性质可以通过散布曲线来描述，其中板波的横向(与Z轴垂直)波数kx呈现为频率f的函数。图3显示了图I给出的薄膜层堆叠的计算散布图。图中表示了其中压电层的厚度包括大约厚度振动的波长λ ζ的一半的一阶纵向(厚度伸縮，TEl)振动模式的横向传播板波的散布曲线，以及其中粒子位移与厚度方向垂直并且在压电层厚度中包括ー个声波长K的ニ阶厚度切变(TS2)模式的横向传播板波的散布曲线。其中TEl板模式的起始频率高于TS2板模式的起始频率的这种类型的散布称作类型1[2]。“起始”意指在其处板模式的散布曲线与kx=0的轴(例如频率轴)交叉的点。类型I的材料包括例如ZnO。氮化铝为固有的类型2 (在频率上TS2高于TE1)。通过正确地设计薄膜堆叠，可以调整散布性质并且改变散布类型。表格I是在计算图2中的散布曲线时使用的薄膜厚度
材料 [SiO2 ]W ISiO2 Iw ISiO2 !Ti "[Mo [AIN IAl 厚度(nm) 790 ' 505 620 510 950 10 360 1750 220
在图3中，kx的正值表示真实的波数(传播波)，而负值对应于假想的波数(隐失波)。声能量必须在厚度方向和横向方向上均被捕获在谐振器结构内部，才能够在横向有限结构中产生横向驻波谐振。在厚度方向上，与基板(反射器或气隙)的隔绝确保能量的捕获。在横向方向上，在谐振器区域之外需要具有隐失波来捕获能量。在类型I散布中，能量捕获更容易实现。因此，当使用AlN作为压电材料时，反射器通常设计使得其将散布转换为类型I。在横向有限板谐振器中，当谐振器的宽度W为半波长的整数倍吋，即W=NA ノ2，传播的板波能够形成横向驻波谐振。
BAff器件中的声耦合可以通过电连接单端ロ的谐振器来制作滤波器，以形成梯型或格型滤波器。另ー个可能性是安排谐振器之间的机械(声)耦合，这是通过将它们布置得彼此在空间上足够紧密以使得声波在谐振器之间耦合来实现的。这样的器件称作耦合谐振滤波器(CRF)。在BAW器件中，堆叠的压电层之间的垂直声耦合用于堆叠式晶体滤波器(SCF)以及垂直耦合的CRF。在SCF中，两个压电层由中间电极分离开。在垂直耦合的CRF中，耦合层用来修改压电层之间的耦合強度。CRF能够使用SMR或膜技术来制造。薄膜垂直耦合的CRF已经显示出能给出相对宽带的频率响应(中心频率1850MHz下为80MHz，或中心频率的4. 3%)。它们还能够进行不平衡-平衡(巴伦)转换。垂直耦合的CRF的劣势在于对大数量的层和针对压电层的厚度的响应的敏感度的需求。这使得制造エ艺困难，并且因而昂贵。BAW器件中的横向声耦合(LCRF)可以通过两个或更多在压电层上靠近彼此布置的狭窄电极来实现。进入由一个或更多电极形成的第一端ロ的输入电信号通过压电效应转换成机械振动。该振动机械地耦合而跨过间隙到由一个或更多电极形成的第二端ロ，并且产生了输出电信号。此例子中的电极为叉指状的(梳齿样)，但是其它的形状同样可行。耦合強度由结构的声学性质以及电极之间的间隙决定。LCRF中的带通频率响应典型地由结构中产生的两个横向驻波谐振形成。典型地，形成通带的谐振中的ー个为最低阶(対称的)横向驻波谐振，其N=I并且所有的电极同相振动(见图7)。优选地，第二谐振是这样的谐振，即每个电极和它的相邻者具有相反的相位(奇谐振模式)(见图7)。横向驻波谐振之间的频率差决定了能够达到的滤波器的带宽，并且取决于结构的声学性质和电极尺寸，以及电极之间的声稱合强度。现有技术使用针对ー个板波模式如TEl产生的两个横向驻波谐振以形成带通响应来描述LCRF结构。同时，在现有技术中，在结构中存在的其它板波模式如TS2模式的频率下，具有已经识别的不想要的寄生谐振和通带[3]。LCRF相对垂直CRF的主要优势是简单的制造技木，因为仅需要ー个电压层并且不需要耦合层，这与垂直CRF相反。在高频率下的操作相比SAW部件要简单，因为操作频率主要由层厚度而非电极尺寸决定，这缓解了对非常狭窄的尺寸的要求。现有技术參考文献[I]B.A.Auldj Acoustic Fields and Waves in Solids,2nd Edition, vol
2.Krieger Publishing Company, Malabar, Florida(1990).
[2]G. G. Fattingerj S. Marksteinerj J. Kaitilaj and R. Aignerj "Optimizationof acoustic dispersion for high performance thin film BAWresonators^j inProc.2005IEEE Ultrasonics Symposium，pp. 1175-1178(2005).[3]Meltaus, J. ; Pensalaj T. ; Kokkonenj K. ; Jansmanj A. ; "Lateral lycoupled solidly mounted BAW resonators at I. 9GHz，〃，in Proc. 2009IEEE UltrasonicsSymposium, pp. 847-850，2009.

发明内容
本发明涉及基于薄膜技术和压电薄膜的在GHz频率下的宽带声耦合体声波(BAW)滤波器。相比现有技术，在本发明中，使用至少两个不同的板波模式而非仅仅ー个来创造 两个或更多的形成滤波器通带的横向驻波谐振。每个板波模式贡献至少ー个横向驻波谐振。本发明的ー个方面是使用两个不同的横向传播的厚度振动模式(板波模式)、例如切变振动和纵向振动一起来产生带通响应。优选的是，结构的声学性质设计为使得两个板模式彼此之间具有所期望的频率间隔。能够提供两者的电耦合同样是优选的。更确切地说，本发明的特征在于如独立权利要求所述。根据本发明的ー个方面，该声滤波器包括适用于声滤波器的材料的堆叠，该堆叠包括至少ー个压电层；至少两个具有宽度和处于它们之间的间隙的谐振器，该谐振器包括位于压电层的不同侧面上的电极，其中压电层的一个侧面上的电极分离开以形成至少两个谐振器区域，而压电层的另一个侧面上的电极是连续的；其中，材料的堆叠、分离的电极之间的间隙和宽度适于在声滤波器中产生具有总共至少两个横向驻波谐振的至少两个不同的板波模式。尤其是，材料的堆叠、分离的电极之间的间隙和宽度能够适于在声滤波器中产生至少两个不同的声板波模式，每个模式贡献至少ー个横向驻波谐振。根据ー个实施方案，仅使压电层的一个侧面上的电极分离开来而形成至少两个谐振器区域，并且连续的电极安装在压电层的另ー个侧面上。根据本发明的ー个方面，声滤波器包括适用于声滤波器的材料的堆叠，该堆叠包括至少ー个压电层；具有宽度和在它们之间的间隙的至少两个谐振器，并且谐振器包括位于压电层的不同侧面上的电极，压电层的所有侧面上的电极分离开来形成至少两个谐振器区域，其中材料的堆叠、压电层的ー个侧面上的电极之间的间隙和宽度，以及压电层的另ー个侧面上的电极之间的间隙和宽度适于在声滤波器中产生具有总共至少两个横向驻波谐振的至少两个不同的板波模式。根据ー个方面，至少两个电极电连接以提供平衡的电端ロ。优选地，该至少两个不同的声板波模式包括至少ー个纵向模式和至少ー个切变模式。
根据本发明的另一方面，在滤波器结构中针对全部两种所述的板波模式产生至少ー个横向驻波谐振。因此，在最简单的情况中，两个横向驻波谐振贡献于带通响应。进ー步的可能性是，针对两个不同的声板波模式中的一个产生至少两个横向谐振模式，并且针对两个不同的声板波模式中的另ー个产生至少ー个横向驻波谐振，生成至少三个横向驻波谐振。优选地，针对全部两种所述板波模式产生至少两个驻波谐振，生成至少四个横向谐振。根据本发明的另一方面，当结构设计成使得这些横向驻波谐振的电耦合和频率差优化时，得到(四扱)带通响应。根据ー个实施方案，TS2板波分支在频率上设置成足够接近TEl分支，使得在该分支内产生的滤波器通带的谐振模式能够与TEl模式一起使用。需要注意的是，在BAW谐振器中，事实上不存在与切变波模式的耦合。在LBAW器件中存在该耦合，这是由于在狭窄电极之间产生的横向电场。在传统的LBAW滤波器中，切变模式能够在电响应中作为乱真谱带出现。根据本发明，该响应与TEl模式响应一起使用来组成非常宽的通带，该通带将由四个谐振模式(TS2分支的偶模式和奇模式，以及TEl分支的偶模式和奇模式)而不是两个组成，正如下面将更详细地描述的。根据ー个方面，制造根据本发明的声宽带滤波器的方法，包括选择滤波器的结构设计和材料；指定所期望的中心频率和带宽； 其中，使用所选择的结构设计和材料以及具有宽度和在它们之间的间隙的ー组谐振器来设计堆叠，使得得到至少两个不同的横向传播的厚度振动板波模式的耦合，具有总共至少两个谐振，并且制造所设计的滤波器的堆叠，使得其与具有总共至少两个谐振的至少两个不同的横向传播的厚度振动板波模式I禹合，姆个模式典型地在声滤波器中贡献至少ー个横向驻波谐振。使用本发明相对于现有技术的优势是，通过使用三个或四个横向驻波谐振而不是仅仅两个(最简单的情況)，可以具有显著更宽的电频率带宽(BW)。使用本发明的设计的另ー个优势是，相比垂直的BAW CRF来说其对声和电机耦合以及层厚度的要求、以及相比SAW来说其对横向尺寸的要求不那么严格，这导致得到缓解的制造公差和成本。第三个优势是，能够消除不想要的寄生响应。当两个板波模式在频率上彼此接近吋，并且仅仅它们中的一个用于形成带通响应的横向驻波谐振，另ー个板波模式仍然可以产生作为不想要的寄生响应出现的横向驻波谐振。在本发明中，这些预先地被看作不想要的谐振被用来创造更宽的通带。根据有限元法(FEM)模拟，使用本发明的设计，应用基于SMR技术的A1N，能够得到在2GHz下大概10%的相对BW (带宽)。相比而言，商用部件制造商具有在2GHz下给出仅仅大约80MHz (4%)的带的表面声波(SAW)和BAW的产品。因此，本发明中介绍的滤波器具有为在微声滤波器技术的商用状况中能够得到的频率带宽的大约两倍的频率带宽。额外的优势为极宽的频率BW，在高频率下操作的可能性(频率主要由膜厚度而不是电极尺寸决定，这意味着对于SAW部件而言光刻术不是主要的限制因素)，缓解的制造要求(例如，电极之间的间隙的宽度)，相对简单的制造エ艺(仅仅ー个压电层，相比竞争的耦合谐振器BAW技术)，小的部件尺寸(相比例如SAW部件)，高的带外抑制(相比例如梯形BAW滤波器)，以及在声学设计上更多的自由(相比当仅仅使用一个振动模式时)。现在将在下文通过描述示例性的实施方案来协助更详细地描述本发明的设计。


图I显示了四个不同的横向传播的厚度波；图2a_b显示了在具有有限宽度W的板中的一阶厚度伸缩振动模式(TEl板波模式)的两个横向驻波谐振；图2c_d显示了在具有有限宽度W的板中的二阶厚度切变振动模式(TS2板波模式)的两个横向驻波谐振；
图3显示了纵向TEl模式和切变TS2模式的模拟的散布图；图4显示了双电极SMR LCRF结构的示意性剖视图；图5显示了叉指式换能器；图6显示了薄膜型LCRF谐振器的示意性剖视图；图7a显示了薄膜堆叠的模拟的散布性质，以及TEl和TS2板波模式和双电极结构的相应的偶、奇横向谐振的示意性说明；图7b进一步说明了图7a中的偶、奇模式；图8显示了作为针对两个不同的TEl和TS2板波模式所产生的四个横向驻波谐振的组合的带通响应；图9显示了模拟的散布图。
具体实施例方式此处描述的滤波器基于图4所显示的SMR LCRF结构。在此例子中，电极是叉指状的(梳齿样的)，如图5所示，但是其它的几何形状(例如环形)同样是可行的。图4显示了在Z方向堆叠的双电极SMR LCRF结构40的示意图。在结构的顶部有两个端口 41和42。端口固定于压电体43。在压电体之下是电极44、声反射器45以及基板46。在图5中以标号50显示了叉指状实施方案中的电极，其具有由标号52示出的周期P。图4和5显示了一般性的结构，并且不意味着限制了本发明。例如，本发明中的电极不需要交替地连接到输入和输出，而是例如可以在它们之间具有接地的或浮动的指针。同样地，电极连接不需要是规则的，即，电极可以以任何必要的方式连接到端口。还可以具有多于两个端口 例如，一个输入和两个输出(为了平衡的输出)，两个输入和一个输出(为了平衡的输入)，或者两个输入和两个输出(平衡的输入和平衡的输出)。电极的宽度和间隙宽度可以在电极结构内改变，并且材料不限于AlN和W/Si02。例如，其它适合的压电ZnO、PZT可以用来作为压电材料，并且反射器和电极的材料也不限制于此处所考虑的。底电极44能够分成分离的电极44a和44b(图4中未示出)，对应于电极41和42。所述分离的电极的宽度不需要与其所对应的电极相同，它们之间的间隙也不需要与其所对应的电极之间的间隙相同。除了图4中所示的SMR类型的结构，如果声学性质合适，则同样可以使用其它类型的结构，例如图6所示的膜结构60。图6显示了具有固定到在电极64顶部上的压电体63上的两个端口 61和62的膜结构。与SMR相反，在电极64之下是气隙65。优选地，气隙的宽度至少与谐振器61、62的共同宽度一样大，如图6所不。当下的LCRF滤波器已经设计来在TE模式中运行，并且尤其地在TEl模式中，因为许多压电薄膜材料在厚度方向上具有更强的电机耦合，这意味着纵向振动可与压电层的厚度上的电激励有效地I禹合。然而由于LCRF结构的横向拓扑，同样存在与切变振动模式的强耦合，如由于TS2模式的强寄生通带所表明的那样[3](参照上文)。因此，还可行的是使用TS2模式来创造电频率响应，这对于单纯的例如垂直CRF的垂直拓扑来说是不可能的。根据本实施方案，TEl和TS2体振动模式均用来形成通带响应。这由于结构的横向拓扑而成为可行的。预先考虑为寄生响应的TS2通带并入到TEl通带中，导致了为通过TEl模式单独获得的通带的至少两倍宽的宽通带。作为两个横向驻波谐振(TEl板模式的偶、奇谐振)的替换，现在能够使用四个横向驻波谐振(TEl和TS2板模式的偶、奇谐振)来形成通带(4极滤波器响应)。 两个(在频率上)接近的声板波模式用来代替仅仅一个，因此四个横向驻波谐振而不是仅仅2个形成了通带(在全部两个声板模式的分支上的偶、奇谐振)。这允许了更宽的带和缓解的制造公差。这通过下述方式而成为可能整体上以某方式设计谐振器的尺寸和选择器件的材料，使得板波模式获得在适合的频率下支持所期望的横向驻波谐振以形成单个宽带响应的散布特征。并且，器件的几何形设计成使用例如狭窄的、重复的指样特征，使得与所有的所期望的横向驻波谐振的电机耦合为高。与切变振动的电耦合能够通过具有不同的压电对称性的材料来得到。然而，为了本发明能够产生所期望的结果，电场应当与切变振动和纵向振动均耦合。此处，具有厚度方向上的强电机耦合的材料以具有横向器件几何形状的方式来使用。另一个可能是在横向和厚度方向上均具有强耦合的材料，或者与横向方向具有强耦合并且具有垂直激励几何形状的材料。图7说明了本发明的操作原理。显示了 TEl和TS2板波模式的从图3中得到的传播波区域的模拟散布曲线。当沿着散布曲线移动时，横向驻波谐振如前面的部分所解释地产生。图7中例子的电极结构设计为使得两个电极的偶、奇横向驻波谐振针对两种板波模式均被捕获，并且它们用来形成通带响应。对于TS2板波模式，波长随着频率的增加而增加。因此，奇谐振相比偶谐振在较低的频率下产生。对于TEl板波模式，偶和奇谐振的阶数是颠倒的，因为波长随着频率的增加减少。当电极之间的声耦合和横向驻波谐振之间的频率差正确地设计时，能够得到宽带的频率响应。能够得到的带宽取决于堆叠和电极结构的声性质。大致上可以估计，能够得到相比通过仅仅使用TEl板波模式得到的通带宽三倍的通带(见图8)。图9是电极区域中(蓝色，实线曲线)和电极之外(红色，虚线曲线)的板波散布的例子。k=0左侧的值代表假想的波矢量的值，而k=0右侧的值代表真实的波矢量的值。电极中的声波在这样的频率下被捕获在电极区域之内，即其外部区域具有假想的波矢量(隐失波)，在图中标记为绿色/灰色。TEl和TS2板波模式适于电极区域和外部区域。该器件的最终设计法则，例如关于层厚度的数量等，取决于例如材料、堆叠，并且最终取决于其散布。然而，在下面的说明中给出了一组更优选的设计要求，它们可以单独地考虑，或者组合起来考虑以产生所期望的效果。顶电极所诱导的质量负载需要足够小，以允许所使用的谐振模式包含在横向传播的板波的频率捕获范围之内，或者允许由外部区域的隐失部分的散布曲线所决定的频率捕获范围包含所使用的谐振模式。因此，顶电极需要为低密度的金属，例如Al，和/或小于λ ζ/4的薄的厚度，其中λ ζ是厚度(ζ)方向上的纵向声波的波长。TS2和TEl板模式中的kx=0时的频率(在图9中分别为fb和fa)之间的频率差必须使得能得到所期望的通带形状和宽度。底电极同样影响上面提到的频率差。底电极应当设计为使得频率差|fa-fb|是所期望的，同时，堆叠的I-D电机耦合系数krff (如从单宽谐振器测量到的)足够大以保证微小的损耗。镜堆叠中的层厚度通常必须小于λζ/4，其中λ 2是厚度方向上的纵向声波的波 长，这是因为要求切变波也被反射。电极宽度优选为使得在奇谐振频率下横向声板波的一个半波长λ χ符合于电极。间隙宽度优选为使得归因于TEl和TS2板波模式的偶横向谐振的横向波长λ χ最大化。电极的数量选择为使得能达到所期望的频率带宽，并且结构与系统的阻抗相匹配，即其静态电容为匹配所期望的，同时电极的长度能够保持为使得电阻损耗最小化。除了 TEl和TS2，还能够使用其它的厚度振动模式。其要求是，这些模式在频率上合适地间隔开，并且能够产生适合的横向驻波谐振。另外，TEl和TS2模式在频率上可以是其它的阶。一个具体的、非限定性的例子如下。使用具有11个指的叉指状电极结构。电极的宽度是ΙΟμπι，并且电极之间的间隙是2μπι。电极交替地连接到第一和第二端口。表格2显示了薄膜层的厚度。表格2
Mfslo^~[w IsiO2 Iw fslo^~[Mo [MN~[Al
厚度(nm) 790~ 505 621 507 950~ 360~ 1750 220使用TEl和TS2板波模式得到的IOdB带宽大约为220MHz，其为中心频率1850MHz的12%，这相比现有技术有显著的改善。为了得到本发明的所期待性能，需要具有与纵向和切变运动二者的电耦合。这主要通过选择适合的压电材料和器件的几何形状来实现。额外地，优选的是任何SMR应用中的反射器都反射纵向波和切变波两者。还重要的是选择正确的声学性质(散布)。所期望的中心频率应当在TEl和TS2模式的起始频率之间。额外地，TEl和TS2模式之间的频率差应当是合适的，使得它们在相同的结构中被捕获。Q值也应当足够高，使得TEl和TS2模式均具有低损耗。在选择适合的电极设计时，奇、偶驻波谐振之间的频率差应当适合于给出所期望的带宽。其它的需要考虑的因素是制造公差不是关键的，间隙足够宽，没有太大的因电极长度造成的电阻，并且部件的尺寸对于其设想的使用来说足够小。还重要的是确保没有会在通带中产生切口的中间的横向驻波谐振。本发明的滤波器还能够通过其设计和制造方法来理解。额外地，此处提供了新型的方法。为了设计捕获至少四个横向驻波谐振的宽带声耦合BAW滤波器，选择结构和相关的材料以使得实现两个不同的厚度振动模式(板波模式)的电机耦合。在本实施方案中，两个厚度振动模式(板波模式)为TEl和TS2，然而也可以选择其它的振动模式，这并不偏离本发明的范围。而后，将堆叠设计成使得所期望的中心频率位于两个厚度振动模式的板波散布曲线的起始(kx=0)频率之间，两个振动模式的起始(kx=0)频率之间的频率差大约为所期望的带宽的三分之一，两个模式的Q和krff均最大化，并且纵向波和切变波均被反射器层反射。从散布曲线上寻找两个板波模式的散布曲线之间的频率差大约为所期望带宽的横向波数kx。该所选择的kx值之后决定了奇横向驻波谐振模式的波长。知晓该波长便有 可能选择电极宽度和间隙。如果适合的宽度和间隙并非显而易见，那么可以从小的间隙开始设计，并且判断耦合是否一定会由此削弱。通过知晓所期望的部件尺寸和匹配的要求，便有可能选择电极的数量。大数量的电极允许更简单地匹配到500hm。大数量的电极还能够减小由于弱耦合的横向谐振而产生的切口的深度。在本阶段，选择了所期望的设计要求，并且找到了相关的设计参数。如果必要，并联或串联的谐振器可以设计成使得边缘更加陡峭，并且可以检查设计来看是否需要匹配。通带的形状可以改变，例如如果必要，可以添加调谐电感器。之后便准备好了可以制造宽带声耦合BAW滤波器。虽然已经通过上面具体的例子描述了本发明，但它们并不意味着将本发明的范围限制如此。除了纵向模式，本发明的范围还延伸至切变模式中的使用，以便创造宽的带通响应。与全部两种厚度板波模式的电耦合能够大致通过不同的未具体列举出来的材料与激励几何形状的组合来获得。虽然使用了横向器件几何形状的强厚度方向/弱横向的电机耦合，但其仅为一个孤立的例子。另一可能性是与厚度和横向两个方向上的强电机耦合，或者与垂直的器件几何形状的强横向/弱厚度方向的电机耦合。重要的是，新颖地使用了(至少)3个、尤其至少4个横向驻波谐振而不是2个，这带来了具有简单的制造工艺的极宽的通带。宽的能够获得的带为设计提供了加强的自由，例如可使用更宽的电极，其中更多的电极便于得到500hm的匹配。额外地，当需要使用匹配电感或其它匹配部件时，该需求被弱化。对间隙宽度的要求有所缓解，这便于更简单的制造，并且当具有足够的带宽以至于能够牺牲一些时，能够得到更好的性能(更低的损耗等)。在三谐振系统中，谐振中的两个谐振能够针对一个板波模式产生，而谐振中的一个针对另一个板波模式产生。根据一个实施方案，从对称群6mm中选择压电层,其c轴处于垂直方向。根据一个实施方案，从对称群6mm中选择压电层,其c轴相对于垂直方向倾斜地取向。在这种情况中，垂直电场与纵向声波(例如TEl)和切变波(例如TS2)均耦合。大致上讲，压电层的对称群和晶体取向还可以选择为使得与纵向声模式(例如TEl)和横向声模式(例如TS2)的垂直电场形成固有I禹合。声滤波器还可以包括两个或更多堆叠构型的压电层。在这种情况下，驻波模式沿着堆叠产生，即在垂直方向上。
备选的材料的解决方案可以用来提供与切变振动的耦合。一个例子是使用6_的材料，例如AlN或ZnO，它们存储为使得c轴与垂直方向倾斜，并且提供了垂直电场到垂直传播的切变声振动的耦合。另一个例子是使用薄膜形式的压电材料，例如LiNb03、LiTa03。另
一个例子是使用固有地提供垂直电场与垂直传播的切变声振动的耦合的材料。
权利要求
1.一种声滤波器，包括 适用于声滤波器的材料的堆叠，所述堆叠包括至少ー个压电层； 至少两个具有宽度和处于它们之间的间隙的谐振器，所述谐振器包括位于压电层的不同侧面上的电极，其中所述压电层的至少ー个侧面上的电极分离开，以形成至少两个谐振器区域， 其特征在于，材料的堆叠、分离的电极的之间的间隙和宽度适于在声滤波器中产生至少两个不同的声板波模式，每ー个贡献至少ー个横向驻波谐振。
2.根据权利要求I所述的声滤波器，其特征在于，仅使所述压电层的ー个侧面上的电极分离开以形成至少两个谐振器区域，并且在所述压电层的另一侧面上具有连续的电极。
3.根据权利要求I所述的声滤波器，其特征在于，所述压电层的两个侧面上的电极均分离开以形成至少两个谐振器区域。
4.根据权利要求3所述的声滤波器，其特征在于，至少两个所述电极电连接以提供平衡的电端ロ。
5.根据权利要求I到4中任一项所述的声滤波器，其特征在于，所述结构适于在声滤波器中捕获具有总共至少三个横向驻波谐振的至少两个不同的板波模式。
6.根据权利要求5所述的声滤波器，其特征在于，所述至少三个横向驻波谐振中的至少两个针对ー个板波模式产生，而所述至少三个横向驻波谐振中的至少ー个针对另ー个板波模式产生。
7.根据权利要求I到6中任一项所述的声滤波器，其特征在于，所述结构适于在声滤波器中捕获具有总共至少四个横向驻波谐振的至少两个不同的板波模式。
8.根据上述权利要求中任一项所述的声滤波器，其特征在于，至少两个不同的声板波模式包括至少ー个纵向模式和至少ー个切变模式。
9.根据上述权利要求中任一项所述的声滤波器，其特征在于，包括堆叠的构型中的至少两个压电层。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的声滤波器，其特征在于，所述压电层从对称群6mm中选择,其c轴处于垂直方向。
11.根据权利要求I到9中任一项所述的声滤波器，其特征在于，所述压电层从对称群6mm中选择,其c轴倾斜地取向。
12.根据权利要求11所述的声滤波器，其特征在于，垂直电场与纵向声波和切变波均耦合。
13.根据权利要求I到9中任一项所述的声滤波器，其特征在于，所述压电层的对称群和晶体取向选择为使得在纵向声厚度模式和切变声厚度模式下均与垂直电场形成固有耦合。
14.根据上述权利要求中任一项所述的声滤波器，其特征在于，所述压电层由AlN或ZnO形成。
15.制造声宽带滤波器的方法，包括如下步骤 选择滤波器的结构设计和材料； 指定所期望的中心频率和带览; 其特征在于，使用所选择的结构设计和材料以及ー组谐振器来设计堆叠，其中所述谐振器具有宽度和处在它们之间的间隙，使得实现了具有总共至少两个谐振的至少两个不同的横向传播的厚度振动板波模式的耦合，并且， 制造所设计的滤波器堆叠，使得其与具有总共至少两个谐振的至少两个不同的横向传播的厚度振动的板波模式耦合。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在干， 设计所述堆叠，使得所指定的中心频率位于所述至少两个不同的板波模式的起始频率之间，并且两个不同的板波模式的起始频率之间的频率差大约为所期望带宽的三分之一。
17.根据权利要求15到16中任一项所述的方法来制造的滤波器。
全文摘要
在基于压电薄膜上的横向声耦合的谐振器的体声波(BAW)滤波器中，能够使用不同属性的两种不同的声板波模式，例如厚度伸缩(纵向)TE1和第二简谐厚度切变(TS2)模式来形成带通响应。本发明基于属于便于传输信号的不同的板波模式的至少两个横向驻波谐振的激励。通带通过裁剪设备中的波的传播特性来设计，使得谐振在适合的频率下被激励以形成所期望的形状的通带。此处描述的滤波器的带宽因此能够为现有技术中的微声滤波器的带宽的两倍多。因此，具有显著的商业和技术价值。
文档编号H03H9/56GK102870325SQ201180020563
公开日2013年1月9日 申请日期2011年4月21日 优先权日2010年4月23日
发明者约翰娜·梅尔陶斯, 图奥马斯·彭萨拉 申请人:芬兰国家技术研究中心