CN108011607A - 具有改进插入损耗的可调谐体声谐振器装置 - Google Patents

具有改进插入损耗的可调谐体声谐振器装置 Download PDF

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Abstract

本申请案涉及一种具有改进插入损耗的可调谐体声谐振器装置。一种在预定频带的分配信道中操作的可调谐BAW滤波器装置包含电压源及多个BAW谐振器。所述电压源基于所述所分配信道在所述频带内的位置而选择性地提供非零DC偏置电压。每一BAW谐振器具有谐振频率，并且包括底部电极、压电层及安置在所述压电层上方的顶部电极，所述顶部电极经由电阻器电连接到所述电压源。当所述所分配信道的所述位置接近所述频带的上或下隅角时，激活所述电压源，从而将所述非零DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的所述顶部电极。每一BAW谐振器的所述谐振频率响应于所述非零DC偏置电压而朝向所述频带的中心移位，从而改进所述BAW滤波器装置的插入损耗。

Description

具有改进插入损耗的可调谐体声谐振器装置
技术领域
本发明涉及一种电子装置，尤其是声谐振器。
背景技术
声谐振器被广泛地并入电子装置中以实施信号处理功能。举例来说，蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、电子游戏装置、膝上型计算机及其它移动装置可使用声谐振器来实施用于发射及/或接收的射频(RF)信号的频率滤波器(例如，带通滤波器)。此类滤波器包含梯式滤波器，例如具有形成在梯式结构中的电连接的串联及并联声谐振器。滤波器可包含在双工器中，例如连接在单个天线与用于分别对接收及发射的RF信号进行滤波的接收器及发射器之间。
根据不同应用，可使用不同类型的声谐振器，其包含体声波(BAW)谐振器，例如薄膜体声谐振器(FBAR)及固态安装谐振器(SMR)。举例来说，FBAR包含在第一(底部)电极与形成于衬底中的空腔上方的第二(顶部)电极之间的压电层。FBAR以GHz频率谐振，且因此相对紧凑，具有微米数量级的厚度，以及数百微米的长度及宽度尺寸。
用作带通滤波器(例如上文所提及的梯式滤波器)的声谐振器具有相关联的通带，其提供被允许通过滤波器的频率范围。举例来说，由两个滤波器电路(其可被称为双工器)形成的多路复用器容纳两个信号路径(例如，从公用天线到接收器的接收路径以及从发射器到公用天线的发射路径)。滤波电路中的每一者是具有对应通带的带通滤波器。因此，接收器能够通过接收频率通带接收信号，且发射器能够通过不同的发射频率通带发送发射信号，同时滤除其它频率。其它类型的滤波器可具有多于或少于两个的滤波器电路及信号路径，这取决于各种因素，例如数字信号及其相应待被滤波的频率。
举例来说，接收及发射信号可为对应于各种预定无线通信标准的RF信号，所述标准例如通用移动电信系统(UMTS)、全球移动通信系统(GSM)、宽带码分多址(WCDMA)、长期演进(LTE)及LTE-高级。通信标准识别用于发射及接收信号的单独频带。举例来说，LTE被分配各种3GPP带，其包含带25及41，其中带25提供1850MHz到1950MHz的发射(上行链路)频带及1930MHz到1995MHz的接收(下行链路)频带，且带41提供2496GHz到2690GHz的发射/接收频带。因此，依照3GPP标准操作的多路复用器将包含具有在对应发射及接收频带内的通带的滤波器。贯穿本发明，频带的高频边缘可被称为上隅角(或上隅角频率)，并且频带的低频边缘可被称为频带的下隅角(或下隅角频率)。
频带中的每一者可被划分成数个信道，每一信道具有载波中心频率及信道带宽。取决于频带的实施，例如，基于所需的数据速率，信道可具有不同的信道带宽。信道带宽越宽，频带内可用的信道就越少。在操作期间，移动装置被分配特定信道以帮助避免与使用同一频带的其它移动装置的干扰。举例来说，在蜂窝网络中，基站可向由所述基站服务的每一蜂窝电话分配不同的信道。
一般来说，通过具有接近频带的上及下隅角的对应中心频率的信道发送的RF信号倾向于比通过具有更接近频带中心的对应中心频率的信道发送的RF信号具有更低的质量。举例来说，在发射链中，信噪比(SNR)降级导致较低的数据速率，或者必须向滤波器提供更多的输入功率以实现相同的输出功率。在接收链中，在插入损耗较大的带边缘(上及下频率隅角)处，SNR简单降低。随着具有中心频率的信道越来越接近蜂窝电话中的带通滤波器的通带的边缘，这些信道具有更糟糕的插入损耗及跨越频带的变化，并且还具有较大群组延迟及群组延迟变化，这两者都有助于使误差矢量幅度(EVM)降级。EMV是导致数字信号发射中更多错误的信号失真的量度。因此，与被分配位于或接近频带的中心的信道的移动装置中的带通滤波器的插入损耗相比，被分配接近频带的上及下隅角的信道的蜂窝电话或其它移动装置中的带通滤波器经历更高的插入损耗，从而导致降级信号及低质量通信。
发明内容
一方面，提供一种可调谐体声波(BAW)滤波器装置，其在具有多个信道的预定频带的分配信道中操作。所述BAW滤波器装置包含：第一电压源，其基于所述所分配信道在所述预定频带内的位置而选择性地提供非零直流(DC)偏置电压；及多个BAW谐振器，其经配置以提供所述BAW滤波器装置的通带。每一BAW谐振器具有对应谐振频率且包含底部电极，其安置在衬底及声反射器上方；压电层，其安置在所述底部电极上方并具有对应谐振频率；及顶部电极，其安置在所述压电层上方，所述顶部电极经由第一电阻器电连接到所述第一电压源。当所述所分配信道的位置接近所述预定频带的上隅角或下隅角时，所述第一电压源经控制以将所述非零DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的所述顶部电极，接近所述上隅角对应于所述预定频带的高频边缘，且所述下隅角对应于所述预定频带的低频边缘。每一BAW谐振器的所述谐振频率响应于所述非零DC偏置电压而朝向所述预定频带的中心移位，从而改进所述BAW谐振器装置的插入损耗。
另一方面，提供一种在具有多个信道的预定频带的所分配信道中操作的移动通信装置。所述移动通信装置包含：(i)带通滤波器，其包含具有对应多个谐振频率的多个BAW谐振器，所述带通滤波器包含：衬底及对应于所述多个BAW谐振器的多个声反射器；第一金属层，其形成于所述衬底上方，所述第一金属层为所述多个BAW谐振器中的每一者提供底部电极；压电层，其形成于所述第一金属层上方；第二金属层，其形成于所述压电层上方，所述第二金属层为所述多个BAW谐振器中的每一者提供顶部电极；及(ii)高阻抗电压偏置网络，其包含：电压源，其用于将直流(DC)偏置电压提供到所述第二金属层；高电阻层，其形成于所述第一金属层与所述电压源之间，且经配置以提供所述多个BAW谐振器中的每一者与所述电压源之间的电阻。在所述所分配信道在所述预定频带内的位置接近所述预定频带的上隅角或下隅角时，所述电压源被激活，借此将所述DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的所述顶部电极，这致使每一BAW谐振器的所述谐振频率朝向所述预定频带的中心移位，从而改进所述BAW谐振器装置的插入损耗，其中所述上隅角对应于所述预定频带的高频边缘，且所述下隅角对应于所述预定频带的低频边缘。
另一方面，提供一种改进声带通滤波器的插入损耗的方法。所述声带通滤波器包括在预定频带中的多个信道的分配信道中操作的多个体声波(BAW)声谐振器。所述方法包含：检测所述所分配信道的位置何时接近所述预定频带的所述上隅角或所述下隅角；以及在所述所分配信道的所述位置被检测为接近所述预定频带的所述上隅角或所述下隅角时激活直流(DC)电压源。所述所激活的电压源经由具有高电阻的电阻器将非零DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的电极，所述高电阻值大体上防止在所述滤波器通带通过所述电阻器的RF频率下的电流流动。所述非零DC偏置电压的施加将每个BAW谐振器的谐振频率朝向所述预定频带的中心移位，借此改进所述声带通滤波器的所述插入损耗。
附图说明
当与附图一起阅读时，从以下详细描述可最好地理解实例实施例。要强调的是，各种特征并不一定按比例绘制。事实上，为清楚地论述，可任意增加或减小尺寸。在适用及实用的情况下，相似参考数字指示相似元件。
图1A是说明根据代表性实施例的BAW谐振器的简化顶部透视图。
图1B是说明根据代表性实施例的声谐振器装置的简化示意图，所述声谐振器装置包含声谐振器及用于移位声谐振器的谐振频率的直流(DC)偏置电压源。
图1C是展示根据代表性实施例的声谐振器装置的简化示意图，所述声谐振器装置包含声谐振器及用于移位声谐振器的谐振频率的DC偏置电压源。
图2是说明根据代表性实施例的声滤波器装置的电路图，所述声谐振器装置包含声谐振器及用于移位声谐振器的谐振频率及移位声滤波器装置的通带的DC偏置电压源。
图3是说明根据代表性实施例的声滤波器装置的顶部平面图，所述声谐振器装置包含声谐振器及用于移位声谐振器的谐振频率及移位声滤波器装置的通带的DC偏置电压源。
图4是说明根据代表性实施例的用于移位声滤波器装置中的声谐振器的谐振频率及声滤波器装置的通带的方法的流程图。
具体实施方式
应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不希望是限制性的。所定义的术语附加在本教示的技术领域中通常理解及接受的所定义术语的技术及科学意义。
如在说明书及所附权利要求书中所使用，术语“一”及“所述”包含单数指示物及复数指示物两者，除非上下文另有明确规定。因此，例如，“装置”包含一个装置及多个装置。如在说明书及所附权利要求中所使用的，且除了其普通含义之外，术语“大体上”或“大体上地”意味着在可接受的限度或程度内。举例来说，“大体上取消”意味着所属领域的技术人员将认为取消是可接受的。如在说明书及所附权利要求书中所使用的，并且除了其普通含义之外，术语“大约”或“约”意味着在所属领域中的一般技术人员的可接受限度或数量内。举例来说，“大约相同”意味着所属领域的一般技术人员将认为被比较的项目是相同的。
在下文的详细描述中，出于说明而非限制的目的，阐述了具体细节以便提供对根据本教示的说明性实施例的透彻理解。然而，对于受益于本发明的所属领域的一般技术人员来说显而易见的是，脱离本文揭示的具体细节的根据本教示的其它实施例保持在所附权利要求书的范围内。此外，可省略对众所周知的设备及方法的描述，以便于不会模糊说明性实施例的描述。此类方法及设备清楚地在本教示的范围内。
一般来说，应理解，未按比例绘制图式及其中所描绘的各种元件。此外，如附图中所说明，使用例如“在……上方”、“在……下方”、“顶部”、“底部”、“上”及“下”的相对术语来描述各种元件彼此之间的关系。应理解，除了图式中所描绘的定向之外，这些相对术语希望涵盖装置及/或元件的不同定向。举例来说，如果装置相对于图式中的视图被倒置，那么例如描述为在另一元件“上方”的元件现在将在所述元件下方。
举例来说，包含FBAR及SMR的BAW谐振器具有频率的电压系数，其确定响应于施加到RF声滤波器、双工器及/或多路复用器中的每一谐振器的DC偏置电压所移位的BAW谐振器的谐振频率的量。一般来说，根据各种实施例，在RF频率下不具有负载效应的高阻抗电压电压偏置网络选择性地将DC偏置电压(例如，大约+90伏特或大约-90伏特)施加到声滤波器中BAW谐振器(例如，FBAR)的(顶部)电极。举例来说，此DC偏置电压可由以低成本的高电压互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实施的电荷泵电路提供。在实施例中，可将高电阻层添加到BAW谐振器制造工艺中以提供对RF性能具有低影响的DC偏压网络。
根据代表性实施例，在具有多个信道的预定频带的分配信道中操作的可调谐BAW滤波器装置包含第一电压源及多个BAW谐振器。第一电压源基于所分配信道在预定频带内的位置选择性地提供非零DC偏置电压。BAW谐振器经配置以提供BAW滤波器装置的通带。每一BAW谐振器具有对应的谐振频率，并包括安置在衬底上方的底部电极及声反射器，安置在底部电极上方并具有对应谐振频率的压电层，以及安置在压电层上方的顶部电极，所述顶部电极经由第一电阻器电连接到第一电压源。当所分配信道的位置接近预定频带的上隅角或下隅角时，第一电压源经控制以将非零DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的顶部电极，其中上隅角对应于预定频带的高频边缘，且下隅角对应于预定频带的低频边缘。每一BAW谐振器的谐振频率响应于非零DC偏置电压朝向预定频带的中心移位，从而改进BAW谐振器装置的插入损耗。
高阻抗电压偏置网络可用于将声滤波器的通带的最小插入损耗部分移位到使用中的载波频率，借此改进(即，降低)声滤波器的插入损耗并降低装置(例如，蜂窝电话或其它移动装置)中的电流消耗。也就是说，通过取决于需要在通带的高侧处还是在低侧处改进插入损耗(归因于使用频带边缘处的信道)而在频率中向上或向下移位频率响应来改进特定声带通滤波器的最坏情况的滤波器插入损耗。当频率(例如，在所分配信道中)拥挤到带的上或下隅角频率(在此处声滤波器的插入损耗恶化)中时，通过频率移位进行的插入损耗的此改进是特别显著的。
举例来说，所描述的实施例大体上涉及包含薄膜体声波谐振器(FBAR)及固态安装谐振器(SMR)的体声波(BAW)谐振器装置，但为方便起见，许多论述涉及FBAR。声谐振器装置的某些细节(包含材料及制造方法)可在以下共同拥有的美国专利及专利申请案中的一或多者中找到：授予莱金(Lakin)的第6,107,721号美国专利；授予鲁比(Ruby)等人的第5,587,620号、第5,873,153号、第6,507,983号、第6,384,697号、第7,388,454号、第7,714,684号及第8,436,516号美国专利；授予法比奥(Fazzio)等人的第7,369,013号、第7,791,434号、第8,188,810号及第8,230,562号美国专利；授予冯(Feng)等人的第7,280,007号美国专利；授予乔伊(Choy)等人的第8,248,185号及第8,902,023号美国专利；授予格兰尼(Grannen)等人的第7,345,410号美国专利；授予布兰德利(Bradley)等人的第6,828,713号美国专利；授予拉尔森三世(Larson III)等人的第7,561,009号、第7,358,831号、第9,243,316号美国专利；授予左(Zou)等人的第9,197,185号美国专利；授予乔伊等人的第2012/0326807号美国专利申请案公开案；授予鲁比的第7,629,865号美国专利；授予拉尔森三世等人的第2011/0180391号及第2012/0177816号美国专利申请案公开案；授予拉尔森三世的第2014/0132117号美国专利申请案公开案；授予杰米尼拉(Jamneala)等人的第2007/0205850号美国专利申请案公开案；授予鲁比等人的第2011/0266925号美国专利申请案公开案；授予鲁比等人的第2013/0015747号美国专利申请案公开案；授予左等人的第2013/0049545号美国专利申请案公开案；授予布拉克(Burak)等人的第2014/0225682号美国专利申请案公开案；授予格兰尼等人的第2014/0118090号及第2014/0354109号美国专利公开案；授予左等人的第2014/0292150号及第2014/0175950号美国专利申请案公开案；授予冯等人的第2015/0244347号美国专利申请案公开案；授予叶(Yeh)等人的第2015/0311046号美国专利申请案公开案；及授予比(Bi)等人的第2015/0207489号美国专利申请案公开案。以上列出的专利及专利申请案公开案中的每一者的全部揭示内容特此以引用的方式并入本文中。要强调的是，这些专利及专利申请案中描述的组件、材料及制造方法是代表性的，并且还考虑了所属领域的一般技术人员的视界内的其它制造方法及材料。
图1A是说明根据代表性实施例的BAW谐振器的顶部透视图。
参考图1A，BAW谐振器110包含具有变迹的五边形结构(即非对称五边形)的声堆叠，以在频率范围上分布寄生波模密度，并且避免在任何一个频率下的寄生波模中的任一者的强激励。一般来说，声谐振器形状不限于五个面。举例来说，在不脱离本教示的范围的情况下，常见的替代设计包含四边形、六边形及其它形状。BAW谐振器110包括顶部(第二)电极140、连接侧101及互连件102。连接侧101经配置以提供到互连件102的电连接。互连件102向顶部电极140提供电信号以在BAW谐振器110的压电层(图1A中未展示)中激发所需的声波。
图1B是说明根据代表性实施例的声谐振器装置的简化示意图，所述声谐振器装置包含声谐振器及用于移位声谐振器的谐振频率的DC偏置电压源。图1B包含沿图1A中的线A-A’截取的BAW谐振器110的横截面图。
参考图1B，BAW谐振器装置100包括BAW谐振器110、第一偏置电阻器151、第二偏置电阻器152、第一DC电压源161及第二DC电压源162。在所描绘的说明性实施例中，BAW谐振器110是FBAR，其包含衬底105及在衬底105中的空气腔108(例如，“游泳池”)上方形成于衬底105上的声堆叠115。衬底105可由与半导体工艺相兼容的各种类型的半导体材料形成，例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或类似物，其可用于集成连接件及电子器件，消散从谐振器产生的热量，大体上降低BAW谐振器110的尺寸及成本，以及还增强性能。
空气腔108是由衬底105界定的声反射器并且位于声堆叠115下方，以允许声堆叠115在操作期间的自由振动。空气腔108通常在形成声堆叠115之前通过蚀刻衬底105并在其中沉积牺牲材料来形成，借此用牺牲材料填充空腔108。在形成声堆叠115之后，牺牲材料最终被去除，例如通过湿式或干式释放工艺。授予格兰尼等人的第7,345,410号美国专利(2008年3月18日)描述了衬底中的空气腔的各种说明性制造技术，所述美国专利的全部内容特此通过引用的方式并入本文中。作为空气腔108的替代方案，BAW谐振器110可包含例如分布式布拉格反射器(DBR)的声反射镜，例如(在这种情况下，BAW谐振器110将为SMR)，其具有分别具有不同声阻抗的声阻抗层。可根据各种技术制造声反射镜，其实例在授予拉尔森三世等人的第7,358,831号美国专利中进行描述，所述专利特此以引用的方式并入本文中。
声堆叠115包含安置在衬底105及空气腔108上方的底部(第一或下)电极120，安置在底部电极120上方的压电层130，及安置在压电层130上方的顶部(第二或上)电极140。举例来说，底部电极120及顶部电极140中的每一者可由导电材料(例如，金属)形成，例如钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、铂(Pt)、钌(Ru)、铌(Nb)或铪(Hf)。举例来说，底部电极120及顶部电极140的厚度可在约到约的范围内。压电层130可由与半导体工艺兼容的薄膜压电材料(例如，氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)或类似物)形成。压电层130的厚度例如可在约到约的范围内。当然，底部电极120及顶部电极140以及压电层130的厚度可变化，以为任何特定情况提供独特的益处，或者满足各种实施方案的应用特定设计要求，如对于所属领域一般技术人员来说显而易见。
在实施例中，压电层130可形成在安置在底部电极120的顶部表面上方的晶种层(未展示)上。举例来说，晶种层可由Al形成以促进AIN压电层130的生长。举例来说，晶种层可具有在约到约范围内的厚度。BAW谐振器110可进一步包含形成在顶部电极140上方的钝化层(未展示)。钝化层可由各种类型的材料形成，所述材料包含AIN、碳化硅(SiC)、不可蚀刻的掺杂硼的硅玻璃(NEBSG)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、多晶硅或类似物。钝化层的厚度通常应足以保护声堆叠115的层免受湿气及/或与可能通过包装中泄漏进入的物质的化学反应的影响。
顶部电极140通过第一电阻器151电连接到第一DC电压源161，且底部电极120通过第二电阻器152与第二DC电压源162电连接。第一DC电压源161提供具有比由第二DC电压源162提供的第二DC偏置电压更高的绝对值(正或负)的量值的第一DC偏置电压。举例来说，第一DC电压源161可在被激活时提供约±90伏特的第一DC偏置电压，而第二DC电压源162可提供约0伏特的第二DC偏置电压(在大多数应用中，其实际上是接地电压，尽管其可为共用电压)。如对于所属领域的一般技术人员显而易见的是，由所述DC电压源提供的DC偏置电压的值可不同以针对任何特定情形提供独特益处，或满足各种实施方案的应用特定设计要求。举例来说，当第一DC电压源161被激活时，第一DC偏置电压可为约±70伏特。举例来说，第一DC电压源161可被实施为以高压CMOS工艺实施的电荷泵电路。
在替代实施例中，第二DC电压源162可提供拥有具有绝对值大于0伏特但小于第一DC偏置电压的量值的绝对值的量值的DC偏置电压。此处相关的是跨越压电层130的DC电压。当底部电极120(或顶部电极140)经DC连接到接地时，跨越压电层的适当DC电压被最有效地实现。尽管如上所述，只要底部电极120与顶部电极140之间的DC电压差是正确的，底部电极就可连接到由第二DC电压源162供应的任何其它电压。举例来说，取决于这些替代实施例的所要量值，第二DC电压源162同样可实施为电荷泵。
第一及第二电阻器151及152中的每一者具有高电阻值，例如大于或等于大约100kΩ。一般来说，电阻值必须足够高，使得第一及/或第二DC电压源161及/或162的激活不改变BAW谐振器110的性能。这意味着没有或很少的电流通过第一及第二电阻器151及152。实际上，需要极少的电流消耗，因为BAW谐振器110的电阻在DC处很高。
举例来说，可使用由例如多晶硅的高电阻材料形成的电阻层来实施第一电阻器151及第二电阻器152。在替代实施例中，第一电阻器151及第二电阻器152可由同一电阻层或由对应单独的电阻层提供，而不脱离本教示的范围。此外，第一电阻器151及第二电阻器152可具有不同的电阻值，而不脱离本教示的范围。当第二DC电压源162实际上是接地电压时，不需要第二电阻器152(即，第二电阻器152的电阻实际上为零，且第二DC电压源直接连接到接地)，类似于图1C中所展示的配置。
图1C是说明根据代表性实施例的包含声谐振器及用于移位声谐振器的谐振频率的DC偏置电压源的声谐振器装置的示意图，其中BAW谐振器装置100’的底部电极120是简单地电连接到接地。也就是说，BAW谐振器装置100’包含BAW谐振器110、第一DC电压源161及第一电阻器151，但不包含第二DC电压源162或第二电阻器152。如在提供0伏特的图1B中的第二DC电压源162的情况下，BAW谐振器装置100’中的频率移位仅基于第一DC电压源161的操作。
举例来说，假设第二DC电压源162提供0伏特或者底部电极120简单地连接到接地，为便于说明，可激活第一DC电压源161以提供第一DC偏置电压，以便使BAW谐振器110的谐振频率移位高达±3MHz。BAW谐振器110具有确定谐振频率响应于所施加的非零第一DC偏置电压而移位的量的频率的电压系数。举例来说，第一DC电压源161可具有三个设置：+90伏特DC、-90伏特DC或0(断开或断开连接)。第一DC电压源161被激活以提供+90VDC偏置电压，以便在一个方向上移位BAW谐振器110的谐振频率(更高或更低，这取决于(例如)BAW谐振器110的配置及第一DC电压源161)，并且被激活以提供-90VDC偏置电压，以便使BAW谐振器110的谐振频率在相反方向移位(更低或更高)。当谐振频率满意时(在插入损耗最好并且群延迟变化最小的频带的中间)，第一DC电压源161被关闭(或例如使用开关使其从顶部电极140断开连接)，且因此不需要DC偏置电压。
如上文所提及，例如说明性BAW谐振器110的声谐振器可经布置以形成例如RF声带通滤波器的信号滤波器。如上文所论述，声带通滤波器可包含在例如蜂窝电话的移动装置中，其被分配在预定频带(例如，LTE带25或LTE带41)中的多个信道中的信道。取决于所分配信道关于频带的位置，可移位声带通滤波器中的声谐振器的谐振频率以及声带通滤波器的通带的频率，以便最小化在特定分配信道中操作的声带通滤波器的插入损耗。
图2是说明根据代表性实施例的声滤波器装置的简化电路图，所述声滤波器装置包含声谐振器及用于移位声谐振器的谐振频率及声滤波器装置的通带的DC偏置电压源。
参考图2，BAW滤波器装置200包含带通滤波器，其包括梯式结构中的串联及并联连接的声谐振器。特定来说，BAW滤波器装置200包含串联FBAR 211、212、213、214、215及216，其串联连接在端子205与285之间(其中端子285是连接到代表性天线280的天线端子，出于说明目的)。BAW滤波器装置200进一步包含并联FBAR 221、222、223、224、225及226，其连接在相邻的串联FBAR与接地之间或零伏特DC。串联FBAR211到216及并联FBAR 221到226中的每一者具有顶部电极(T)及底部电极(B)，例如上文参照图1B及1C论述的顶部电极140及底部电极120。为简单起见，图2中未展示在声带通滤波器中常见的其它电子组件，例如串联及并联电感器、电容器及/或电阻器以及匹配网络。
BAW滤波器装置200经布置使得串联FBAR 211到216及并联FBAR 221到226的顶部电极连接到邻近顶部电极，且串联FBAR 211到216的底部电极及并联FBAR 221到226连接到其它串联FBAR 211到216及并联FBAR 221到226的邻近底部电极。顶部电极中的每一者通过高电阻连接到第一DC电压源261(例如，±90伏特DC)，且底部电极中的每一者通过高电阻连接到第二DC电压源262(例如，0伏特DC)，或者直接连接到接地(例如，零或可忽略的电阻)。
因此，特定来说，串联FBAR 211、212及并联FBAR 221中的每一者具有通过电阻器251连接到第一DC电压源261的顶部电极；串联FBAR 213、214及并联FBAR 224中的每一者具有通过电阻器252连接到第一DC电压源261的顶部电极；且串联FBAR215及216中的每一者具有通过电阻器253连接到第一DC电压源261的顶部电极。串联FBAR 211具有通过电阻器254连接到第二DC电压源262的底部电极；串联FBAR 212、213及并联电极222中的每一者具有通过电阻器255连接到第二DC电压源262的底部电极；串联FBAR 214、215及并联电极225中的每一者具有通过电阻器256连接到第二DC电压源262的底部电极；且串联FBAR 215具有通过电阻器257连接到第二DC电压源262的底部电极。此外，并联FBAR 222及223中的每一者具有通过电阻器258连接到第一DC电压源261的顶部电极；且并联FBAR 225及226中的每一者具有通过电阻器259连接到第一DC电压源261的顶部电极。并联FBAR 221、223、224及226中的每一者具有连接到接地的底部电极。
在实施例中，串联FBAR 211到216及并联FBAR 221到226可形成在电介质层(未展示)上，以防止半导体衬底(例如，图1A及1B中的衬底105)变为导电的。即使在底部电极接地时，当FBARS的顶部电极处于高电压时，半导体衬底中的电场仍然为高。这可能导致半导体衬底变成非线性导体，这对于对应FBAR的IMD及质量因子是不利的。举例来说，电介质层可由厚度为约3μm到约6μm的二氧化硅(SiO2)形成。此外，在实施例中，第二DC电压源262提供0伏特，或是接地电压。在这种情况下，底部电极可直接连接到接地，且因此将不需要电阻器254、255、256或257，如上文参照图1C所论述。
出于说明的目的，电阻器251到257中的每一者具有相同的高电阻(例如，大约100kΩ)。当然，如对于所属领域的技术人员将显而易见的是，电阻值可变化以针对任何特定情况提供独特的益处或满足各种实施方案的应用特定设计要求。值得注意的是，电阻器251到257可具有相同的电阻值，这是因为电阻器251到257可由共用电阻层实施，如下文参照图3所论述。然而，在不脱离本教示的范围的情况下，电阻器251到257的电阻值可彼此不同。举例来说，可使用一个共用电阻层来实施都连接在FBAR顶部电极与第一DC电压源261之间的电阻器251、252、253、258及259，而可使用另一个共用电阻层(具有相同或不同的电阻值)来实施都连接在FBAR底部电极与第二DC电压源262之间的电阻器254、255、256及257。此外，电阻器251、252、253、258及259中的每一者具有足够大的电阻值，以在RF处隔离对应串联BAW谐振器211到216及并联BAW谐振器221到226中的每一者，并且具有足够小的电阻值以使对应串联BAW谐振器211到216及并联BAW谐振器221到226中的每一者的顶部电极在第一DC电压源261被激活时达到非零DC偏置电压。在下文的论述中，为便于说明，假设第二DC电压源262提供0伏特或是接地电压，且因此电阻器254、255、256或257具有可忽略的值。
一般来说，BAW滤波器装置200可响应于分配给BAW滤波器装置200的信道在预定频带内的位置而进行调谐。在所描绘的实施例中，BAW滤波器装置200进一步包含检测器270，其确定所分配信道的位置何时接近频带的上隅角或下隅角。出于本发明的目的，当信道包含频带的上或下约百分之十的频谱时，信道“接近”频带的上隅角或下隅角。这些信道从频率调谐中受益最大。剩余信道(其在频带的上或下约百分之十不包含频谱)通常不需要调谐，这是因为其定位在频带的中间部分。在某些情况下，所揭示的频率调谐受益于较小的频率范围。举例来说，在实施例中，当信道包含频带的上或下约百分之五的频谱时，信道“接近”频带的上隅角或下隅角。当然，如对于所属领域的技术人员将显而易见的是，百分比范围可变化以针对向任何特定情况提供独特的益处或满足各种实施方案的应用特定设计要求。
在不脱离本教示的范围的情况下，检测器270可以数种方式检测所分配信道的位置。举例来说，当服务含有BAW滤波器装置200的移动装置的基站分配信道时，其可在到移动装置的信号中包含一个旗标，其指示所分配信道在频带的上百分之十或下百分之十中具有其频谱的至少一部分。换句话说，检测器270接收所述旗标，其指示所分配信道接近频带的上或下隅角，并控制(例如，激活或触发)第一DC电压源261以产生±90伏特DC。替代地，检测器可激活将第一DC电压源261(其产生+90VDC或-90VDC)连接到BAW滤波器装置200的顶部电极的开关(未展示)。
举例来说，当旗标指示所分配信道接近频带的下隅角时，检测器270激活第一DC电压源261以产生+90VDC偏置电压。这使串联FBAR 211到216及并联FBAR 221到226的谐振频率及因此声谐振器的通带移位到较高频率(朝向频带的中心)。当旗标指示所分配信道接近频带的上隅角时，检测器270激活第一DC电压源261以产生-90VDC偏置电压。这使串联FBAR211到216及并联FBAR 221到226的谐振频率及因此声谐振器的通带移位到较低频率。将这些频率朝向频带的中心移位改进(即，减小)BAW滤波器装置200的插入损耗。当检测器270未接收旗标时，第一DC电压源不被激活，且因此保持在0VDC。
在上文所描述的实施例中，检测器270可被实施为简单的处理单元、锁存器或开关，这是因为由基站发送的旗标提供确定是否激活第一DC电压源261且如果激活第一DC电压源261那么第一直流电压源261是应产生正的DC偏置电压还是负的DC偏置电压所必需的信息。在替代实施例中，检测器270(例如与服务基站相对)可经配置以识别信道的位置，以确定信道是否包含频带的上或下百分之十的频谱，及/或是否控制第一直流电压源261以施加正或负的DC偏置电压(或使其关闭或处在0伏特)。举例来说，为执行这些更复杂的动作中的一或多者，检测器270可被实施为处理单元，用于调谐BAW谐振器滤波器的专用处理单元，或控制移动装置的整体功能的处理单元。
可由计算机处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)使用软件、固件、硬接线逻辑电路或其组合来实施处理单元。特定来说，计算机处理器可由硬件、固件或软件架构的任何组合来构造，并且可包含用于存储允许其执行各种功能的可执行软件及/或固件可执行代码的其自身的存储器(例如，非易失性存储器)。在实施例中，计算机处理器可包括例如执行操作系统的中央处理单元(CPU)。存储器(未展示)可通过例如任何数目、类型及组合的随机存取存储器(RAM)及只读存储器(ROM)来实施，并且可存储各种类型的信息，例如可由计算机处理器(及/或其它组件)执行的计算机程序及软件算法，其包含针对各种信道的用于第一DC电压源的激活准则。各种类型的ROM及RAM可包含任何数目、类型及组合的计算机可读存储媒体，例如磁盘驱动器、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除及可编程只读存储器(EEPROM)、CD、DVD、通用串行总线(USB)驱动器及类似者，其为非暂时性的(例如，与暂时传播信号相比较)。
图3是说明根据代表性实施例的声滤波器装置的顶部部分透明平面图，所述声滤波器装置包含声谐振器及用于移位声谐振器的谐振频率及移位声滤波器装置的通带的DC偏置电压源。
参考图3，BAW滤波器装置300类似于参照图2论述的BAW滤波器装置200，其中其包含包括梯式结构中的串联及并联连接的声谐振器的带通滤波器。然而，BAW滤波器装置300以布局形式展示为重叠层，其中顶部金属层由影线指示，且底部金属层由阴影指示。虽然未明确展示，但如上文参考图1B及1C中的压电层130所论述，由压电材料形成的压电层形成于顶部金属层与底部金属层之间。在顶部金属层的一部分、压电层的一部分及底部金属层的一部分重叠的区域中形成FBAR。在不脱离本教示的范围的情况下，压电层可跨越大体上整个BAW滤波器装置300为连续的，或者可在需要时选择性地沉积在底部金属层上以在顶部金属层与底部金属层之间形成对应FBAR。
更特定来说，BAW滤波器装置300包含顶部金属层341、342、343、344、345及346以及底部金属层321、322、323、324及325。如上文所论述，顶部金属层341到346及底部金属层321到325中的每一者由具有高导电性的金属形成，例如钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)、铂(Pt)、钌(Ru)、铌(Nb)或铪(Hf)。在图3中所展示的实例中，顶部金属层341与底部金属层321重叠以形成FBAR 431。顶部金属层342与底部金属层321、325及326重叠以分别形成FBAR 432、433及434。顶部金属层343与底部金属层321、322及324重叠以分别形成FBAR 435、436及437。此外，顶部金属层344与底部金属层323重叠以形成FBAR 438，顶部金属层345与底部金属层324重叠以形成FBAR 439，且顶部金属层346与底部金属层324重叠以形成FBAR 440。
顶部金属层341、342、343、344、345及346中的每一者通过高电阻层(图3中未展示)连接到第一DC电压源(图3中未展示)，例如第一DC电压源161、261。在所描绘的实施例中，顶部金属层341到346中的每一者可为多个FBAR(例如多达三个FBAR)的顶部电极。举例来说，顶部金属层342为每一FBAR 432、433及434提供顶部电极，且顶部金属层343为每一FBAR435、436及437提供顶部电极。即使是这种情况，顶部金属层341、342、343、344、345及346中的每一者也需要通过高电阻层仅连接到第一DC电压一次。通过BAW滤波器装置300的信号路径在FBAR 431到440的顶部电极与底部电极之间交替上升及下降，以经由对应信号垫从输入301到达输出302，所述信号垫在所描绘的实例中分别由底部金属层326及323形成。
尽管图3中未明确展示高电阻层，但应理解，高电阻层至少施加在顶部金属层341、342、343、344、345及346的顶部表面上方。因此，在不脱离本教示的范围的情况下，高电阻层可跨越大体上整个BAW滤波器装置300为连续的，或者可在需要时选择性地沉积在底部金属层上以形成对应FBAR。当存在将每一个顶部电极(即，顶部金属层的每一个区段)连接到高压DC电压源161、261的单个高电阻层时，同一处理层可用于所有电阻器。然而，电阻必须足够高，使得顶部金属层的不同区段在RF频率下不具有显著的耦合。在底部电极不直接连接到接地的程度上，经由高电阻层将每一个底部电极连接到第二DC电压源162、262也是如此。
高电阻层提供足够高的电阻值，以大体上防止电流流过高电阻层(例如，大约100kΩ或更高)。举例来说，高电阻层为图1B到1C中的至少第一电阻器151提供电阻，并为图2中的电阻器251、252、253、258及259提供电阻。在包含连接到底部金属层中的一或多者的第二DC电压源162、262的实施例中，高电阻层还可为图1B及1C中的第二电阻器152提供电阻，并为图2中的电阻器254、255、256及257提供电阻，所述电阻器连接在第二DC电压源162、262与相应FBAR的底部电极之间。替代地，在不脱离本教示的情况下，图1B及1C中的第二电阻器152的电阻及图2中的电阻器254、255的电阻可由一或多个其它电阻层(图3中未展示)(具有相同或不同的电阻值)来提供。当图3中的FBAR 431到440的底部金属层321到325(且因此底部电极)直接连接到接地时，不需要在底部金属层321到325与接地之间提供高电阻层，如上文所论述，特别参照图1C。
图4是说明根据代表性实施例的改进声带通滤波器装置的插入损耗的方法的流程图，所述声带通滤波器装置包括在预定频带的所分配信道中操作的多个声谐振器。根据所述方法，当所分配信道接近预定频带的上隅角或下隅角时，使声带通滤波器装置中的声谐振器的谐振频率及声带通滤波器装置的通带移位。
参见图4，所述方法包含在框S411处接收信道分配。信道分配识别在预定频带(例如，用于说明目的的LTE带25)内的由声带通滤波器设计所位于的移动装置使用的特定信道。举例来说，LTE带25的接收频带为1930MHz到1995MHz，其带宽为65MHz。取决于网络使用及所需的数据速率，LTE带25可包含具有1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz或20MHz带宽的信道，其分别在接收频带中转变为46个信道、21个信道、13个信道、6个信道、4个信道或3个信道。在框S411中，分配给移动装置及/或声带通滤波器装置正是这些信道(来自可能的信道集合)中的一者。
在框S412中，确定所分配信道在预定频带内的位置是否接近预定频带的上隅角或下隅角。如上文所论述，当所述信道包含大约在频带的上或下百分之十内的频谱时，所分配信道可被认为接近预定频带的上隅角或下隅角。举例来说，如上文所提及，LTE带25的接收频带为1930MHz到1995MHz，其带宽为65MHz。由于10％的带宽为6.5MHz，所以LTE带25的接收频带中的信道在其包含从1988.5MHz到1995MHz范围内的频谱时被认为接近上隅角，并在其包含从1930MHz到1936.5MHz范围内的频谱时被认为接近下隅角。此确定可由声带通滤波器装置远程地进行，例如由服务声带通滤波器装置所位于的移动装置的基站进行，或者本地地进行，例如由移动装置的处理单元或与声带通滤波器装置相关联的处理单元进行，如上文所论述。
当确定所分配信道的位置不接近预定频带的上隅角或下隅角(S412：否)时，在框S413中不将DC偏置电压施加到声谐振器。也就是说，经配置以向声带通滤波器装置中的声谐振器提供DC偏置电压的DC电压源被解除激活(或者，如果已经关闭，那么使其保持被解除激活)。替代地，断开选择性地将DC电压源连接到声谐振器的开关。
当确定所分配信道的位置接近预定频带的上隅角或下隅角(S412：是)时，在框S414中，分别通过具有高电阻的电阻器将非零DC偏置电压施加到声谐振器的电极，其中高电阻大体上防止电流流过电阻器。也就是说，激活DC电压源，或者闭合选择性地将DC电压源连接到声谐振器的开关。此步骤可被称为检测所分配信道的位置接近预定频带的上或下隅角。非零DC偏置电压的施加将声谐振器的谐振频率朝向预定频带的中心移位，这借此使声带通滤波器的通带移位，使得通带的最小插入损耗部分移位到使用中的信道的中心频率，借此改进声带通滤波器的插入损耗。在框S415处，取决于框S412中的确定，在具有或不具有DC偏置电压的情况下，声带通滤波器对接收的及/或发射的信号进行滤波。
仅通过说明及实例的方式且不以任何限制意义包含各种组件、材料、结构及参数。鉴于本发明，所属领域的技术人员可在确定其本身的应用及实施这些应用的所需组件、材料、结构及装备时实施本教示，同时保持在所附权利要求书的范围内。

Claims (23)

1.一种可调谐体声波BAW滤波器装置，其在具有多个信道的预定频带的分配信道中操作，所述BAW滤波器装置包括：
第一电压源，其基于所述所分配信道在所述预定频带内的位置而选择性地提供非零直流DC偏置电压；及
多个BAW谐振器，其经配置以提供所述BAW滤波器装置的通带，每一BAW谐振器具有对应谐振频率且包括：
底部电极，其安置在衬底及声反射器上方；
压电层，其安置在所述底部电极上方并具有对应谐振频率；及
顶部电极，其安置在所述压电层上方，所述顶部电极经由第一电阻器电连接到所述第一电压源，
其中当所述所分配信道的位置接近所述预定频带的上隅角或下隅角时，所述第一电压源经控制以将所述非零DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的所述顶部电极，接近所述上隅角对应于所述预定频带的高频边缘，且所述下隅角对应于所述预定频带的低频边缘，且
其中每一BAW谐振器的所述谐振频率响应于所述非零DC偏置电压而朝向所述预定频带的中心移位，从而改进所述BAW谐振器装置的插入损耗。
2.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中每一BAW谐振器具有确定响应于所述所施加的非零DC偏置电压而使所述谐振频率移位的量的频率的电压系数。
3.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中由所述第一电压源施加的所述非零DC偏置电压为正或负，这取决于待移位的所述谐振频率的方向。
4.根据权利要求3所述的BAW滤波器装置，其中在所述第一电压源未经控制以施加所述非零DC偏置电压时，将零DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的所述顶部电极。
5.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其进一步包括：
检测器，其经配置以确定所述所分配信道的所述位置何时接近所述预定频带的所述上隅角或所述下隅角，并致使所述第一电压源激活以施加所述非零DC偏置电压，或致使开关闭合，从而将所述第一电压源连接到每一BAW谐振器的所述顶部电极以施加所述非零DC偏置电压。
6.根据权利要求5所述的BAW滤波器装置，其中所述检测器基于从服务于所述BAW滤波器装置在其中定位的移动装置的基站接收的信号中的旗标来确定所述所分配信道的所述位置何时接近所述预定频带的所述上隅角或所述下隅角。
7.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中在所述所分配信道包含大约在所述预定频带的上或下百分之十中的频谱时，所述所分配信道的所述位置接近所述预定频率的所述上隅角或所述下隅角。
8.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中在所述所分配信道包含大约在所述预定频带的上或下百分之五中的频谱时，所述所分配信道的所述位置接近所述预定频率的所述上隅角或所述下隅角。
9.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其进一步包括：
第二电压源，其向每一BAW谐振器的所述底部电极提供零DC偏置电压，其中所述零DC偏置电压包括电接地或共用电压。
10.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中所述第一电阻器具有足够高的电阻值，使得所述第一电压源在所述对应谐振频率下对所述多个BAW谐振器不具有负载效应。
11.根据权利要求3所述的BAW滤波器装置，其中所述正及负非零DC偏置电压为约+90伏特DC及约-90伏特DC。
12.根据权利要求3所述的BAW滤波器装置，其中所述正及负非零DC偏置电压为约+70伏特DC及约-70伏特DC。
13.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中所述第一电阻器具有足够高的电阻值以在射频RF下隔离所述对应BAW谐振器中的每一者，并具有足够小的电阻值以使所述对应BAW谐振器中的每一者的所述顶部电极能够在所述第一电压源被激活时达到所述非零DC偏置电压。
14.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中所述多个BAW谐振器中的每一者的所述顶部电极由顶部金属层提供，且对应于所述多个BAW谐振器中的每一者的所述第一电阻器由形成于所述顶部金属层与所述第一电压源之间的第一高电阻层提供。
15.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中所述第一电压源包括电荷泵电路。
16.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中所述多个BAW谐振器包括多个薄膜体声谐振器FBAR。
17.根据权利要求1所述的BAW滤波器装置，其中所述多个BAW谐振器包括多个固态安装的体谐振器SMR。
18.一种在具有多个信道的预定频带的所分配信道中操作的移动通信装置，所述移动通信装置包括：
(i)带通滤波器，其包含具有对应多个谐振频率的多个BAW谐振器，所述带通滤波器包括：
衬底及对应于所述多个BAW谐振器的多个声反射器；
第一金属层，其形成于所述衬底上方，所述第一金属层为所述多个BAW谐振器中的每一者提供底部电极；
压电层，其形成于所述第一金属层上方；
第二金属层，其形成于所述压电层上方，所述第二金属层为所述多个BAW谐振器中的每一者提供顶部电极；及
(ii)高阻抗电压偏置网络，其包括：
电压源，其用于将直流DC偏置电压提供到所述第二金属层；
高电阻层，其形成于所述第一金属层与所述电压源之间，且经配置以提供所述多个BAW谐振器中的每一者与所述电压源之间的电阻，
其中在所述所分配信道在所述预定频带内的位置接近所述预定频带的上隅角或下隅角时，所述电压源被激活，借此将所述DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的所述顶部电极，这致使每一BAW谐振器的所述谐振频率朝向所述预定频带的中心移位，从而改进所述BAW谐振器装置的插入损耗，其中所述上隅角对应于所述预定频带的高频边缘，且所述下隅角对应于所述预定频带的低频边缘。
19.根据权利要求18所述的移动通信装置，其中所述高阻抗电压偏置网络在所述对应多个谐振频率下对所述带通滤波器的所述多个BAW谐振器不具有负载效应。
20.一种改进声带通滤波器的插入损耗的方法，所述声带通滤波器包括在预定频带中的多个信道的分配信道中操作的多个体声波BAW声谐振器，所述方法包括：
检测所述所分配信道的位置何时接近所述预定频带的所述上隅角或所述下隅角；以及
在所述所分配信道的所述位置被检测为接近所述预定频带的所述上隅角或所述下隅角时激活直流DC电压源，所述所激活的电压源经由具有高电阻的电阻器将非零DC偏置电压施加到每一BAW谐振器的电极，所述高电阻值大体上防止在所述滤波器通带通过所述电阻器的RF频率下的电流流动，
其中所述非零DC偏置电压的施加将每个BAW谐振器的谐振频率朝向所述预定频带的中心移位，借此改进所述声带通滤波器的所述插入损耗。
21.根据权利要求20所述的方法，其中移位每一BAW谐振器的所述谐振频率致使所述滤波器通带朝向所发射信号的中心的移位，使得所述通带的最小插入损耗部分移位到所述所分配信道的中心频率。
22.根据权利要求20所述的方法，其中在所述所分配信道包含大约在所述预定频带的上或下百分之十中的频谱时，所述所分配信道的所述位置经检测为接近所述预定频率的所述上隅角或所述下隅角。
23.根据权利要求20所述的方法，其中在所述所分配信道包含大约在所述预定频带的上或下百分之五中的频谱时，所述所分配信道的所述位置经检测为接近所述预定频率的所述上隅角或所述下隅角。
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