CN101764592A - 一种用于无线通信的高功率容量fbar及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无线通信的高功率容量FBAR及应用，高功率容量FBAR包括：衬底；空气隙，设置在衬底上表面；支撑层，设置在衬底和空气隙上；压电薄膜，设置在支撑层上；输入电极和输出电极，均设置在压电薄膜上，输入电极和输出电极至少有一部分区域处于空气隙正上方；地平面，设置在压电薄膜上，所述的高功率容量FBAR工作于剪切模式下。本发明高功率容量FBAR工作于剪切波模式下，有效地消除了纵波模式下的应力集中现象，从而提高了其功率容量。同理，基于此结构的FBAR滤波器的功率容量也相应得到提高，使得FBAR滤波器适用于无线通信中的大功率应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及电学领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器及采用该薄膜体声波谐振器的滤波器。
背景技术
目前，由于薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)技术与传统的射频滤波器解决方案相比有着不可替代的优点。基于FBAR技术的滤波器集合了介质滤波器和声表面滤波器的优点，具有插入损耗小，工作频率高，体积小，易于集成等优点，因此被广泛应用于无线通信领域。
FBAR存在两种类型的声波振动模式，当声波的极化方向与传播方向垂直时，此声波称为剪切波；当声波的极化方向与传播方向平行的时候，此声波称为纵波；当声波的极化方向与传播方向存在一定的角度时，FBAR中也可能同时存在混合的剪切波和纵波。剪切波声速大约为纵波声速的一半，因此在同谐振频率条件下，所需剪切模式FBAR的压电薄膜厚度要比纵波模式FBAR的厚度薄得多，从而使制得的FBAR体积比纵波模式FBAR要小。此外，剪切模式FBAR还具有许多潜在的优点，如稳定的温度特性，作为传感器应用于液体等潮湿的环境中等。因此，剪切模式FBAR越来越受到人们的关注。
随着无线通信技术的快速发展，对于大功率容量滤波器的需求相应增加，因此对用于设计滤波器的单个器件(如薄膜体声波谐振器)的功率容量的要求也相应提高。薄膜体声波谐振器的最大功率容量取决于两方面：其所能承受的最大机械应力，以及对其在声能和电能转换过程中所产生热量的散热程度，但主要以前者为主，特别是目前FBAR结构在工作时存在应力集中，使得某些部位提前其他部位达到材料的机械强度，造成当施加的功率密度远高于压电薄膜本征机械强度的情况下，FBAR破裂失效。
Y.M.Anntero在发明标题为Thin-film bulk acoustic resonator withenhanced power handling capacity的美国专利No.6515558公布了一种能提高功率容量的薄膜体声波谐振器10，并将此谐振器用于滤波器的设计中，如图1所示，其中包括衬底12，布拉格反射层12，底电极13，压电薄膜层14，以及顶电极15。在此薄膜体声波谐振器结构中，压电薄膜层14和底电极层13之间是最容易被损坏点16。因此，此专利中主要是通过选择合适的FBAR底电极材料，使得底电极13与压电层14之间具有较小的界面应力，使其不容易被破坏，从而来提高FBAR的功率容量。
在上面提及的专利中，一定程度上提高了薄膜体声波谐振器的功率容量，但也存在不足之处。此专利中的FBAR工作在纵波模式下，该工作模式下FBAR产生的应力对底电极与压电层界面的影响相对还是蛮大的。
此外，如图2中，a部分以及b部分表示的是硅反面刻蚀型纵波FBAR结构，c部分以及d部分表示的是空气隙型纵波FBAR结构，由于FBAR压电三明治结构是上下震动，所以在电极边缘存在非常大的应力集中现象，如虚圈表示的应力集中区域22、应力集中区域23、应力集中区域24、应力集中区域25、应力集中区域26、应力集中区域27。
当FBAR功率在15W时，该应力集中处的应力可达3.5Gpa，超过薄膜应力承受强度，直接导致FBAR压电三明治结构的塌陷和破裂。
因此，为了获得更大功率容量和优良性能的滤波器，必须寻找一种有利于减小应力作用的可行方法。
发明内容
本发明提供了一种用于无线通信的高功率容量FBAR以及其组成的滤波器，该滤波器由多个串联和并联剪切模式FBAR互连成一个梯形或网格型结构，具有功率容量大、温度特性稳定，以及体积小等优点，适用于基站等大功率滤波器应用场合。
一种用于无线通信的高功率容量FBAR，包括：
衬底；
空气隙，设置在衬底上表面；
支撑层，设置在衬底和空气隙上；
压电薄膜，设置在支撑层上；
输入电极和输出电极，均设置在压电薄膜上，输入电极和输出电极至少有一部分区域处于空气隙正上方；
地平面，设置在压电薄膜上，
所述的高功率容量FBAR工作于剪切模式下。
输入电极和输出电极至少有一部分区域处于空气隙正上方。因为在此结构中空气隙正上方才是FBAR的谐振区，如果电极完全处于FBAR的谐振区外，FBAR将不工作。
由于FBAR采用共面波导(coplanar waveguide，CPW)馈电方式，因此将地平面放置在输入电极和输出电极两侧，形成一种适合共面波导馈电的GSG结构。
一种用于无线通信的高功率容量FBAR滤波器，由若干个所述的高功率容量FBAR互连成梯形或网格型结构。
所述的若干个高功率容量FBAR可以是相互串联和/或并联。
所述的用于无线通信的高功率容量FBAR滤波器的具体结构，包括：
衬底；
空气隙，设置在衬底上表面；
支撑层，设置在衬底和空气隙上；
压电薄膜，设置在支撑层上；
若干组输入电极和输出电极，均设置在压电薄膜上，输入电极和输出电极至少有一部分区域处于空气隙正上方；
地平面，设置在压电薄膜上。
在所述的高功率容量FBAR滤波器中一个输入电极和一个输出电极再加上其他部件就可以看做是一个FBAR结构，整个FBAR滤波器中包含多个这样的FBAR结构，多个FBAR结构共用除输入电极和输出电极以外的其他部件。
空气隙可以是一体结构，但考虑滤波器力学强度，一般情况是针对每个FBAR结构对应设置一个空气隙。
本发明中的FBAR结构工作于剪切波模式下，有效地消除了纵波模式下的应力集中现象，从而提高了其功率容量。同理，基于此结构的FBAR滤波器的功率容量也相应得到提高，使得FBAR滤波器适用于无线通信中的大功率应用场合。
附图说明
图1是现有技术拥有高功率容量的FBAR结构。
图2是现有技术纵波模式FBAR应力集中点示意图。
图3是本发明中高功率容量FBAR俯视图。
图4是图3中A’-A’方向上的横截面示意图。
图5是基于剪切模式FBAR滤波器结构示意图。
图6A是本发明梯形滤波器结构示意图。
图6B是本发明梯形滤波器结构俯视图。
图6C是图6A中A’-A’方向上的横截面示意图。
图6D是图6A中B’-B’方向上的横截面示意图。
图7是本发明FBAR滤波器的正向传输曲线图S21。
图8是本发明FBAR滤波器的输入回波损耗曲线图S11。
图9是一无线通信系统射频前端电路框图，并将本发明的FBAR滤波器应用于此系统发射前端电路中。
具体实施方式
图3和图4分别是用于本发明中的高功率容量FBAR俯视图和横截面图。主要由以下部分组成：衬底101，位于衬底101上表面的空气隙102，位于该衬底101和空气隙102上的支撑层103，位于该支撑层103上的压电薄膜层104，位于压电薄膜层104上的输入电极层105、输出电极层106，以及位于输入电极层105、输出电极层106两侧的地平面107、地平面108。其中所述空气隙102可采用图2中所示除去部分硅片表面形成的下沉型，也可以是不去除硅表面而直接在衬底硅表面之上形成的上凸型；所述支撑层103一方面提高了FBAR结构的机械牢度，另一方面可使得压电薄膜104与衬底101之间有良好的导热路径。
对于如图3所示的压电薄膜C轴取向的FBAR，理论上分析存在三类沿z轴传播的平面波：一类是沿x方向极化的剪切波、一类是沿y方向极化的剪切波、一类是沿z轴方向极化的纵波，任何一种平面波存在的前提是在该平面波极化方向上有电位移D＝εE分量。因此，为了使FBAR工作在剪切波模式下，设计电极105和电极106在与压电薄膜紧密接触的同一平面之上，使得FBAR中电场矢量沿x方向，即FBAR工作在沿x方向极化的剪切波模式。由于纵波模式FBAR中电场矢量是沿z轴方向的，其应力主要是在垂直方向上，故对电极层和压电薄膜的界面冲击以及应力集中现象比较严重，而剪切模式FBAR电场矢量是沿水平方面(x方向)，所以其主要应力由垂直方向转变为水平方向，从而减小了对电极层和压电薄膜界面层的冲击，同时不会在电极边缘形成应力集中。测试结果表明，剪切模式FBAR在相同压电体体积情况下，功率容量提高一倍以上。
FBAR结构中输入电极层105和输出电极层106之间存在一定的距离，确保FBAR中电场矢量沿x方面；同时由于目前制备FBAR的工艺不够成熟，所以在制备过程中可能会使结构中部分尺寸发生变化，为了确保输入电极层105和输出电极层106不连在一起，故设计它们之间的距离大于10um。
相比于纵波模式FBAR，在相同压电体体积情况下剪切模式FBAR功率容量可以提高一倍以上，所以基于此结构的FBAR滤波器同样可以提高其功率容量。基于剪切模式FBAR滤波器的结构主要有图5所示的梯形结构120和网格型结构130。在滤波器实施过程中，可以将多个串并联剪切模式FBAR制作在同一衬底上，实现多个FBAR在同一衬底上的集成，且所有剪切模式FBAR共享一个GSG(Ground-Signal-Ground)结构。
在本发明的一具体实施例中，滤波器结构示意图如图6A所示，该滤波器设计用于GSM频段发射端，其工作频率为905-915MHz。图6B为该滤波器结构的俯视图，图6C为该滤波器结构中A’-A’方向的横截面示意图，图6D为该滤波器结构中B’-B’方向的横截面示意图，主要由工作在剪切模式下的三个串联FBAR204、FBAR205、FBAR206和四个并联FBAR207、FBAR208、FBAR209、FBAR210组成，包括共用的衬底218，位于衬底218上表面且与所述FBAR204、FBAR205、FBAR206、FBAR207、FBAR208、FBAR209、FBAR210相对应的空气隙，如空气隙219、空气隙220、空气隙221、空气隙223等，位于空气隙和衬底之上的支撑层222，位于该支撑层222上的压电薄膜211，位于压电薄膜211上用于连接各FBAR电极的连接线216、连接线217、连接线224、连接线225等，以及位于压电薄膜211上的信号输入端212、输出端213和地平面214、地平面215构成的GSG结构。其中所述串联FBAR204的电极204a与信号输入端212相连，电极204b与串联FBAR205的电极205a相连，电极205b与串联FBAR206的电极206a相连，电极206b与信号输出端213相连，并联FBAR207的电极207a与串联FBAR204的电极204a相连，另一电极207b与地平面215相连，并联FBAR的电极208a与串联FBAR204的电极204b及FBAR205的电极205a相连，另一电极208b与地平面214相连，并联FBAR209的电极209a与串联FBAR205的电极205b及FBAR206的电极206a相连，另一电极209b与地平面215相连，并联FBAR210的电极210a与串联FBAR206的电极206b相连，另一电极210b与地平面214相连。
在该具体实施例中，衬底218采用的材料是硅(Si)，支撑层222采用的材料是氮化硅(Si3N4)，压电薄膜层211采用的是氮化铝(AlN)，串联FBAR204、FBAR205、FBAR206和并联FBAR207、FBAR208、FBAR209、FBAR210中的所有电极采用的材料是铝(Al)，信号输入端212、输出端213、地平面214和地平面215采用的材料也是铝(Al)。其中FBAR在剪切模式下各声学材料的属性如表1所示，同时根据GSM频段发射端滤波器的中心频率910MHz，及通过软件的优化，可以确定滤波器结构中所有FBAR各层的厚度和面积。
表1FBAR在剪切模式下各声学材料的属性
| 材料 | 密度ρ(Kg/m3) | 夹持介电常数ε11 S(F/m) | 声特征阻抗Zmech(kg/m2s) | 剪切波声速v(m/s) | 机电耦合系数ks 2(无量纲) | 衰减因子α(dB/m) |
| AlN | 3512 | 7.97e-11 | 2.06e7 | 5867 | 2.7％ | 800 |
| 材料 | 密度ρ(Kg/m3) | 夹持介电常数ε11 S(F/m) | 声特征阻抗Zmech(kg/m2s) | 剪切波声速v(m/s) | 机电耦合系数ks 2(无量纲) | 衰减因子α(dB/m) |
| Al | 2700 | 8.21e6 | 3040 | 7500 | ||
| Si3N4 | 3247 | 2.0e7 | 6160 | |||
| Si | 2189 | 11.6e6 | 5300 |
图7和图8分别示出了图6A中滤波器仿真的结果：正向传输曲线S21和输入回波损耗S11，如曲线300和曲线301所示。其中滤波器在发射带的插入损耗为1.693dB(Max)，对GSM接收频带(950-960MHz)的抑制为38.933dB(Min)，3dB带宽为11MHz，输入端回波损耗为12.232dB(Min)，也就是说滤波器的驻波系数比VSWR小于1.671。
图9是一无线通信系统射频前端电路框图，包括天线，接收端Rx滤波器，低噪声放大器(LNA)，下变频，发射端Tx滤波器，功率放大器(PA)，以及上变频，并将本发明拥有大功率容量的滤波器应用于此系统发射前端电路。
Claims (4)
1.一种用于无线通信的高功率容量FBAR，其特征在于，包括：
衬底；
空气隙，设置在衬底上表面；
支撑层，设置在衬底和空气隙上；
压电薄膜，设置在支撑层上；
输入电极和输出电极，均设置在压电薄膜上，输入电极和输出电极至少有一部分区域处于空气隙正上方；
地平面，设置在压电薄膜上，
所述的高功率容量FBAR工作于剪切模式下。
2.一种用于无线通信的高功率容量FBAR滤波器，其特征在于，由若干个权利要求1所述的高功率容量FBAR互连成梯形或网格型结构。
3.如权利要求2所述的高功率容量FBAR滤波器，其特征在于，所述的若干个高功率容量FBAR相互串联和/或并联。
4.如权利要求2所述的高功率容量FBAR滤波器，其特征在于，包括：
衬底；
空气隙，设置在衬底上表面；
支撑层，设置在衬底和空气隙上；
压电薄膜，设置在支撑层上；
若干组输入电极和输出电极，均设置在压电薄膜上，输入电极和输出电极至少有一部分区域处于空气隙正上方；
地平面，设置在压电薄膜上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20100630 |