CN101617436A - 带通滤波器和制造带通滤波器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种带通滤波器，包括BAW滤波器和具有短截线的图案化平面滤波器的组合。BAW滤波器由多个压电谐振器组成，用于提供特定的频率通带；而平面滤波器被配置为衰减在通带附近和外侧的频率。谐振器以梯状配置连接在第一信号传输路径和地之间。所述平面滤波器包括在电介质层上形成的带状线，以限定第二信号传输路径。所述BAW滤波器和所述平面滤波器被形成在公共衬底上，第一和第二传输路径彼此连接。所述BAW滤波器与加有短截线的图案化平面滤波器组合，可以改善BAW滤波器固有的深的近带拒波效果，呈现出在通带之外的特定相邻频率范围上的良好带外拒波效果，因此，给出了锐且宽的通带。
Description
技术领域
本发明涉及特别是用于具有良好的带外拒波效果的超宽带(UWB)应用的带通滤波器和制造所述带通滤波器的方法。
背景技术
近来，越来越需要开发UWB技术来实现在3.1GHz到10.6GHz的允许频率范围内的每秒几百兆比特的高速数据传输。为了符合关于UWB通信的规定，带通范围被限制为500MHz或者中心频率的25％，并且与在指定给GPS(全球定位系统)的1.6GHz左右的特定带通不同。因此，UWB应用需要具有良好的近带拒波效果的带通滤波器。
日本专利公报(JP 2005-295316 A)提出了一种可用于UWB应用的带通滤波器。所提出的带通滤波器包括多个环形谐振器。所述环形谐振器被设置为具有不同的衰减频率范围，并且被耦接以获得期望的宽通带。但是，由于每个环形谐振器固有地具有较窄的拒波带，因此环形谐振器的组合有可能使不期望有的频率通过，或者不能将不期望有的频率衰减到实际容许的水平。而且，由于要求每个环形谐振器具有达1厘米的直径以用于UWB应用，因此环形谐振器的组合占用了较大的空间，因此不适合于结合到微型化的器件中。
发明内容
鉴于上述问题，已实现了本发明以提供一种带通滤波器，所述带通滤波器紧凑并且有效地用于滤除带外频率。根据本发明的带通滤波器包括：体声波(BAW)滤波器，该体声波滤波器由多个压电谐振器组成，以提供特定的频率通带；以及图案化平面滤波器，其被配置为衰减在通带附近和外侧的频率。所述压电谐振器以梯状配置连接在第一信号传输路径与地之间，以提供通带，其中每个谐振器包括在下电极和上电极之间布置的压电元件。所述平面滤波器包括带状线结构，所述带状线结构由接地导体、在所述接地导体上的电介质层以及在所述电介质层上形成的带状线组成，用于限定第二信号传输路径。所述带状线被加有至少一个短截线，所述短截线由载荷分段和抽头分段组成，所述载荷分段在空间关系上从所述带状线延伸，所述抽头分段从所述带状线延伸，并且在所述载荷分段的相对纵向端之间的中间部分合并。所述BAW滤波器和所述平面滤波器形成在公共衬底上，所述第一和第二传输路径彼此连接。如此与加有短截线的图案化平面滤波器组合的BAW滤波器可以改善BAW滤波器固有的深的近带拒波效果，呈现出在通带之外的特定相邻频率范围内的良好带外拒波效果，因此，给出了锐和宽的通带。而且，通过使用与BAW滤波器共用的衬底，来实现平面滤波器，并且平面滤波器仅仅对于BAW滤波器固有的紧凑结构增加了小的空间要求，由此保持组合带通滤波器足够紧凑。特别是，将短截线加到带状线上可以缩短平面滤波器的长度，并且改善衰减带外频率的效果。
优选的是，所述带状线结构的电介质层由相对介电常数为8或者更大的电介质材料制成。
例如，所述电介质层由与所述压电谐振器的压电元件的材料相同的材料制成，用于减少构成组合带通滤波器的材料的数目，以便容易制造组合带通滤波器。
另外，所述电介质层优选地具有与每个谐振器的压电元件的厚度相同的厚度，以便容易制造组合带通滤波器。
最优选的是，形成压电分段和电介质层的电介质材料是锆钛酸铅(PZT)，其具有100-3000的非常高的相对介电常数。
所述BAW滤波器可以具有多个压电谐振器，它们以二维排列被布置在衬底上，同时共用单个压电元件。为此，所述BAW滤波器包括：多个上电极，每个上电极位于所述压电元件之上；以及多个下电极，每个下电极位于所述压电元件之下并且与其接触。至少一个所述上电极被设计为具有分别与两个或者更多个不同的所述下电极交迭的部分，所述压电元件的对应部分插入在所述上电极的所述部分与所述下电极之间，并且至少一个所述下电极被设计为具有分别与两个或者更多个不同的所述上电极交迭的部分，并且所述压电元件的对应部分插入在所述下电极的所述部分与所述上电极之间，以限定以梯状配置彼此电连接的多个所述压电元件。因此，多个所述压电谐振器可以被紧密地封装在有限的空间中，以使得所述BAW滤波器和结果产生的带通滤波器紧凑。
本发明还提出了一种制造上述带通滤波器的方法。在所述方法中，在公共衬底上形成第一层导电材料，所述第一层导电材料随后被蚀刻掉以留下每个压电谐振器的下电极和接地导体。然后，对应于所述BAW滤波器，在所述第一层的一个部分上沉积特定结晶取向的种子层。随后，压电层沉积在所述种子层上，并且还对应于所述图案化平面滤波器而沉积在所述第一层的另一个部分上。所述压电层随后被蚀刻掉，以留下所述BAW滤波器的每个谐振器的压电元件和所述图案化平面滤波器的电介质层。此后，在所述压电层上形成第二层导电材料，以给出层压结构，所述第二层随后被蚀刻掉以留下每个谐振器的上电极和带状线。最后，结果产生的层压与所述第一和第二层一起被蚀刻掉，以在公共衬底上显现出压电谐振器和带状线结构。因此，所述BAW滤波器和所述图案化平面滤波器被实现在所述公共衬底上，并且共用压电层，以形成所述BAW滤波器的压电元件和所述图案化平面滤波器的电介质层。而且，该方法使得容易具有所述BAW滤波器的顶表面，即与所述图案化平面滤波器的带状线齐平的上电极，由此实现光滑的平面结构。
种子层优选地选自与压电层的材料不同的材料，并且控制压电层的外延生长，以便通过抑制横向振荡而向BAW滤波器提供期望的衰减效果。
在一种替代的方法中，接地导体形成在衬底的一个部分上，并且电介质层形成在接地导体上和衬底的另一个部分上。然后，第一层导电材料沉积在所述电介质层上，随后进行下述步骤：蚀刻所述第一层，以留下带状线和每个压电谐振器的下电极。随后，在下电极上沉积特定结晶取向的种子层，并且在种子层上沉积压电材料，并且使得所述沉积压电材料显现为具有与种子层相同的结晶取向的压电元件。此后，在每个压电元件上形成上电极。对于这种方法，通常使用所述第一层来形成BAW滤波器的下电极和图案化平面滤波器的带状线结构。
根据以下结合附图对优选实施例的详细说明，本发明的这些和其它有益特征将变得更明显。
附图说明
图1根据本发明的第一实施例的带通滤波器的透视图；
图2是上述带通滤波器的截面图；
图3是上述带通滤波器的电路图；
图4A-4D是图解与单个BAW滤波器和单个图案化滤波器有关的本发明的在通带外侧的衰减效果的曲线图；
图5A-5G是图解制造上述带通滤波器的步骤的截面图；
图6是图解上述带通滤波器的变型的截面图；
图7是根据本发明的第二实施例的带通滤波器的截面图；
图8A-8E是图解制造上述带通滤波器的步骤的截面图；
图9是根据本发明的第三实施例的带通滤波器的透视图；
图10是上述带通滤波器的平面图；以及
图11是图解上述带通滤波器中的BAW滤波器的梯状连接的电路图；
图12是沿着图10的线X-X所取的横截面。
具体实施方式
现在参见图1和2，其中示出了根据本发明的第一实施例的带通滤波器。所述带通滤波器被设计用于超宽带(UWB)应用，以具有例如3.5GHz到3.9GHz的频率范围的通带。所述带通滤波器是体声波(BAW)滤波器2和平面图案化滤波器4的组合，体声波(BAW)滤波器2和平面图案化滤波器4形成在公共衬底100上，所述公共衬底100由例如硅半导体材料制成。
BAW滤波器2包括多个薄膜体声压电谐振器21，每个薄膜体声压电谐振器21由位于下电极12和上电极32之间的压电元件22组成。如图3中所示，谐振器21以梯状配置连接在第一信号传输路径P1和地之间，以提供频率的通带。衬底100的顶表面中形成有多个空腔102，所述空腔102与压电元件22紧密相邻，以便允许每个元件在其厚度方向上振荡，以使通带频率通过。通过深蚀刻技术，比如各向异性蚀刻或者深反应各向异性蚀刻，来形成所述空腔102。压电元件22由相对介电常数为100-3000的锆钛酸铅(PZT)制成。PZT被选择为具有四角形结构，其结晶取向[001]在元件22的厚度方向上对齐，以减少90°域，并且因此抑制横向振荡模式，以便改善在通带外侧的截止特性，即，提供深的近带拒波效果，如图4A中所示。在该图中，在紧挨着通带外侧的频率处出现深衰减。如下所述，通过使用其上显现压电元件的种子层来形成具有上述特定结晶取向的PZT。在谐振器21的梯状耦合中，每个谐振器21的上电极32通过电桥33与相邻谐振器的上电极或者下电极连接，而两个谐振器的下电极12都连接到地线13。虽然具有上述特定结晶结构的PZT是优选的，但是压电材料可以是AIN、ZnO或者相对介电常数为8或更大的类似材料。
如图1和2所示，平面图案化滤波器4具有带状线结构，所述带状线结构由带状线34、接地导体14以及介于带状线34和接地导体14之间的电介质层24组成。接地导体14通过地线13而连接到两个谐振器的下电极12。电介质层24由形成压电元件22的相同材料制成，以具有与所述压电元件相同的厚度。带状线34形成在电介质层24上，以限定第二信号传输路径P2，所述第二信号传输路径P2连接到BAW滤波器2的第一信号传输路径P1的上电极32，即通过电桥35连接到相邻谐振器21的上电极32。带状线34在其与BAW滤波器2相对的一端限定了输出端，而远离带状线34的谐振器的上电极32限定了用于接收信号的输入端。在电介质层24上形成的带状线34具有由以下等式确定的阻抗Z0。
其中，ε0是电介质层的有效相对介电常数，W是带状线的长度，而d是电介质层的厚度。
带状线34被加有多个总体上为T形的短截线，每个短截线由与带状线34平行地延伸的载荷分段36和从带状线延伸并且在载荷分段36的中间部分合并的抽头分段38。抽头分段38可以被配置为在载荷分段36的中心、在偏离载荷分段36的中心的点或者甚至在载荷分段的一个纵向端合并。载荷分段36与接地导体14间隔开，以向带状线增加开放的短截线电路。每个如此形成的短截线电路用作反馈电路RC，如图3中所示，所述反馈电路RC形成对谐振频率附近的频率进行衰减的谐振电路。当电介质层24的介电常数增大时，以减小的抽头分段38的长度获得衰减谐振频率附近的频率的效果。利用该结果，具有8或者更大的高相对介电常数的电介质层24的使用能够使得平面图案化滤波器紧凑，因此使得整个带通滤波器紧凑。具体而言，由相对介电常数为100-3000的PZT制成的电介质层可导致最小化图案化滤波器。短截线电路被设计用于给出谐振频率彼此不同的对应谐振电路，以对宽范围内的频率进行衰减，使得图案化滤波器40单独呈现出宽截止特性，如图4B中所示，宽截止特性是指将较宽范围内的频率衰减到与由BAW滤波器2所获得的范围相比较小的程度。
然而，如图4C中所示，当如此形成的平面图案化滤波器4被加到BAW滤波器2上时，在近带频率外侧的频率可以被衰减到比预期单独由BAW滤波器所衰减到程度的更深的程度。利用该结果，上述BAW滤波器2和平面图案化滤波器4的组合可以将通带外侧的频率衰减到很深的程度，由此实现足以用于UWB通信的在宽范围上的优良带外拒波效果。
当在BAW滤波器2和图案化滤波器4之间插入衰减器50时，进一步改善了上述的带外拒波效果，如图4D中所示，上述的带外拒波效果被改善为在3GHz的特定频率使曲线平坦。所述衰减器可以被配置为例如提供-3dB衰减的π型衰减器，并且被实现为以耦接线的形式结合在带状线34与相邻的压电元件21的上电极之间的电阻器。
现在参照图5A-5B来说明制造带通滤波器的方法。衬底100由单晶硅制成，所述单晶硅的顶表面由晶体结构的[100]面来限定。首先，衬底100被热氧化，以在其顶表面中形成氧化硅(SiO2)层，所述氧化硅层由适当的薄膜掩蔽，并且被蚀刻以在衬底100的顶部中形成空腔102，随后，氧化硅层与掩模一起被去除，如图5A中所示。然后，通过CVD(化学气相沉积)方法来在包括空腔102的衬底100的整个顶表面上沉积牺牲层110，如图5B中所示，并且，通过CMP(化学机械抛光)来将牺牲层110从衬底的顶表面上抛去，以使牺牲层110仅保留在空腔102中，如图5C中所示。随后，在衬底100的顶表面上沉积由诸如Pt或者Ir的导电材料组成的第一层10，如图5D中所示。然后蚀刻掉第一层10，以形成如上所述的图案化滤波器4的接地导体14、BAW滤波器2的下电极12以及地线13。第一层可以是两个或者更多个金属涂层的组合。接着，由压电材料组成的种子层60部分地沉积在第一层10的一个部分上，如图5E中所示，该部分随后形成为BAW滤波器2。种子层60是从除了组成压电元件22的压电材料(PZT)之外的压电材料例如PbTiO3或者PbLaTiO3中选择的，并且通过溅射、溶胶-凝胶涂敷或者MOCVD(金属有机化学气相沉积)来沉积，以提供[001]结晶取向。然后，PZT的压电层20通过溅射、溶胶-凝胶涂敷或者MOCVD而被沉积为在种子层60和暴露的第一层10上延伸，如图5F中所示，并且以大约700℃的温度被烧结，以显现为对应的结晶元件，所述结晶元件随后形成为具有与种子层的结晶取向相同的结晶取向的压电元件22和平面滤波器4的电介质层24。此后，由与第一层相同的导电金属组成的第二层30沉积在压电层20上，以得到层压结构，如图5G中所示。最后，所述堆叠被处理以蚀刻掉电介质层20和第二层30，以便形成独立的压电元件22和电介质层24，并且同时在压电元件22上形成谐振器21的上电极32、在电介质层24上形成具有短截线的带状线34、以及形成电桥33和35，由此提供具有在公共衬底100上形成的BAW滤波器2和图案化滤波器4的组合的带通滤波器。
图6示出了上述实施例的变型，除了使用声学镜52来取代空腔12，以提供独立谐振器21以作为SMR(固态安装的谐振器)之外，该变型与上述实施例相同。为了容易识别，相同的部分由相同的附图标号来标记，并且在此不进行重复说明。声学镜52由钨制成，并且被嵌入在由多个氧化硅层在衬底100上形成的另外的电介质部分150中。
图7示出了根据本发明的第二实施例的带通滤波器，除了BAW滤波器2的下电极12和图案化滤波器4的带状线34彼此在同一水平并且由共同的金属层形成之外，第二实施例类似于第一实施例的上述变型。相同的部分由相同的附图标号来标记，并且为了简明，在此不进行重复说明。现在参照图8A-8E来说明制造此带通滤波器的步骤。首先，将多个薄氧化硅层连续地叠加在硅衬底100上，以产生电介质部分150，其中声学镜52和接地导体分别被嵌入在电介质部分150中，如图8A中所示。然后，在电介质部分150上沉积金属层10，如图8B中所示，并且随后蚀刻所述金属层10以形成各个谐振器的下电极12以及带状线34，如图8C中所示。在该步骤中，在电介质部分150的上端将其部分地蚀刻掉，以在随后显现出谐振器的相邻区域之间和在随后显现出谐振器的区域与形成带状线34的区域之间形成凹陷54。然后，在延伸于下电极12之上的区域上形成种子层，随后用压电材料来涂敷种子层。在将压电材料烧结为具有与种子层相同的结晶取向并且在压电材料中包含烧结层后，压电材料被掩蔽并且被蚀刻，以分别在下电极12上显现出压电元件22，如图8D中所示。此后，将另一个金属层沉积为在压电元件之上延伸，并且蚀刻该另一个金属层以得到独立的上电极32以及电桥33和35，如图8E中所示。电桥33被形成为将上电极32与相邻的上电极32或者下电极21互连，而电桥35被形成为将带状线34与相邻的上电极32互连。
图9-12示出了根据本发明的第三实施例的带通滤波器，除了空间排列之外，第三实施例基本上与第一实施例相同。相同的部分由相同的附图标号标记，并且为了简明，在此不进行重复说明。所述带通滤波器包括其上构造了图案化滤波器和BAW滤波器的硅衬底100。在下面的说明中，为容易理解本实施例的具体结构，与前述实施例不同地标记压电谐振器、BAW滤波器的上和下电极。衬底100被形成为具有三个独立的接地层，第一接地层10A包括接地导体14和两个下电极10B和10C，第二接地层限定下电极10D，最后一个接地层限定下电极10E。接地导体14被覆盖有由PZT组成的电介质层24，在电介质层24上沉积有具有多个短截线36、38的带状线34，以实现图案化滤波器。
BAW滤波器被设计为包括8个压电谐振器R1-R8，它们以二维的布置排列，单个压电元件22为所述谐振器所共用，并且压电谐振器R1-R8以梯状配置电连接，如图11中所示。压电元件22由PZT制成，并且被形成为具有与电介质层24相同的电介质层。为了实现谐振器的二维布置，形成四个独立的上电极30A、30B、30C和30D，以与下电极10A-10E交迭地覆盖压电元件22的对应部分，如下所述。以两个相隔的但是电连接的接头30B1和30B2来形成上电极30B。上电极30B堆叠在与接地导体14一体的接地层10A的对应部分10F上，以限定地线。上电极30A的一端通过以多晶硅电阻器形式的衰减器50而连接到带状线34，并且上电极30A的另一端与下电极10D交迭，电介质元件23的一部分插入在上电极30A与下电极10D之间，以实现谐振器R1。上电极30B的接头30B1与下电极10D交迭，以实现谐振器R2。上电极30C具有三个部分，它们分别与不同的下电极10D、10B和10C交迭，以实现不同的谐振器R3、R4和R5。接头30B2与下电极10E交迭，以实现谐振器R6。上电极30D具有两个不同部分，它们分别与下电极10E和10C交迭，以实现不同的谐振器R7和R8。上电极30D的一端降低在衬底100上，以在该端上限定信号端子T1。同样，带状线34的一端降低在在衬底100上，以在该端上限定另一个信号端子T2。
本发明不应当被解释为上述实施例，而是应涵盖上述实施例的各个特征的任何组合。
Claims (9)
1.一种带通滤波器，包括：
体声波(BAW)滤波器，该体声波滤波器由多个压电谐振器组成，所述多个压电谐振器以梯状配置连接在第一信号传输路径与地之间，以提供特定的频率通带，每个压电谐振器包括在下电极和上电极之间布置的压电元件；以及
图案化平面滤波器，其被配置为衰减在通带附近和外侧的频率，所述平面滤波器包括带状线结构，所述带状线结构由接地导体、在所述接地导体上的电介质层以及在所述电介质层上形成的带状线组成，用于限定第二信号传输路径，
其中，
所述带状线被加有至少一个短截线，所述短截线由载荷分段和抽头分段组成，所述载荷分段在空间关系上从所述带状线延伸，所述抽头分段从所述带状线延伸，并且在所述载荷分段的相对纵向端之间的中间部分合并，并且
所述BAW滤波器和所述平面滤波器形成在公共衬底上，所述第一和第二传输路径彼此连接。
2.根据权利要求1的带通滤波器，其中，
所述带状线结构的电介质层由相对介电常数为8或者更大的电介质材料制成。
3.根据权利要求1的带通滤波器，其中，
所述带状线结构的电介质层由与所述压电谐振器的压电元件的材料相同的材料制成。
4.根据权利要求1的带通滤波器，其中，
所述带状线结构的电介质层具有与每个所述压电谐振器的压电元件的厚度相等的厚度。
5.根据权利要求3的带通滤波器，其中，
所述材料是锆钛酸铅(PZT)。
6.根据权利要求1的带通滤波器，其中，
所述BAW滤波器包括：单个压电元件；多个独立的上电极，每个上电极位于所述压电元件之上；以及多个独立的下电极，每个下电极位于所述压电元件之下并且与所述压电元件接触，
至少一个所述上电极具有分别与两个或者更多个不同的所述下电极交迭的部分，所述压电元件的对应部分插入在所述上电极的所述部分与所述下电极之间，并且至少一个所述下电极具有分别与两个或者更多个不同的所述上电极交迭的部分，并且所述压电元件的对应部分插入在所述下电极的所述部分与所述上电极之间，以限定以二维布置来排列的并且以梯状配置彼此电连接的多个所述压电谐振器。
7.一种制造根据权利要求1的带通滤波器的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述衬底上形成第一层导电材料，所述第一层导电材料随后被蚀刻掉，以在所述衬底上留下每个所述压电谐振器的下电极和所述接地导体，
在所述第一层的一部分上沉积特定结晶取向的种子层；
在所述种子层上和所述第一层的另一部分上形成压电层，所述压电层随后被蚀刻掉，以留下所述压电元件和所述电介质层；
在所述压电层之上形成第二层导电材料，以提供层压结构，所述第二导电层随后被蚀刻掉，以留下每个所述压电谐振器的上电极和所述带状线；以及
蚀刻掉所述层压结构，以在所述衬底上显现出所述多个压电谐振器和所述带状线结构。
8.根据权利要求7的方法，其中，
从与所述压电层的材料不同的材料中选择所述种子层，并且所述种子层控制所述压电层的外延生长。
9.一种制造根据权利要求1的带通滤波器的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述衬底的一部分上形成所述接地导体；
在所述接地导体上和所述衬底的另一部分之上形成所述电介质层；
在所述电介质层上沉积第一层导电材料；
蚀刻所述第一层导电材料，以留下所述带状线和每个所述压电谐振器的下电极；
在所述下电极上沉积特定结晶取向的种子层；
在所述种子层上沉积压电材料，并且将所述压电材料显现为具有与所述种子层相同的结晶取向的所述压电元件；以及
在所述每个压电元件上形成所述上电极。
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Effective date of registration: 20120314 Address after: Japan Osaka kamato City Applicant after: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Address before: Osaka Japan Applicant before: Matsushita Electric Works, Ltd. |
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Correction item: Claim 6 Correct: Correct False: Error Number: 21 Volume: 29 |
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Correction item: Claim 6 Correct: Correct False: Error Number: 21 Page: Description Volume: 29 |
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| ERR | Gazette correction |
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Granted publication date: 20130522 Termination date: 20150219 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |