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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf BAW-Resonatoren (BAW = akustische Volumenwelle) mit reduzierten seitlichen Moden (lateralen Moden; lateral modes) und auf entsprechende HF-Filter und Multiplexer.
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In drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen werden HF-Filter verwendet, um erwünschte HF-Signale von unerwünschten HF-Signalen zu trennen. Solche HF-Filter können mit elektroakustischen Resonatoren wie z. B. BAW-Resonatoren arbeiten. In BAW-Resonatoren ist ein piezoelektrisches Material zwischen einer unteren Elektrodenschicht und einer oberen Elektrodenschicht angeordnet. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts - wenn ein HF-Signal an die Elektroden angelegt wird - kann sich eine Schallwelle, insbesondere eine Longitudinalwelle - in der vertikalen Richtung ausbreiten.
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Es können jedoch auch andere Wellenmoden angeregt werden und die akustische und elektrische Leistung des Resonators und des Filters, das den Resonator umfasst, verschlechtern. Solche unerwünschten Moden können seitliche Moden sein, die einen Wellenvektor aufweisen, der eine horizontale Komponente aufweist.
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Aus dem
US-Patent 6,150,703 sind BAW-Resonatoren bekannt. Die Resonatoren weisen nicht-parallele Seitenwände auf, die die Intensität der seitlichen Moden reduzieren sollten.
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Es ist jedoch erwünscht, HF-Filter und entsprechende Resonatoren mit einer weiter verbesserten Leistung zu haben.
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Insbesondere ist erwünscht, Resonatoren mit einer erhöhten spektralen Reinheit, einem erhöhten Gütefaktor Q, mit weiter reduzierten seitlichen Moden und Filter mit einer reduzierten Einfügedämpfung und reduzierten Unregelmäßigkeiten und einer glatteren Übertragungsfunktion zu haben.
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Zu diesem Zweck wird ein BAW-Resonator mit reduzierten seitlichen Moden bereitgestellt. Der BAW-Resonator umfasst einen aktiven Stapel. Der aktive Stapel umfasst eine untere Elektrode in einer unteren Elektrodenschicht, eine obere Elektrode in einer oberen Elektrodenschicht und ein piezoelektrisches Material in einer piezoelektrischen Schicht. Das piezoelektrische Material in der piezoelektrischen Schicht ist zwischen der unteren Elektrodenschicht und der oberen Elektrodenschicht angeordnet. Wenigstens ein Element, das aus dem aktiven Stapel ausgewählt ist, weist eine gebogene Seitenwand auf.
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Die gebogene Seitenwand des Elements des aktiven Stapels lässt die erwünschte akustische Mode, die sich in der vertikalen Richtung ausbreitet, im Wesentlichen unverändert, während sie die negativen Effekte unerwünschter seitlicher Moden reduziert. Insbesondere kann die gebogene Seitenwand als ein Ablenkungselement für horizontale Wellenvektorkomponenten agieren, so dass eine konstruktive Interferenz reduziert oder sogar eliminiert wird.
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Der BAW-Resonator kann ein Resonator vom SMR-Typ (SMR = fest montierter Resonator) sein, wobei ein Schallspiegel unterhalb der unteren Elektrode angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass der Resonator von einem FBAR-Typ (FBAR = akustischer Dünnschicht-Volumenresonator) ist, wobei ein Hohlraum unterhalb der unteren Elektrodenschicht angeordnet ist. Der Schallspiegel in dem Fall eines Resonators vom SMR-Typ und der Hohlraum in dem Fall des Resonators vom FBAR-Typ weisen den Effekt auf, dass die Resonatorstruktur von ihrer Umgebung akustisch entkoppelt ist, so dass eine Ableitung der akustischen Energie reduziert ist.
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Der Begriff „Seitenwand“ eines Elements des aktiven Stapels bezeichnet die im Wesentlichen horizontalen Flächen oder Oberflächen der gestapelten Konstruktion, insbesondere der unteren Elektrodenschicht, des piezoelektrischen Materials und der oberen Elektrodenschicht.
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Die Höhe der entsprechenden Seitenwände ist im Wesentlichen gleich der Dicke der entsprechenden Schicht. Ein entsprechendes Element des aktiven Stapels kann Ecken und Kanten zwischen den Ecken aufweisen. Die entsprechenden Seitenwände bezeichnen die vertikalen Oberflächen zwischen den entsprechenden Kanten.
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Es ist möglich, dass zwei oder alle Seitenwände des aktiven Stapels eine gebogene Seitenwand aufweisen.
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Somit ist die Anzahl von gebogenen Seitenwänden nicht auf eine beschränkt. Es ist möglich, dass jedes der Elemente, z. B. die untere Elektrode, die obere Elektrode und das piezoelektrische Material dazwischen, eine gebogene Seitenwand aufweist. Es ist auch möglich, dass jedes dieser Elemente zwei oder mehr gebogene Seitenwände aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass jede Seitenwand jedes Elements des aktiven Stapels gebogen ist.
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Es ist möglich, dass die Anzahl der Seitenwände eines oder mehrerer Elemente des aktiven Stapels eine ungerade Anzahl ist.
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Die Verwendung von ungeraden Zahlen für die Anzahl von Seitenwänden verhindert im Wesentlichen, dass jede Seitenwand eine spezifisch zugeordnete entgegengesetzte Seitenwand aufweist, so dass eine konstruktive Interferenz der seitlichen Moden, die durch iterative Reflexion zwischen den zugeordneten Seitenwänden verursacht wird, verhindert wird.
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Dementsprechend ist es möglich, dass die Anzahl von Seitenwänden pro Element des aktiven Stapels 3, 4, 5, 6 7, 8, 9, 10, 11 oder eine größere Anzahl ist, es ist jedoch vorgezogen, dass die Anzahl der Seitenwände der entsprechenden Elemente 3, 5, 7, 9, 11 oder eine größere Anzahl ist.
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Es ist möglich, dass eine oder mehrere gebogene Seitenwände auf einer Kugel, einem Zylinder oder einem Prisma angeordnet sind.
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Somit ist die Oberfläche der entsprechenden Seitenwand auf der entsprechenden geometrischen Form angeordnet und bildet ein Segment der geometrischen Form. In dieser Hinsicht ist ein Prisma eine dreidimensionale Form, die zwei parallele Flächen der gleichen Größe und der gleichen Form aufweist. Somit ist ein Zylinder eine spezielle Ausführungsform eines Prismas.
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Die parallelen Flächen des Prismas bilden den Boden und die Oberseite des Prismas. Der Boden und die Oberseite des Prismas können Kreise, Ellipsen oder andere Formen einer reduzierten Symmetrieordnung sein.
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Es ist möglich, dass zwei oder mehr gebogene Seitenwände auf Kugeln, auf Zylindern oder Prismen mit einer elliptischen Grundfläche mit unterschiedlichen Radien angeordnet sind.
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Die Verwendung unterschiedlicher Radien für unterschiedliche gebogene Seitenwände verbessert den Ablenkungseffekt, was zu einem weiter reduzierten Beitrag der seitlichen Moden zu der Akustik des Resonators führt.
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Radien, die gebogenen Seitenwände entsprechen, können im Bereich von 0,1 d und 10 d sein, wobei d die Quadratwurzel der Basisfläche des Resonators ist.
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Es ist ferner möglich, dass zwei oder mehr gebogene Seitenwände desselben Elements des aktiven Stapels unterschiedliche Radien aufweisen.
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Insbesondere ist es möglich, dass eine oder mehrere gebogene Seitenwände eines Elements des aktiven Stapels einen ersten Radius aufweisen, während eine oder mehrere andere Seitenwände desselben Elements des akustischen Stapels einen zweiten Radius aufweisen.
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Es ist möglich, dass zwei oder mehr gebogene Seitenwände unterschiedlicher Elemente des aktiven Stapels unterschiedliche Radien aufweisen.
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Insbesondere ist es möglich, dass der Radius entsprechender Seitenwände unterschiedlicher Elemente des aktiven Stapels einen Radius aufweist, der kleiner ist, wenn das entsprechende Element an einer höheren vertikalen Position angeordnet ist.
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Insbesondere ist es möglich, dass die Gesamtfläche des entsprechenden oberen Elements - im Vergleich zu einem tieferen Element - kleiner ist.
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Das vereinfacht Herstellungsschritte und trägt dazu bei, die Isolation zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode zu verbessern.
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Es ist möglich, dass ein solcher Resonator als ein Resonator in einem HF-Filter verwendet wird. Dementsprechend kann ein HF-Filter einen oder mehrere BAW-Resonatoren umfassen, wie vorstehend beschrieben.
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Es ist auch möglich, dass ein solches HF-Filter in einem Multiplexer verwendet wird. Dementsprechend kann ein Multiplexer ein oder mehrere HF-Filter umfassen, wie vorstehend beschrieben.
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Der Multiplexer kann ein Duplexer oder ein Diplexer, ein Quadplexer oder ein Multiplexer einer höheren Ordnung sein.
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Zentrale technische Aspekte des Resonators und Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen sind in den schematischen begleitenden Figuren gezeigt.
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In den Figuren zeigen:
- 1 einen Resonator RN mit einer gebogenen Seitenwand CSW in einer Draufsicht,
- 2 einen Querschnitt des in 1 gezeigten Resonators;
- 3 einen Resonator, wobei jedes Element vier gebogene Seitenwände aufweist;
- 4 einen Resonator, wobei jedes Element des aktiven Stapels sechs gebogene Seitenwände aufweist;
- 5 eine Grundfläche eines Resonators, wobei eine gebogene Seitenwand ein Segment eines Kreises bildet;
- 6 die Möglichkeit unterschiedlicher Radien für ein Element des aktiven Stapels;
- 7 die Möglichkeit der Verwendung konvexer und konkaver Segmente für die Seitenwände;
- 8 einen Resonator, der Signalleitungen zu der unteren Elektrode und zu der oberen Elektrode enthält;
- 9 eine Grundfläche eines Resonators mit sieben gebogenen Seitenwänden, wobei jede gebogene Seitenwand unregelmäßig gebogen ist;
- 10 einen Vergleich der Ablenkungen zwischen einem Resonator mit gebogenen Seitenwänden und einem Resonator mit ebenen Seitenwänden;
- 11 und 12 die Form der Resonatoren, auf die sich 10 bezieht;
- 13 ein mögliches Ersatzschaltungsdiagramm eines Duplexers, der Filter mit leitertypähnlichen Schaltungstopologien aufweist; und
- 14 eine räumliche Anordnung unterschiedlicher Resonatoren in einem flächensparenden Muster.
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1 zeigt einen Resonator RN mit einem piezoelektrischen Material PM mit einer gebogenen Seitenwand CSW in einer Draufsicht. Der Resonator weist die untere Elektrode BE auf, die auf einem Trägersubstrat CS angeordnet ist. Das piezoelektrische Material PM ist auf der unteren Elektrode BE angeordnet. Die obere Elektrode TE ist auf dem piezoelektrischen Material PM angeordnet. Die Oberfläche des Trägersubstrats CS erstreckt sich im Wesentlichen entlang der xy-Ebene. Die Elektroden und das piezoelektrische Material sind in der vertikalen Richtung orthogonal zu der x- und zu der y-Richtung gestapelt. Die gebogene Seitenwand CSW des piezoelektrischen Materials bildet ein Segment eines Zylinders. Der Zylinder weist seine Symmetrieachse parallel zu der Z-Richtung auf. Somit weist jeder Punkt der gebogenen Seitenwand CSW einen Abstand gleich dem Radius R zu der Zylindersymmetrieachse AX auf.
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Dementsprechend zeigt 2 einen Querschnitt durch den Schichtstapel des Resonators RN, der in 1 gezeigt ist. Insbesondere zeigt 2 den Stapel der Elemente, die in der vertikalen Richtung z aufeinander angeordnet sind. Insbesondere ist das untere Element BE auf dem Trägersubstrat CS angeordnet. Das piezoelektrische Material PM ist auf der unteren Elektrode BE angeordnet. Die obere Elektrode TE ist auf dem piezoelektrischen Material PM angeordnet. AX bezeichnet die Symmetrieachse des Zylinders, die den gleichen Abstand zu jedem Punkt auf der gebogenen Seitenwand CSW aufweist.
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3 stellt eine mögliche Form für die untere Elektrode BE, das piezoelektrische Material PM und die obere Elektrode TE dar, wobei drei gebogene Seitenwände für jedes Element des aktiven Stapels eine konkave Form aufweisen, wobei die vierte gebogene Seitenwand ein konvexes Segment und ein konkaves Segment aufweist.
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4 zeigt eine Geometrie, in der drei gebogene Seitenwände jedes Elements des aktiven Stapels eine konvexe Form aufweisen, wobei die anderen drei gebogenen Seitenwände eine konkave Form aufweisen. Jede der gebogenen Seitenwände basiert auf Kreissegmenten. Somit ist für jede der gebogenen Seitenwände eine Symmetrieachse eines Zylinders vorhanden, die in einem gleichen Abstand für alle Punkte der gebogenen Seitenwände angeordnet ist. Die Symmetrieachse der Zylinder für die konvex gebogenen Seitenwände kann innerhalb der Fläche des Elements liegen. Die entsprechenden Symmetrielinien der konkaven Abschnitte können außerhalb der Basisfläche des Resonators liegen.
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5 stellt eine mögliche Konstruktion einer Basisfläche eines Resonators dar, so dass die gebogenen Seitenwände Segmente von Kreisen C bilden. Im Gegensatz dazu stellt 6 eine Ausführungsform dar, in der die Ecken/Kanten durch konkav geformte gebogene Seitenwände ersetzt sind. Die größeren gebogenen Seitenwände entsprechen einem ersten Radius R1. Die kleineren gebogenen Seitenwände entsprechen einem zweiten Radius R2, der kleiner ist als der erste Radius R1.
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7 stellt eine Basisfläche eines Resonators dar, wobei die größeren gebogenen Seitenwände konkav sind und wobei die kleineren gebogenen Seitenwände konvex sind.
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8 zeigt zusätzlich Signalleitungen, die die Elektrode des Resonators elektrisch verbinden. Insbesondere verbindet eine erste Signalleitung SL1 die untere Elektrode BE des Resonators elektrisch. Eine zweite Signalleitung SL2 verbindet die obere Elektrode TE des Resonators RN elektrisch. Um einen Kurzschluss zwischen der unteren Elektrode BE und der oberen Elektrode TE zu vermeiden, ist ein weiteres isolierendes Teil IP, das ein isolierendes Material umfasst oder daraus besteht, zwischen der zweiten Signalleitung und der unteren Elektrode BE angeordnet.
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9 stellt die Möglichkeit, dass eine Basisfläche mit nur unregelmäßig gebogenen Seitenwänden CSW vorhanden ist, dar.
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10 zeigt eine Simulation der Ablenkungen d(p) von zwei Resonatoren mit unterschiedlichen Formen, wobei p die seitliche Position ist. Die Ablenkung (Kurve 2) eines sternförmigen Resonators, wie er in 12 gezeigt ist, ist wesentlich größer als die Ablenkung (Kurve 1) der Resonatorfläche eines Resonators des Standes der Technik mit einem Viereck als eine Basisfläche mit apodisierten Seiten, der in 11 gezeigt ist.
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Die wesentlich größere Ablenkung des Resonators mit gebogenen Seitenwänden ist ein deutlicher Hinweis auf eine höhere Energie, die in dem Resonator gespeichert ist. Somit ist das Abfließen der Energie, z. B. durch seitliche Moden, wesentlich reduziert.
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11 zeigt eine perspektivische Ansicht des Vierecks, auf das in 10 Bezug genommen ist. Die Linie L, die die Resonatorfläche durchquert, gibt die Schnittposition und die in 10 gezeigte Position p an.
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Dementsprechend zeigt 12 eine perspektivische Ansicht des sternförmigen Resonators, auf den in 10 Bezug genommen ist. Die Linie L, die die Resonatorfläche durchquert, gibt die Schnittposition und die in 10 gezeigte Position p an.
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13 zeigt die Topologie eines Duplexers DU. Der Duplexer DU weist ein Sendefilter TXF zwischen einem Sendeanschluss und einem gemeinsamen Anschluss CP und ein Empfangsfilter RXF zwischen einem Empfangsfilter und dem gemeinsamen Anschluss CP auf. Ferner kann eine Impedanzanpassungsschaltung IMC zwischen dem gemeinsamen Anschluss und dem Empfangsfilter RXF angeordnet sein. Das Sendefilter TXF und das Empfangsfilter RXF können eine leitertypenähnliche Schaltungstopologie aufweisen, wobei Reihenresonatoren SR elektrisch in Reihe verbunden sind und wobei Parallelresonatoren PR die Signalleitung mit einem Massepotential elektrisch verbinden. Der gemeinsame Anschluss CP kann mit der Antenne AN verbunden sein, um Sendesignale zu emittieren und Empfangssignale zu empfangen.
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14 zeigt Resonatoren RN, wobei ein mittlerer Abschnitt gebogene Seitenwände aufweist, die Segmenten eines Kreises entsprechen. Weitere gebogene Seitenwände bilden Keulen, die sich von der Mitte des Resonators erstrecken. Die Resonatoren RN, z. B. Parallelresonatoren PR, die mit einer Signalleitung elektrisch verbunden sind, können in einem derartigen Muster angeordnet sein, dass Keulen eines Resonators in dazwischenliegenden Gebieten zwischen Keulen eines benachbarten Resonators angeordnet sind. Abhängig von der Anzahl von Keulen können die Resonatoren in einem quadratischen oder rechteckigen Muster angeordnet sein, wenn die Anzahl der Keulen vier ist. Für sechs Keulen pro Resonator können die Resonatoren in einem hexagonalen Muster auf dem Trägersubstrat angeordnet sein.
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Der Resonator, das Filter und der Multiplexer sind nicht auf die vorstehend beschriebenen oder in den Figuren gezeigten technischen Merkmale beschränkt. Der Resonator kann weitere Elemente umfassen, wie z. B. zusätzliche Schichten innerhalb des Schichtstapels, z. B. Einfassungsschichten, Passivierungsschichten, Elemente zum Formen der bevorzugten Wellenmode innerhalb der Resonatorstruktur, Hohlräume oder Spiegel zum Begrenzen der akustischen Energie.
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- AN:
- Antenne
- AX:
- Symmetrieachse
- BE:
- untere Elektrode
- C:
- Kreis
- CP:
- gemeinsamer Anschluss
- CS:
- Trägersubstrat
- CSW:
- gebogene Seitenwand
- d:
- Ablenkung
- DU:
- Duplexer
- IMC:
- Impedanzanpassungsschaltung
- IP:
- isolierendes Teil
- L:
- Linie der Positionen p
- p:
- seitliche Position
- PM:
- piezoelektrisches Material
- PR:
- Parallelresonator
- R:
- Radius
- R1, R2:
- erster, zweiter Radius
- RN:
- Resonator
- RXF:
- Empfangsfilter
- SL1, SL2:
- erste, zweite Signalleitung
- SR:
- Reihenresonator
- TE:
- obere Elektrode
- TXF:
- Sendefilter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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