CN1205742C - 滤波器的改良 - Google Patents
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Abstract
电气滤波器具有包括串联和并联排列的作业区域(L)不同的电极(24，25)和厚度(T)不同的压电层(23)的多个薄膜体波谐振器(10，11)。
Description
技术领域
本发明涉及具有多个薄膜体波谐振器(FBAR)的滤波器，特别是为了在高频区得到低电平的带边衰减和低电平的频带外衰减而使用薄膜技术制造的压电滤波器。
背景技术
薄膜体波谐振器(FBAR)在高频区特别是在MHz和GHz区域具有共振峰，所以，是很有魅力的器件。此外，FBAR可以用毫米单位的小的器件实现。即，FBAR不仅作为谐振器是有用的，而且可以应用于手机等小型并且轻而薄的电气产品中使用的滤波器或转换器。
现在已知，可以用多个FBAR制造电气滤波器。这种滤波器可以在MHz或GHz的频率区域工作。对于带通滤波器的情况，一般说来，如果滤波器使用的FBAR多，与信号通过区域比较，可以改善阻止电平。
图9表示具有4个FBAR的滤波器的例子。4个FBAR根据在滤波器中它们的功能而分为2个组。图9的FBAR1和FBAR2串联连接。因此，这2个构成1个组。另外，FBAR3和FBAR4并联连接，构成另一个组。通常，所有的FBAR按照相同的步骤同时制造在1个基板上。因此，各FBAR由完全相同的结构构成。换言之，对于各FBAR的所有的层，按相同的厚度使用相同的材料。另外，通常，各FBAR具有相同大小的作业区域。
在MHz或GHz区域的高频区准备带通滤波器是重要的。因为，这些频率区域在当今的无线通信中频繁地使用。对于带通滤波器的情况，带边衰减和频带外衰减都是低电平是非常重要的。因此，要求制造带边衰减和频带外衰减良好的滤波器的技术。
发明内容
本发明的目的旨在提供具有多个FBAR并且具有低电平的带边衰减和低电平的频带外衰减的滤波器。
在本发明中，通过在串联FBAR和并联FBAR中改变作业区域的大小，可以得到上述特性。
因此，本发明提供了一种电气滤波器，其特征在于：具有由夹在2个金属电极之间的压电材料形成的薄层构成的排列为串联和并联的多个薄膜体波谐振器(FBAR)，其中，为了形成谐振器，与压电层接触的电极的区域的面积，在串联FBAR和并联FBAR中不同，其中所述串联连接的FBAR的电极的上述区域的面积被调节为使所述串联连接的FBAR的串联共振频率与并联连接的FBAR的并联共振频率相同。
滤波器具有多个FBAR，其中至少1个串联连接，1个并联连接。
各FBAR(从下向上)具有基板、电介质层、作为下部电极的1个以上的金属层、压电层和作为上部电极的1个以上的金属层。
FBAR在成为所有的层的厚度的函数的频率发生串联共振和并联共振。在这样的滤波器中，在串联FBAR和并联FBAR中改变作业区域的大小是有效的。
通常，作业区域受与构成FBAR的压电层接触的电极的区域的大小限制。这时，与并联FBAR比较，串联FBAR的共振峰成为不同的电抗曲线的形状。
如果使用作业区域不同的串联和并联的FBAR制造滤波器，就可以得到低电平的带边衰减和低电平的频带外衰减的滤波器。
下面，使用图9说明器件的原理。在图9中，表示在相同的条件下制造所有的FBAR时串联FBAR(FBAR1和FBAR2)和并联FBAR(FBAR3和FBAR4)具有完全相同的共振峰。其次，与并联FBAR比较，改变串联FBAR的压电层的厚度时，上述共振峰在不同的频率出现，但是，如图10(a)所示，共振峰的形状相同。这样，与并联FBAR比较，使用串联FBAR的压电层的厚度不同而构成的多个FBAR制造滤波器时，可以得到图10(b)所示的滤波器的透过信号(S21)。在图10(b)中，带边衰减出现在频率fs2和fp1处，抛物线外衰减出现在比fs2低的频率区域和比fp1高的频率区域。
另一方面，在图9中，串联FBAR(FBAR1和FBAR2)和并联FBAR(FBAR3和FBAR4)的上部电极和下部电极的大小不同，在所有的FBAR中，其他尺寸如果如图10的滤波器那样相同，则串联FBAR和并联FBAR就如图11(a)所示的那样具有不同的电抗曲线的形状。在图11(a)中，用于作业区域的电容不同，所以，曲线形状不同。使用不同的串联FBAR和并联FBAR制造滤波器时，如图11(b)所示，可以得到特别是在fs2处具有低电平的带边衰减同时具有低电平的频带外衰减的滤波器。
改变电极的大小的1个例子，就是与并联FBAR比较，改变串联FBAR的电极的掩模设计。
下面，参照附图，使用例子详细说明本发明。
附图说明
图1表示具有3个串联FBAR和3个并联FBAR的极佳的滤波器的概要图。
图2表示FBAR的上面图和剖面图。
图3表示具有110微米角的大小的电极和1.2微米厚度的压电层而在极佳的滤波器中作为串联FBAR使用的FBAR的S参量。
图4表示具有285微米角的大小的电极和1.255微米的厚度的压电层而在极佳的滤波器中作为并联FBAR使用的FBAR的S参量。
图5表示具有包含110微米角的大小的电极和1.2微米的厚度的压电层的3个同样的串联FBAR和包含285微米角的大小的电极和1.255微米的厚度的压电层的3个同样的并联FBAR的极佳的滤波器的S21曲线。
图6表示具有110微米角的大小的电极和1.2微米的厚度的压电层而在比较例的滤波器中作为串联FBAR使用的FBAR的S参量。
图7表示具有110微米角的大小的电极和1.255微米的厚度的压电层而在比较例的滤波器中作为并联FBAR使用的FBAR的S参量。
图8表示具有包含110微米角的大小的电极和1.2微米的厚度的压电层的3个同样的串联FBAR和包含110微米角的大小的电极和1.255微米的厚度的压电层的3个同样的并联FBAR的比较例的滤波器的S21曲线。
图9表示具有2个串联FBAR和2个并联FBAR的滤波器的电气等效电路的概要图。
图10(a)表示与并联FBAR比较而串联FBAR的压电层的厚度不同所构成的FBAR的共振曲线。
图10(b)表示与2个并联FBAR比较而2个串联FBAR的压电层的厚度不同所构成的具有2种FBAR的滤波器的S21曲线。
图11(a)表示与并联FBAR比较而串联FBAR的压电层的厚度和电极的大小不同所构成的FBAR的共振曲线。
图11(b)表示与2个并联FBAR比较而2个串联FBAR的压电层的厚度和电极的大小不同所构成的具有2种FBAR的滤波器的S21曲线。
具体实施方式
按照本发明的极佳的实施例，滤波器使用电极的大小和压电层的厚度不同的串联FBAR和并联FBAR制造。通过参照表示各个滤波器的概要图和滤波器的各FBAR的剖面图的图1和图2，可以理解本实施例。
图1表示3个串联FBAR10和3个并联FBAR11。这些共计6个FBAR制造在1个基板上。串联FBAR10和并联FBAR11具有图2所示的结构。串联FBAR10和并联FBAR11具有上部电极24、下部电极25、压电层23、硅晶片20上的桥路或膜层22。该硅晶片20使用背面图案层21非均匀地进行腐蚀。在串联FBAR10和并联FBAR11中，有2个不同点。一个是压电层23的厚度(在图2中用T表示)，另一个是上部电极24和下部电极25的大小(在图2中用L表示)。
下面，说明具有6个FBAR的滤波器的制造步骤。首先，在裸的硅晶片20的两面利用化学的气相成长法附着上200nm的氮化硅(SiNx)。位于硅晶片20的前面的SiNx是膜层22。背面图案层21利用光刻法和反应性离子腐蚀形成在硅晶片20的背面的SiNx上。下部电极25利用所谓的分离工艺按下述的步骤形成。首先，利用光刻法形成感光胶的图形。其次，利用溅射法形成厚度分别为10nm和100nm的铬和金(Cr/Au)。Cr早粘接层使用。然后，用丙酮将图形化的感光胶和其上的Cr/Au。因为，感光胶溶于丙酮。在该步骤之后，便可得到下部电极25。然后，利用溅射法形成压电层23用的氧化锌(ZnO)。压电层23的厚度，在串联FBAR10中是1.2微米，在并联FBAR11中是1.255微米。为了得到丙酮厚度的压电层23，可以使用光刻法或腐蚀法。压电层23用醋酸进行腐蚀，形成使用电气探头与下部电极25接触的接触孔26。然后，通过分离工艺形成上部电极24。上部电极24的Cr和Au的厚度分别设定为10nm和100nm。上部电极24具有传输线路和一边的尺寸在图2中用L表示的四边形的作业区域。作业区域的大小，也和下部电极25相同。在形成上部电极24时，通过相同的分离工艺也形成2个接地电极27。因此，上部电极24具有特性阻抗设定为约50欧姆的同一平面上的波导结构。
与上部电极24和下部电极25的中央部分相当的作业区域的大小，在串联FBAR10中是110微米角，在并联FBAR11中是285微米角。两个电极的掩模设计，在串联FBAR10和并联FBAR11中改变。
最后，硅晶片20使用背面图案层21，用KOH溶液从背面侧进行腐蚀，至此，滤波器的制造工艺即告结束。
在电气测定中，使用网络分析器。首先，进行滤波器的各FBAR的测定。未与其他FBAR连接的各FBAR，为了独立地测定电气响应，个别地制造。
图3表示具有2微米的压电层23和L＝110微米的作业区域的串联FBAR10的S参量。S11是对RF电源的反射系数，S21是在输出端口测定的透过系数。S11和S21的串联和并联的共振峰分别出现在频率1.585GHz和1.636Ghz。
另一方面，图4表示具有厚度为1.255微米的压电层23和L＝285微米的作业区域的并联FBAR11的S参量。S11和S21的所有的共振峰向频率比图3中相同种类的峰低的频率移动。图4的S11的串联共振峰出现在1.543GHz。图4的S11的并联共振峰和S21的共振峰都出现在1.585GHz。这和图3中的串联共振峰的频率相同。另外，用于FBAR的作业区域的电容不同，所以，图4中的S11和S21的形状与图3中的不同。
滤波器使用2种FBAR利用图1所示的结构制造。滤波器的透过系数(S21)示于图5。滤波器的带边衰减出现在1.540GHz和1.635GHz。在1.540GHz的带边衰减是由图4的1.543GHz处的并联FBAR11的S11的串联共振峰引起的。另一个在1.635GHz处的带边衰减是由图3的1.636GHz处的串联FBAR10的S21的并联共振峰引起的。在1.540GHz之下和1.635GHz之上的频率区域中的频带外衰减小于-50dB。
为了与上述极佳的滤波器进行比较，按照与图1相同的结构制造了滤波器。在该比较例的滤波器中，作为串联FBAR10和并联FBAR11的FBAR具有L＝110微米的作业区域。压电层23的厚度，在串联FBAR10中是1.2微米，在并联FBAR11中是1.255微米。
首先，进行比较例的滤波器的各FBAR的测定。未与其他FBAR连接的各FBAR，为了独立地测定电气响应，个别地制造。
图6表示具有厚度为1.2微米的压电层23和L＝110微米的作业区域的串联FBAR10的S参量。比较例的滤波器的串联FBAR10与极佳的滤波器的串联FBAR10相同，所以，图6中的S参量与图3中的相同。
另一方面，图7表示具有厚度为1.255微米的压电层23和L＝110微米的作业区域的比较例的滤波器中的并联FBAR11的S参量。图7的S11和S21的所有的共振峰向频率比图6中相同种类的峰低的频率移动。图7的S11和S21的串联共振峰出现在1.543GHz。S11和S21的并联共振峰出现在1.585GHz，这和图6中的串联共振峰的频率相同。但是，图7的S11和S21的形状与图6中的相同。这是因为，在串联FBAR10和并联FBAR11中作业区域相同。
使用这两种FBAR，利用图1的结构制造比较例的滤波器。比较例的滤波器的透过系数(S21)示于图8。比较例的滤波器的带边衰减出现在1.540GHz和1.635GHz。这些频率与图5相同。比较在1.540GHz处的1个带边衰减的峰的深度，图5中的带边衰减比图中的带边衰减深。此外，比较频带外衰减，极佳的滤波器与图8中频带外衰减约为-22dB的比较例的滤波器进行比较，具有更低电平的频带外衰减。由于在串联FBAR10和并联FBAR11中S参量的形状不同，所以可以得到极佳的滤波器的优异的性能。S参量的形状之所以不同，是由于FBAR的作业区域不同从而FBAR的电容不同而决定的。
将极佳的滤波器与比较例的滤波器进行比较，极佳的滤波器的带边衰减为更低的电平，频带外衰减也是更低的电平。
以上所示的极佳的滤波器是本发明的1个例子。但是，以上说明的层所使用的薄膜技术和材料不限于这里说明的内容。例如，压电层23使用的材料不限于ZnO。代之以可以使用Q值高的氮化铝(AlN)和电气机械耦合系数大的钛酸锆酸铅(PZT)。另外，对于压电层使用的其他材料，还有钽酸铅钪和钛酸铋钠。上部电极24和下部电极25的材料，不限于Cr/Au。代之以可以使用作为电极经常使用的铝(Al)和铂(Pt)。膜层22和背面图案层21的材料，不限于SiNx。代之以可以使用SiO2。
串联FBAR10和并联FBAR11的FBAR的数量，不限定各3个。串联FBAR10和并联FBAR11的FBAR的数量必须由带边衰减的电平和滤波器所需要的区域尺寸等规格来决定。
作为串联FBAR10和并联FBAR11使用的FBAR，不限于在下部电极25的背面侧的硅晶片20具有腐蚀的孔的FBAR。也可以在下部电极25的背面侧使用空气间隙或布拉格反射体，取代硅晶片20上反腐蚀的孔。这样，作为FBAR的基板，就不一定必须使用硅晶片20。
例如，通常为了设置测定探头接触的区域，有时制作比作业区域大的电极。这时，为了形成发生共振的谐振器，作业区域由与压电层23接触的电极的区域的大小所限定。
Claims (14)
1.一种电气滤波器，其特征在于：具有由夹在2个金属电极之间的压电材料形成的薄层构成的排列为串联和并联的多个薄膜体波谐振器(FBAR)，其中，为了形成谐振器，与压电层接触的电极的区域的面积，在串联FBAR和并联FBAR中不同，
其中所述串联连接的FBAR的电极的上述区域的面积被调节为使所述串联连接的FBAR的串联共振频率与并联连接的FBAR的并联共振频率相同。
2.按权利要求1所述的电气滤波器，其特征在于：所述压电材料的厚度在串联FBAR和并联FBAR中不同。
3.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：所述压电材料是氧化锌。
4.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：所述压电材料由钛酸锆酸铅构成。
5.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：压电材料是氮化铝。
6.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：压电材料由钽酸铅钪构成。
7.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：压电材料由钛酸铋钠构成。
8.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：金属电极由金构成。
9.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：金属电极由铝构成。
10.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：金属电极由铂构成。
11.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：2个FBAR串联连接，2个FBAR并联连接。
12.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：3个FBAR串联连接，3个FBAR并联连接。
13.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：并联FBAR的压电材料比串联FBAR的压电材料厚。
14.按权利要求1或2所述的电气滤波器，其特征在于：并联FBAR的电极的上述区域比串联FBAR的电极的上述区域大。
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