CN1635705A - 滤波器的噪声抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种滤波器的噪声抑制方法，消除由多个薄膜腔声谐振器组成的声波滤波器内的驻波信号干扰，以及因侧向传播高频谐振所造成的异常信号；该方法是在薄膜腔声谐振器的组成结构中设置多个干涉结构，借由材料的差异特性产生一带隙结构，在特定的工作频率范围内，对侧向高频谐振产生破坏性的干涉效应，进而减弱甚或消除寄生效应，在此带隙结构的工作频率范围内，任何横向模式所造成的异常信号即无法存在；此外，不同压电薄膜共振子间的声子晶体结构也可形成一声波屏障，防止彼此在工作频率范围内的相互干扰。
Description
技术领域
本发明是关于一种噪声消除技术，特别是关于一种在薄膜腔声谐振器所含结构中，组设多个干涉结构，借由材料间的差异性产生带隙结构，对侧向高频谐振施以破坏性干涉效应的噪声抑制方法。
背景技术
常用300MHz以下的VHF、HF频带所用的晶体滤波器(Crystalfilter)，使用频率的上限主要受制于晶体厚度磨薄加工的精密度而无法提高工作频率。现今通过微机电系统(Micro-electro-mechanical system，MEMS)加上溅射薄膜厚度精准控制，可得到一种类似晶体滤波器架构的薄膜腔声谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonators，FBARs)，其共振频率可提升至数个GHz至十几个GHz。近年来，无线通讯产品的研发均朝缩小体积及降低成本的方向发展，如射频芯片的整合以减少零件数目，微小化射频滤波器的设计等。
图1所示是一现有的薄膜腔声谐振器110，其结构中心是一压电薄膜111，上、下镀有导电材料以形成一工作电极112a及112b，其共振腔体111a则由上、下两个工作电极112a及112b，与压电薄膜111重合(Over lap)的区域构成；在外加电场的作用下，电极重合区的压电层通过压电效应，将部分外加电场的能量转换为机械场(Mechanical field)能量。为获得最大的机械转换效率，薄膜腔声谐振器通常以厚度激发模式(Thickness excitation mode)进行机电转换。薄膜声波共振子基频共振频率(Fundamental resonant frequency)出现在输入信号的半波长等于压电薄膜的厚度，其声波传播方式，如压缩波、板波或剪力波等皆垂直于上、下工作电极。
就实际零件的运用观看，除了方向垂直于工作电极的声波振动模式(Longitudinal wave modes)外，薄膜腔声谐振器由电极界定的共振腔体壁或电极面与空气所界定的不连续性，均将造成横向应变于这些边界产生侧传声波。这些沿电极面与压电层横向传播的声波，其基本振动频率虽远低于压电薄膜厚度方向的基本振动频率，但其高频谐振却可达到厚度方向基频共振的频率范围。此外，在现有的薄膜体声波滤波器设计中，共振腔体111a上、下两个工作电极112a及112b是两边相互平行的矩形，这种几何造型结构就使得侧传声波产生严重的驻波效应(Standing wave effect)，使原来吸收的能量远低于厚度方向基频共振的侧向高频谐振在电气效应上产生各种不规则性信号，如突波(Spikes)，虽然这些异常的谐振效应所吸收的外来能量并不高，但在射频滤波器的电路设计上，却也产生了许多问题。
为抑制上述侧传共振，美国第6,215,375号专利案提出一种如图2及图3所示的不规则多边形来定义共振腔体，图2及图3中的声波共振腔体200与共振腔体300，其工作电极为任意两边均不平行的n多边形(n＝3，4.......)。这种设计主要是从两方面着手改善现有矩形工作电极的横向驻波效应。第一，当工作电极任意两边不平行时，自共振腔体壁任一点出发的声波将经过多次反射，方回到起始点附近，如此将大幅增加声波有效的传播路径长度，此即意味在薄膜腔声谐振器的工作频率中，横向驻波必须提升至更高的振动模式，其高频谐振方可影响薄膜腔声谐振器的厚度共振基频；第二，横向振动模态频率相同时，其振幅有加成效应，称之为退化能量(Degenerate energy level)；就矩形工作电极而言，其平行的共振腔体壁造成相对两边各点的共振路径相同，扩大退化能量的加成效应，进而在薄膜腔声谐振器的基频工作频率产生干扰突波，若工作电极任意两边不平行，声波共振腔体壁上任意两点的声波侧向传播路径将不等长。因此，同一厚度振动模态所衍生的横向传播谐振声波频率在任意两点均不相同。该专利案更进一步阐述其所揭示的结构设计，将可降低相同频率的高频谐振所产生的退化能量达10倍的水准，换言之，该专利案仅可降低横向模式高频谐振造成的异常信号，无法将其完全消除。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种滤波器的噪声抑制方法，是以一材料结构设计解决现有薄膜腔声谐振器的驻波信号干扰。
本发明的另一目的在于提供一种滤波器的噪声抑制方法，无须对共振腔体的形状进行改变，即可完全消除因横向模式高频谐振所造成的异常信号(如横向传播的声波)。
为达到上述目的，本发明提供一种滤波器的噪声抑制方法，是在该滤波器是设置有至少一薄膜腔声谐振器，其结构中心乃是一压电薄膜，该压电薄膜上、下接面均镀有导电材料，做为工作电极之用，且其与工作电极重叠的区域另形成有一共振腔体，该方法具体是：先行在薄膜腔声谐振器的结构中选取一工作电极与压电薄膜重合的区域，或在薄膜腔声谐振器的结构中选取压电薄膜未与工作电极重合的区域；将多个干涉结构排列组设在该区域所含括的结构中。
该方法是将多个干涉结构排列设置在薄膜腔声谐振器的组成结构中，借由这些干涉结构与薄膜体材料特性的差异，设计出一种类似光子晶体的带隙，称为光子带隙(Phononic band gap)，这些干涉结构是可在其工作频率范围内，对侧向高频谐振将产生一具有破坏性的干涉效应，令任一横向传播的声波，不论其波向量或振动模式均无法在此工作频率范围内存在，因此本发明即可完全消除横向模式所造成的异常信号，而非如现有技术那样，仅将横向突波能量做部分的衰减。
承上所述，其中，本发明的滤波器的噪声抑制方法所提供的薄膜腔声谐振器是可以空桥结构(Air-bridge)架构在基板或正向蚀刻、反向蚀刻的槽穴上，或制作在周期性多重膜反射层，此外，这些干涉结构是可按周期或随机排列方式，以柱状或孔洞等形式组设在薄膜腔声谐振器结构中的工作电极与压电薄膜重合(即共振腔体)及未重合的区域甚或遍布于整个压电薄膜中。
本发明从材料结构设计上，解决现有薄膜腔声谐振器的驻波信号的干扰，使用本方法无须对共振腔体的形状进行改变，即可完全消除因横向模式高频谐振所造成的异常信号(如横向传播的声波)。
附图说明
图1是一现有的薄膜腔声谐振器的侧面结构剖面示意图；
图2及图3是一不规则多边形共振腔体的示意图；
图4至图7是一薄膜体声波滤波器的斜视立体图，显示多个干涉结构组设在薄膜体声波滤波器内的各种形态；以及
图8是一共振腔体的斜视立体透视图，用以表示多个干涉结构按周期方式排列组设在共振腔体内部的示意情形。
具体实施方式
以下实施例进一步详细说明本发明的观点，但并非以任何观点限制本发明的范畴。
实施例
在以下实施例中，本发明的噪声抑制方法是应用在一薄膜体声波滤波器，用以消除薄膜体声波滤波器中，因横向波传播模式所造成的异常信号，并可同时对相邻的薄膜腔声谐振器在工作频率产生的横向声波振动，产生阻隔的效应。然而在此首先需注意的是，本发明的噪声抑制方法并不限定仅可用于薄膜体声波滤波器中；广义而言，本发明是可用于需要对任何因共振腔体(Resonant acoustic cavity)侧向应变振动所引发的突波噪声(Spikes)予以消除的装置，进而提高品质因数(Quality factor，Q)及降低噪声干扰(Higher spectral purity)，此外，不同薄膜腔声谐振器间的声子晶体结构，也可形成一声波屏障(Acousticshield)，以防止在工作频率内相互干扰的情事发生。
图4是一薄膜体声波滤波器100的外观斜视示意图，如图所示，该薄膜体声波滤波器100是由多个薄膜腔声谐振器110所构成，其结构中心是一压电薄膜111，其可以是机电转换膜材(如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、硫化镉(CdS)、砷化钾(GaAs)及氧化锌(ZnO)等)，该压电薄膜111的第一接面a及第二接面b则镀有导电材料，其可以是金属膜材(如铝(Al)、金(Au)及钼(Mo)等)，而形成多个块状工作电极112a及112b；其中，该压电薄膜111与工作电极112a及112b重合的区域乃为一主要作用区，用以做为一共振腔体(Resonantacoustic cavity)。
本发明提出的薄膜腔声谐振器110，是在压电薄膜111的共振腔体(Resonant acoustic cavity)中组设多个不同机械特性的干涉结构(图未标)。这些干涉结构是可沿着一维、二维或三维的方向以随机或周期性的方式排列，其与x-y平面的截面可以是任意的几何形状，共振腔体内x-y平面所能容许的弹性波或声波传播膜工(Wave propagation mode)取决于复合结构的周期排列，如方晶格式(Square lattice)、三角形晶格式(Triangle lattice)、蜂巢形晶格(Honeycomb lattice)或其它任意形式的周期排列以及各相的平均密度、不同材料间的平均弹性系数比值与密度比、干涉结构的几何形状与填充率等参数。
本发明的方法在薄膜腔声谐振器110所设的干涉结构主要是以三种方式实现；一种是将干涉结构设置在上、下两个工作电极112a及112b与压电薄膜111重合的区域(也就是共振腔体)，如图5中的工作电极112a上所示的小黑点及代表所设置的干涉结构；另一种则是将多个干涉结构设置在压电薄膜111未与上、下工作电极112a及112b重合的区域，如图6所示，以及将这些干涉结构设置在压电薄膜111与工作电极112a、112b重合及未重合的区域，如图7所示；此外，上述干涉结构可以是一贯穿压电薄膜111的几何柱状体或是一形成在工作电极表面或压电薄膜表面的孔洞，其排列设置方式可以是周期或随机排列，此外，薄膜腔声谐振器110是能够以空桥结构(Air-bridge)架构在基板(图未标)，正向蚀刻、反向蚀刻的槽穴上或制作在周期性多重膜反射层(Brag acoustic reflector)。
在此实施例中，将以一沿着二维方向(x-y方向)并按周期性排列方式组设在压电薄膜110与上、下工作电极112a及112b重合区域中的圆柱状干涉结构为例，详细说明本发明的噪声抑制方法，图8是一斜视立体图，显示本发明的噪声抑制方法在共振腔体111a中所设多个圆柱状干涉结构113的示意情形，如图所示，共振腔体111a本身是压电薄膜111的部分结构，其因为是压电薄膜111、工作电极112a及工作电极112b的重合区域，故成为薄膜腔声谐振器110的主要作用区，而用以做为一共振腔体111a，以在外加电场的作用下，借着压电效应将部分外加电场的能量转换为机械场(Mechanical field)能量，经由此一机电转换作用而产生共振现象。由于无法与空气阻抗匹配，故可确保声波能量绝大部分均留在薄膜腔声谐振器110中；在此实施例中，本发明是将圆柱状干涉结构113沿着二维平面(x-y平面)周期性的排列，利用圆柱状干涉结构113与压电薄膜111(也就是共振腔体111a)材料的差异(必要时，圆柱状干涉结构113内部也可以填充入可提高差异性的材料)产生带隙(Band gap)结构，就可设计出一种类似光子晶体的带隙，称为光子带隙(Phononic gap)，在此带隙范围内，任何横向的声波，不论其波向量或振动模式均无法存在；当外加电磁场沿着薄膜腔声谐振器110的厚度方向(即z方向)，对工作电极112a及工作电极112b施加位能时，通过压电薄膜111的压电偶合效应或是蒲以松效应(Poisson ratiocoupling)所产生的各种横向传播声波的高频谐振，将因压电材料/空气柱的弹性差异而产生散射效应，依据组件设定的工作频率并通过空气柱的半径，对晶格常数比值与空气晶格周期排列的设计，使横向激发的各种振动传播模式在x-y平面传播时，因破坏性散射效应而呈指数式衰减，借由上述阻绝频带的设计厚度方向所产生的信号即不受到任一横向模式的干扰。
综上所述，本发明的噪声抑制方法是在共振腔体内，加上按周期性排列方式所设置的多个干涉结构，利用其结构组成与压电薄膜(即共振腔体)因材料的差异所产生的带隙结构，使这些干涉结构在此带隙频率范围内，对任何横向的声波产生破坏性的干涉效应，进而将减弱有害的寄生效应甚或完全消除，此外，根据这种高Q值低干扰的薄膜腔声谐振器，也可设计出高性能且低相位的信号产生器、振荡器及微波射频滤波器等；另一方面，本发明是在共振腔体间加上多个周期性排列的干涉结构，利用上述带隙声波的禁制作为，不仅能消除共振腔体内横向声波振动对信号的干扰，也可同时对相邻的薄膜腔声谐振器在工作频率产生的横向声波振动产生阻隔的效应。
Claims (33)
1.一种滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该滤波器是设置有至少一薄膜腔声谐振器，其结构中心乃是一压电薄膜，该压电薄膜上、下接面均镀有导电材料，做为工作电极之用，且其与工作电极重叠的区域另形成有一共振腔体，该方法具体是：
先行在薄膜腔声谐振器的结构中选取一工作电极与压电薄膜重合的区域；
将多个干涉结构排列组设在该区域所含括的结构中。
2.如权利要求1所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构可以是一贯穿压电薄膜并接通上、下两个工作电极的空心柱状结构及凿制在工作电极表面的孔洞结构其中之一。
3.如权利要求2所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该空心柱状结构是一圆柱结构，该孔洞结构则是一圆孔结构。
4.如权利要求1所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该导电材料是金属膜材。
5.如权利要求4所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该金属膜材可以是铝、金及钼中的一个。
6.如权利要求1所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该压电薄膜是机电转换膜材。
7.如权利要求6所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该机电转换膜材可以是由氮化铝、锆钛酸铅、锆钛酸铅镧、硫化镉、砷化钾)及氧化锌其中一个所组成。
8.如权利要求1所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构中可以填入能够提高材料特性差异的材料、且其截面形状是一任意几何形状。
9.如权利要求1所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构是以周期性及随机其中一种方式排列设置。
10.如权利要求1所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该薄膜腔声谐振器能够以空桥结构架构在基板，正、反向蚀刻的槽穴及制作在周期性多重膜反射层中的一个。
11.如权利要求1所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该噪声是指共振腔体侧向应变震动所引发的横向声波。
12.一种滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该滤波器设置有至少一薄膜腔声谐振器，其结构中心是一压电薄膜，该压电薄膜上、下接面均镀有导电材料，做为工作电极之用，且其与工作电极重叠的区域另形成有一共振腔体；该方法具体是：
先行在薄膜腔声谐振器的结构中选取压电薄膜未与工作电极重合的区域；
将多个干涉结构排列组设在该区域所含括的结构中。
13.如权利要求12所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构可以是一贯穿压电薄膜并接通上、下两个工作电极的空心柱状结构及凿制在压电薄膜表面的孔洞结构中的一个。
14.如权利要求13所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该空心柱状结构是一圆柱结构，该孔洞结构则是一圆孔形结构。
15.如权利要求12所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该导电材料是金属膜材。
16.如权利要求15所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该金属膜材可以是铝、金及钼中的一个。
17.如权利要求12所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该压电薄膜是机电转换膜材。
18.如权利要求17所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该机电转换膜材可以是氮化铝、锆钛酸铅、锆钛酸铅镧、硫化镉、砷化钾及氧化锌中的一个所组成。
19.如权利要求12所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构中也可填入能够提高材料特性差异的材料且其截面形状是一任意几何形状。
20.如权利要求12所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构是可按周期性及随机其中的一种方式排列设置。
21.如权利要求12所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该薄膜腔声谐振器可以是空桥结构架构在基板，正、反向蚀刻的槽穴(Cavity)及制作在周期性多重膜反射层中的一个。
22.如权利要求12所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该噪声是指共振腔体侧向应变震动所引发的横向声波。
23.一种滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该滤波器是设置有至少一薄膜腔声谐振器，其结构中心是一压电薄膜，该压电薄膜上、下接面均镀有导电材料，做为工作电极之用，且其与工作电极重叠的区域另形成有一共振腔体；该方法具体是：
将多个干涉结构排列组设在整个压电薄膜。
24.如权利要求23所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构可以是一贯穿压电薄膜并接通上、下两个工作电极的空心柱状结构及凿制在工作电极及压电薄膜表面的孔洞结构中的一个。
25.如权利要求24所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该空心柱状结构是一圆柱结构，该孔洞结构则是一圆孔结构。
26.如权利要求23所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该导电材料是金属膜材。
27.如权利要求26所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该金属膜材可以是铝、金及钼中的一个。
28.如权利要求23所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该压电薄膜是机电转换膜材。
29.如权利要求28所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该机电转换膜材可以是氮化铝、锆钛酸铅、锆钛酸铅镧、硫化镉、砷化钾及氧化锌中的一个所组成。
30.如权利要求23所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构中也可填入能够提高材料特性差异的材料且其截面形状是一任意几何形状。
31.如权利要求23所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该干涉结构是以周期性及随机中的一种方式排列设置。
32.如权利要求23所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该薄膜腔声谐振器是可以空桥结构架构在基板，正、反向蚀刻的槽穴及制作在周期性多重膜反射层中的一个。
33.如权利要求23所述的滤波器的噪声抑制方法，其特征在于，该噪声是指共振腔体侧向应变震动所引发的横向声波。
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