CN103490743B - 一种薄膜baw谐振器和baw滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器和滤波器，属于谐振器和滤波器领域。本发明包括低阻硅的衬底、设于衬底上、且与衬底之间设有空气隙的支撑层，在支撑层上设有由下电极、压电层和上电极组成的三明治结构，在支撑层和压电层或仅在支撑区上设有金属化通孔，在低阻硅衬底的底面设有电极引出层，上电极或下电极通过金属化通孔与电极引出层电连通。本发明的谐振器将谐振器的上电极或下电极转移到衬底的背面，实现了电极在物理结构上的直接接地；利用这种谐振器组成的滤波器避免了键合引线带来的接地电感的影响，接地性能不受键合引线长短的影响，可实现滤波器装配后的性能与理想接地时的性能基本一致；并且在接地电路中不需加入任何其他元件，操作简单、方便。

Description

一种薄膜BAW谐振器和BAW滤波器

技术领域

本发明属于谐振器和滤波器领域。

背景技术

微型化、集成化、高性能是无线终端对频率器件的要求。传统射频/微波频段频率器件的解决方案为介质滤波器和声表面波（SAW）滤波器。前者具有较好的性能，但体积太大；后者虽然体积小，但存在工作频率低、插入损耗大、功率容量低的缺点。体声波（BAW）滤波器技术是目前唯一有望集成的射频滤波器技术，其综合了介质滤波器性能优越和SAW滤波器体积小的优势，同时克服了两者的缺点，具有工作频率高、功率容量大、损耗低、体积小、温度稳定性好以及可与RFIC或 MMIC集成等优点。

BAW滤波器通常由按某种方式连接的BAW谐振器组成。现有技术中，BAW谐振器在高阻硅（电阻率约为10³Ω·cm）衬底上制作，BAW谐振器结构示意图如图1所示：在衬底上分别制作支撑层、由下电极、压电层和上电极组成的三明治结构，下电极上设有引出端，在衬底和支撑层之间设有空气隙，这些部分整体组成了空气隙型BAW谐振器。

BAW滤波器的接地方式主要包括两种：通过键合引线电感接地和经电容匹配后通过键合引线电感接地。这两种接地方式在美国专利（专利号6972641 B2、公开日期为2005年12月6日）以及中国专利（公开号为CN 1638273A、公开日期为2005年7月13日）中进行了说明。上述专利中BAW滤波器由串臂三个BAW谐振器和并臂两个BAW谐振器构成，该滤波器的理想接地方式的电路图如图2所示。但是在实际使用时，很难实现这种理想接地状态，通常都会采用上述两种方式接地。BAW滤波器通过键合引线接地的电路图如图3所示，该键合引线引入的电感量会造成滤波器阻带性能恶化严重，理想接地方式和此接地方式对滤波器的性能对比如图4所示。为了减小该电感的影响，也可以采用键合多根引线的方法，但是滤波器的性能始终达不到理想接地的效果。另外一种接地方式是在并臂加入匹配电容后，再通过键合引线接地，其电路如图5所示；利用该电容吸收键合引线的电感，在滤波器的阻带形成椭圆极点。该方法可使滤波器的性能与理想接地情况接近，但是在电路中加入了电容元件，造成工艺的复杂度增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种薄膜BAW谐振器，该谐振器的上电极或下电极可以通过低阻硅衬底延伸至衬底底面，本发明还提供了一种含有所述的薄膜BAW谐振器的BAW滤波器，该BAW滤波器接地端的谐振器为BAW谐振器，该滤波器无需在在电路中加入任何匹配元件即可实现理想接地，可实现BAW滤波器装配后的性能与理想接地时的性能基本一致，改善提高了BAW滤波器的接地性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种薄膜BAW谐振器，包括低阻硅的衬底、设于衬底上、且与衬底之间设有空气隙的支撑层，在支撑层上设有由下电极、压电层和上电极组成的三明治结构，其特征在于在支撑层和压电层设有上下贯通的金属化通孔，位于上电极与下电极在竖直面上不相重叠的区域；或仅在支撑层上设有两个沿空气隙对称分布金属化通孔；在低阻硅衬底的底面设有电极引出层，所述上电极或下电极通过金属化通孔与电极引出层电连通。

所述下电极和上电极材料为Mo、Au、Ru、Al、Pt、W，所述压电层材料可为AlN或ZnO。

所述下电极和上电极厚度为1000Å-5000Å，压电层厚度为5000Å -15000Å。

该BAW滤波器具有通过BAW谐振器接地的接地端，且BAW谐振器的电极引出层与大地相连接。

本发明的有益效果为：本发明的薄膜BAW谐振器采用低阻硅衬底，将谐振器的上电极或下电极转移到衬底的背面，这样就可以实现电极在物理结构上的间接接地；利用这种谐振器组成的BAW滤波器在装配使用时可直接与地平面相连，接地性能不再受键合引线及其长短的影响，避免了由键合引线带来的接地电感的影响，可实现BAW滤波器装配后的性能与理想接地时的性能基本一致，从根本上解决了BAW滤波器的接地问题；并且在接地电路中不需加入任何其他元件，不会增加BAW滤波器实现的工艺复杂度；在装配使用时，操作简单、方便。

附图说明

图1为现有技术中BAW谐振器的结构示意图；

图2为5节阶梯型BAW滤波器的理想接地电路原理图；

图3为现有技术中BAW滤波器采用键合引线接地的电路原理图；

图4为图2所示的BAW滤波器在理想接地时的性能曲线与采用键合引线接地时的性能曲线对比图；

A为图2所示BAW滤波器在理想接地情况下的仿真性能曲线；

B为图2所示BAW滤波器采用图3所示键合引线接地情况下的实测性能曲线；

图5为现有技术中BAW滤波器经电容匹配后通过键合引线接地的电路原理图；

图6为本发明BAW谐振器的实施例1的结构示意图；

图7为利用本发明的薄膜BAW谐振器组成的BAW滤波器的装配使用示意图；

图8为本发明薄膜BAW谐振器的实施例2的结构示意图；

图9为图2所示的BAW滤波器理想接地时的性能曲线与本发明与图2结构相同的BAW滤波器直接接地时的性能曲线对比图；

C为与本发明与图2结构相同的BAW滤波器直接接地时的性能曲线；

其中，1、衬底；2、支撑层；3、下电极；4、压电层；5、上电极；6、引出端；7、空气隙；8、RF输入端口，9、RF输出端口，10、11、12为串臂谐振器；13、14为并臂谐振器；15、16为接地端；17、19、20为键合引线电感，18、匹配电容；21、金属化通孔；22、电极引出层，23、24为实际装配时所用电路板的地平面，25、26为实际装配时所用电路板的RF输入端口、输出端口；28、31为BAW滤波器芯片的RF输入端口、输出端口，27、29、30、32为BAW滤波器芯片的接地焊盘。

具体实施方式

图1所示为现有技术中BAW谐振器的结构示意图，采用高阻硅的衬底1上分别制作支撑层2、由下电极3、压电层4和上电极5组成的三明治结构，下电极3上设有引出端6，在衬底1和支撑层2之间形成空气隙7，整体组成空气隙型BAW谐振器。

由上述BAW谐振器组成的滤波器的接地方式主要包括通过键合引线电感接地和经电容匹配后通过键合引线接地。

图2所示为采用上述BAW谐振器组成的5节阶梯型BAW滤波器在理想情况下的接地原理图，此BAW滤波器由三个串臂谐振器10、11、12以及两个并臂谐振器13、14构成，串臂谐振器10、12通过RF输入端口8、RF输出端口9接输入输出信号。两个并臂谐振器13、14通过两个接地端15、16实现理想接地。但是在实际使用时，很难实现理想接地状态。常用的一种接地方式是通过键合引线接地，电路图如图3所示，将两个并臂谐振器13、14并联后经由键合引线电感17后接地，该键合引线电感17引入的电感量会造成滤波器阻带性能恶化严重。图4为图2所示的BAW滤波器在理想接地时的性能曲线与采用键合引线接地时的性能曲线对比图，该图中A为图2所示BAW滤波器在理想接地情况下的仿真性能曲线，B为图2所示BAW滤波器采用图3所示键合引线接地情况下的实测性能曲线。由图4可以看出，采用键合引线接地时，滤波器的性能恶化严重，不能满足滤波器实际使用的要求。为了减小键合引线电感17的影响，也可以采用键合多根引线的方法，但是也始终达不到理想接地的效果。

另外一种方法是在并臂处加入匹配电容18后，再通过键合引线电感19、20接地，其电路如图5所示。利用该匹配电容18吸收键合引线电感19、20，在滤波器的阻带形成椭圆极点。该方法可使滤波器的性能与理想接地情况接近，但是在电路中加入了电容元件，造成工艺的复杂度增加。

本发明是为了克服上述现有技术中存在的缺陷，在实际使用时如何实现BAW滤波器的理想接地而设计研制的。

实施例1

如图6所示，一种薄膜BAW滤波器，包括采用低阻硅的衬底1、设于衬底1上、且与衬底1之间设有空气隙7的支撑层2，在支撑层2上设有由下电极3、压电层4和上电极5组成的三明治结构，在支撑区2上设有金属化通孔21，在衬底1的底面设有电极引出层22，所述下电极3通过金属化通孔21与电极引出层22电连通；所述金属化通孔21为两个，沿空气隙7对称分布。

本实施例的具体制作步骤为：首先，在衬底1上挖槽，并填充牺牲层材料；然后，在衬底1的表面制作支撑层2；接着，在支撑层2上制作通孔并金属化，形成金属化通孔21；在上述支撑层2上溅射一层Mo（或者Au、Ru、Al、Pt、W）并图形化作为三明治结构的下电极3，溅射压电薄膜AlN（或者ZnO）并图形化作为三明治结构的压电层4，接着溅射一层Mo并图形化作为三明治结构的上电极5，然后在衬底1的背面溅射一层金属，作为下电极3的电极引出层22；最后释放牺牲层，形成空气隙7。这样就完成了衬底1上的空气隙型BAW谐振器的制作。

衬底1采用低阻硅材料，其电阻率为0.0001-1Ω·cm，该衬底1的电阻率比现有技术中高阻硅的衬底1的电阻率降低了几个数量级，可作为导体使用。因此下电极3可以通过金属化通孔21、低阻硅的衬底1与其背面金属的电极引出层22相通。

采用本发明的结构，实现了三明治结构的下电极3与低阻硅衬底1背面金属的电极引出层22的电连接，电极引出层22就相当于下电极3的引出端6。因此，BAW谐振器的下电极3就相当于处于低阻硅衬底1的下面，而上电极5仍在衬底1的上面，区别于图1中三明治结构的上、下电极均在衬底1的上面的结构。这样的结构使得谐振器在接地时，可以将电极引出层22直接接地，也就相当于下电极3直接接地。

利用本发明的薄膜BAW谐振器可以制作BAW滤波器，以图2所示的5阶BAW滤波器为例，其实现方式可以为5个谐振器均采用本发明的薄膜BAW谐振器，也可以为串臂3个谐振器采用在高阻硅衬底1上制作的图1所示的谐振器，并臂2个谐振器采用图6所示本发明的薄膜BAW谐振器。

采用本实施例中薄膜BAW谐振器结构制作的BAW滤波器，在装配使用时，只需将BAW滤波器芯片的RF输入端28与实际装配时所用电路板的RF输入端25键合在一起，BAW滤波器芯片的RF输出端31与实际装配时所用电路板的RF输出端26键合即可，使用起来非常方便。而现有技术中，除了键合28和25，以及31和26外，还需将BAW滤波器芯片的接地焊盘27, 29，30，32与电路板的地平面23和24键合在一起，这样的话，不仅键合引线的数量多，而且滤波器的带外抑制恶化严重。本发明巧妙的克服了此难题，大大改善了滤波器的接地性能。

BAW滤波器可以所有的接地端均使用薄膜BAW谐振器，可以仅有一个接地端使用。

在本实施例中下电极3和上电极5材料为Mo、Au、Ru、Al、Pt、W等，所述压电层4材料可以为AlN或ZnO。下电极3和上电极5厚度为1000Å -5000Å，压电层4厚度为5000Å-15000Å。

实施例2

如图8所示，与实施例1不同的是，所述金属化通孔21位于支撑层2和压电层4上，所述压电层4和支撑层2上的金属化通孔21上下贯通，且其位于上电极5与下电极3在竖直面上不相重叠的区域，所述上电极5通过金属化通孔21与电极引出层22电连通。

实施例2就是将上电极5通过低阻硅衬底1与背面金属的电极引出层22相连，因此金属化通孔21需要贯穿压电层4和支撑层2，两层上的通孔要完全对应，同时还应该保证两层上的通孔不再与其他部件相接触，使这两层上的通孔径直通到低阻硅衬底1处。

利用本发明的薄膜BAW谐振器可以组建BAW滤波器，在滤波器的接地端设置一个本发明的薄膜BAW谐振器即可，此薄膜BAW谐振器的电极引出层22直接与地相连接。本发明的薄膜BAW谐振器不仅可用于图2所示的5阶BAW滤波器，也可用于其他节数的BAW滤波器。另外，除用于阶梯型电路结构的滤波器，还可用于网格型电路结构的滤波器，以及阶梯型和网格型的级联多种电路形式。

由本发明提供的由薄膜BAW谐振器组成的BAW滤波器可以实现理想接地，接地方式在工艺上易于实现，在性能上可达到接近理想接地的测试效果，从根本上解决了BAW滤波器的接地问题；并且使用方便，装配后指标一致性好。

图9为图2所示的BAW滤波器理想接地时的性能曲线与本发明与图2结构相同的BAW滤波器直接接地时的性能曲线对比图；C为本发明与图2所示结构相同的BAW滤波器直接接地时的性能曲线，A仍为图2所示BAW滤波器在理想接地情况下的仿真性能曲线。由图9所示可知，采用本发明的薄膜BAW谐振器制作的滤波器，可实现与理想接地情况下相似的性能，满足了滤波器的使用要求。图4和图9相对比，本发明的薄膜BAW谐振器组建的BAW滤波器的性能要远远优越于现有结构的BAW滤波器。

本发明中各个层，如，衬底1、支撑层2、上下电极、压电层4，各层的材料通常都是本领域常用的材料。支撑层2、上下电极、压电层4的厚度与BAW谐振器的谐振频率有关，本领域技术人员根据实际需求选择合适的厚度即可。

该发明提供的BAW滤波器的不受滤波器节数、电路结构以及工作频率的限制，可应用于BAW滤波器使用的所有场合，使用范围广泛，可带来可观的经济效益，预计年产值最低可达1000万以上。

Claims (4)

1.一种薄膜BAW谐振器，包括低阻硅的衬底（1）、设于衬底（1）上、且与衬底（1）之间设有空气隙（7）的支撑层（2），在支撑层（2）上设有由下电极（3）、压电层（4）和上电极（5）组成的三明治结构，其特征在于在支撑层（2）和压电层（4）设有上下贯通的金属化通孔（21），位于上电极（5）与下电极（3）在竖直面上不相重叠的区域；或仅在支撑层（2）上设有两个沿空气隙（7）对称分布金属化通孔（21）；在低阻硅衬底（1）的底面设有电极引出层（22），所述上电极（5）或下电极（3）通过金属化通孔（21）与电极引出层（22）电连通。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜BAW谐振器，其特征在于所述下电极（3）和上电极（5）材料为Mo、Au、Ru、Al、Pt、W，所述压电层（4）材料可为AlN或ZnO。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜BAW谐振器，其特征在于所述下电极（3）和上电极（5）厚度为1000Å-5000Å，压电层（4）厚度为5000Å-15000Å。

4.一种含有如权利要求1所述的薄膜BAW谐振器的BAW滤波器，其特征在于该BAW滤波器具有通过BAW谐振器接地的接地端，且BAW谐振器的电极引出层（22）与大地相连接。