DE102009038452A1

DE102009038452A1 - Einzelkavitätsakustikresonatoren und elektrische Filter enthaltend Einzelkavitätsakustikresonatoren

Info

Publication number: DE102009038452A1
Application number: DE102009038452A
Authority: DE
Inventors: Paul Los Altos Bradley; David A. Newark Feld
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2029-08-22
Also published as: TWI394365B; TW201025846A; US20100052815A1; US7889024B2; DE102009038452B4

Abstract

Ein Einzelkavitätsakustikresonator umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode, welche zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Der Einzelkavitätsakustikresonator enthält auch: eine erste piezoelektrische Schicht, welche angeordnet ist zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode und eine erste C-Achse aufweist mit einer Orientierung; und eine zweite piezoelektrische Schicht, welche angeordnet ist zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode und eine zweite C-Achse aufweist mit einer Orientierung parallel zu der ersten C-Achse. Eine Anwendung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals bei einer Antriebsfrequenz an entweder die dritte Elektrode oder an die erste und zweite Elektrode resultiert in einer Resonanz des Einzelkavitätsakustikresonators bei zweimal einer Grundresonanzfrequenz und einer Auslöschung von im Wesentlichen allen Mischprodukten gerader Ordnung in dem Einzelkavitätsresonator. Ein elektrischer Filter und ein Duplexer werden ebenfalls beschrieben.

Description

Hintergrund
Akustikresonatoren, welche auf den piezoelektrischen Eigenschaften von bestimmten Materialien basieren, sind in vielen technischen Gebieten allgegenwärtig. Zum Beispiel werden Filmvolumenakustikresonatoren (Film Bulk Acoustic Resonators, FBARs) in Kommunikationsvorrichtungen für elektrische Filter und in elektrischen Vorrichtungen für Spannungswandler verwendet, um nur einige Anwendungen zu nennen. FBAR-Vorrichtungen erzeugen sowohl longitudinale Wellen und laterale (oder transversale) Wellen, wenn sie durch ein angelegtes zeitlich variierendes elektrisches Feld stimuliert werden. Zusätzlich können harmonische Mischprodukte höherer Ordnung erzeugt werden. Wie bekannt ist, sind die lateralen Moden und die harmonischen Mischprodukte höherer Ordnung oft nicht erwünscht und können einen schädlichen Einfluss auf die Funktionalität der FBAR-basierten Vorrichtung haben.
Ein Typ von elektrischer Filteranwendung für FBARs ist ein Durchlassbandfilter, welcher in Duplex-Kommunikationen verwendet wird. Wie es einem Fachmann bekannt ist, werden Duplex-Filter verwendet zum Bereitstellen einer Isolation zwischen einer Sendefunktion eines Duplexers und einer Empfangsfunktion des Duplexers. Folglich werden zwei Filter bereitgestellt, und jeder ist ausgebildet zum Arbeiten innerhalb bestimmter Spezifikationen, welche die beschriebene Durchlassbandübertragung, Außerbanddämpfung und Rolloff enthalten, um einige allgemeine Spezifikationen zu nennen.
Eine bestimmte Spezifikation ist die sogenannte „3rd Generation” (3G) Spezifikation, die unter dem universellen mobilen Telekommunikationssystem (UMTS) angeboten wird. Die 3G-Spezifikation enthält ein Quadbanderfordernis, welches mobilen Kommunikationsvorrichtungen (zum Beispiel Zellulartelefonen, persönlichen digitalen Assistenten (PDAs) und tragbaren Computern) erlaubt, leichter zwischen verschiedenen Ländern, welche die erlaubte Übertragungsfrequenz bei verschiedenen Werten unterstützen, zu roamen oder um eine bessere Abdeckung in demselben Land zu erlauben.
Eine Schwierigkeit in dem sich widmen der Signalfilterung (zum Beispiel Duplex-Filterung) in der 3D-Spezifikation sind Harmonische höherer Ordnung, die in dem piezoelektrischen Material aufgrund von nicht-linearen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials erzeugt werden. Diese Harmonische höherer Ordnung erzeugen Modenmischprodukte höherer Ordnung, welche sowohl von Mischprodukten von longitudinalen Moden- und lateralen Modenmischprodukten resultieren können. Leider erzeugen bekannte akustische Filter diese Mischprodukte bei Frequenzen und Leistungspegeln, die durch die 3G-Spezifikation nicht erlaubt sind.
Bestimmte Versuche wurden unternommen zum Reduzieren der Mischprodukte. Ein Versuch liefert separate FBARs, welche verbunden sind in einem Bemühen, bestimmte Moden höherer Ordnung auszulöschen. Jedoch gibt es für diesen bekannten Versuch Nachteile. Vor allem ist die Auslöschung schlecht bei bestimmten Frequenzbereichen, wo parasitäre laterale Moden gefunden werden. Darüber hinaus ist der Qualitäts(Q)-Faktor in diesen separaten FBAR-Konfigurationen verglichen mit bekannten FBARs verschlechtert. Die Verschlechterung in dem Q-Faktor ist manifestiert in einer Verschlechterung in dem Einfügeverlust in dem Durchlassband der separaten FBAR-Vorrichtungen.
Folglich ist die Performance eines Filters, welcher auf solch einer Vorrichtung basiert, oft inakzeptabel. Darüber hinaus resultieren die mehrfachen separaten FBAR-Vorrichtungen in einer vergrößerten Chipfläche für den Filter. Dies erhöht nicht nur die Größe des Filters, sondern resultiert auch in einer Erhöhung der Kosten der Herstellung des Filters. Beide, erhöhte Chipflächengröße und erhöhte Herstellungskosten sind unerwünscht.
Es gibt daher ein Bedürfnis für einen Akustikresonator und einen Filter, welcher mindestens den Nachteil von bekannten Resonatoren und Filtern, wie er oben beschrieben ist, beseitigt.
Zusammenfassung
In einer repräsentativen Ausführungsform umfasst ein Einzelkavitätsakustikresonator: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode, welche zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Der Einzelkavitätsakustikresonator umfasst auch: eine erste piezoelektrische Schicht, welche zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode angeordnet ist und eine erste C-Achse mit einer Orientierung aufweist; und eine zweite piezoelektrische Schicht, welche zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist und eine zweite C-Achse aufweist mit einer Orientierung parallel zu der ersten C-Achse. Die Anwendung eines zeitlich variierenden elektrischen Signals bei einer Antriebsfrequenz an entweder die dritte Elektrode und an die erste und zweite Elektrode resultiert in einer Resonanz des Einzelkavitätsakustikresonators beim Zweifachen einer Grundresonanzfrequenz und einer Auslöschung von im Wesentlichen allen Mischprodukten gerader Ordnung in dem Einzelkavitätsakustikresonator.
In einer anderen repräsentativen Ausführungsform umfasst ein elektrischer Filter einen Einzelkavitätsakustikresonator. Der Einzelkavitätsakustikresonator umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode, welche zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Der Einzelkavitätsakustikresonator umfasst auch: eine erste piezoelektrische Schicht, welche angeordnet ist zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode und eine erste C-Achse mit einer Orientierung aufweist; und eine zweite piezoelektrische Schicht, welche zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist und eine zweite C-Achse aufweist mit einer Orientierung parallel zu der ersten C-Achse. Die Anwendung eines zeitlich variierenden elektrischen Signals bei einer Antriebsfrequenz an entweder die dritte Elektrode oder an die erste und zweite Elektrode resultiert in einer Resonanz des Einzelkavitätsakustikresonators beim Zweifachen einer Grundresonanzfrequenz und einer Auslöschung von im Wesentlichen allen Mischprodukten gerader Ordnung in dem Einzelkavitätsakustikresonator.
In einer nochmals anderen repräsentativen Ausführungsform umfasst ein Duplexer einen Sendefilter; und einen Empfangsfilter. Der Sendefilter und der Empfangsfilter enthalten jeweils: einen Einzelkavitätsakustikresonator. Der Einzelkavitätsakustikresonator umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode, welche zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Der Einzelkavitätsakustikresonator umfasst auch: eine erste piezoelektrische Schicht, welche zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode angeordnet ist und eine erste C-Achse aufweist mit einer Orientierung; und eine zweite piezoelektrische Schicht, welche zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und eine zweite C-Achse aufweist mit einer Orientierung parallel zu der ersten C-Achse. Eine Anwendung eines zeitlich variierenden elektrischen Signals bei einer Antriebsfrequenz an entweder die dritte Elektrode oder die erste und zweite Elektrode resultiert in einer Resonanzfrequenz des Einzelkavitätsakustikresonators beim Zweifachen einer Grundresonanzfrequenz und einer Auslöschung von im Wesentlichen allen Mischprodukten gerader Ordnung in dem Einzelkavitätsakustikresonator.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegenden Lehren werden am besten verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese mit den begleitenden Zeichnungsfiguren gelesen wird. Die Merkmale sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. Wo immer es praktikabel ist, beziehen sich ähnliche Bezugszahlen auf ähnliche Merkmale.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Einzelkavitätsakustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
2A ist ein Graph von H2-Signalleistung (dBm) versus Antriebsfrequenz für einen Einzelkavitätsakustikresonator einer repräsentativen Ausführungsform und einen bekannten Akustikresonator über einen interessierenden Frequenzbereich.
2B ist ein Graph von H2-Signalleistung (dBm) versus Antriebsfrequenz für zwei bekannte Akustikresonatoren über einen interessierenden Frequenzbereich.
3A ist eine Querschnittsansicht der Reihenresonatoren eines Leiterfilters (dargestellt in vereinfachter schematischer Ansicht in 3B) enthaltend eine Vielzahl von Einzelkavitätsresonatoren gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
3B ist eine vereinfachte schematische Ansicht eines Leiterfilters enthaltend eine Vielzahl von Einzelkavitätsresonatoren gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
4 ist eine vereinfachte schematische Ansicht eines Duplexers enthaltend einen Sende(TX)-Filter und einen Empfangs(RX)-Filter, jeweils enthaltend einen Einzelkavitätsresonator gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
5 ist eine graphische Darstellung von ausgewählten S-Parametern versus Frequenz eines Duplexers von denen jeder einen Sende(TX)-Filter und einen Empfangs(RX)-Filter aufweist, von denen jeder einen Einzelkavitätsresonator gemäß einer repräsentativen Ausführungsform aufweist.
Definierte Terminologie
Wie hierin verwendet, definieren die Ausdrücke „ein” oder „eine” wie hierin verwendet ein oder mehr als ein.
Zusätzlich zu ihrer üblichen Bedeutung bedeuten die Ausdrücke „wesentlich” oder „im Wesentlichen” innerhalb akzeptabler Grenzen oder Grade für einen Fachmann. Zum Beispiel bedeutet „im Wesentlichen ausgelöscht”, dass ein Fachmann die Auslöschung als akzeptabel betrachten würde.
Zusätzlich zu ihren üblichen Bedeutungen bedeutet der Ausdruck „ungefähr” als innerhalb akzeptabler Grenzen oder Menge für einen Fachmann. Zum Beispiel bedeutet „ungefähr dasselbe”, dass der Fachmann die Gegenstände als dasselbe vergleichen würde.
Detaillierte Beschreibung
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden zum Zwecke der Erläuterung und nicht der Beschränkung repräsentative Ausführungsformen, welche spezifische Details offenbaren, dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Lehren zu liefern. Beschreibungen von bekannten Vorrichtungen, Materialien und Herstellungsverfahren werden weggelassen, um eine Verschleierung der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen zu vermeiden. Nichtsdestoweniger können solche Vorrichtungen, Materialien und Verfahren, die innerhalb des Bereiches eines Fachmanns liegen, im Einklang mit den repräsentativen Ausführungsformen verwendet werden.
Die vorliegenden Lehren sind primär gerichtet auf einen Einzelkavitätsakustikresonator, einen elektrischen Filter und einen Duplexer. Bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren bauen auf Komponenten von FBAR-Vorrichtungen, FBAR-basierten Filtern, ihren Materialien und Verfahren zur Herstellung auf. Viele Details von FBARs, Materialien davon und deren Methoden der Herstellung können gefunden werden in einem oder mehreren der folgenden US-Patente und Patentanmeldungen: US Pat. No. 6,107,721 , von Lakin; US Patente 5,587,620 , 5,873,153 und 6,507,983 von Ruby et al.; US-Patentanmeldung Nr. 11/443,954, betitelt mit „Piezoelectric resonator structures and electrical filters” von Richard C. Ruby et al.; US-Patentanmeldung 10/990,201, betitelt „Thin-film bulk acoustic resonator with mass loaded perimeter” von Hongjun Feng et al.; und US-Patentanmeldung 11/713,726, betitelt „Piezoelectric resonator structures and electrical filters having frame elements” von Jamneala et al.; und US-Patentanmeldung Nr. 11/159,753, betitelt „Acoustic resonator performance enhancing using alternating frame structure” von Richard C Ruby et al. Die Offenbarungen dieser Patente und Patentanmeldungen werden hierin spezifisch durch Bezugnahme eingeschlossen. Es wird hervorgehoben, dass Komponenten, Materialien und Herstellungsverfahren, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben sind, repräsentativ sind und andere Verfahren der Herstellung und Materialien innerhalb des Bereichs eines Fachmanns in Erwägung gezogen werden.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Einzelkavitätsakustikresonators („Resonator”) 100 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Der Resonator 100 umfasst eine erste Elektrode 101, eine zweite Elektrode 102 und eine dritte Elektrode 103. Eine erste piezoelektrische Schicht 104 ist angeordnet zwischen der ersten Elektrode 101 und der dritten Elektrode 103; und eine zweite piezoelektrische Schicht 105 ist angeordnet zwischen der zweiten Elektrode 102 und der dritten Elektrode 103. Die erste Elektrode 101 umfasst eine äußere Oberfläche 106 und die zweite Elektrode 102 umfasst eine äußere Oberfläche 107. Die Materialien und Dicken der Elektroden 101–103 und piezoelektrischen Schichten 104, 105 sind ausgewählt, so dass eine einzige akustische resonierende Kavität zwischen den äußeren Oberflächen 106, 107 bereitgestellt ist.
Wie hierin vollständiger beschrieben wird, sind die Materialien und Dicken des FBAR-Stapels, welche den Einzelkavitätsresonator bilden, ausgewählt, so dass eine gewünschte Grundlongitudinalmode durch den Einzelkavitätsresonator unterstützt wird. Zusätzlich wird angemerkt, dass in einer repräsentativen Ausführungsform die ersten und zweiten Elektroden 101, 102 im Wesentlichen dieselbe Dicke haben und die dritte Elektrode 103 ungefähr doppelt so dick ist wie jede der ersten oder zweiten Elektroden 101, 102. Obwohl es nicht erforderlich ist, können Verbesserungen in dem Kopplungskoeffizient der dritten Elektrode 103 realisiert werden durch Auswählen dieser Dicken.
Wie von den Fachleuten geschätzt werden sollte, erfordert der Resonator 100 der vorliegend beschriebenen Ausführungsformen und Filter und Vorrichtungen (zum Beispiel Duplexer), welche den Resonator 100 aufweisen, weniger Fläche als viele bekannte Vorrichtungen. Im besonderen Maße sind viele FBARs bekannter Technologie oft verbunden oder kaskadiert über ein gemeinsames Substrat und erfordern folglich signifikant mehr Chip „Grundbesitz” als erforderlich ist für den Resonator 100 der vorliegenden Lehren. Diese Reduktion in der Fläche überträgt sich auf Vorrichtungen, welche die Resonatoren 100 aufnehmen. Eine Reduktion im Raumerfordernis ist allgemein in der Mikroelektronik ein klarer Vorteil. In einer repräsentativen Ausführungsform liefert der Resonator 100 eine Flächenreduktion von ungefähr 50% und eine Reduktion in der Die-Größe von ungefähr 30% bis ungefähr 40%. Zusätzlich eine Kapazitätssteigerung von ungefähr 50% Kapazität (Anzahl von Chips) ohne Kapitalaufwendungen mit nur einem vergleichsweise kleinen (ungefähr 15%) Anstieg in variablen Waferkosten.
Elektrische Verbindungen zu dem Resonator 100 können auf zahlreiche Weise konfiguriert werden, jedoch sind die erste Elektrode 101 und die zweite Elektrode 102 mit einem gemeinsamen elektrischen Potential (Absolutwert V) verbunden, zum Bewirken von bestimmten gewünschten Ergebnissen, die hierin beschrieben sind. In einer repräsentativen Ausführungsform ist die dritte Elektrode verbunden mit einer zeitlich variierenden Spannungsquelle 108, wohingegen in anderen Ausführungsformen die ersten und dritten Elektroden verbunden sein können mit einer zeitlich veränderlichen Spannungsquelle und die dritte Elektrode kann mit einer anderen Spannung verbunden sein. Die piezoelektrischen Schichten 104, 105 sind anschaulich AIN und weisen eine beträchtliche kristalline Symmetrie auf. Besonders ist die kristalline Orientierung der ersten piezoelektrischen Schicht 104 „vertikal” (zum Beispiel in der +y-Richtung in dem dargestellten Koordinatensystem), und die kristalline Orientierung der zweiten piezoelektrischen Schicht 105 ist parallel (d. h. ebenfalls in der +y-Richtung) zu der der ersten piezoelektrischen Schicht 104.
Die C-Achsen der Schichten 104, 105 sind zweckmäßigerweise parallel ausgerichtet (beide in der +y-Richtung (wie dargestellt) oder beide in der –y-Richtung), zum Bewirken einer Auslöschung von zweiten harmonischen Mischprodukten einer angelegten Antriebsspannung. Insbesondere die Anwendung einer Spannung auf die dritte Elektrode 103 resultiert in einem elektrischen Feld, welches über die erste piezoelektrische Schicht 104 und die zweite piezoelektrische Schicht 105 erzeugt ist, und der inverse piezoelektrische Effekt wird in der Expansion oder Kontraktion des piezoelektrischen Materials der Schichten 104 und 105 resultieren. Wie bekannt ist, hängt die Expansion oder Kontraktion von der Orientierung des E-Feldes (oder richtiger des D-Feldes) und der Polarisation (C-Achse) des piezoelektrischen Materials ab. Ein zeitlich variierendes E-Feld verursacht alternierend Kompression und Expansion des piezoelektrischen Materials, was in longitudinalen akustischen Moden (repräsentiert konzeptuell als 109) und lateralen (transversalen) akustischen Moden (repräsentiert konzeptuell als 110) in der einzelnen akustischen resonierenden Kavität 100 resultiert. Darüber hinaus resultiert, wie oben erwähnt, die Nichtlinearität des piezoelektrischen Materials der Schichten 104, 105 in Harmonischen höherer Ordnung und in harmonischen Mischprodukten höherer Ordnung davon. Die Stärke (und folglich die Leistung) dieser Mischprodukte höherer Ordnung verringert sich mit steigender Ordnungszahl. Als solche, wenn unkontrolliert belassen, haben die harmonischen Mischprodukte zweiter Ordnung die größte Leistung und potentiell den größten schädlichen Einfluss auf die Resonator- und Filterperformance, wohingegen die Mischprodukte dritter und höherer Ordnung einen unmerklichen Einfluss auf die Filterperformance haben. Wie vollständiger unten beschrieben ist, sind diese schädlichen Modenmischprodukte gerader Ordnung im Wesentlichen aufgehoben in Einzelkavitätsakustikresonatoren der repräsentativen Ausführungsformen und Filtern, welche solche Einzelkavitätsakustikresonatoren aufweisen. Es wird hervorgehoben, dass die Aufhebung dieser Mischprodukte zusätzlich ist zu der Unterdrückung von parasitären lateralen Moden, die durch andere Techniken realisiert wird, wie beispielsweise Apodisierung und Massebeladung von Elektroden.
Gemäß einer repräsentativen Ausführungsform wird ein zeitlich variierendes elektrisches Signal von der Spannungsquelle 108 an die dritte Elektrode 103 geliefert. Das elektrische Signal hat eine Frequenz (f_r), die doppelt so hoch ist wie die Frequenz der Grundresonanzmode des Einzelkavitätsakustikresonators 100. Folglich wird in der in der 1 dargestellten Ausführungsform aufgrund der Orientierungen der entsprechenden C-Achsen der ersten und zweiten piezoelektrischen Schicht und des zeitlich veränderlichen E-Feldes an dem in der Zeit eingefangenen Zeitpunkt die erste piezoelektrische Schicht 104 expandieren und die zweite piezoelektrische Schicht komprimieren; und zu einer Zeit T = λ/2 f_r später, wird die erste piezoelektrische Schicht 104 komprimieren, wohingegen die zweite piezoelektrische Schicht expandieren wird. Folglich, aufgrund der selektiven Orientierung der elektrischen Signale und der Orientierung der C-Achsen der ersten und zweiten piezoelektrischen Schichten 104, 105 ist der Einzelkavitätsakustikresonator 100 in einer Resonanzbedingung bei dem Zweifachen der Frequenz der Grundmode, wobei die dritte Elektrode 103 stets in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung der Oszillation der ersten und dritten Elektroden oszilliert, wie dargestellt. Als solche existiert eine antisymmetrische akustische Resonanzbedingung über eine (imaginäre) Symmetrieebene 111 durch die dritte Elektrode 103 bei der Antriebs (Oszillations) Frequenz f_r.
Durch ähnliche Analyse werden bei geraden Harmonischen der Antriebsfrequenz f_r gleiche und entgegengesetzte akustische Oszillationen in den ersten und zweiten piezoelektrischen Schichten 104, 105 erzeugt; und bei einem bestimmten Punkt in einem Abstand von der Ebene 111 in der ersten piezoelektrischen Schicht 104 und in einem bestimmten Punkt in der Zeit kann das piezoelektrische Material in Kompression sein, während in einem Punkt äquidistant von der Ebene 111 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 105 das piezoelektrische Material in Expansion sein wird. Folglich sind die harmonischen Mischprodukte gerader Ordnung in der ersten piezoelektrischen Schicht 104 stets um π Radian außer Phase relativ zu den geraden harmonischen Mischprodukten in der zweiten piezoelektrischen Schicht 105. Als ein Ergebnis werden die nicht-linearen piezoelektrischen zweiten harmonischen Mischprodukte von beiden, den longitudinalen und lateralen Moden, im Wesentlichen ausgelöscht. Wie von den Fachleuten verstanden werden sollte, werden harmonische Moden gerader Ordnung mit höherer Modenzahl (z. B. 4. Harmonische, 6. Harmonische, etc.) auf ähnliche Weise im Wesentlichen ausgelöscht; und ungerade harmonische Moden höherer Ordnung (z. B. 3 Harmonische, 5. Harmonische, etc.) haben geringen Einfluss auf die Performance des Einzelkavitätsakustikresonators aufgrund ihrer vergleichsweise niedrigen Amplitude/akustischen Intensität.
Die Verbindung der Spannungsquelle 108 mit der dritten Elektrode 103 ist lediglich veranschaulichend und die Verbindung der Spannungsquelle 108 mit der ersten und zweiten Elektrode 101, 102 ist in Erwägung gezogen ohne Modifikation des Resonators 100. Insbesondere wird die Verbindung der Spannungsquelle 108 mit Elektroden 101, 102 in der Anwendung eines elektrischen Feldvektors parallel zu der C-Achse in einer der piezoelektrischen Schichten 104, 105 und in einem elektrischen Feldvektor antiparallel zu der C-Achse in der anderen der Schichten 104, 105 resultieren (zu einem bestimmten Moment in der Zeit). Ein Eingangssignal von der Spannungsquelle 108 bei der Oszillationsfrequenz f_r wird in der gewünschten Resonanzbedingung und der im Wesentlichen Auslöschung durch destruktive Interferenz der harmonischen Mischprodukte zweiter Ordnung sowie der Modenmischprodukte höherer gerade Ordnung resultieren aufgrund derselben physikalischen Mechanismen wie oben beschrieben. In solch einer Ausführungsform kann die dritte Elektrode 103 der Ausgang des Resonators 100 sein.
Wie vorher angemerkt, ist die wesentliche Auslöschung von schädlichen Mischprodukten gerader Ordnung in 3G-Applikationen gewünscht. Die Anwendung des Resonators 100 der anschaulichen Ausführungsformen ist folglich für die Verwendung in 3G-Applikationen in Erwägung gezogen. In solchen Anwendungen ist der Resonator 100 konfiguriert, um eine Grundlongitudinalmodenresonanz bei ungefähr 400 MHz zu haben. Im Zuge der vorliegenden Lehren ist die Oszillationsfrequenz f_r folglich ungefähr 800 MHz; und die Mischprodukte zweiter harmonischer Ordnung bei ungefähr 1.600 MHz sind im Wesentlichen ausgelöscht. 2A veranschaulicht die wesentliche Auslöschung der Mischprodukte der zweiten harmonischen Ordnung (H2) in dem Einzelkavitätsakustikresonator 100 gegenüber der Frequenz in dem Bereich von ungefähr 850 MHz bis ungefähr 1,1 GHz. Insbesondere ist 2A ein Graph, welcher die H2-Mischproduktsignalleistung (dBm) gegenüber der Frequenz für einen Einzelkavitätsakustikresonator einer repräsentativen Ausführungsform und für einen bekannten Akustikresonator über einen interessierenden Frequenzbereich vergleicht. Der bekannte Akustikresonator ist anschaulich ein bekannter FBAR.
Für eine Eingangsleistung von ungefähr +24 dBm bei einer Antriebsfrequenz f_r zeigt der Graph 201 die H2-Mischprodukte gegen die H2-Frequenz des bekannten FBAR; und Graph 202 zeigt die H2-Mischprodukte gegenüber der H2-Frequenz bei der Antriebsfrequenz für einen Einzelkavitätsakustikresonator gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Ein Vergleich der Graphen 201, 202 enthüllt eine minimale Reduktion von H2-Mischprodukten von ungefähr 30 dBm über den dargestellten Frequenzbereich.
Für Vergleichszwecke zeigt 26 das Leistungsspektrum von Mischprodukten zweiter harmonischer Ordnung (H2) über einen Frequenzbereich von ungefähr 1,8 GHz bis ungefähr 2,1 GHz für einen bekannten FBAR und bekannte separate FBARs, wie oben beschrieben. Insbesondere zeigt Kurve 203 die H2-Mischprodukte für den bekannten FBAR und Kurve 204 zeigt die H2- Mischprodukte für die bekannten separaten FBARs. Während die separaten FBARs einige Kompensation in ausgewählten Teilen des Spektrums zeigen, bei ungefähr 1,92 GHz bis ungefähr 2,2 GHz, wird wenig, wenn überhaupt, ein Vorteil abgeleitet von dieser Raum konsumierenden und vergleichsweise teuren Konfiguration. Folglich liefern der Einzelkavitätsakustikresonator 100 und Vorrichtungen enthaltend die Resonatorkavität 100 nicht nur eine reduzierte in Chip-Fläche und Kosten, sondern auch eine vergleichsweise signifikante Verbesserung in der H2-Mischproduktauslöschung.
3A ist eine Querschnittsansicht von Reihenresonatoren eines Leiterfilters 300, welcher in vereinfachter schematischer Ansicht in 3B dargestellt ist. Der Leiterfilter umfasst eine Vielzahl von Einzelkavitätsresonatoren, welche in Reihe verbunden sind mit entsprechenden Einzelkavitätsresonatoren, die hiermit parallel verbunden sind, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Viele der Details der Einzelkavitätsresonatoren 100, die vorher beschrieben wurden, sind dem Leiterfilter 300 gemeinsam und werden nicht wiederholt, um eine Verschleierung der Beschreibung der vorliegenden repräsentativen Ausführungsformen zu vermeiden.
Ein zeitlich variierendes elektrisches Eingangssignal 301 bei der Antriebsfrequenz f_r wird an den ersten und zweiten Elektroden einer ersten Filterstufe 303 geliefert, welche einen Einzelkavitätsresonator 100 aufweist. Wie verstanden werden sollte, liefert die dritte Elektrode 103 der ersten Stufe 303 das zeitlich variierende Eingangssignal bei f_r an die erste und zweite Elektrode 101, 102 einer zweiten Stufe. Als solches erzielt die erste Stufe 303 Resonanz durch Anregung der ersten und zweiten Elektroden 101, 102 und die zweite Stufe 304 erzielt Resonanz durch die Anregung der dritten Elektrode 103. Diese Sequenz fährt fort mit den ersten und zweiten Elektroden 101, 102 einer dritten Stufe 305, welche ein elektrisches Signal bei der Antriebsfrequenz f_r liefert. Ein Ausgangssignal 302 wird von der dritten Elektrode 103 der dritten Stufe geliefert, wie dargestellt. Vorteilhaft sind die H2-Mischprodukte an jeder Stufe im Wesentlichen ausgelöscht in einer Weise wie vorstehend beschrieben. Ferner wird ein wesentlicher Vorteil von der Konfiguration der Einzelkavitätsresonatoren jeder Stufe von Filter 300 abgeleitet, da verbindende Durchgangslöcher nicht benötigt werden, um die Verbindung zwischen den verschiedenen Elektroden 101–103 sowohl innerhalb einer Stufe und von einer Stufe zu der nächsten zu bewirken.
4 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Duplexers 400, enthaltend einen Empfangs-(RX)Filter 401 und einen Sende-(TX)Filter 402, jeweils enthaltend einen Einzelkavitätsresonator gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Die Filter 401, 402 können jeweils einen Leiterfilter 300 oder andere Filterkonfigurationen enthalten. Allen in Erwägung gezogenen Filterkonfigurationen des Duplexers 400 gemein ist ein Einzelkavitätsakustikresonator 100 repräsentativer Ausführungsformen.
Ein Signal von einem Sender (nicht dargestellt) wird einem Impedanzwandler (z. B. einem Viertelwellenstutzen) 403 zugeführt und wird dem TX-Filter 402 zugeführt. Nach der Filterung wird das Signal schließlich an eine Antenne 404 übertragen.
Ein empfangenes Signal von der Antenne 404 wird einem Impedanzwandler 405 (dargestellt als Viertelwellenübertragungsleitung) dem RX-Filter 401 zugeführt und wird nach Filterung einem anderen Impedanzwandler 404 und dann zu einem Empfänger (nicht dargestellt) zugeführt.
5 ist eine graphische Darstellung von ausgewählten S-Parametern über der Frequenz eines Duplexers, von denen jeder einen Sende-(TX)Filter und einen Empfangs-(RX)Filter aufweist, von denen jeder einen Einzelkavitätsresonator gemäß einer repräsentativen Ausführungsform aufweist. Der Duplexer kann der Duplexer 400 sein, enthaltend Filter wie beschrieben in Verbindung mit dieser und anderen Ausführungsformen. Die Kurve 501 zeigt die Bandpass-Charakteristik der Sendeseite des Duplexers mit Zurückweisung, Außerbanddämpfung und Rolloff innerhalb akzeptabler Grenzen (z. B. innerhalb der 3G-Spezifikation). In ähnlicher Weise zeigt die Kurve 502 die Empfangsseite des Duplexers, wieder mit akzeptabler Zurückweisung, Außerbanddämpfung und Rolloff innerhalb akzeptabler Grenzen.
Angesichts dieser Offenbarung wird angemerkt, dass die hierin beschriebenen zahlreichen Einzelkavitätsakustikresonatoren und Filter, welche diese Resonatoren enthalten, implementiert werden können in einer Vielzahl von Materialien, verschiedenen Strukturen, Konfigurationen und Topologien. Darüber hinaus können andere Anwendungen als Resonatorfilter von den vorliegenden Lehren profitieren. Ferner sind die verschiedenen Materialien, Strukturen und Parameter nur als Beispiel und nicht in irgendeinem limitierenden Sinne hierin aufgenommen. Angesichts dieser Offenbarung können Fachleute die vorliegenden Lehren implementieren durch Bestimmen ihrer eigenen Anwendungen und benötigten Materialien und Ausrüstung zum Implementieren dieser Anwendungen, während sie innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche bleiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6107721 [0023]
- US 5587620 [0023]
- US 5873153 [0023]
- US 6507983 [0023]

Claims

Einzelkavitätsakustikresonator, enthaltend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode, welche zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; eine erste piezoelektrische Schicht, angeordnet zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode und enthaltend eine erste C-Achse mit einer Orientierung; und eine zweite piezoelektrische Schicht, angeordnet zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode und enthaltend eine zweite C-Achse mit einer Orientierung parallel zu der ersten C-Achse, wobei ein Anwenden eines zeitlich variierenden elektrischen Signals bei einer Antriebsfrequenz an entweder die dritte Elektrode oder an die erste und zweite Elektrode in einer Resonanz des Einzelkavitätsakustikresonators bei ungefähr zwei Mal einer Grundresonanzfrequenz und einer wesentlichen Auslöschung von im Wesentlichen allen Mischprodukten gerader Ordnung in dem Einzelkavitätsresonator resultiert.
Einzelkavitätsakustikresonator nach Anspruch 1, wobei eine einzelne resonierende Kavität zwischen einer äußeren Oberfläche der ersten Elektrode und einer äußeren Oberfläche der zweiten Elektrode ist.
Einzelkavitätsakustikresonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mischprodukte gerader Ordnung Longitudinalmoden-Mischprodukte und Lateralmoden-Mischprodukte aufweisen.
Einzelkavitätsakustikresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Elektrode eine im Wesentlichen identische Dicke aufweisen und die dritte Elektrode eine Dicke aufweist, die ungefähr zweimal so groß ist wie die Dicke der ersten und zweiten Elektrode.
Einzelkavitätsakustikresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundfrequenz ungefähr 400 MHz ist.
Einzelkavitätsakustikresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Signal bei der Antriebsfrequenz an die erste und zweite Elektrode angelegt ist und die dritte Elektrode mit einem anderen elektrischen Potential verbunden ist.
Einzelkavitätsakustikresonator nach Anspruch 6, wobei das zweite elektrische Potential ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential ist.
Einzelkavitätsakustikresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das elektrische Signal bei der Antriebsfrequenz an die dritte Elektrode angelegt ist.
Einzelkavitätsakustikresonator nach Anspruch 8, wobei die erste und zweite Elektrode mit im Wesentlichen demselben elektrischen Potential verbunden sind.
Elektrischer Filter, enthaltend: einen ersten Einzelkavitätsakustikresonator, enthaltend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode angeordnet zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; eine erste piezoelektrische Schicht angeordnet zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode und enthaltend eine erste C-Achse mit einer Orientierung; und eine zweite piezoelektrische Schicht angeordnet zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode und enthaltend eine zweite C-Achse mit einer Orientierung parallel zu der ersten C-Achse, wobei eine Anwendung eines zeitlich variierenden elektrischen Signals bei einer Antriebsfrequenz an entweder die dritte Elektrode oder an die erste und zweite Elektrode resultiert in einer Resonanz des Einzelkavitätsakustikresonators bei zweimal der Antriebsfrequenz und einer Auslöschung von im Wesentlichen allen Mischprodukten gerader Ordnung in dem Einzelkavitätsresonator.
Elektrischer Filter nach Anspruch 10, ferner enthaltend eine Vielzahl von Einzelkavitätsakustikresonatoren, welche in einer Leiterstruktur angeordnet sind, wobei das zeitlich variierende elektrische Signal bei der Antriebsfrequenz angelegt ist bei den ersten und zweiten Elektroden eines ersten Einzelkavitätsakustikresonators der Vielzahl von Einzelkavitätsakustikresonatoren und ein Ausgangssignal abgerufen wird von einer dritten Elektrode von einem letzten Einzelkavitätsakustikresonator der Vielzahl von Einzelkavitätsakustikresonatoren.
Elektrischer Filter nach Anspruch 10, ferner enthaltend eine Vielzahl der Einzelkavitätsakustikresonatoren, welche in einer Leiterstruktur angeordnet sind, wobei das zeitlich variierende elektrische Signal bei der Antriebsfrequenz an die dritte Elektrode eines ersten Einzelkavitätsakustikresonators der Vielzahl von Einzelkavitätsakustikresonatoren angelegt ist, und ein Ausgangssignal von einer ersten und zweiten Elektrode eines letzten Einzelkavitätsakustikresonators der Vielzahl von Einzelkavitätsakustikresonatoren abgerufen wird.
Elektrischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Mischprodukte zweiter Ordnung um mindestens 30 dBm reduziert sind.
Elektrischer Filter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Mischprodukte gerader Ordnung sowohl Longitudinalmoden-Mischprodukte und Lateralmoden-Mischprodukte aufweisen.
Elektrischer Filter nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die ersten und zweiten Elektroden eine im Wesentlichen identische Dicke aufweisen und die dritte Elektrode eine Dicke aufweist, die ungefähr zweimal so groß ist wie die Dicke der ersten und zweiten Elektrode.
Duplexer, enthaltend: einen Sendefilter; und einen Empfangsfilter, jeweils enthaltend: einen Einzelkavitätsakustikresonator, enthaltend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode, welche angeordnet ist zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; eine piezoelektrische Schicht, angeordnet zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode und aufweisend eine erste C-Achse mit einer Orientierung; und eine zweite piezoelektrische Schicht, angeordnet zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode und aufweisend eine zweite C-Achse mit einer Orientierung parallel zu der ersten C-Achse, wobei eine Anwendung eines zeitlich variierenden elektrischen Signals bei einer Antriebsfrequenz an entweder die dritte Elektrode oder an die erste und zweite Elektrode in einer Resonanz des Einzelkavitätsakustikresonators bei zweimal der Antriebsfrequenz und einer Auslöschung von im Wesentlichen allen Mischprodukten gerader Ordnung in dem Einzelkavitätsakustikresonator resultiert.
Duplexer nach Anspruch 16, wobei eine einzelne resonierende Kavität zwischen einer äußeren Oberfläche der ersten Elektrode und einer äußeren Oberfläche der zweiten Elektrode ist und die Antriebsfrequenz das Zweifache einer Grundfrequenz der Einzelkavität ist.
Duplexer nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Mischprodukte gerader Ordnung Longitudinalmoden-Mischprodukte und Lateralmoden-Mischprodukte aufweisen.
Duplexer nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die erste und zweite Elektrode eine im Wesentlichen identische Dicke aufweisen und die dritte Elektrode eine Dicke aufweist, die ungefähr zweimal so groß ist wie die Dicke der ersten und zweiten Elektrode.