DE102009011639A1

DE102009011639A1 - Reaktanzfilter mit steiler Flanke

Info

Publication number: DE102009011639A1
Application number: DE102009011639A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Link; Stephan Dr. Marksteiner
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: US9595939B2; KR20110133039A; KR101686689B1; JP5439507B2; JP2012519447A; WO2010100148A1; US20110316649A1; DE102009011639B4

Abstract

In einem an sich bekannten Reaktanzfilter in Ladder Type- oder Lattice-Anordnung wird vorgeschlagen, die obere Flanke des Passbandes mittels eines Kondensators zu versteilern, der parallel zu zumindest einem der Serienresonatoren des Reaktanzfilters geschaltet ist. Vorteilhafte Anwendung kann ein solches Reaktanzfilter als Sendefilter in einem Duplexer finden. Der Kondensator kann integriert auf dem Bauelementchip des Reaktanzfilters hergestellt werden, wobei insbesondere zur Herstellung von Resonatoren und Kondensator die gleichen Verfahrensschritte und der gleiche Schichtaufbau genutzt werden können.

Description

Aus einer leiterähnlicher Verschaltung von Impedanzelementen und insbesondere von Resonatoren zu so genannten Ladder Type- oder Lattice-Anordnungen lassen sich Reaktanzfilter mit Bandpasscharakter konstruieren. Aus der EP 1196 991 A1 ist beispielsweise ein Ladder Type-Filter bekannt, welches aus akustischen Eintorresonatoren in SAW Technik (SAW = Surface Acoustic Wave) aufgebaut ist. Der Vorteil eines solchen Reaktanzfilters ist es, dass durch die Anzahl und Art der verwendeten Elemente die Filtereigenschaften eingestellt und insbesondere die Sperrbereichsunterdrückung verbessert werden kann.
Ein aus BAW Resonatoren (BAW = Bulk Acoustic Wave) aufgebautes Reaktanzfilter in Ladder Type-Anordnung ist beispielsweise aus der EP 1407 546 A1 bekannt. Die BAW-Technologie bietet dabei den Vorteil, dass frequenzgenaue und leistungsfeste Bandpassfilter mit einem relativ geringen Temperaturgang der Resonanzfrequenz erhalten werden können. Aufgrund der Frequenzgenauigkeit von BAW-Filtern finden diese auch eine Hauptverwendung in Duplexern.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der BAW Technologie sind die hohen Güte größer 1000, die mit BAW Resonatoren erreicht werden können. Das erlaubt sehr steile Filterflanken bei BAW Reaktanzfiltern. Dies, der geringe Temperaturgang und die hohe Frequenzgenauigkeit prädestinieren BAW Filter für Duplexer-Anwendungen mit geringem Abstand zwischen Sende- und Empfangsband.
Ein Duplexer umfasst ein Sende- und ein Empfangsfilter, die üblicherweise auf getrennten Substraten aufgebaut sind. Zwischen Sende- und Empfangsband liegt ein oft nur geringer Bandabstand, der beispielsweise bei dem in den USA verwendeten PCS-Mobilfunksystem lediglich 20 Megahertz bei 1,9 Gigahertz Mittenfrequenz beträgt. Filter mit G-Banderweiterung erfordern sogar Duplexer, deren Bandabstand weiter auf 15 Megahertz reduziert ist. Ein solch geringer Abstand zwischen Sende- und Empfangsband von weniger als einem Prozent relativer Breite erfordert neben einer Resonatortechnologie mit hohen Güten und guter Temperaturstabilität auch ein Filterdesign, welches steile Filterflanken für die beiden im Duplexer vereinten Filter ermöglicht. Besonders wichtig ist es, die beiden einander frequenzmäßig zugewandt Flanken der beiden Passbänder steil zu gestalten, um eine möglichst gute Abgrenzung zwischen den beiden Passbändern zu erzielen. Für den genannten G-Band-Duplexer liegt die notwendige Flankensteilheit unter Berücksichtigung von Fertigungsstreuungen und temperaturabhängigen Schwankungen bei mindestens 5 dB/MHz. Es sind aber noch steilere Flanken wünschenswert, da damit sowohl die Spezifikation der Filter beziehungsweise Duplexer als auch die Fertigungsausbeute bei einer fertigungsbedingten Schwankung erhöht werden kann.
In der bereits genannten EP 1 407 546 A1 wird vorgeschlagen, eine Flanke des Passbandes dadurch zu versteilern, dass in einem Resonator das Verhältnis aus statischer und dynamischer Kapazität reduziert wird. So wird die Antiresonanzfrequenz des Resonators gezielt erhöht ohne dabei gleichzeitig die Resonanzfrequenz dieses Resonators zu verändern. Damit erniedrigt sich die Kopplung und die dem Resonator zugeordnete Flanke des Passbandes wird steiler. Zur Realisierung wird vorgeschlagen, Piezomaterialien oder Elektrodenmaterialien mit geringerer Kopplung einzusetzen. Als weitere Möglichkeit wird vorgeschlagen, akustische Spiegel zu verwenden, die ebenfalls die akustische Kopplung des jeweiligen Resonators erniedrigen können.
Eine weitere Möglichkeit, eine Flanke steiler zu gestalten besteht darin, im Reaktanzfilter mehr parallele Resonatoren einzusetzen, die ausgeprägtere oder zusätzliche Nullstellen erzeugen und damit auch die Flanke versteilern. Nachteilig ist jedoch, dass mit dieser Methode auch die ohmschen Verluste des Reaktanzfilters durch die Anzahl der miteinander verschalteten Serienresonatoren ansteigt. Weiter können die parallel geschalteten Resonatoren im Reaktanzfilter mit Induktivitäten in Serie geschaltet werden, wobei Nullstellen zu tieferen Frequenzen verschoben werden können. Dies bewirkt nicht nur eine Erhöhung der Isolation, sondern auch eine höhere Bandbreite des Bandpassfilters. Eine steilere rechte Flanke des Passbandes wird durch eine erhöhte Anzahl serieller Resonatoren erreicht, deren Antiresonanz die Lage der Flanke und damit deren Steilheit beeinflussen.
Nachteilig an den bekannten Lösungen zur Verbesserung der Flankensteilheit ist allgemein, dass sie entweder höhere Verluste bewirken oder nur mit erhöhtem Verschaltungs- und Herstellungsaufwand erzeugt werden können. Ein weiter Nachteil ist hier, dass für mehr Resonatoren auf dem Chip auch eine größere Chipfläche notwendig ist. Fügt man zwei Serienresonatoren hinzu, ist implizit auch mindestens ein Parallelresonator mehr erforderlich, so dass insgesamt drei zusätzliche Resonatoren vorhanden sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Reaktanzfilter anzugeben, mit dem gezielt die rechte Flanke des Passbandes steiler gestaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Reaktanzfilter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Es wird ein Reaktanzfilter in an sich bekannter Ladder Type oder Lattice-Anordnung vorgeschlagen, welches zumindest einen Serienzweig umfasst, der einen Signaleingang mit einem Signalausgang verbindet. Das Reaktanzfilter weist außerdem zumindest einen Parallelzweig auf, der bei einem Ladder Type-Filter vom Serienzweig gegen Masse abzweigt beziehungsweise in einer Lattice-Anordnung die hier vorhandenen zwei seriellen Zweige miteinander verbindet. In jedem Parallelzweig ist ein Parallelresonator angeordnet und in jedem Serienzweig ist in dieser soweit bekannten Reaktanzfilteranordnung eine Mehrzahl von Serienresonatoren seriell verschaltet. Erfindungsgemäß ist nun parallel zu zumindest einem der Serienresonatoren ein Kondensator geschaltet. Dieser Parallelkondensator erhöht die wirksame statische Kapazität C₀ des Serienresonators und verändert dadurch das Verhältnis von dynamischer zu statischer Kapazität des Resonators. Während die Resonanzfrequenz des Serienresonators gemäß der Formel
ausschließlich von der dynamischen Kapazität C1 und der Induktivität des Resonators abhängig ist, weist die Antiresonanzfrequenz f_a gemäß der Formel
zusätzlich eine Abhängigkeit von dem genannten Verhältnis aus dynamischer zu statischer Kapazität auf. Mit der erfindungsgemäß erhöhten statischen Kapazität verringert sich auch die Antiresonanzfrequenz f_a, ohne dass sich dabei gleichzeitig die Lage der Resonanzfrequenz verändert. Damit reduziert sich die Kopplung des Resonators.
Da die Antiresonanzfrequenz f_a der Serienresonatoren, direkt die Position des rechten Filterpols (engl.: notch) bestimmt, bewirkt diese reduzierte Kopplung eine Verschiebung des Pols nach links zu niedrigeren Frequenzen, selbst wenn die Kopplungsreduktion an nur einem oder jedenfalls an nicht allen Serienresonatoren vorgenommen wird. Die Breite des Passbandes bleibt nahezu unverändert, da zumindest einer der Serienresonatoren, nicht aber alle Serienresonatoren einen parallel geschalteten Kondensator aufweisen. Effektiv wird dadurch die Steilheit der rechten Passbandflanke erhöht, ohne nennenswerte Einbußen bei der Bandbreite hinnehmen zu müssen. Mit der angegebenen Reaktanzfilteranordnung gelingt es, die Flankensteilheit um beispielsweise 1 dB/MHz zu erhöhen.
Der zu einem Serienresonator parallele Kondensator kann in einer beliebigen Technologie ausgeführt sein. Er kann als externer Kondensator mit den Resonatoren verschaltet werden.
Vorteilhaft ist es jedoch, den Kondensator integriert mit dem Reaktanzfilter herzustellen und dazu insbesondere gemeinsame Fertigungsschritte zu verwenden. Vorteilhaft ist es also, den Kondensator parallel zu dem oder den Resonatoren herzustellen.
Ein aus SAW Eintorresonatoren aufgebautes Reaktanzfilter besitzt Wandler, die eine Kapazität aufweisen. Ein zusätzlich erzeugter Wandler mit verändertem Elektrodenfingerabstand lässt daher bei Filtern aus SAW Eintorresonatoren als Kondensator nutzen.
Besonders vorteilhaft ist es aus den bereits erwähnten Gründen, ein Reaktanzfilter aus BAW-Resonatoren auszubilden. Diese weisen einen strukturierten Schichtaufbau über einem Substrat auf. Dieser Schichtaufbau umfasst zumindest eine Bottomelektrode, eine piezoelektrische Schicht und eine Topelektrode. Ein integriert mit dem Resonator hergestellter Kondensator nutzt dabei zumindest eine der Elektrodenschichten als eine Kondensatorelektrode. Der Kondensator weist beispielsweise eine Schichtfolge Metall 1/Dielektrikum/ Metall 2 auf, welche sich prinzipiell mit dem Schichtaufbau Bottomelektrode/piezoelektrische Schicht/Topelektrode realisieren lässt. Damit ein solcher Kondensator jedoch nicht ebenfalls als Resonator wirksam ist, sind hier jedoch weitere Maßnahmen erforderlich, um die Resonanzfrequenz des Kondensators in einen Bereich zu verschieben, der außerhalb des Passbandes des Reaktanzfilters liegt.
Eine weitere Möglichkeit, den Kondensator parallel zu den Struktureinheiten des Serienresonators herzustellen besteht darin, einen Serienresonator mit einem akustischen Spiegel zu verwenden, der zwischen Substrat und Serienresonator angeordnet ist. Der akustische Spiegel umfasst eine Hochimpedanzschicht, die aus Metall ausgebildet ist. Diese kann als eine Elektrodenschicht in der Schichtfolge für den Kondensatoraufbau verwendet werden.
Eine einfache Möglichkeit zur parallelen Strukturierung des Schichtaufbaus für die Resonatoren und der Schichtfolge für den Kondensator besteht darin, den Kondensator und die Resonatoren lateral nebeneinander in dem Schichtaufbau zu realisieren. Insbesondere kann dazu ein Resonatorbereich lateral neben einem Kondensatorbereich angeordnet sein. Im Resonatorbereich sind die Schichten und Schichtdicken so eingestellt, dass sie die entsprechende Resonanzfrequenz ergeben. Im lateral dazu angeordneten Kondensatorbereich hingegen wird die Schichtfolge für den Kondensator z. B. bezüglich der Schichtdicken so gestaltet, dass die Resonanzfrequenz des Kondensators außerhalb des Passbandes des Reaktanzfilters liegt. Möglich ist es jedoch auch, im Kondensatorbereich einzelne Schichten des Resonatorbereichs weg zulassen oder andere Schichten ausschließlich im Kondensatorbereich, z. B. oben auf die Topelektrode aufzubringen und so die Resonanzfrequenz dieses Kondensators in einen unkritischen Bereich zu verschieben.
Eine Möglichkeit, die Schichtfolge so zu verändern, dass sich die Resonanzfrequenz im Kondensatorbereich verschiebt, besteht darin, die Schichtdicke der Bottomelektrode im Kondensatorbereich zu verändern. Üblicherweise umfasst die Bottomelektrode eine Schicht eines Hartmetalls und eine Schicht eines Weichmetalls. Durch einen zusätzlichen Strukturierungsschritt kann dann im Kondensatorbereich eine dieser beiden Schichten entfernt werden, üblicherweise die obere Teilschicht der Bottomelektrode, die z. B. durch das Hartmetall gebildet sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführung werden die Topelektrode des Resonators und eine elektrisch leitfähige Schicht des akustischen Spiegels im Kondensatorbereich als Metall 1 und Metall 2 in der Schichtfolge für den Kondensator verwendet. Dazu wird die Bottomelektrode im Kondensatorbereich vollständig entfernt, so dass der Kondensator zwischen der Topelektrode und der Spiegelschicht gebildet ist.
Möglich ist es jedoch auch, den Kondensator zwischen Bottomelektrode und einer Hochimpedanzschicht des akustischen Spiegels auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass der Kondensator zum größten Teil oder gänzlich unterhalb des Resonators ausgebildet werden kann, ohne auf dem Substrat zusätzliche Fläche zu benötigen. Ein solcher Kondensator ist daher besonders einfach herstellbar und erhöht die Grundfläche des Bauelements nicht oder nur unwesentlich.
Im Reaktanzfilter ist der Kondensator parallel zu zumindest einem Serienresonator geschaltet. Dazu ist es erforderlich, die Kondensatorelektroden mit den entsprechenden Resonatorelektroden zu verbinden. Im Fall des Kondensators, der zwischen Bottomelektrode und Hochimpedanzschicht im akustischen Spiegel ausgebildet ist, wird dazu die Topelektrode mit der Hochimpedanz mittels einer Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden. Diese Durchkontaktierung ist vorzugsweise außerhalb des Resonatorbereichs angeordnet.
Vorteilhaft sind auch alle anderen Anordnungen, bei denen sich Kondensatorbereich und Resonatorbereich zumindest teilweise überlappen.
In einer bevorzugten Ausführung ist ein Kondensator parallel zu dem Serienresonator geschaltet, der dem Signaleingang am nächsten liegt. Zumindest einer der übrigen Serienresonatoren ist ohne parallel geschalteten Resonator ausgebildet. Eine parallel geschaltete Kapazität am Signaleingang kann bei vielen Konfigurationen die Anpassung an diesem Eingang erleichtern. Man braucht dann zum Beispiel eine kleinere Serieninduktivität um den Port an 50 Ohm anzupassen.
Bei einem erfindungsgemäßen Reaktanzfilter wird ein maximaler Effekt bezüglich einer steileren oberen Flanke erzielt, wenn die Kapazität des Kondensators im Bereich zwischen 1 und 50% und bevorzugt im Bereich von 3–30% der statischen Kapazität des Resonators liegt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Ebenso können einzelne Teile in der Größe verändert dargestellt sein, so dass den Figuren auch keine relativen Größenverhältnisse zu entnehmen sind.
1 zeigt ein an sich bekanntes Reaktanzfilter, welches aus Resonatoren aufgebaut ist,
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter mit einer externen Kapazität,
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter mit einer internen Kapazität,
4 zeigt einen Duplexer, der ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter umfasst,
5 zeigt einen aus dem Schichtaufbau des Reaktanzfilters realisierten Kondensator,
6 zeigt einen Serienresonator mit daran anschließendem Kondensator, bei dem sowohl der akustische Spiegel als auch der harte Teil der Bottomelektrode entfernt wurden,
7A und 7B zeigen im schematischen Querschnitt und im Ersatzschaltbild einen Serienresonator mit direkt verschaltetem Kondensator, der zwischen der Topelektrode, einer Hochimpedanzschicht und der Bottomelektrode ausgebildet ist,
8A und 8B zeigen eine Anordnung aus Serienresonator und einem zwischen der Bottomelektrode und einer Hochimpedanzschicht ausgebildeten Kondensator im schematischen Querschnitt und im Blockschaltbild,
9 zeigt die Übertragungskurven eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters im Vergleich zu einem bekannten ansonsten gleichartig aufgebauten Reaktanzfilter,
10 zeigt einen beispielhaften Schichtaufbau für einen BAW-Resonator, dessen Teilschichten zur Realisierung von Resonator und Kondensator verwendet werden kann.
1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes, auf einem Chip CH als Träger aus Resonatoren ausgebildetes Reaktanzfilter mit Ladder Type-Aufbau. Zwischen einem Signaleingang SE und einem Signalausgang SA ist ein Serienzweig SZ geschaltet. Von Knotenpunkten des Serienzweiges abgehend sind hier drei Parallelzweige PZ gegen ein Festpotenzial und insbesondere gegen Masse geschaltet. In jedem der Parallelzweige PZ ist ein Parallelresonator PR angeordnet. Der Serienzweig SZ umfasst eine Serienverschaltung von Serienresonatoren SR.
2 zeigt ein Reaktanzfilter, bei dem parallel zu einem Serienresonator SR ein Kondensator CAP geschaltet ist. Vorteile werden bereits erzielt, wenn ein einziger der Serienresonatoren SR parallel zu einem Kondensator geschaltet ist, wobei ein solcher Kondensator auch mehrere Serienresonatoren parallel überbrücken kann (in der Figur nicht dargestellt). Zumindest einer der Serienresonatoren bleibt demgegenüber unverändert.
Die Resonatoren SR, PR können in einer beliebigen Technologie gefertigt sein, da die Wirkungsweise des parallel zum Serienzweig geschalteten Kondensators eine elektrische ist und sich daher für alle bekannten Resonatoren anwenden lässt. Der Kondensator CAP ist wie in 2 dargestellt beispielsweise ein externer Kondensator, der als SMD Bauelement oder in anderer Technologie gefertigtes externes Schaltungselement mit dem Reaktanzfilter verschaltet sein kann. Reaktanzfilter und Kondensator können beispielsweise auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sein. Möglich ist es auch, einen diskreten Kondensator auf dem Chip des Reaktanzfilters zu montieren. Anstelle einen SMD Kondensator zu verwenden, kann die Kapazität auch in einer mehrlagigen Platine integriert sein.
Sämtliche Serienresonatoren SR und Parallelresonatoren PR des Reaktanzfilters können auf einem gemeinsamen Substrat, welcher beispielsweise als Chip CH ausgebildet ist, angeordnet sein. Wegen der unterschiedlichen Frequenzlage von Serienresonatoren und Parallelresonatoren kann es jedoch auch vorteilhaft sein, Serienresonatoren und Parallelresonatoren auf unterschiedlichen Substraten oder Chips zu realisieren.
3 zeigt ein Reaktanzfilter, bei dem der Kondensator CAP auf dem Chip CH des Reaktanzfilters integriert ist. Zusätz lich ist angedeutet, dass zwei der Parallelzweige auf oder außerhalb des Chips zu einem gemeinsamen Zweig verbunden und mittels eines Impedanzelements IE, insbesondere einer Induktivität mit Masse verschaltet werden können. Auf diese Weise gelingt es, die mit den Parallelresonatoren erzeugten Polstellen des Reaktanzfilters zu verschieben.
4 zeigt eine vorteilhafte Anwendung für ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter. Aufgrund dessen steiler oberer Flanke kann dieses Reaktanzfilter insbesondere in einem Duplexer zur Ausbildung des Sendefilters SF eingesetzt werden. Die obere Flanke des Passbandes des Sendefilters weist zu der unteren Flanke des Passbandes des Empfangsfilters EF, so dass die beiden Filter des Duplexers durch die steilere obere Flanke des Passbandes des Sendefilters SF besser gegeneinander isoliert sind. Beide Filter sind mit der Antenne A verbunden. Nicht dargestellt ist ein Anpassnetzwerk, beispielsweise eine Lambdavierteltransmissionsleitung, mit der verhindert wird, dass beispielsweise Sendesignal vom Signalausgang des Sendefilters SF in das Empfangsfilter EF einkoppeln.
5 zeigt, wie ein Schichtaufbau, der typischerweise zur Herstellung von BAW-Resonatoren genutzt wird, erfindungsgemäß und in einfacher Weise auch zur Herstellung des Kondensators mittels Prozessschritten gefertigt werden kann, die auch zur Herstellung von BAW-Resonatoren eingesetzt werden. Daher ist es möglich, bei BAW-Resonatoren die Herstellung des Kondensators CAP in einfacher Weise in den Fertigungsprozess der BAW-Resonatoren zu integrieren.
Ein solcher Schichtaufbau umfasst beispielsweise ein Substrat SU, eine erste Metallschicht M1, die die Bottomelektrode der BAW-Resonatoren darstellt, ein Dielektrikum D, welches die piezoelektrische Schicht im Schichtaufbau der BAW-Resonatoren sein kann, sowie eine zweite Metallschicht M2, wozu die Topelektrode verwendet werden kann.
Der aus der Schichtfolge erstes Metall M1/Dielektrikum D/zweites Metall M2 gebildete Kondensator CAP wird über entsprechende Anschlüsse T1, T2 angeschlossen. Die z. B. direkt auf dem Substrat oder auf einer darüber aufgebrachten Isolationsschicht aufliegende erste Metallschicht kann über eine Durchkontaktierung DK durch das Dielektrikum hindurch angeschlossen werden. Zur besseren Verbindung mit dem Elektrodenmaterial kann im Bereich der Durchkontaktierung lokal ein weiteres Metall auf der ersten Metallschicht M1 aufgebracht sein, hier insbesondere eine Hartmetallschicht HM. Mittels dieser Durchkontaktierung DK ist es möglich, beide Anschlüsse des Kondensators CAP auf der Oberfläche des Schichtaufbaus vorzusehen, wo sie besonders einfach angeschlossen oder mit einer externen Schaltungsumgebung verbunden werden können.
Der in der 5 dargestellte Kondensator kann an einer beliebigen Stelle auf dem Substrat eines BAW-Resonators beziehungsweise auf dem Substrat eines aus BAW-Resonatoren aufgebauten Reaktanzfilters realisiert sein. In der dargestellten Form kann der Kondensator CAP abseits des Resonatorbereichs realisiert sein.
Vorteilhaft ist es jedoch, den Kondensator CAP unmittelbar an einem Resonator anschließend und insbesondere anschließend an den mit ihm verbundenen Serienresonator SR auszubilden. 6 zeigt eine Möglichkeit, durch entsprechende Strukturierung der Bottomelektrode BE zwischen dem Bereich des Serien resonator SR (Resonatorbereich) und dem Bereich des Kondensators CAP (Kondensatorbereich) zu unterscheiden.
Die Bottomelektrode umfasst zwei Metallschichten, nämlich eine untere Weichmetallschicht WM und eine darüber angeordnete Hartmetallschicht HM. Durch Entfernen der Hartmetallschicht HM im Kondensatorbereich KB gelingt es, diesen mit anderen Resonanzeigenschaften als den Resonatorbereich RB auszubilden, so dass im Kondensator eine vom Serienresonator unterschiedliche Resonanzfrequenz erzielt wird. Daher wirkt der Kondensator CAP im Bereich der Mittenfrequenz des Reaktanzfilters ausschließlich über seine Kapazität und daher nicht als Resonator, da seine Resonanzfrequenz außerhalb der für das Passband des Reaktanzfilters maßgeblichen Frequenzen liegt. Bei diesem Aufbau kann die Weichmetallschicht, die Teil der Bottomelektrode BE ist, als erste Metallschicht M1 des Kondensators und die Topelektrode TE als zweite Metallschicht M2 des Kondensators eingesetzt werden. Die piezoelektrische Schicht PS des Serienresonators beziehungsweise des BAW-Schichtaufbaus wirkt im Kondensatorbereich KB als Dielektrikum.
Natürlich ist es auch mit anderen Mitteln möglich, im Kondensatorbereich KB eine Resonanz zu vermeiden, die im Bereich des Passbandes des Reaktanzfilters liegt. So kann insbesondere die Schichtdicke des Dielektrikums D der piezoelektrischen Schicht PS im Kondensatorbereich KB verändert und insbesondere reduziert werden.
In der Figur ist außerdem ein akustischer Spiegel AS dargestellt, der unterhalb der Bottomelektrode BE angeordnet ist. Dieser umfasst alternierend aus Nieder- und Hochimpedanzschichten HI, die aus entsprechenden Materialien mit hoher und niedriger akustischer Impedanz gefertigt sind. Insbesondere bestehen die Hochimpedanzschichten HI aus einem schweren Metall und sind daher elektrisch leitend. Als dazwischen liegende Niederimpedanzschicht ist üblicherweise ein Dielektrikum und insbesondere ein Oxid eingesetzt. Die Teilschichten des akustischen Spiegels AS können Lambdaviertelschichten einer gegebenen Wellenlänge sein, so dass an den Grenzflächen zwischen den Teilschichten akustische Wellen im Bereich dieser Wellenlänge in den Resonator zurück reflektiert werden können.
In der 6 ist dargestellt, dass der akustische Spiegel sich nur über den Resonatorbereich RB erstreckt, beziehungsweise dass die Hochimpedanzschichten HI im Kondensatorbereich KB ausgespart sind. Für diese Ausführung ist es jedoch auch möglich, dass der akustische Spiegel ganzflächig und damit auch im Kondensatorbereich angeordnet ist.
7A zeigt eine Möglichkeit, den Kondensatorbereich zwischen der Topelektrode TE und einer der Hochimpedanzschichten HI des akustischen Spiegels AS auszubilden. Dazu ist im Kondensatorbereich KB die Bottomelektrode entfernt, so dass Topelektrode und Hochimpedanzschicht HI1 nur durch die piezoelektrische Schicht PS und das Dielektrikum D des akustischen Spiegels AS getrennt sind. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sich zwischen der Hochimpedanzschicht HI1 und der Bottomelektrode BE ein weiterer Kondensator CAP2 ausbildet, der mit dem ersten Kondensator CAP1 im Kondensatorbereich KB in Serie geschaltet ist. Auf diese Weise kann eine direkte Kontaktierung der Hochimpedanzschicht HI1 eingespart werden, da die Hochimpedanzschicht HI1 eine floatende Elektrode in der Serienverschaltung der beiden Kondensatoren CAP1 und CAP2 darstellt. 7B zeigt das Ersatzschaltbild der in 7A im Querschnitt gezeigten Anordnung, die wiederum nur einen Teil eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters darstellt, wie es z. B. in einer der 2 bis 4 dargestellt ist.
8A zeigt eine weitere Möglichkeit, den Kondensator im Schichtaufbau eines BAW-Resonators zu realisieren. In der dargestellten Variante von 8A ist der Kondensator CAP zwischen der Hochimpedanzschicht HI des akustischen Spiegels und der Bottomelektrode BE des Serienresonators SR ausgebildet. Dabei ist der Kondensator direkt unterhalb des Serienresonators angeordnet und benötigt keine zusätzliche Fläche. An einer Stelle ist lediglich eine Durchkontaktierung DK zum elektrischen Anschluss der Hochimpedanzschicht HI ausgeführt, um dadurch die zweite Elektrode des Kondensators elektrisch zu kontaktieren. Diese Ausführung ist besonders Platz sparend und erfordert zur Herstellung einen nur geringen Strukturierungsaufwand. In der Durchkontaktierung DK ist die Topelektrode elektrisch leitend mit der Hochimpedanzschicht HI verbunden.
8B zeigt das Ersatzschaltbild der Anordnung, welche wiederum einen Teilausschnitt eines Blockschaltbilds eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters bildet, wie es z. B. in einer der 2 bis 4 dargestellt ist.
Der gewünschte Effekt der Versteilerung der rechten Flanke wird mit jedem zusätzlichen Kapazitätswert erreicht, der durch Parallelschaltung mit dem Serienresonator dessen statische Kapazität erhöht. Ein guter Effekt und eine ausreichende Versteilerung der oberen Passbandflanke des Reaktanzfilters wird mit einem Kondensator erreicht, dessen Kapazität im Bereich von 3–30% der statischen Kapazität des Serienresonators liegt.
In der 9 ist die simulierte Übertragungskurve K1 (S21) eines erfindungsgemäß gemäß 3 ausgebildeten Reaktanzfilters mit der simulierten Übertragungskurve K2 eines gemäß 1 ausgebildeten bekannten Reaktanzfilters verglichen. Der Kondensator des erfindungsgemäßen Reaktanzfilters weist eine Kapazität von 0,32 pF auf, während die statische Kapazität des seriellen Resonators bei ca. 1,2 pF liegt. Es zeigt sich, dass sich die rechte Flanke des Passbandes beim erfindungsgemäßen Reaktanzfilters um zirka 0,7 dB/MHz versteilert. Die Steigung der Kurve K1 beträgt 4,7 dB/MHz, die Steigung der Kurve K2 des bekannten Filters beträgt 4,0 dB/MHz. Im übrigen Bereich des Passbandes sind beide Kurven nahezu deckungsgleich. Das zeigt, dass durch die zusätzliche parallel zum Serienresonator geschaltete Kapazität CAP andere Filtereigenschaften nicht oder nur unwesentlich betroffen sind.
In der Figur rechts unten ist ein Ausschnitt des unteren Teils der Roll-off-Flanke für beide Kurven K1, K2 vergrößert dargestellt. Die steilere Kurve K1 des erfindungsgemäßen Reaktanzfilters erreicht früher ein vorgegebenes Isolationsniveau, so dass das Passband stärker gegen benachbarte Frequenzen abgegrenzt ist. Demnach ist es besonders vorteilhaft, wenn das Filter als Sendefilter in einem Duplexer mit höher liegendem Empfangsband eingesetzt wird, insbesondere in einem Duplexer mit niedrigem Bandabstand, wie es beispielsweise das in den USA verwendete PCS-Band der Fall ist.
10 zeigt nochmals schematisch einen möglichen kompletten Schichtaufbau SAB, wie er bei der Herstellung von BAW-Resonatoren eingesetzt werden kann. Als Substrat SU dient üblicherweise ein kristallines Material, insbesondere ein Siliziumwafer. Bei der Aufbauvariante als SMR-Resonator (SMR = Surface Mounted Resonator) ist direkt über dem Substrat SU ein akustischer Spiegel AS aufgebaut, welcher eine alternierende Abfolge von Hochimpedanzschichten HI und Niederimpedanzschichten LI umfasst. Ein ausreichend funktionsfähiger akustischer Spiegel AS wird mit zwei Paaren von Hochimpedanz- und Niederimpedanzschichten erhalten. Als Hochimpedanzschichten werden insbesondere schwere Metalle wie Wolfram, Platin oder Molybdän eingesetzt, während die Niederimpedanzschichten produktionsbedingt üblicherweise ein in der Halbleitertechnologie eingesetztes Oxid, insbesondere Siliziumoxid sein kann.
Über dem akustischen Spiegel ist die Bottomelektrode BE angeordnet. Diese kann mehrschichtig sein und insbesondere eine Weichmetallschicht WM und darüber eine Hartmetallschicht HM aufweisen. Als Weichmetall ist beispielsweise Aluminium geeignet, als Hartmetall HM dagegen wieder Molybdän und Wolfram.
Über der Bottomelektrode BE ist die piezoelektrische Schicht PS angeordnet. Diese ist üblicherweise homogen und vorteilhaft aus einem piezoelektrischen Material wie Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder ähnlichen Materialien aufgebaut.
Über der piezoelektrischen Schicht PS ist die Topelektrode TE aufgebracht, welche ein- oder mehrschichtig sein kann. In der einfachsten Variante ist die Topelektrode TE eine Aluminium schicht. Sie kann aber wie die Bottomelektrode ebenfalls aus einem schweren Metal ausgebildet werden.
Innerhalb dieses möglichen Schichtaufbaus SAB für die BAW-Resonatoren können nun zwei beliebige elektrisch leitende Schichten zum Aufbau des erfindungsgemäß eingesetzten Kondensators CAP genutzt werden. Vorteilhaft werden zwei elektrisch leitende Schichten verwendet, die im Schichtaufbau SAB einen nur geringen Abstand zueinander aufweisen.
Die Einstellung der Kapazität des Kondensators CAP gelingt über entsprechende Strukturierung einer der beiden für den Kondensator verwendeten elektrisch leitenden Schichten (Elektroden- oder Spiegelschichten). Werden für den Kondensator CAP Teilschichten des Resonators wie Topelektrode, piezoelektrische Schicht und Bottomelektrode eingesetzt, so wird dieser Schichtaufbau im Kondensatorbereich KB bezüglich zumindest einer der Schichten variiert, um die Resonanzfrequenz entsprechend zu verschieben. Dies kann auch die Topelektrode TE sein.
Das erfindungsgemäße Reaktanzfilter ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Erfindung ist technologieunabhängig, wird jedoch vorteilhaft mit BAW-Resonatoren und in den Schichtaufbau der BAW-Resonatoren integriertem Kondensator realisiert.
Ein erfindungsgemäßes Filter kann sich von den dargestellten Reaktanzfiltern bezüglich der Anzahl der Serienresonatoren, der Parallelresonatoren und der parallel geschalteten Kondensatoren unterscheiden. Zusätzlich kann das Reaktanzfilter mit weiteren Impedanzelementen verschaltet sein, insbesondere mit Induktivitäten oder Kapazitäten. Teile der Resonatoren eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters können durch andere Impedanzelemente ersetzt sein. In der Verschaltung können einzelne Elemente wie Resonatoren auch durch eine Serien- oder Parallelverschaltung von zwei oder mehreren gleichartigen Elementen ersetzt werden, ohne dass dadurch die Eigenschaften des Filters verschlechtert werden.
Weiterhin kann das Reaktanzfilter auch auf Membran-basierten BAW Resonatoren aufgebaut sein. In diesem Fall gibt es keinen akustischen Spiegel, aber die Frequenzverschiebung des Kondensatorbereichs kann wie zuvor beschrieben durch Ätzung oder Dünnung der harten Bottomelektrodenschicht bewerkstelligt werden. Alternativ dazu kann im Kondensatorbereich auch eine zusätzliche Schicht auf der Topelektrode abgeschieden werden.

A: Antenne
AS: akustischer Spiegel
BE: Bottomelektrode des Serienresonators
CAP: Kondensator
CH: Chip
D: Dielektrikum
DK: Durchkontaktierung
EF: Empfangsfilter
HI: Hochimpedanzschicht des akustischen Spiegels, elektrisch leitend
HM: Hartmetall-Schicht der Bottomelektrode
IE: Impedanzelement
K1, K2: Übertragungskurven
KB: Kondensatorbereich
NI: Niederimpedanzschicht
PR: Parallelresonator
PS: piezoelektrische Schicht
PZ: Parallelzweig
RB: Resonatorbereich
SA: Signalausgang
SAB: Schichtaufbau für Resonator (und Kondensator)
SE: Signaleingang
SF: Sendefilter
SR: Serienresonator
SU: Substrat
SZ: Serienzweig
T1, T2: Anschlüsse
TE: Topelektrode des Serienresonators
WM: Weichmetall-Schicht der Bottomelektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1196991 A1 [0001]
- EP 1407546 A1 [0002, 0005]

Claims

Reaktanzfilter – mit einem Serienzweig, der einen Signaleingang mit einem Signalausgang verbindet – mit zumindest einem Parallelzweig, der vom Serienzweig gegen Masse abzweigt, wobei in jedem Parallelzweig ein Parallelresonator angeordnet ist – mit zwei oder mehr Serienresonatoren, die im Serienzweig seriell verschaltet sind – bei dem im Serienzweig parallel zu einem der Serienresonatoren ein Kondensator geschaltet ist.
Reaktanzfilter nach Anspruch 1, bei dem die Resonatoren als BAW Resonatoren ausgebildet und als strukturierter Schichtaufbau auf einem Substrat realisiert sind.
Reaktanzfilter nach Anspruch 2, – bei dem zwischen dem Kondensator und dem Substrat eine Isolationsschicht angeordnet ist, wobei der Kondensator eine Schichtfolge Metall 1/Dielektrikum/Metall 2 umfasst, – wobei für zumindest eine der beiden Metallschichten in der Schichtfolge eine Teilfläche einer Elektrodenschicht des Serienresonators verwendet ist.
Reaktanzfilter nach Anspruch 3, – bei dem auf dem Substrat ein akustischer Spiegel und darüber der Serienresonator aufgebracht ist, – bei dem der akustische Spiegel eine Hochimpedanzschicht aus Metall umfasst, – wobei für zumindest eine der beiden Metallschichten in der Schichtfolge die Hochimpedanzschicht verwendet ist.
Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2–4, wobei der Kondensator und alle Resonatoren, ausgewählt aus Serienresonator und Parallelresonator, nebeneinander in dem Schichtaufbau realisiert sind.
Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2–5, – bei dem sich der Schichtaufbau in einen Resonatorbereich und einen lateral dazu angeordneten Kondensatorbereich aufteilt – bei dem im Resonatorbereich über einer Bottomelektrode eine piezoelektrische Schicht und darüber eine Topelektrode vorgesehen sind, – bei dem die Bottomelektrode aus einer Schicht eines Hartmetalls und einer Schicht eines Weichmetalls zusammengesetzt ist, – bei dem im Kondensatorbereich eine der beiden Schichten aus Hartmetall oder Weichmetall entfernt ist.
Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2–6, – bei dem der Schichtaufbau unterhalb der Bottomelektrode einen akustischen Spiegel mit einer elektrisch leitenden Hochimpedanzschicht umfasst, – bei dem die Bottomelektrode im Kondensatorbereich vollständig entfernt ist, so dass der Kondensator zwischen der Topelektrode und der Hochimpedanzschicht gebildet ist.
Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2–6, – bei dem der Schichtaufbau unterhalb der Bottomelektrode einen akustischen Spiegel mit einer elektrisch leitenden Hochimpedanzschicht umfasst, – bei dem der Kondensator zwischen der Bottomelektrode und der Hochimpedanzschicht gebildet ist.
Reaktanzfilter nach Anspruch 8, bei dem die Topelektrode und die Hochimpedanzschicht über eine Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden sind, die außerhalb des Resonatorbereichs angeordnet ist.
Reaktanzfilter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem Kondensatorbereich und Resonatorbereich zumindest teilweise überlappen.
Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2–10, – bei dem der Kondensator parallel zu dem Serienresonator geschaltet ist, der dem Signaleingang am nächsten liegt, – bei dem zumindest einer der übrigen Serienresonatoren ohne parallel geschalteten Kondensator ausgebildet ist.
Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem der Kondensator eine Kapazität zwischen 1 und 50% der statischen Kapazität des zugehörigen Serienresonators aufweist.
Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem die Resonanzfrequenz des Kondensators gegenüber dem Resonator durch eine auf die Topelektrode des Kondensators aufgebrachte Schicht verschoben ist.
Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem die Resonanzfrequenz des Kondensators gegenüber dem Resonator dadurch verschoben ist, dass der Kondensator eine Schicht weniger als der Resonator aufweist.
Verwendung eines Reaktanzfilters nach einem der Ansprüche 1–14 als Sendefilter in einem Duplexer für ein CDMA oder ein WCDMA Mobilfunksystem.
Verwendung eines Reaktanzfilters nach einem der Ansprüche 1–14 als Sendefilter in einem Duplexer für das PCS Mobilfunksystem.
Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Duplexer das genannte Reaktanzfilter als Sendefilter und ein weiteres Filter als Empfangsfilter umfasst, die auf getrennten Substraten ausgebildet sind.