CN110277977A - 一种双面集成的单片体声波双工器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双面集成的单片体声波双工器，包括相互连接的发射带通滤波器、接收带通滤波器和阻抗匹配电路；其中：该单片体声波双工器中间设置有一个衬底，衬底上下两面均刻蚀有凹槽状的空腔；发射带通滤波器和接收带通滤波器分别沉积在衬底的上下两面。本发明专利提出的结构工艺可以将发射带通滤波器和接收滤波器集成在同一衬底的上下两个面上，从而将体声波双工器集成在同一片衬底上，因此可以有效地减小双工器的面积和体积，从而减少双工器制作的成本。
Description
技术领域
本发明涉及双工器技术领域，尤其涉及一种双面集成的单片体声波双工器。
背景技术
近年来，随着移动通信系统的发展，移动电话手持机和移动信息终端得以迅速普及，并且针对具有更高性能的更小终端，制造商之间仍然在相互竞争。作为移动通讯装置组件之一的双工器受到越来越多的关注与研究。双工器是一种集成滤波器的代表性部件。
双工器是一个双向三端网络，其中一个端口接天线，一个端口接发射电路，一个端口接接收电路。双工器的作用是既要将微弱的接收信号耦合进来，又要将较大的发射功率馈送到天线上去，且要求两者各自完成其功能而不相互影响。因此，双工器的基本要求是：低插入损耗，高收发隔离度。
双工器包含两个中心频率不同的带通滤波器，带通滤波器是指能通过某一频段的频率分量，但将其他频段的频率分量衰减到极低的水平的滤波器。在双工器中，发射通道滤波器(TX)具有较低的中心频率，其接收通道滤波器(RX)的中心频率较高。RX滤波器从天线接收信号，并且对特定频带的信号进行滤波。TX滤波器仅对在通信装置中产生的信号中的特定频带的信号进行滤波，并将滤波后的信号提供给天线。双工器利用发射信号与接收信号的频率不同对两种信号进行滤波，从而实现发射信号与接收信号的分离。双工器除了发射通道滤波器和接收通道滤波器之外，还包含用于阻抗匹配的匹配电路网络。匹配网络通常与天线相接，可以是连接在RX滤波器与天线端之间，其作用是进行阻抗的匹配。
在传统的双工器中，一般利用电介质滤波器或者具有至少一种电介质的表面声波滤波器的复合双工器，或者仅利用表面声波设备来形成高性能终端的各天线双工器。但是传统的双工器虽然其能达到较高的隔离度，但其面积和体积一般较大，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中双工器的面积和体积大的缺陷，提供一种双面集成的单片体声波双工器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种双面集成的单片体声波双工器，包括相互连接的发射带通滤波器、接收带通滤波器和阻抗匹配电路；其中：
该单片体声波双工器中间设置有一个衬底，衬底上下两面均刻蚀有凹槽状的空腔；发射带通滤波器和接收带通滤波器均包括多层电路元件，各层的电路元件依次进行沉积，使得发射带通滤波器和接收带通滤波器分别沉积在衬底的上下两面。
进一步地，本发明的衬底上下两面的凸起位置沉积有支撑层，空腔中沉积有牺牲层；发射带通滤波器包括发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极、发射带通滤波器负载层和发射带通滤波器释放孔；
发射带通滤波器底电极沉积在支撑层和牺牲层的上方，且分别在两侧分为两个不接触的部分；两部分的发射带通滤波器底电极上均沉积有发射带通滤波器压电薄膜和发射带通滤波器顶电极，其中一部分的发射带通滤波器底电极上的发射带通滤波器顶电极上还沉积有发射带通滤波器负载层；发射带通滤波器释放孔设置在垂直方向上，且穿过发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极、发射带通滤波器负载层。
进一步地，本发明的发射带通滤波器一端连接发射端，另一端连接天线端和阻抗匹配电路；发射带通滤波器包括多个串联的FBAR和多个并联的FBAR；其中：串联的FBAR包括：衬底、空腔及衬底上表面一侧的发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极；并联的FBAR包括：衬底、空腔及另衬底上表面一侧的发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极、发射带通滤波器负载层。
进一步地，本发明的接收带通滤波器包括接收带通滤波器底电极、接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极、接收带通滤波器负载层和接收带通滤波器释放孔；
在设置接收带通滤波器的一个面上，支撑层和牺牲层上沉积有接收带通滤波器底电极，接收带通滤波器底电极为一个整体；接收带通滤波器底电极两侧不接触的位置均分别沉积有接收带通滤波器压电薄膜和接收带通滤波器顶电极，其中一侧的接收带通滤波器顶电极上还沉积有接收带通滤波器负载层；接收带通滤波器释放孔设置在垂直方向上，且穿过接收带通滤波器底电极、接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极、接收带通滤波器负载层。
进一步地，本发明的接收带通滤波器一端连接接收端，另一端连接阻抗匹配电路；接收带通滤波器包括多个串联的FBAR和多个并联的FBAR；其中：串联的FBAR包括：衬底、空腔、接收带通滤波器底电极及衬底下表面一侧的接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极；并联的FBAR包括：衬底、空腔、接收带通滤波器底电极及衬底下表面另一侧的接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极、接收带通滤波器负载层。
进一步地，本发明的发射带通滤波器中的衬底、空腔、发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极的厚度均相等。
进一步地，本发明的接收带通滤波器中的衬底、空腔、接收带通滤波器底电极、接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极、接收带通滤波器负载层的厚度均相等。
进一步地，本发明的衬底为硅材料，发射带通滤波器、接收带通滤波器同时在同一块硅衬底的上下两个面上分别制作完成。
本发明提供一种双面集成的单片体声波双工器的制作方法，该方法包括以下步骤：
a、同时在衬底的上下两个面上分别沉积支撑层；
b、在两个支撑层上同一步刻蚀出预设的贯穿口；
c、在衬底的上下两个面上刻蚀出预设的凹槽，各凹槽的尺寸分别与贯穿口相对应，形成空腔；
d、在两支撑层上同时沉积牺牲层，该牺牲层材料的化学性质应与衬底不同，保证后续腐蚀时对衬底无影响；
e、利用化学机械抛光技术将多余的牺牲层材料除去，使得牺牲层材料刚好填满凹槽和贯穿口；
f、在同时在上下两个牺牲层上依次沉积底电极、压电薄膜和顶电极，形成压电震荡堆部结构；
g、在并联FBAR的顶电极上沉积一层质量负载层；
h、将衬底双面的底电极、压电层、顶电极同时进行不同的图形化；
i、分别在压电震荡堆部结构上刻蚀释放孔；
j、通过释放孔导入腐蚀剂，仅将牺牲层腐蚀掉，在衬底、支撑层和压电震荡堆部形成空腔。
本发明产生的有益效果是：本发明的双面集成的单片体声波双工器，通过将发射带通滤波器和接收滤波器分别集成在同一衬底的上下两个面上，容易地将体声波双工器集成在同一片衬底上，有效的减小了双工器的面积和体积，从而减少了双工器制作的成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为双面集成的单片体声波双工器的电路原理图。
图2为本发明专利中双面集成的体声波双工器截面图。
图3为单片衬底双面同时加工滤波器的制造示意图。
图4为本发明实施例中涉及的硅衬底的剖面图。
图5为本发明实施例中双面生长支撑层后的剖面图。
图6为本发明实施例中两支撑层上分别刻蚀贯穿口后的剖面图。
图7为本发明实施例中在硅衬底双面上分别刻蚀出凹槽后的剖面图。
图8为本发明实施例中沉积牺牲层后的剖面图。
图9为本发明实施例中利用CMP技术将牺牲层磨平抛光后的剖面图。
图10为本发明实施例中沉积底电极并按不同图案图形化后的剖面图。
图11为本发明实施例中沉积压电薄膜后的剖面图。
图12为本发明实施例中沉积顶电极并按不同图案图形化后的剖面图。
图13为本发明实施例中在并联FBAR顶电极上沉积质量负载层后的剖面图。
图14为本发明实施例中刻蚀释放孔后的剖面图。
其中，附图标记为：101-天线端，102-第一电容，103-第二电容，104-电感，105-第一串联FBAR，106-第一并联FBAR，107-第二串联FBAR，108-第二并联FBAR，109-第三串联FBAR，110-第三并联FBAR，111-第四串联FBAR，112-第四并联FBAR，113-发射端，114-第五串联FBAR，115-第五并联FBAR，116-第六并联FBAR，117-第六串联FBAR，118-第七并联FBAR，119-第七串联FBAR，120-第八并联FBAR，121-接收端，201-衬底，202-支撑层，203-第一空腔，204-第二空腔，205-第三空腔，206-第四空腔，A-牺牲层，207-发射带通滤波器底电极，208-接收带通滤波器底电极，209-发射带通滤波器压电薄膜，210-接收带通滤波器压电薄膜，211-发射带通滤波器顶电极，212-接收带通滤波器顶电极，213-发射带通滤波器质量负载层，214-接收带通滤波器质量负载层，215-发射带通滤波器释放孔，216-接收带通滤波器释放孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的双面集成的单片体声波双工器，包括相互连接的发射带通滤波器、接收带通滤波器和阻抗匹配电路；其中：
该单片体声波双工器中间设置有一个衬底，衬底上下两面均刻蚀有凹槽状的空腔；发射带通滤波器和接收带通滤波器均包括多层电路元件，各层的电路元件依次进行沉积，使得发射带通滤波器和接收带通滤波器分别沉积在衬底的上下两面。
衬底上下两面的凸起位置沉积有支撑层，空腔中沉积有牺牲层；发射带通滤波器包括发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极、发射带通滤波器负载层和发射带通滤波器释放孔；
发射带通滤波器底电极沉积在支撑层和牺牲层的上方，且分别在两侧分为两个不接触的部分；两部分的发射带通滤波器底电极上均沉积有发射带通滤波器压电薄膜和发射带通滤波器顶电极，其中一部分的发射带通滤波器底电极上的发射带通滤波器顶电极上还沉积有发射带通滤波器负载层；发射带通滤波器释放孔设置在垂直方向上，且穿过发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极、发射带通滤波器负载层。
发射带通滤波器一端连接发射端，另一端连接天线端和阻抗匹配电路；发射带通滤波器包括多个串联的FBAR和多个并联的FBAR；其中：串联的FBAR包括：衬底、空腔及衬底上表面一侧的发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极；并联的FBAR包括：衬底、空腔及衬底上表面另一侧的发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极、发射带通滤波器负载层。
接收带通滤波器包括接收带通滤波器底电极、接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极、接收带通滤波器负载层和接收带通滤波器释放孔；
在设置接收带通滤波器的一个面上，支撑层和牺牲层上沉积有接收带通滤波器底电极，接收带通滤波器底电极为一个整体；接收带通滤波器底电极两侧不接触的位置均分别沉积有接收带通滤波器压电薄膜和接收带通滤波器顶电极，其中一侧的接收带通滤波器顶电极上还沉积有接收带通滤波器负载层；接收带通滤波器释放孔设置在垂直方向上，且穿过接收带通滤波器底电极、接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极、接收带通滤波器负载层。
接收带通滤波器一端连接接收端，另一端连接阻抗匹配电路；接收带通滤波器包括多个串联的FBAR和多个并联的FBAR；其中：串联的FBAR包括：衬底、空腔、接收带通滤波器底电极及衬底下表面一侧的接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极；并联的FBAR包括：衬底、空腔、接收带通滤波器底电极及衬底下表面另一侧的接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极、接收带通滤波器负载层。
发射带通滤波器中的衬底、空腔、发射带通滤波器底电极、发射带通滤波器压电薄膜、发射带通滤波器顶电极的厚度均相等。
接收带通滤波器中的衬底、空腔、接收带通滤波器底电极、接收带通滤波器压电薄膜、接收带通滤波器顶电极、接收带通滤波器负载层的厚度均相等。
衬底为硅材料，发射带通滤波器、接收带通滤波器同时在同一块硅衬底的上下两个面上分别制作完成。
本发明实施例的双面集成的单片体声波双工器的制作方法，该方法包括以下步骤：
a、同时在衬底的上下两个面上分别沉积支撑层；
b、在两个支撑层上同一步刻蚀出预设的贯穿口；
c、在衬底的上下两个面上刻蚀出预设的凹槽，各凹槽的尺寸分别与贯穿口相对应，形成空腔；
d、在两支撑层上同时沉积牺牲层，该牺牲层材料的化学性质应与衬底不同，保证后续腐蚀时对衬底无影响；
e、利用化学机械抛光技术将多余的牺牲层材料除去，使得牺牲层材料刚好填满凹槽和贯穿口；
f、在同时在上下两个牺牲层上依次沉积底电极、压电薄膜和顶电极，形成压电震荡堆部结构；
g、在并联FBAR的顶电极上沉积一层质量负载层；
h、将衬底双面的底电极、压电层、顶电极同时进行不同的图形化；
i、分别在压电震荡堆部结构上刻蚀释放孔；
j、通过释放孔导入腐蚀剂，仅将牺牲层腐蚀掉，在衬底、支撑层和压电震荡堆部形成空腔。
在本发明的一个具体实施例中：
图1为本发明专利中双面集成单片体声波双工器的工作原理图，该体声波双工器包括：发射带通滤波器TX，接收带通滤波器RX，阻抗匹配电路，端口101为天线端口，端口113为发射端，端口121为接收端。
发射带通滤波器由四个串联FBAR和四个并联FBAR构成，串联的四个FBAR结构均相同，并联的四个FBAR结构均相同。接收带通滤波器由三个串联的FBAR和四个并联FBAR构成，串联的三个FBAR结构均相同，并联的四个FBAR结构均相同。
图2为本发明实施例中体声波双工器的截面示意图，包括：发射带通滤波器中的串联FBAR和并联FBAR、发射带通滤波器中的串联FBAR和并联FBAR。
本发明实施例中发射带通滤波器中所有串联的FBAR均包括硅衬底、支撑层、空腔、底电极、压电薄膜层、顶电极和释放孔。
本发明实施例中发射带通滤波器中所有并联的FBAR均包括硅衬底、支撑层、空腔、底电极、压电薄膜层、顶电极、质量负载层和释放孔。
本发明实施例中接收带通滤波器中所有串联的FBAR均包括硅衬底、支撑层、空腔、底电极、压电薄膜层、顶电极和释放孔。
本发明实施例中接收带通滤波器中所有并联的FBAR均包括硅衬底、支撑层、空腔、底电极、压电薄膜层、顶电极、质量负载层和释放孔。
根据滤波器的工作原理，并联的FBAR的谐振频率要低于串联FBAR的谐振频率，其中质量负载层就起到了调节FBAR谐振频率的作用。由于发射带通滤波器的中心频率比接收带通滤波器的中心频率要低一些，所以发射带通滤波器所包括的FBAR的电极厚度均小于接收带通滤波器所包括的FBAR的电极厚度。
图3为单片衬底双面同时加工滤波器的制造示意图，主要包括以下工艺步骤：
如图4所示，为初始的硅衬底；
如图5所示，利用磁控溅射在硅衬底的双面生长支撑层；
如图6所示，在支撑层上刻蚀出预设的贯穿口；
如图7所示，在硅衬底上刻蚀出预设的第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔；
如图8所示，在支撑层上和空腔中沉积牺牲层，牺牲层材料的化学性质与硅衬底不同，保证后续腐蚀时对衬底不影响；
如图9所示，利用化学机械抛光技术将多余的牺牲层材料除去，使得牺牲层材料刚好填满硅衬底和支撑层上面的凹槽；
如图10所示，在支撑层上分别沉积发射带通滤波器的底电极和接收带通滤波器的底电极，并进行不同的图案化；
如图11所示，分别在发射带通滤波器的底电极和接收带通滤波器的底电极上沉积发射带通滤波器的AlN压电层和接收带通滤波器的AlN压电层；
如图12所示，分别在发射带通滤波器的AlN压电层和接收带通滤波器的AlN压电层上沉积发射带通滤波器的顶电极和接收带通滤波器的顶电极，并进行不同的图案化；
如图13所示，分别在发射带通滤波器中所有并联FBAR的顶电极和接收带通滤波器中所有并联FBAR的顶电极上沉积发射带通滤波器的质量负载层和接收带通滤波器的质量负载层；
如图14所示，分别在发射带通滤波器和接收带通滤波器上刻蚀释放孔。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种双面集成的单片体声波双工器，其特征在于，包括相互连接的发射带通滤波器(TX)、接收带通滤波器(RX)和阻抗匹配电路；其中：
该单片体声波双工器中间设置有一个衬底(201)，衬底(201)上下两面均刻蚀有凹槽状的空腔；发射带通滤波器(TX)和接收带通滤波器(RX)均包括多层电路元件，各层的电路元件依次进行沉积，使得发射带通滤波器(TX)和接收带通滤波器(RX)分别沉积在衬底(201)的上下两面。
2.根据权利要求1所述的双面集成的单片体声波双工器，其特征在于，衬底(201)上下两面的凸起位置沉积有支撑层(202)，空腔中沉积有牺牲层(A)；发射带通滤波器(TX)包括发射带通滤波器底电极(207)、发射带通滤波器压电薄膜(209)、发射带通滤波器顶电极(211)、发射带通滤波器负载层(213)和发射带通滤波器释放孔(215)；
发射带通滤波器底电极(207)沉积在支撑层(202)和牺牲层(203)的上方，且分别在两侧分为两个不接触的部分；两部分的发射带通滤波器底电极(207)上均沉积有发射带通滤波器压电薄膜(209)和发射带通滤波器顶电极(211)，其中一部分的发射带通滤波器底电极(207)上的发射带通滤波器顶电极(211)上还沉积有发射带通滤波器负载层(213)；发射带通滤波器释放孔(215)设置在垂直方向上，且穿过发射带通滤波器底电极(207)、发射带通滤波器压电薄膜(209)、发射带通滤波器顶电极(211)、发射带通滤波器负载层(213)。
3.根据权利要求2所述的双面集成的单片体声波双工器，其特征在于，发射带通滤波器(TX)包括多个串联的FBAR和多个并联的FBAR；其中：串联的FBAR包括：衬底(201)、空腔及衬底(201)上表面一侧的发射带通滤波器底电极(207)、发射带通滤波器压电薄膜(209)、发射带通滤波器顶电极(211)；并联的FBAR包括：衬底(201)、空腔及衬底(201)上表面另一侧的发射带通滤波器底电极(207)、发射带通滤波器压电薄膜(209)、发射带通滤波器顶电极(211)、发射带通滤波器负载层(213)。
4.根据权利要求2所述的双面集成的单片体声波双工器，其特征在于，接收带通滤波器(RX)包括接收带通滤波器底电极(208)、接收带通滤波器压电薄膜(210)、接收带通滤波器顶电极(212)、接收带通滤波器负载层(214)和接收带通滤波器释放孔(216)；
在设置接收带通滤波器(RX)的一个面上，支撑层(202)和牺牲层(A)上沉积有接收带通滤波器底电极(208)，接收带通滤波器底电极(208)为一个整体；接收带通滤波器底电极(208)两侧不接触的位置均分别沉积有接收带通滤波器压电薄膜(210)和接收带通滤波器顶电极(212)，其中一侧的接收带通滤波器顶电极(212)上还沉积有接收带通滤波器负载层(214)；接收带通滤波器释放孔(216)设置在垂直方向上，且穿过接收带通滤波器底电极(208)、接收带通滤波器压电薄膜(210)、接收带通滤波器顶电极(212)、接收带通滤波器负载层(214)。
5.根据权利要求4所述的双面集成的单片体声波双工器，其特征在于，接收带通滤波器(RX)一端连接接收端(121)，另一端连接阻抗匹配电路；接收带通滤波器(RX)包括多个串联的FBAR和多个并联的FBAR；其中：串联的FBAR包括：衬底(201)、空腔、接收带通滤波器底电极(208)及衬底(201)下表面一侧的接收带通滤波器压电薄膜(210)、接收带通滤波器顶电极(212)；并联的FBAR包括：衬底(201)、空腔、接收带通滤波器底电极(208)及衬底(201)下表面另一侧的接收带通滤波器压电薄膜(210)、接收带通滤波器顶电极(212)、接收带通滤波器负载层(214)。
6.根据权利要求3所述的双面集成的单片体声波双工器，其特征在于，发射带通滤波器(TX)中的衬底(201)、空腔、发射带通滤波器底电极(207)、发射带通滤波器压电薄膜(209)、发射带通滤波器顶电极(211)的厚度均相等。
7.根据权利要求5所述的双面集成的单片体声波双工器，其特征在于，接收带通滤波器(RX)中的衬底(201)、空腔、接收带通滤波器底电极(208)、接收带通滤波器压电薄膜(210)、接收带通滤波器顶电极(212)、接收带通滤波器负载层(214)的厚度均相等。
8.根据权利要求1所述的双面集成的单片体声波双工器，其特征在于，衬底(201)为硅材料，发射带通滤波器(TX)、接收带通滤波器(RX)同时在同一块硅衬底的上下两个面上分别制作完成。
9.一种双面集成的单片体声波双工器的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、同时在衬底的上下两个面上分别沉积支撑层；
b、在两个支撑层上同一步刻蚀出预设的贯穿口；
c、在衬底的上下两个面上刻蚀出预设的凹槽，各凹槽的尺寸分别与贯穿口相对应，形成空腔；
d、在两支撑层上同时沉积牺牲层，该牺牲层材料的化学性质应与衬底不同，保证后续腐蚀时对衬底无影响；
e、利用化学机械抛光技术将多余的牺牲层材料除去，使得牺牲层材料刚好填满凹槽和贯穿口；
f、在同时在上下两个牺牲层上依次沉积底电极、压电薄膜和顶电极，形成压电震荡堆部结构；
g、在并联FBAR的顶电极上沉积一层质量负载层；
h、将衬底双面的底电极、压电层、顶电极同时进行不同的图形化；
i、分别在压电震荡堆部结构上刻蚀释放孔；
j、通过释放孔导入腐蚀剂，仅将牺牲层腐蚀掉，在衬底、支撑层和压电震荡堆部形成空腔。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110798160A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-02-14 | 武汉大学 | 单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构及制备方法 |
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- 2019-07-03 CN CN201910595492.6A patent/CN110277977A/zh active Pending
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