DE60225795T2

DE60225795T2 - Anordnung mit zwei piezoelektrischen schichten und verfahren zum betreiben einer filtereinrichtung

Info

Publication number: DE60225795T2
Application number: DE60225795T
Authority: DE
Inventors: Olaf Wunnicke; Hans P. Loebl; Mareike K. Klee; Robert F. Milsom
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: KR20030011364A; ATE390757T1; EP1386393A1; JP2004525577A; US7459990B2; CN1465134A; CN1276577C; KR100854242B1; DE60225795D1; JP4256682B2; US20020175781A1; WO2002087081A1; EP1386393B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Anordnungen für Hochfrequenzfilter. Filtervorrichtungen sind beispielsweise bekannt aus der Veröffentlichung US 5,910,756 , die eine geschichtete Anordnung mit piezoelektrischen Schichten und drei Elektroden umfasst. Eine erste der beiden piezoelektrischen Schichten ist zwischen einer ersten unteren Elektrode der drei und einer zweiten mittleren Elektrode der drei angeordnet. Die zweite piezoelektrische Schicht der beiden ist zwischen der mittleren Elektrode und einer dritten oberen Elektrode der drei angeordnet. Die mittlere Elektrode ist geerdet. Dieser Aufbau ist ein herkömmlicher piezoelektrischer Volumenwellenresonator (Bulk Acoustic Wave Resonator, BAWR), der als Filteranordnung, beispielsweise in mobilen Funktelefonen verwendet wird. Die bekannten Filtervorrichtungen sind in solchen Anwendungen immer für das Empfangen/Senden in einem einzelnen Frequenzband ausgestaltet. Es werden somit Hochfrequenzfilter verwendet, die beispielsweise an den Standard GSM 900 (GSM = Global System Mobile) angepasst sind. Andere Filtervorrichtungen sind dagegen für den Standard DCS-1800 (DCS = Digital Cellular System) ausgestaltet.
Die Veröffentlichung US 5,825,117 zeigt einen Wandler (Transducer) für Bilder der zweiten Harmonischen, mit einem Aufbau mit zwei piezoelektrischen Schichten, die in einer geschichteten Weise zwischen einer oberen, einer mittleren und einer unteren Elektrode angeordnet sind. Die mittlere Elektrode ist mit einem Schalter verbunden, dessen anderes Ende in Abhängigkeit der Schaltposition schweben oder mit Masse verbunden sein kann. Der piezoelektrische Aufbau kann daher in einem ersten oder einem zweiten harmonischen Modus betrieben werden, gemäß der Position des Schalters, der die mittlere Elektrode mit Masse verbindet oder nicht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine auf piezoelektrische Schichten basierende Anordnung für eine Filtervorrichtung bereitzustellen, die in mehreren Fre quenzbereichen verwendet werden kann, und ein Verfahren zum Betreiben der Filtervorrichtung bereitzustellen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mittels der Filtervorrichtung gemäß Definition in dem unabhängigen Patentanspruch.
Ein durch die Erfindung erzielter wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass eine Möglichkeit zur Verwendung von Schichtenanordnungen mit piezoelektrischen Schichten für mehrere Frequenzbereiche ohne eine Änderung in der Schichtenanordnung geboten wird. Durch die Schaltungseinrichtung ist es in einfacher und kostengünstiger Weise möglich, die Schichtenanordnung für Filtervorrichtungen zu verwenden, die das Empfangen und Senden in verschiedenen Frequenzbereichen ermöglichen. Die Aufnahme solcher Filtervorrichtungen in Sende-/Empfangsgeräten, beispielsweise in mobilen Funktelefonen, führt zu einem verringerten Aufwand für die erforderlichen elektronischen Bauteile. Zur Konstruktion der Sende-/Empfangsgeräte für die Verwendung in verschiedenen Frequenzbändern ist es nicht mehr erforderlich, mehrere Filter zu verwenden, die individuell an ein spezifisches Frequenzband angepasst sind.
Ein nützliches weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht, dass die Schaltungseinrichtung zum Schalten zwischen einem Schaltzustand und dem anderen Schaltzustand eine aktive elektronische Komponente umfasst. Eine zuverlässige Möglichkeit zum Schalten zwischen den Schaltzuständen wird dadurch bei geringem Aufwand hinsichtlich der Schaltungstechnologie bereitgestellt.
Ein zum Erreichen eines hohen Integrationsgrads der elektronischen Bauteile bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht, dass die Schaltungseinrichtung zum Schalten zwischen einem Schaltzustand und dem anderen Schaltzustand einen mikromechanischen Schalter umfasst.
Ein einfaches Umschalten zwischen den Frequenzbändern in einem vorteilhaften weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die beiden piezoelektrischen Schichten mit einem Material mit hoher elektromechani scher Kopplungskonstante hergestellt sind. Materialien, die vorzugsweise als Materialien mit hoher elektromagnetischer Kopplungskonstante verwendet werden können, sind Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Lanthan-dotiertes Bleizirkonat-Titanat PbLa_yZr_xTi_1-xO₃ (0 ≤ x ≤ 1; 0 < x ≤ 0,2) oder Kaliumniobat KNbO₃, oder andere piezoelektrische oder ferroelektrische Materialien mit hoher elektromechanischer Kopplungskonstante.
Duplexerfilter, die zwischen zwei Frequenzbändern schaltbar sind und Zwei-Band-Volumenwellenresonatoren umfassen, können aufgebaut sein auf Grundlage der Schichtenanordnungen mit zwei piezoelektrischen Schichten und drei Elektroden. Die Tx- und Rx-Zweige können mittels einer geeigneten Zwischenverbindung aus mehreren Schichtenanordnungen auf verschiedene Frequenzbereiche abgestimmt sein (beispielsweise 900 MHz und 1800 MHz).
Die Erfindung wird unten näher erläutert unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele und eine Zeichnung, in der
1 diagrammartig eine Schichtenanordnung mit zwei piezoelektrischen Schichten und drei Elektroden zeigt;
2 eine Schaltung für die Schichtenanordnung gemäß 1 für ein Frequenzband zeigt;
3 eine Schaltung für die Schichtenanordnung gemäß 1 für ein anderes Frequenzband zeigt;
4 eine weitere Schaltungsmöglichkeit für die Schichtenanordnung gemäß 1 für das andere Frequenzband zeigt; und
5 diagrammartig eine Zwischenverbindung von mehreren Zwei-Band-Volumenwellenresonatoren, die mit einer Filtervorrichtung verknüpft sind, zeigt.
1 zeigt eine Schichtenanordnung 1, bei der eine piezoelektrische Schicht 2 zwischen einer oberen Elektrode 3 und einer mittleren Elektrode 4 angeordnet ist. Eine weitere piezoelektrische Schicht 5 liegt zwischen der mittleren Elektrode 4 und einer unteren Elektrode 6.
Die Schichtenanordnung 1 kann als Volumenwellenresonator (Bulk Acoustic Wave Resonator, BAWR) verwendet werden, unter Verwendung einer Schaltungseinrichtung, die zwischen der oberen Elektrode 3 und/oder der mittleren Elektrode 4 und/oder der unteren Elektrode 6 über geeignete Verbindungen verbunden sind. Gemäß 2 ist es durch Einleitung von Hochfrequenzsignalen über die obere und untere Elektrode 3, 6 möglich, einen ersten Zustand in der Schichtenanordnung 1 zu erzeugen, bei dem die mittels der Schichtenanordnung gemäß 2 gebildete Filtervorrichtung eine erste Resonanzfrequenz aufweist. Die erste Resonanzfrequenz ist gekennzeichnet durch die auf der rechten Seite in 2 graphisch dargestellte Teilchenablenkung. Dies kann beispielsweise eine Resonanzfrequenz für das 900 MHz-Frequenzband sein.
Die 3 und 4 zeigen Schaltungsmöglichkeiten für die Schichtenanordnung, die dazu führen, dass der dadurch gebildete Volumenwellenresonator gekennzeichnet ist durch eine Resonanzfrequenz in einem anderen Frequenzbereich, beispielsweise dem 1800 MHz-Frequenzband, durch die Einleitung geeigneter Signale über die Elektrode 3, 4 und/oder 6.
In 3 können die mittlere Elektrode 4 und die untere Elektrode 3 mit der Quelle der einzuleitenden Signale verbunden sein. Die in der Schichtenanordnung 1 erzeugte Stehwelle ist in 3 diagrammartig gezeigt. Eine Stehwelle eines ähnlichen Typs entsteht, wenn die obere Elektrode 3, die mittlere Elektrode 4 und die untere Elektrode 6 in der in 4 gezeigten Weise mit der Quelle der Eingangssignale verbunden sind.
Unabhängig von der Zahl benutzter Schalter kann die Schichtenanordnung 1 durch den (die) Schalter zwischen einem Betriebszustand, in dem die Schichtenanordnung 1 als ein für eine Stehwelle in Übereinstimmung mit 2 gekennzeichnetes Filter verwendet wird, und einem anderen Betriebszustand, in dem die Schichtenanordnung 1 als ein durch eine Stehwelle in Übereinstimmung mit 3 oder 4 gekennzeichnetes Filter verwendet wird, umgeschaltet werden. Eine mittels der Schaltungsanordnung 1 gebildete Filtervorrichtung kann somit für mehrere Frequenzbänder verwendet werden, ohne Änderung in der Schichtenanordnung, lediglich durch den Betrieb eines oder mehrerer Schalter. Schalter, die hierfür verwendet werden, können beispielsweise mikromechanische Schalter sein, die in üblicher Weise auf der Siliziumtechnologie basieren. Solche Schalter werden auch als MEM-Mikroschalter bezeichnet.
Besonders geeignete Materialien mit einer hohen elektromagnetischen Kopplungskonstante zur Verwendung in den piezoelektrischen Schichten 2, 5 sind Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Lanthan-dotiertes Bleizirkonat-Titanat PbLa_yZr_xTi_1-xO₃ (0 ≤ x ≤ 1; 0 < x ≤ 0,2), KNbO₃, oder andere piezoelektrische oder ferroelektrische Materialien mit einer hohen elektromagnetischen Kopplungskonstante. Die hohe elektromagnetische Kopplungskonstante dieses Materials weist für die Anwendungen die Vorteile auf, dass durch die eine große Filterbandbreite ermöglicht wird. Die piezoelektrischen Schichten können aus den nachfolgenden Materialien gebildet sein: Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PBTiO₃, Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Pb(Sc_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Pb(Zn_1/3Nb_2/3)_1-x-y(Mn_1/2Nb_1/2)_xTi_yO₃ (0 ≤ x ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1), Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PBTiO₃, Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄, K(Sr_1-xBa_x)₂Nb₅O₁₅ (0 ≤ x ≤ 1), Na(Sr_1-xBa_x)₂Nb₅O₁₅ (0 ≤ x ≤ 1), BaTiO₃ (K_1-xNa_x)NbO₃ (0 ≤ x ≤ 1), (Bi, Na, K, Pb, Ba)TiO₃, (Bi, Na)TiO₃, Bi₇Ti₄NbO₂₁, (K_1-xNa_x)NbO₃-(Bi, Na, K, Pb, Ba)TiO₃ (0 ≤ x ≤ 1), a(Bi_xNa_1-x)TiO_3-b(KnbO_3-c)1/2(Bi₂O₃-Sc₂O₃) (0 ≤ x ≤ 1, a + b + c = 1), (Ba_aSr_bCa_c)Ti_xZr_1-xO₃) (0 ≤ x ≤ 1, a + b + c = 1), (Ba_aSr_bLa_c)Bi₄Ti₄O₁₅ (a + b + c = 1), Bi₄Ti₃O₁₂, LiNbO₃, La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄, La₃Ga₅SiO₁₄, La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄, und PbZr_xTi_1-xO₃ (0 ≤ x ≤ 1), mit und ohne Dotierstoffe aus La, Mn, Fe, Sb, Sr, Ni oder Kombinationen dieser Dotierstoffe.
5 zeigt eine Kombination aus mehreren Zwei-Band-Volumenwellenresonatoren 10, 11, 12, 13, die alle gebildet sind mittels einer Schichtenanordnung in Übereinstimmung mit 1. Jede mittlere Elektrode 10a, 11a, 12a, 13a und eine entsprechende weitere Elektrode 10b, 11b, 12b, 13b der Vielzahl von Zwei-Band-Volumenwellenresonatoren 10, 11, 12, 13 sind verbunden mit entsprechenden Schaltern 14, 15, 16, 17. Die Anordnung der Vielzahl von Zwei-Band-Volumenwellenresonatoren ist mit einer Antenne A verbunden. Die Sende-(Tx)- und die Empfangs-(Rx)-Zweige der Filtervorrichtung sind gebildet mittels der Zwei-Band-Volumenwellenresonatoren 10, 11, 12, 13 (Duplexer-Funktion).
Die Filtervorrichtung kann umgeschaltet werden zwischen zwei Frequenzbereichen, d. h. die Filtervorrichtung weist auch eine Diplexerfilterfunktion auf. Zum Betrieb der Filtervorrichtung in einem Frequenzband in Übereinstimmung mit 5 sollten alle Schalter 14, 15, 16 und 17 in eine Schaltposition ("1") gebracht werden. Wenn sich die Schalter 14, 15, 16, 17 in einer anderen Schaltposition ("2") befinden, wird die Filtervorrichtung in einem anderen Frequenzband betrieben.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung und in den Patentansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl individuell als auch in beliebiger Kombination wie auch immer für die Implementierung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsbeispielen von Bedeutung sein.

Claims

Filtervorrichtung, die in mobiler Funkkommunikation verwendet wird, mit einem Empfangszweig (Rx) und einem Sendezweig (Tx), wobei die Filtervorrichtung mit einer Antenne gekoppelt ist zum Empfangen von mobilen Funksignalen, wobei der Empfangszweig (Rx) und der Sendezweig (Tx) jeweils zumindest zwei Volumenwellenresonatoren (10, 11, 12, 13) enthalten, nachfolgend als BAWR bezeichnet, wobei jeder BAWR zwei piezoelektrische Schichten (2, 5), eine erste Elektrode (6), eine zweite Elektrode (3) und eine mittlere Elektrode (4) enthält, wobei die erste piezoelektrische Schicht (2) zwischen der zweiten Elektrode (3) und der mittleren Elektrode (4) angeordnet ist und die zweite piezoelektrische Schicht (5) zwischen der ersten Elektrode (6) und der mittleren Elektrode (4) angeordnet ist, und die mittlere Elektrode zwischen der ersten und zweiten piezoelektrischen Schicht liegt, wobei der Empfangszweig (Rx) und der Sendezweig (Tx) des weiteren zwei Schaltmittel (14, 15, 16, 17) enthalten, die in jeder der Zweige angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster BAWR (11, 13), der in dem Empfangszweig (RX) und dem Sendezweig (TX) angeordnet ist, zwischen den Signalpfad und ein Massepotential geschaltet ist, durch Verbinden der zweiten Elektrode (3) mit dem Signalpfad und Koppeln des ersten BAWR (11, 13) mit einem ersten Schalter (14, 16), der an einem Ende mit dem Massepotential verbunden ist, und das andere Ende des ersten Schalters in Abhängigkeit der Schaltposition zu der ersten Elektrode (6) oder der mittleren Elektrode (4) schaltbar ist, ein zweiter BAWR (10, 12), der in dem Empfangzweig (RX) und dem Sendezweig (TX) angeordnet ist, seriell in den Signalpfad geschaltet ist, durch Verbinden der zweiten Elektrode (3) mit dem Signalpfad und Koppeln des zweiten BAWR (10, 12) mit einem zweiten Schalter (15, 17), der die erste Elektrode (6) oder die mittlere Elektrode (4) in Abhängigkeit der Schaltposition zu einem Ausgang der Filtervorrichtung schaltet, und dass die Filtervorrichtung mittels der Schaltposition der Schaltmittel (14, 15, 16, 17) auf verschiedenen, von Null abweichenden Frequenzen betrieben wird.
Filtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der BAWR (10, 11, 12, 13) zumindest eine Resonanzfrequenz aufweist, wenn die Schaltmittel (14, 15, 16, 17) eine erste Schaltposition einnehmen, wobei der BAWR (10, 11, 12, 13) eine an dere Resonanzfrequenz aufweist, wenn die Schaltmittel (14, 15, 16, 17) eine zweite Schaltposition einnehmen.
Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel zum Schalten zwischen einer Schaltposition und der anderen Schaltposition ein aktives elektronisches Bauteil umfassen.
Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel zum Schalten zwischen einer Schaltposition und der anderen Schaltposition einen mikromechanischen Schalter umfassen.
Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei piezoelektrischen Schichten (2, 5) hergestellt sind aus AlN, ZnO, KNbO₃, oder Lanthan-dotiertem Bleizirkonat-Titanat (PbLa_xZr_yTi_1-yO₃) (0 ≤ x ≤ 1; 0 < y ≤ 0,2).