CN106026961A - 滤波器、双工器和通信模块 - Google Patents
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Abstract
滤波器、双工器和通信模块。一种滤波器，包括：基板；输入焊盘；输出焊盘；接地焊盘；多个第一声波谐振器，形成在所述基板上并串行连接在所述输入焊盘与所述输出焊盘之间；以及多个第二声波谐振器，每个第二声波谐振器包括：压电膜，位于所述基板上；下电极，位于所述基板与所述压电膜之间并连接至所述接地焊盘；以及上电极，形成在所述压电膜上并连接在相邻的一对所述第一声波谐振器之间，或者连接在所述多个第一声波谐振器中的一个与所述输入焊盘和所述输出焊盘中的一个之间。
Description
技术领域
本发明的特定方面涉及滤波器、双工器和通信模块。
背景技术
使用压电薄膜谐振器的体声波滤波器被用作例如移动电话的通信设备中使用的滤波器。包括两个或更多个滤波器的双工器和包括两个或更多个滤波器的模块有时嵌入在通信设备中。
滤波器必须具有在通带中低损失和在通带外高抑制的频率特性。低损失频率特性使得通信设备能够减少其电力消耗并改善语音质量。为了提高通带外的抑制度，已知如下的结构，其中位于梯型滤波器的平行臂中的平行谐振器通过连接至平行谐振器的公共线接地，如日本专利申请公开No.2003-298392(专利文献1)中所公开的。此外，已知如下结构，其中所有的下电极通过使用压电薄膜谐振器确保滤波器中的RF绝缘的设备接地，如日本专利申请公开No.2012-19515中所公开的。
然而，专利文献1中公开的方法仍然留有改善空间来提高通带外宽频率上的抑制度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种滤波器，其包括：基板；输入焊盘；输出焊盘；接地焊盘；多个第一声波谐振器，形成在所述基板上并串行连接在所述输入焊盘与所述输出焊盘之间；以及多个第二声波谐振器，每个第二声波谐振器包括：压电膜，位于所述基板上；下电极，位于所述基板与所述压电膜之间并连接至所述接地焊盘；以及上电极，形成在所述压电膜上并连接在所述第一声波谐振器中的相邻的一对之间，或者连接在所述多个第一声波谐振器中的一个与所述输入焊盘和所述输出焊盘中的一个之间。
根据本发明的第二方面，提供了一种双工器，包括：第一滤波器；以及第二滤波器，该第二滤波器包括：基板；输入焊盘；输出焊盘；接地焊盘；多个第一声波谐振器，形成在所述基板上并串行连接在所述输入焊盘与所述输出焊盘之间；多个第二声波谐振器，每个第二声波谐振器包括：压电膜，位于所述基板上；下电极，位于所述基板与所述压电膜之间并连接至所述接地焊盘；以及上电极，形成在所述压电膜上并连接在所述第一声波谐振器中的相邻的一对之间，或者连接在所述多个第一声波谐振器中的一个与所述输入焊盘和所述输出焊盘中的一个之间，其中，所述第一滤波器和所述第二滤波器具有不同的通带。
根据本发明的第三方面，提供了一种通信模块，包括：双工器，其具有发送滤波器和接收滤波器，该发送滤波器和该接收滤波器中的至少一个包括：基板；输入焊盘；输出焊盘；接地焊盘；多个第一声波谐振器，形成在所述基板上并串行连接在所述输入焊盘与所述输出焊盘之间；以及多个第二声波谐振器，每个第二声波谐振器包括：压电膜，位于所述基板上；下电极，位于所述基板与所述压电膜之间并连接至所述接地焊盘；以及上电极，形成在所述压电膜上并连接在所述第一声波谐振器中的相邻的一对之间，或者连接在所述多个第一声波谐振器中的一个与所述输入焊盘和所述输出焊盘中的一个之间，其中，所述发送滤波器和所述接收滤波器具有不同的通带。
附图说明
图1是根据第一实施方式的声波滤波器的电路图；
图2是第一实施方式的声波滤波器的平面图；
图3是沿着图2中所示的A-A线截取的截面图；
图4是根据第一比较例的声波滤波器的平面图；
图5例示了第一实验中的通过特性的结果；
图6例示了第二实验中的通过特性的结果；
图7是串行谐振器和并行谐振器的第一变型的截面图；
图8是串行谐振器和并行谐振器的第二变型的截面图；
图9是根据第二实施方式的双工器的框图；以及
图10是根据第三实施方式的模块的框图。
具体实施方式
下面，将参照附图描述本发明的实施方式。
第一实施方式
图1是根据第一实施方式的声波滤波器的电路图。第一实施方式的声波滤波器100是梯型滤波器，其包括在输入端子10a与输出端子10b之间串行连接的一个或更多个串行谐振器S1至S4和在输入端子10a与输出端子10b之间并行连接的一个或更多个并行谐振器P1至P4，如图1所示。串行谐振器S1包括彼此串行连接的谐振器S1a和S1b。并行谐振器P3包括彼此并行连接的谐振器P3a和P3b。串行谐振器S1至S4和并行谐振器P1至P4是下面将要详细描述的压电薄膜晶体管。
图2是第一实施方式的声波滤波器的平面图。图3是沿着图2中所示的A-A线截取的截面图。图2例示了省略半导体基板12上的压电膜16和下布线24。在图2中，用双向影线示出了位于比压电膜16更上方的部件，而在没有影线的情况下示出了位于压电膜16下方的部件。
第一实施方式的声波滤波器100包括形成在图2中所示例如硅的半导体基板12上的串行谐振器S1至S4和并行谐振器P1至P4。串行谐振器S1至S4串行连接在输入焊盘IN与输出焊盘OUT之间。并行谐振器P1至P4并行连接在输入焊盘IN与输出焊盘OUT之间。
如图3所示，并行谐振器P4包括位于半导体基板12上的下电极14，使得在半导体基板12的上表面与下电极14之间形成具有圆顶形凸起的气隙20。下电极14电连接至半导体基板12。亦即，例如，下电极14定位为使得与半导体基板12的上表面直接接触。该圆顶形凸起是具有如下形状的凸起，其中，气隙20的高度在气隙20的周边较低，且气隙20的高度在更接近气隙20的中央处增大。
压电膜16位于下电极14和半导体基板12上。压电膜16可以是氮化铝膜、氧化锌膜、锆钛酸铅膜或钛酸铅膜。上电极18位于压电膜16上，并且具有通过压电膜16面向下电极14的区域(谐振区域22)。谐振区域22具有椭圆形，并且是激发厚度延伸模式(thickness extension mode)下的声波的区域。谐振区域22的形状不限于椭圆形，还可以是多边形的形状。
参照图3描述了并行谐振器P4，而串行谐振器S1至S4和并行谐振器P1至P3具有设计为具有与并行谐振器P4相同方式堆叠的下电极14、压电膜16和上电极18的结构。
如图2和图3所示，下布线24和接地焊盘GND位于半导体基板12上。下布线24和接地焊盘GND电连接至半导体基板12。亦即，例如，下布线24和接地焊盘GND定位为使得与半导体基板12的上表面直接接触。压电膜16覆盖下布线24，但不覆盖接地焊盘GND。压电膜16的开口30形成在接地焊盘GND上方，使得能够电连接至接地焊盘GND。
下电极14和下布线24通过沉积金属膜并对该金属膜进行构图而同时形成。因此，下电极14和下布线24由相同的材料形成，并且具有几乎相同的膜厚。下电极14和下布线24可以由钌、铬、铝、钛、铜、钼、钨、钽、铂、铑或铱的单层膜、或者其任意组合的多层膜制成。接地焊盘GND可以是例如在下电极14上堆叠钛和/或金而形成的金属膜。
输入焊盘IN(图3中未示出)、输出焊盘OUT和上布线26位于压电膜16上。由于输入焊盘IN本身的布置与图2中的输出焊盘OUT相同，因此省略它。输入焊盘IN和输出焊盘OUT不电连接至半导体基板12。连接至输入焊盘IN的上布线26和连接至输出焊盘OUT的上布线26也不电连接至半导体基板12。亦即，例如，输入焊盘IN、输出焊盘OUT、连接至输入焊盘IN的上布线26、连接至输出焊盘OUT的上布线26不与半导体基板12直接接触。上电极18和上布线26通过沉积金属膜并对该金属膜进行构图而同时形成。因此，上电极18和上布线26由相同的材料形成，并且具有几乎相同的膜厚。上电极18和上布线26可以由钌、铬、铝、钛、铜、钼、钨、钽、铂、铑或铱的单层膜、或者其任意组合的多层膜制成。输入焊盘IN和输出焊盘OUT可以是在上布线26上堆叠钛和/或金而形成的金属膜。输出焊盘OUT和输入焊盘IN可以形成在上布线26上，并且还可以直接形成在压电膜上。
输入焊盘IN、输出焊盘OUT以及接地焊盘GND例如经由线或凸块连接至外部设备。因此，输入焊盘IN对应于图1中的输入端子10a，输出焊盘OUT对应于图1中的输出端子10b，接地焊盘GND对应于图1中的地。
串行谐振器S1a的上电极18经由上布线26连接至输入焊盘IN。谐振器S1a和S1b的图2中未示出的下电极14经由下布线24互连。串行谐振器S1b和S2以及并行谐振器P1的上电极18经由上布线26互连。并行谐振器P1的下电极14经由下布线24连接至接地焊盘GND。
串行谐振器S2和S3以及并行谐振器P2的下电极14经由下布线24互连。并行谐振器P2的上电极18经由上布线26和下布线24连接至接地焊盘GND。串行谐振器S3和并行谐振器P3a及P3b的上电极18经由上布线26互连。串行谐振器S3和并行谐振器P3a及P3b的上电极18经由上布线26和下布线24连接至串行谐振器S4的下电极14。并行谐振器P3a和P3b的下电极14经由下布线24连接至接地焊盘GND。
串行谐振器S4和并行谐振器P4的上电极18经由上布线26连接至输出焊盘OUT。并行谐振器P4的下电极14经由下布线24连接至接地焊盘GND。
如上所述，输入焊盘IN仅经由上布线26连接至串行谐振器S1a的上电极18。输出焊盘OUT仅经由上布线26连接至串行谐振器S4和并行谐振器P4的上电极18。并行谐振器P1至P4至少经由下布线24连接至接地焊盘GND。亦即，图1中虚线所示区域中的电极和布线由下电极14和下布线24形成。
图2中下布线24和上布线26的连接区域32具有如下配置，其中，形成有开口30，从开口30向压电膜16暴露出下布线24，并且形成有用于将从该开口暴露出的下布线24连接至压电膜16上的上布线26的金属布线。连接区域32不限于上述配置，而是可以具有其他配置(例如，通孔布线)，只要下布线24连接至上布线26即可。
下面将根据第一比较例描述声波滤波器。第一比较例的声波滤波器的电路图与第一实施方式的图1的电路图相同，因此省略对其的例示。图4是根据第一比较例的声波滤波器500的平面图。在图4所示第一比较例的声波滤波器500中，输出焊盘OUT经由下布线24连接至串行谐振器S4和并行谐振器P4的下电极14。串行谐振器S4的上电极18经由上布线26连接至串行谐振器S3和并行谐振器P3a及P3b的上电极18。并行谐振器P4的上电极18经由上布线26连接至位于压电膜16上的接地焊盘GND(示出为双向影线)。由于输出焊盘OUT位于压电膜16上，因此，设置有将输出焊盘OUT连接至下布线24的连接区域32。其他配置与图2中所示第一实施方式相同，因此省略对其的说明。各个谐振器的结构与图3中所示第一实施方式中的谐振器的结构相同，因此省略对其的说明。
此处将描述发明人所做的第一实验。发明人制造了第一实施方式的声波滤波器100和第一比较例的声波滤波器500，并测量了它们的通过特性。制造的第一实施方式的声波滤波器100和制造的第一比较例的声波滤波器500采用膜厚为0.07μm至0.12μm的铬膜和膜厚为0.15μm至0.30μm的钌膜的多层膜用于下电极14和下布线24。膜厚为0.9至1.5μm的氮化铝膜用于压电膜16。膜厚为0.15μm至0.30μm的钌膜和膜厚为0.03μm至0.06μm的铬膜的多层膜用于上电极18和上布线26。这种类型的谐振器可以通过质量负载效应将频率移位得更低。膜厚5nm至22nm的钌膜和膜厚0.01μm至0.03μm的铬膜的通过构图对其区域进行控制的多层膜位于上电极18中先前提及的钌膜和先前提及的铬膜之间，以调节各个谐振器的频率。为了调节并行谐振器的频率，膜厚0.07μm至0.13μm的钛膜位于钌膜和铬膜的多层膜下方，以调节上电极18中并行谐振器的频率。膜厚0.05μm至0.11μm的二氧化硅膜位于所有上电极18的最上层上以保护电极并调节整体频率。
图5例示了第一实验中的通过特性的结果。实线表示第一实施方式的声波滤波器100的通过特性，虚线表示第一比较例的声波滤波器500的通过特性。如图5所示，第一实施方式的声波滤波器100具有与第一比较例的声波滤波器500几乎相同的损失，但与第一比较例的声波滤波器500相比，在通带外的宽频上展示出大的衰减。
下面将描述发明人所做的第二实验。发明人修改了第一实施方式的声波滤波器100和第一比较例的声波滤波器500，通过断开并行谐振器P4与地的连接以认为实际上未设置并行谐振器P4而使得与并行谐振器P4连接的接地焊盘GND变成浮置导体，并测量二者的通过特性。
图6例示了第二实验中的通过特性的结果。实线表示第一实施方式的声波滤波器100的通过特性，虚线表示第一比较例的声波滤波器500的通过特性。如图6所示，即使当并行谐振器P4实际未连接时，与第一比较例的声波滤波器500相比，第一实施方式的声波滤波器100也轻微改善了通带外的衰减。
在上述第一实验中，第一实施方式与第一比较例具有如下两点不同。
(1)在第一实施方式中，所有的并行谐振器P1至P4经由位于半导体基板12的上表面上的下布线24连接至位于半导体基板12的上表面上的接地焊盘GND。另一方面，在第一比较例中，并行谐振器P4经由位于压电膜16上的上布线26连接至位于压电膜16上的接地焊盘GND。
(2)在第一实施方式中，输出焊盘OUT经由上布线26连接至串行谐振器S4和并行谐振器P4，而在第一比较例中，输出焊盘OUT经由下布线24连接至串行谐振器S4和并行谐振器P4。
在上述第二实验中，第一实施方式与第一比较例的不同之处是上述第(2)点。
因此，第一实验和第二实验的结果揭示了，通过将所有的并行谐振器P1至P4经由下布线24连接至接地焊盘GND，在通带外的宽频上改善了抑制度。这是因为，下布线24电连接至半导体基板12，由此半导体基板12可以实际上用作地，从而能够使半导体基板12上的地电势稳定。结果，认为在通带外的宽频上改善了抑制度。
通过将输出焊盘OUT仅经由上布线26连接至串行谐振器S4和并行谐振器P4，也改善了通带外的抑制度。这认为是因为当输出焊盘OUT连接至下布线24时信号传播到半导体基板12，负面影响地电势的稳定。相反，当输出焊盘OUT仅连接至上布线26时，防止了信号传播到半导体基板12，因此稳定了地电势，由此认为改善了通带外的抑制度。
如上所述，在第一实施方式中，所有的并行谐振器P1至P4经由电连接至半导体基板12的下布线24而连接至接地焊盘GND，如图2所示。这种配置能够稳定地电势，由此能够改善通带外宽频上的抑制度，如图5和图6所描述的。
此外，如图2和图3所示，所有接地焊盘GND定位为使得与半导体基板12的上表面接触，因此，通过将半导体基板12用作地而能够有效地稳定地电势。
此外，如图2所示，输入焊盘IN仅经由上布线26连接至串行谐振器S1a，输出焊盘OUT仅经由上布线26连接至串行谐振器S4和并行谐振器P4。该配置防止了信号传播到半导体基板12，因此稳定了地电势，改善了通带外的抑制度，如图5和图6所描述的。
此外，为了经由下布线24将所有的并行谐振器P1至P4连接至接地焊盘GND，如图2所示，至少一个并行谐振器P2优选地经由上布线26和下布线24连接至接地焊盘GND。在图2所示的配置中，连接至串行谐振器S2和S3的下布线24可以通过连接区域32连接至并行谐振器P2的上布线26，以通过下布线24将并行谐振器P2连接至接地焊盘GND。
作为一个例子，第一实施方式描述了半导体基板12是硅基板的情形，但半导体基板12可以是其他的半导体基板。此外，半导体基板12可以掺杂有n型掺杂物或p型掺杂物。
作为一个例子，第一实施方式描述了两个或更多个接地焊盘GND位于半导体基板12上的情形。然而，可以设置连接至所有的并行谐振器P1至P4的单个接地焊盘GND。
作为一个例子，第一实施方式描述了声波滤波器是梯型滤波器的情形，但声波滤波器可以是其他滤波器，例如格型滤波器。
作为一个例子，第一实施方式描述了在串行谐振器S1至S4和并行谐振器P1至P4中具有圆顶形凸起的气隙20形成在平的半导体基板12的上表面与下电极14之间的情形，如图3所示，但这不是为了以任何方式限制本发明。图7是串行谐振器和并行谐振器的第一变型的截面图，图8是串行谐振器和并行谐振器的第二变型的截面图。图7和图8是与沿着图2的A-A线截取的截面相对应的截面图。
如图7所示，串行谐振器和并行谐振器可以具有形成在谐振区域22中半导体基板12的上表面中的凹部21，使得该凹部充当气隙20。该凹部可以不穿透半导体基板12，如图7所示，或者可以穿透半导体基板12，尽管此处省略了对该情形的例示。
如图8所示，串行谐振器和并行谐振器可以具有位于谐振区域22中下电极14下方的声反射镜40来代替气隙20。声反射镜40对传播通过压电膜16的声波进行反射，并且包括交替定位的具有低声阻抗的膜42和具有高声阻抗的膜44。具有低声阻抗的膜42和具有高声阻抗的膜44具有的膜厚例如是大致λ/4(λ是声波的波长)。可以自由选择具有低声阻抗的膜42和具有高声阻抗的膜44的堆叠数量。
如上所述，串行谐振器和并行谐振器可以是具有位于谐振区域22中下电极14下方的气隙20的薄膜体声波谐振器(FBAR)，或者是具有声反射镜40的稳固安装谐振器(SMR)。
第二实施方式
图9是根据第二实施方式的双工器200的框图。如图9所示，第二实施方式的双工器200包括发送滤波器50和接收滤波器52。发送滤波器50连接在天线端子Ant与发送端子Tx之间。接收滤波器52连接在与发送滤波器50共用的天线端子Ant和接收端子Rx之间。
发送滤波器50将发送带的信号传送到天线端子Ant，作为从发送端子Tx输入的信号中的发送信号，并抑制具有其他频率的信号。接收滤波器52将接收带的信号传送到接收端子Rx，作为从天线端子Ant输入的信号中的接收信号，并抑制具有其他频率的信号。发送带和接收带具有不同的频率。双工器200可以包括匹配电路(未示出)，该匹配电路对阻抗进行匹配以输出通过发送滤波器50从天线端子Ant发送的发送信号，而不会泄露到接收滤波器52。
包含在第二实施方式的双工器200中的发送滤波器50和接收滤波器52中的至少一个可以是第一实施方式的声波滤波器100。
第三实施方式
图10是根据第三实施方式的模块300的框图。如图10所示，第三实施方式的模块300包括连接至天线60的切换器62、双工器64、接收滤波器66、发送滤波器68和放大器70。例如，模块300是用于移动电话的RF模块，并支持多种通信方法，例如全球移动通信系统(GSM：注册商标)和宽带码分多址接入(W-CDMA)。天线60发送/接收例如GSM(注册商标)和W-CDMA的多种通信方法中任意一种的发送信号/接收信号。
双工器64、接收滤波器66和发送滤波器68支持相应的通信方法。切换器62根据要发送和/或接收的信号的通信方法而选择支持该通信方法的双工器64、接收滤波器66或发送滤波器68，并将所选择的双工器64、所选择的接收滤波器66或所选择的发送滤波器68连接至天线60。双工器64、接收滤波器66和发送滤波器68连接至放大器70。
放大器70对双工器64的接收滤波器和接收滤波器66所接收的信号进行放大，并将其输出到处理单元。放大器70还对处理单元产生的信号进行放大，并将其输出到双工器64的发送滤波器和发送滤波器68。
接收滤波器66和发送滤波器68中的至少一个可以是第一实施方式的声波滤波器100。双工器64中的至少一个可以是第二实施方式的双工器200。
作为一个例子，第三实施方式描述了模块300包括双工器64、接收滤波器66和发送滤波器68的情形，但模块300可以包括它们中的至少一个。模块300可以配置为不包括切换器62而是包括双工器64、接收滤波器66、发送滤波器68和放大器70，或者可以配置为不包括切换器62或放大器70而是包括双工器64、接收滤波器66和发送滤波器68。
虽然详细描述了本发明的实施方式，但应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其做出各种变化、替换和修改。
Claims (10)
1.一种滤波器，所述滤波器包括：
基板；
输入焊盘；
输出焊盘；
接地焊盘；
多个第一声波谐振器，它们形成在所述基板上并串行连接在所述输入焊盘与所述输出焊盘之间；以及
多个第二声波谐振器，每个第二声波谐振器包括：
压电膜，其位于所述基板上；
下电极，其位于所述基板与所述压电膜之间并连接至所述接地焊盘；以及
上电极，其形成在所述压电膜上，连接在相邻的一对所述第一声波谐振器之间，或者连接在所述多个第一声波谐振器中的一个与所述输入焊盘和所述输出焊盘中的一个之间。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第二声波谐振器中的至少两个共享公共压电膜。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述接地焊盘与所述基板直接接触。
4.根据权利要求1所述的滤波器，所述滤波器进一步包括：
第一布线，其形成在所述压电膜上，并连接在第二电极与所述输入焊盘或所述输出焊盘之间，
其中，所述输入焊盘和所述输出焊盘形成在所述压电膜上。
5.根据权利要求1所述的滤波器，所述滤波器进一步包括：
第二布线，其连接在所述接地焊盘与第二电极之间，
其中，所述第二布线在至少一部分区域中穿过所述压电膜。
6.根据权利要求1所述的滤波器，其中，空隙位于所述下电极下方。
7.根据权利要求6所述的滤波器，其中，所述基板具有位于所述下电极下方并在所述基板与所述下电极之间形成气隙的凹部。
8.根据权利要求1所述的滤波器，所述滤波器进一步包括：
声反射镜，其位于所述多个第一声波谐振器或所述多个第二声波谐振器中的至少一个下方，
其中，所述声反射镜由具有彼此不同的声学特性的至少两层构成。
9.一种双工器，所述双工器包括：
第一滤波器；以及
第二滤波器，所述第二滤波器包括：
基板；
输入焊盘；
输出焊盘；
接地焊盘；
多个第一声波谐振器，它们形成在所述基板上并串行连接在所述输入焊盘与所述输出焊盘之间；
多个第二声波谐振器，每个第二声波谐振器包括：
压电膜，其位于所述基板上；
下电极，其位于所述基板与所述压电膜之间并连接至所述接地焊盘；以及
上电极，其形成在所述压电膜上，连接在相邻的一对所述第一声波谐振器之间，或者连接在所述多个第一声波谐振器中的一个与所述输入焊盘和所述输出焊盘中的一个之间，
其中，所述第一滤波器和所述第二滤波器具有不同的通带。
10.一种通信模块，所述通信模块包括：
双工器，其具有发送滤波器和接收滤波器，该发送滤波器和该接收滤波器中的至少一个包括：
基板；
输入焊盘；
输出焊盘；
接地焊盘；
多个第一声波谐振器，它们形成在所述基板上并串行连接在所述输入焊盘与所述输出焊盘之间；以及
多个第二声波谐振器，每个第二声波谐振器包括：
压电膜，其位于所述基板上；
下电极，其位于所述基板与所述压电膜之间并连接至所述接地焊盘；以及
上电极，其形成在所述压电膜上并连接在相邻的一对所述第一声波谐振器之间，或者连接在所述多个第一声波谐振器中的一个与所述输入焊盘和所述输出焊盘中的一个之间，
其中，所述发送滤波器和所述接收滤波器具有不同的通带。
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