ES2365772B2 - Dispositivo y filtro de onda acústica. - Google Patents

Abstract

Dispositivo y filtro de onda acústica.#El dispositivo comprende dos o más electrodos (1, 2), una capa activa piezoeléctrica (3) y unos medios de compensación de señales que comprenden como mínimo una capa compensatoria dieléctrica (4) configurada y ubicada para compensan señales espurias generadas, al aplicar una señal de entrada a dichos electrodos (1, 2), por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura, inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de al menos dicha capa activa (3).#Para un ejemplo de realización los medios de compensación comprenden una fuente de tensión continua (Vdc) en conexión eléctrica con unas capas de alta conductividad (1, 2) entre las que se encuentra la capa compensatoria dieléctrica (4), para aplicar una tensión continua que varíe sus propiedades de elasticidad no lineales.#El filtro comprende uno o más dispositivos como el propuesto por la invención.

Description

Dispositivo y filtro de onda acústica.

Sector de la técnica

La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un dispositivo de onda acústica con una o más capas compensatorias dieléctricas que compensan unas señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por el mismo, y en particular a un dispositivo de onda acústica cuya capa o capas compensatorias están previstas para compensar señales espurias generadas por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un filtro que comprende uno o más dispositivos según el primer aspecto de la invención.

Estado de la técnica anterior

La elasticidad de los materiales usados para construir dispositivos de onda acústica, en los electrodos y en la capa piezoeléctrica que incorporan, en adelante capa activa, es una propiedad especialmente importante en tanto que define la relación entre las tensiones mecánicas y la deformación del material provocada por la onda mecánica. Esto hace que cualquier variación de la elasticidad con el campo externo aplicado se traduzca en un comportamiento no lineal intrínseco del dispositivo generando efectos indeseados: generación de harmónicos, productos de intermodulación, desintonización y saturación.

El creciente uso del espectro radioeléctrico debido al surgimiento de nuevos estándares de comunicación hace necesario el uso de dispositivos con prestaciones óptimas en tanto que a aprovechamiento del canal se refiere. Este incremento de prestaciones implica un incremento de la selectividad de los filtros que forman parte de las cabeceras de radiofrecuencia cuya misión es la de eliminar las señales indeseadas a frecuencias diferentes de las usadas en el enlace de comunicaciones. Por otro lado, es creciente el número de transceptores que operan a diferentes bandas de frecuencia, lo que implica la necesidad de construir dispositivos (filtros, amplificadores, etc.) cada vez más reducidos en peso y volumen para su integración en un único terminal. Con este objetivo se persigue la integración en chip de los circuitos pasivos que debido a sus elevadas dimensiones o a su proceso de fabricación suelen ser habitualmente componentes externos al chip.

Es en este contexto que los dispositivos pasivos electro-acústicos con dimensiones comparables a la longitud de onda acústica, mucho menor que la longitud de onda electromagnética a la misma frecuencia, tienen un enorme potencial para la fabricación de resonadores y filtros para cabezales de radiofrecuencia.

Según si la onda acústica se propaga por la superficie o se propaga hacia el interior del sustrato los resonadores o filtros acústicos se pueden clasificar en dispositivos SAW y dispositivos BAW respectivamente. Los primeros permiten realizar filtros hasta 2 GHz y no son compatibles con los procesos CMOS. De entre los dispositivos BAW destacan los cristales de cuarzo de uso extendido y los resonadores acústicos de película delgada (FBAR). Estos últimos tienen un enorme potencial ya que permiten una mayor frecuencia de operación que los SAW y son compatibles con los procesos CMOS.

Uno de los mayores problemas que presentan estas tecnologías (SAW y BAW) es la no linealidad inherente de los materiales actualmente utilizados para la construcción de resonadores, es decir que las propiedades de los materiales usados dependen del nivel de las magnitudes eléctricas o acústicas que intervienen. Esto conlleva que los resonadores y/o filtros introduzcan efectos no lineales: saturación, desintonización y generación de señales indeseadas como productos de intermodulación y harmónicos, que degradan las prestaciones de los circuitos.

Para evitar dichos efectos o bien se actúa con acciones de prevención, por ejemplo limitando la potencia a la que pueden operar, incrementando las bandas de guarda entre canales, etc., o bien se aplican técnicas que permitan fabricar dispositivos más lineales.

El comportamiento no lineal de la elasticidad del material piezoeléctrico y los efectos de auto-calentamiento son las principales causas de las no linealidades en los dispositivos acústicos.

La elasticidad no lineal, conocida como no linealidad intrínseca, puede ser modelada por un desarrollo en series de Taylor en función de la tensión mecánica, de manera que los términos significativos son un coeficiente de primer orden y otro coeficiente mucho menor de segundo orden, que dependen de la tensión mecánica directamente y al cuadrado respectivamente. Ambos términos generan harmónicos y productos de intermodulación cuando el dispositivo es alimentado con dos tonos, siendo especialmente nocivos los productos de intermodulación de tercer orden por aparecer habitualmente a frecuencias dentro de la banda de operación en un sistema de comunicaciones.

También es destacable la contribución a la intermodulación de tercer orden que se genera por un efecto de auto-calentamiento del dispositivo. Es lo que se conoce como no linealidades extrínsecas. La disipación de potencia en el interior del material se traduce en un incremento de la temperatura con un comportamiento de filtro paso-bajo, debido al tiempo que tarda la temperatura en estabilizarse (constante de relajación térmica). Estas variaciones de temperatura, que siguen la envolvente de la señal, y por tanto son variaciones lentas, hacen variar la elasticidad provocando intermodulación de tercer orden.

Actualmente se usan diferentes técnicas para disminuir el nivel de los harmónicos. La más sencilla aparece descrita en US20080252397, y consiste en incorporar inductancias externas al filtro de manera que, debido a la naturaleza capacitiva de un filtro de resonadores BAW fuera de resonancia, se limite la transmisión justo a las frecuencias donde deberían aparecer los harmónicos. Esta técnica tiene el inconveniente que aumenta las dimensiones del dispositivo.

En la patente US7365619B2 se describe otra técnica con el mismo fin aplicada a un dispositivo BAW, la cual consiste en subdividir cada resonador en dos de iguales dimensiones pero conectados en anti-paralelo. La polarización intrínseca del material hace que las no linealidades de primer orden tengan signos diferentes en los dos resonadores y por tanto se cancele el segundo harmónico. Esta técnica no incrementa las dimensiones del filtro aunque requiere de un diseño muy preciso y complica la geometría del dispositivo. En los dispositivos SAW la conexión antiparalela inherente de los electrodos IDT (Interdigital Transducers) reduce ya de por sí la generación de harmónicos en la zona de los electrodos, pero no en la zona de propagación de la onda acústica entre los electrodos.

En cuanto a la intermodulación no existe actualmente ninguna técnica diseñada específicamente para disminuirla. Sí que existe una técnica para compensar el resonador en temperatura para prevenir que el resonador o filtro se desajuste en frecuencia, de manera que se incorpora una capa de material fino cuya variación elástica con la temperatura es inversa a la del material piezoeléctrico principal, consiguiendo que el conjunto se mantenga estable en temperatura.

Tal técnica aparece descrita en la patente US3965444, aplicada a resonadores SAW, con una capa compensatoria de dióxido de Silicio, y, para resonadores BAW, en las patentes US7345410, donde la capa incorporada es de dióxido de Silicio combinado con Boro, y en la patente US7408428, donde se reivindica que dicha capa es de un material ferroeléctrico, seleccionable de entre tres compuestos muy específicos, y se encuentra dispuesta entre los electrodos de un resonador FBAR de membrana.

Esta técnica, aunque no fue originalmente concebida para ello, indirectamente puede disminuir el nivel de intermodulación generado mediante auto-calentamiento, en tanto que la variación de temperatura puede afectar mucho menos al dispositivo. No obstante no cancela las no linealidades intrínsecas ni los efectos indeseados generados por éstas, al ser dichas no linealidades intrínsecas independientes de la temperatura.

Explicación de la invención

Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, en particular relativas a la carencia de dispositivos de onda acústica previstos para compensar los efectos indeseados provocados por las no linealidades intrínsecas mencionadas, con el fin de cancelarlos.

Para ello la presente invención aporta un dispositivo de onda acústica que comprende dos o más electrodos, una o más capas activas de material piezoeléctrico y unos medios de compensación de señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por como mínimo parte de dicho dispositivo de onda acústica, donde dichos medios de compensación comprenden al menos una capa compensatoria dieléctrica en contacto con una o más capas de dicho dispositivo de onda acústica.

A diferencia de las propuestas convencionales, donde los medios de compensación (es decir la capa compensatoria con coeficiente de temperatura inverso al de la capa piezoeléctrica), aunque estaban previstos para compensar un posible desajuste en frecuencia provocado por la temperatura, también compensaban indirectamente no linealidades extrínsecas dependientes de la temperatura, los medios de compensación del dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención están previstos, mediante como mínimo la configuración y ubicación de una o más capas compensatorias dieléctricas, para compensar señales espurias generadas, al aplicar una señal de entrada a dichos electrodos, por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura, inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de la capa o capas activas del dispositivo de onda acústica.

Además de dichas señales espurias, en particular referentes a productos de intermodulación y harmónicos, el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención está previsto para compensar, mediante dichos medios de compensación, otra clase de efectos indeseados provocados por la no linealidad intrínseca de los materiales del dispositivo de onda acústica, tales como los relativos a la desintonización y/o saturación del mismo.

Asimismo, aunque la función principal de los medios de compensación es la de compensar las no linealidades intrínsecas, para un ejemplo de realización éstos también están previstos para compensar no linealidades extrínsecas.

Por lo que se refiere a la configuración de dicha capa compensatoria dieléctrica, ésta está configurada para, por sí sola o en colaboración con otras capas compensatorias dieléctricas incluidas en los medios de compensación, tener unas propiedades de elasticidad no lineales que, en función también de su ubicación dentro del dispositivo, produzcan unas señales espurias, al aplicarse dicha señal de entrada, que sean iguales en magnitud y estén en contrafase con las provocadas por la capa o capas activas del dispositivo de onda acústica en ausencia de capas compensatorias.

Dicha configuración de la capa o capas compensatorias dieléctricas se refiere al menos a su dimensionado, incluyendo su espesor, y en general también a su forma, área y composición, la cual dependerá del tipo de dispositivo de onda acústica en el que se aplique.

Para un ejemplo de realización, el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención comprende varias capas compensatorias dieléctricas, cada una de ellas configurada para compensar un respectivo coeficiente no lineal elástico.

Según un caso particular de dicho ejemplo de realización, como mínimo una de dichas capas compensatorias dieléctricas está configurada para compensar una no linealidad de primer orden (responsable de la generación del segundo harmónico) y como mínimo otra de dichas capas compensatorias dieléctricas está configurada para compensar una no linealidad de segundo orden relativa a los coeficientes cuadráticos intrínsecos denominados en el apartado anterior como coeficientes de segundo orden.

Para un ejemplo de realización el dispositivo de onda acústica propuesto por la invención comprende un único resonador de onda acústica, por lo que en el caso en que éste comprende más de una capa compensatoria dieléctrica, por ejemplo diseñadas según se ha descrito en el párrafo anterior, éstas se encuentran dispuestas dentro del mismo resonador.

Para otro ejemplo de realización alternativo el dispositivo comprende dos o más resonadores de onda acústica conectados en paralelo, como mínimo uno de los cuales incluye una o más de dichas capas compensatorias dieléctricas, de manera que se cancelen las no linealidades mutuamente.

Las condiciones que se deben dar para producirse cancelación de las no linealidades, dentro de un único resonador de onda acústica o mediante conexión paralela de dos resonadores, es que las señales espurias generadas por la capa o capas compensatorias dieléctricas estén en oposición de fase con las generadas por la capa o capas activas y que tengan la misma intensidad. La primera condición se cumple mediante la utilización de una o más capas compensatorias dieléctricas con un coeficiente no lineal de signo opuesto al de la capa o capas activas del dispositivo cuyas no linealidades se pretende compensar, como mínimo la constitutiva del piezoeléctrico. La segunda condición se consigue, para un ejemplo de realización, escogiendo las posiciones en las que introducir una o más capas compensatorias dieléctricas con el grosor adecuado atendiendo a la onda estacionaria del modo resonante en cuestión

Es conocido que determinados materiales dieléctricos, bajo ciertas condiciones físicas, varían su elasticidad cuando se aplica un campo externo. Tales materiales son usados para construir las capas compensatorias dieléctricas incluidas en el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención.

Es por ello que los medios de compensación del dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención comprenden como mínimo una fuente de estimulación externa conectada a la capa o capas compensatorias dieléctricas, o a unas capas de otro material en contacto con las mismas (capas de alta conductividad para el caso de una estimulación eléctrica), para aplicarles una señal de estimulación que varíe sus propiedades de elasticidad no lineales, señal la cual puede ser aplicada individualmente en cada capa o en su conjunto.

En función del ejemplo de realización dicha fuente de estimulación es una fuente de estimulación eléctrica (tal como una fuente de tensión continua), magnética (tal como una fuente electromagnética), mecánica (tal como la que aplica una presión mecánica estática), o una combinación de las mismas.

También es posible inducir unas condiciones externas en la capa o capas compensatorias dieléctricas sin utilizar una fuente de estimulación externa, sino mediante la utilización de una o más capas compensatorias dieléctricas construidas (por ejemplo mediante técnicas de crecimiento) con unas tensiones mecánicas preestablecidas, lo que da lugar a un mayor o menor efecto del movimiento de los dominios y por consiguiente a una diferente relación no lineal de la elasticidad con el campo externo.

El dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención comprende, en función del ejemplo de realización, uno o varios resonadores de onda acústica en volumen, o BAW (de membrana (FBAR) o montados en un soporte sólido (SMR)), o uno o varios resonadores de onda acústica de tipo superficial, o SAW.

Debido a que el material del que están constituidas las capas activas, en particular el piezoeléctrico, de los resonadores BAW es distinto al de los resonadores SAW, el material del que está constituida la capa o capas compensatorias dieléctricas del dispositivo propuesto por la invención también es diferente en función del tipo de resonador que éste incluya, estando éstas diseñadas para tener un comportamiento no lineal opuesto al de la capa activa incluida, para cada caso.

En particular, en los resonadores BAW la capa o capas activas son de un material no ferroico, por lo que para los ejemplos de realización para los que el dispositivo propuesto por la invención comprende uno o más resonadores BAW, la capa o capas compensatorias dieléctricas son de un material ferroico, en particular un material ferromagnético, un material ferroeléctrico, un material ferroelástico, o una combinación de los mismos.

Es interesante resaltar que no es conocido en el estado de la técnica ningún dispositivo de onda acústica que incluya una o más capas de material ferromagnético o ferroelástico como parte de unos medios de compensación de no linealidades en general, ni intrínsecas ni tampoco extrínsecas.

Es conocido que la estructura interna de los materiales ferroicos y principalmente el efecto producido por el movimiento de sus dominios, debido a la polarización instantánea, les confieren propiedades especiales no encontradas en otros materiales. Una de estas propiedades es la de una elasticidad que, en determinados ferroicos y bajo ciertas condiciones físicas, aumenta cuando se aplica un campo externo ya sea eléctrico, magnético o mecánico y por tanto es inversa a la de los materiales metálicos y piezoeléctricos no ferroeléctricos que forman la capa o capas activas (por ejemplo AlN o cuarzo) de los resonadores BAW convencionales, por lo que en este tipo de resonadores la inserción de una o más capas ferroicas como capas compensatorias dieléctricas (por ejemplo ZnO dopado o BSTO), con una elasticidad no lineal creciente con el campo eléctrico o mecánico externo, compensa las no linealidades intrínsecas provocadas por la capa o capas activas en ausencia de capas compensatorias.

Esta variación de la elasticidad con el campo externo puede tener una relación lineal, de módulo o cuadrática dependiendo de las propiedades del material ferroico y de las condiciones externas aplicadas, si es el caso. Esta particularidad de los materiales ferroicos posibilita su uso en diferentes capas finas individuales, en resonadores BAW, con el objetivo de cancelar diferentes coeficientes no lineales elásticos, tal y como se ha descrito anteriormente antes de concretar el tipo de material a utilizar para fabricar las capas compensatorias dieléctricas.

Por otra parte, en los resonadores SAW los materiales que forman la capa activa tradicionalmente usados para construir estos dispositivos son precisamente ferroeléctricos (por ejemplo ZnO dopado, LiNbO3, LiTaO3) por lo que en este caso la capa o capas compensatorias dieléctricas son de un material no ferroico (por ejemplo AlN o ZnO no dopado) con una elasticidad no lineal decreciente con el campo eléctrico o mecánico externo que compense las no linealidades intrínsecas provocadas por la capa o capas activas en ausencia de capas compensatorias.

Un segundo aspecto de la presente invención concierne a un filtro de onda acústica que comprende a uno o más dispositivos de acuerdo al primer aspecto de la invención.

Según el ejemplo de realización del filtro propuesto por el segundo aspecto de la invención, éste comprende una serie de resonadores de onda acústica, que forman parte del dispositivo propuesto, interconectados según cualquier topología de tipo conocida, tal como la topología “Ladder” o la “Lattice”.

Para un ejemplo de realización el filtro propuesto es un filtro de comunicaciones miniaturizado y con buenas prestaciones, donde las no linealidades tienen un impacto clave, tal como los descritos en: R. Aigner, “Bringing BAW Technology into Volume Production: The Ten Commandments and the Seven Deadly Sins”, Proceedings of the Third International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, Chiba (Japan) March 2007.

Otras aplicaciones del dispositivo propuesto por la invención son, además de para fabricar el mencionado filtro de onda acústica, la fabricación de otra clase de circuitos de radiofrecuencia, tal como osciladores, la fabricación de sensores mecánicos extremadamente sensibles, transductores y “lab-on-a-chip”, donde es de importancia mantener la relación lineal entre la magnitud a medir y la señal obtenida ("BAW and SAW sensors for Insitu analysis," Paper 5050-11, Proceedings of the SPIE Smart Structures Conference, San Diego, CA., Mar 2-6. 2003.), así como la utilización como elemento básico para la construcción de metamateriales con elementos resonantes o no resonantes (Lai, A.; Itoh, T.; Caloz, C., "Composite right/left-handed transmission line metamaterials," Microwave Magazine, IEEE, vol.5, no.3, pp. 3-50, Sept. 2004).

Breve descripción de los dibujos

Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:

la Figura 1 (a) muestra, de manera esquemática y mediante una vista en alzado, al dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de realización para el que éste comprende un resonador BAW de tipo SMR, donde los medios de compensación comprenden una capa compensatoria dieléctrica de material ferroico dispuesta en el interior de un espejo acústico;

la Figura 1 (b) representa al mismo dispositivo ilustrado en la Figura 1 (a), para otro ejemplo de realización para el que la capa de material ferroico se encuentra dispuesta en otra ubicación, en concreto insertada justo encima de una capa semilla dispuesta sobre el espejo acústico;

las Figuras 1 (c) y 1 (d) también representan al mismo dispositivo ilustrado por las Figuras 1 (a) y 1 (b), para sendos ejemplos de realización para los que la capa de material ferroico se encuentra dispuesta, respectivamente, insertada justo encima del electrodo superior (Figura 1 (c)), y en una posición intermedia entre los electrodos (Figura 1 (d));

la Figura 1 (e) representa a un dispositivo análogo al ilustrado en la Figura 1 (a), incluida la ubicación de la capa de material ferroico, pero para otro ejemplo de realización para el que éste comprende dos electrodos adicionales, dispuestos a lado y lado de la capa de material ferroico, y donde los medios de compensación también comprenden una fuente de tensión continua conectada a dichos electrodos adicionales;

las Figura 1 (f) ilustra, de manera esquemática, a un dispositivo análogo al ilustrado en la Figura 1 (d), incluida la ubicación de la capa de material ferroico, pero para otro ejemplo de realización para el que los medios de compensación también comprenden una fuente de tensión continua conectada a los dos electrodos;

la Figura 2 (a) muestra de manera esquemática al dispositivo de onda acústica propuesto pro el primer aspecto de la invención para otro ejemplo de realización para el que éste comprende un resonador BAW de tipo FBAR donde la membrana piezoeléctrica está comprendida entre dos electrodos suspendidos encima de un hueco de aire definido en un sustrato de silicio, y donde los medios de compensación comprenden una capa ferroica dispuesta por encima del electrodo inferior;

la Figura 2 (b) representa exactamente el mismo dispositivo ilustrado por la Figura 2 (a), para otro ejemplo de realización para el que la capa ferroica se encuentra dispuesta justo encima del electrodo superior;

la Figura 2 (c) ilustra, de manera esquemática, a un dispositivo análogo al ilustrado en la Figura 2 (a), incluida la ubicación de la capa de material ferroico, pero para otro ejemplo de realización para el que los medios de compensación también comprenden una fuente de tensión continua conectada a los dos electrodos;

la Figura 3 (a) muestra, de manera esquemática, al dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención para otro ejemplo de realización para el que éste comprende una estructura BAW resonante como la de las Fig. 1 (a) pero a la cual se encuentra acoplado acústicamente un conjunto adicional formado por una capa piezoeléctrica atrapada entre dos respectivos electrodos, mediante una capa de acoplo, y donde los medios de compensación comprenden, además de la capa ferroica insertada en el espejo acústico, una segunda capa de material ferroico insertada en dicha capa de acoplo;

la Figura 3 (b) representa exactamente el mismo dispositivo ilustrado por la Figura 3 (a), pero para otro ejemplo de realización para el que las capas de material ferroico se encuentran ubicadas, una por encima del electrodo inferior del par de electrodos principal, y la otra por debajo del electrodo superior del par de electrodos del conjunto adicional;

la Figura 4 ilustra de manera esquemática al dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de realización para el que éste comprende dos resonadores BAW conectados en paralelo, donde los medios de compensación comprenden una única capa ferroica dispuesta por encima de uno de los electrodos de unos de los resonadores;

la Figura 5 (a) muestra, de manera esquemática, al dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de realización para el que éste comprende un resonador SAW, donde los medios de compensación comprenden una capa compensatoria dieléctrica de material no ferroico dispuesta bajo los electrodos IDT, por encima de una capa activa piezoeléctrica de material ferroeléctrico;

la Figura 5 (b) representa al mismo dispositivo ilustrado en la Figura 5 (a), para otro ejemplo de realización para el éste comprende además dos electrodos adicionales dispuestos a lado y lado de la capa piezoeléctrica ferroeléctrica; y

la Fig. 6 es una gráfica que ilustra los resultados obtenidos a partir de unas simulaciones de segundo harmónico generado por un resonador BAW SMR, para un ejemplo de realización.

Descripción detallada de unos ejemplos de realización

Haciendo en primer lugar referencia a las Figuras 1 (a) a 1 (f), en ellas se ilustran unos ejemplos de realización para los que el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención comprende un resonador BAW de tipo SMR que comprende una capa piezoeléctrica 3 comprendida entre dos electrodos 1, 2 y montada sobre un espejo acústico 6 a través de una capa semilla 13 (para mejorar las propiedades de crecimiento de las capas superiores). El conjunto reposa sobre un sustrato de silicio 16.

Dichas figuras referentes a un resonador BAW SMR se diferencian principalmente por la ubicación de la capa ferroica 4 que constituye la capa compensatoria dieléctrica descrita, la cual se encuentra dispuesta en el interior del espejo acústico 6, en las Figs. 1 (a) y 1 (e), entre el electrodo 2 y la capa semilla 13, en la Fig. 1(b), sobre el electrodo 1, en la Fig. 1 (c), o sobre el electrodo 2, en las Figs. 1 (d) y 1 (f).

En las Figs. 1 (e) y 1 (f) se ilustran unos ejemplos de realización para los que los medios de compensación comprenden además una fuente de tensión continua Vdc conectada entre los electrodos 1 y 2, en el ejemplo de realización de la Fig. 1 (f), para aplicar una tensión continua entre ellos que afecte a la capa ferroica 4, en particular para modificar sus constantes no lineales, o, con el mismo fin, entre dos electrodos o capas metálicas adicionales 8 y 9 insertados en el espejo acústico 6, en el ejemplo de realización de la Fig. 1 (e), entre los cuales se halla dispuesta, contactando con ambos, la capa ferroica 4.

Para un ejemplo de realización dichas capas metálicas 8, 9 son dos de las capas propias de un reflector de Bragg o espejo acústico 6.

La ubicación de la capa ferroica 4, en el ejemplo de realización de la figura 1 (c), justo encima del electrodo superior 1 posibilita la aplicación de presión mecánica como fuente de estimulación externa y/o voltaje en continua si se superpone otro material metálico encima (no ilustrado).

Debe resaltarse que en el ejemplo de realización de la Fig. 1(d), donde la capa ferroica está dispuesta entre los dos electrodos 1, 2, ésta estará por tanto sometida al campo eléctrico aplicado, como señal de entrada, entre los electrodos principales, el cual también modificará las constantes no lineales del material ferroico, de manera opuesta a como varían las constantes no lineales de la capa activa 3.

Sirvan los ejemplos de realización ilustrados por las diferentes Figs. 1 (a) a 1 (f) aplicados a un mismo tipo de resonador BAW SMR, como representativos de la gran variedad de posibilidades disponibles para implementar los medios de compensación incluidos en el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención, tanto por lo que se refiere a la ubicación y diseño, en particular referente al grosor, de la capa ferroica, como a la utilización o no de una o más fuentes de estimulación externa para tener un mayor control sobre la cancelación de las no linealidades intrínsecas si éstas no son completamente canceladas por la simple existencia de la capa ferroica sin estimulación externa.

En el diseño de la capa ferroica 4, por lo que se refiere a su ubicación y espesor, así como en el del resto del resonador BAW (por ejemplo por lo que se refiere al grosor del espejo 6), influirá el hecho de que se utilice o no la mencionada fuente de estimulación externa, y el tipo y la magnitud de la señal de estimulación aplicada, así como dónde sea aplicada.

Aunque no se halla ilustrado en las figuras, dicha fuente de tensión continua Vdc, para un ejemplo de realización, forma parte de un circuito electrónico de regulación que implementa un lazo cerrado de control, monitorizando la respuesta de dicho resonador BAW y regulando el voltaje aplicado por la fuente Vdc en función de las señales monitorizadas, si las no linealidades intrínsecas no han sido completamente canceladas, con el fin de realizar lo que se podría denominar como un ajuste fino de las constantes no lineales de la capa o capas ferroicas 4 para disminuir lo máximo posible la influencia de dichas no linealidades intrínsecas en el comportamiento del resonador, por ejemplo aumentando o disminuyendo la intensidad de las señales espurias producidas por dicha capa o capas ferroicas 4 que están en contrafase con las provocadas por las capas no ferróicas (piezoeléctrico, electrodos, etc.) del resonador.

Tal circuito de regulación implementado por dicho lazo de control es aplicable a cualquier otra clase de resonador incluido en el dispositivo propuesto, incluyendo los ilustrados en las Figs. 2 a 5.

El tipo de material ferroico escogido para configurar la capa 4 es, para los ejemplos ilustrados referentes a resonadores BAW, un material ferroeléctrico, en tanto que éste ofrece un mayor acoplamiento mecánico y posibilita el control de la polarización instantánea mediante la aplicación de voltaje en continua.

No obstante, tal y como se ha indicado anteriormente la capa ferroica 4 es de una material ferromagnético o ferroelástico, para otros ejemplos de realización no ilustrados, en cuyo caso la fuente de estimulación externa es, respectivamente, una fuente de estimulación magnética o mecánica.

Asimismo para otra clase de fuente de estimulación externa, ya sea magnética o mecánica, la presente invención también contempla unos ejemplos de realización, no ilustrados, que incorporen un circuito de regulación análogo al descrito, asociado en este caso a una fuente de estimulación magnética o mecánica, respectivamente.

A su vez, siguiendo con los ejemplos de realización de las Figs. 1 (a) a 1 (f), dependiendo de la impedancia acústica del material ferroico utilizado, se puede usar como capa de alta impedancia o de baja impedancia formando parte del reflector o espejo acústico 6.

En las Figs. 2 (a) a 2 (c) se ilustran otros ejemplos de realización para los que el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención comprende un resonador BAW de tipo FBAR donde la membrana piezoeléctrica 3 está comprendida entre dos electrodos 1, 2 suspendidos encima de un hueco de aire 12 definido en un sustrato de silicio 16, sujetos por sus extremos, y donde los medios de compensación comprenden una capa ferroica 4 dispuesta por encima del electrodo inferior 2, en las Figs. 2 (a) y 2 (c), o justo encima del electrodo superior 1, en la Fig. 2 (b).

La disposición de la Fig. 2 (a) somete a la capa ferroica 4 al campo eléctrico generado entre los electrodos principales, y la de la Fig. 2 (b) posibilita la aplicación de presión mecánica sobre la capa ferroica 4 y/o de un voltaje en continua si se superpone otro material metálico encima (no ilustrado).

Por lo que se refiere al ejemplo de realización de la Fig. 2 (c), en éste los medios de compensación también comprenden una fuente de tensión continua Vdc conectada a los dos electrodos 1, 2, para variar las constantes no lineales de la capa ferroica 4, de manera análoga a como se ha descrito para el ejemplo de realización de la Fig. 1 (f).

En las Figs. 3 (a) y 3 (b) se ilustra una estructura BAW resonante, que es la unidad básica con la que se construyen los filtros SCF y CRF, que se encuentra comprendida por el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención, para dos ejemplos de realización diferenciados por la ubicación de las dos capas ferroicas 4, 5 que ambos disponen.

Dicha estructura está formada por dos capas piezoeléctricas 3, 11, cada una de ellas dispuesta entre dos respectivos electrodos 1, 2 y 8, 9, y una o más capas de acoplo 10 que unen al electrodo 2 con el 8 de manera que las dos capas piezoeléctricas 3, 11 se acoplan acústicamente.

Al igual que el resonador de las Figs. 1 (a) a 1 (f), la estructura de las Figs. 3 (a) y 3 (b) incluye un espejo acústico 6 y una capa semilla 13. El conjunto reposa sobre un sustrato de silicio 16.

En el ejemplo de realización de la Fig. 3 (a) las capas ferroicas 4, 5 están situadas, respectivamente, en la capa de acoplo 10 y en el espejo acústico 6.

Por lo que se refiere al ejemplo de realización de la Fig. 3 (b), en éste las capas ferroicas 4, 5 están situadas, respectivamente, por debajo del electrodo superior 1, y por encima del electrodo más inferior 9. En este caso ambas capas ferroicas 4, 5 se encuentran sometidas al campo eléctrico aplicado entre, respectivamente, el par de electrodos 1-2 y el 8-9.

Para unos ejemplos de realización, no ilustrados, los medios de compensación también comprenden, de manera análoga a la Fig. 1(f) y 2 (c), una fuente de tensión continua aplicada entre cualquier par de electrodos, 1-2, 8-9, o entre dos capas metálicas adicionales (no ilustradas) dispuestas a lado y lado de una respectiva capa ferroica 4, 5.

Para el ejemplo de realización ilustrado en la Fig. 4, el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención comprende dos resonadores BAW, R1, R2, conectados en paralelo mediante las conexiones 17 y 18, uno de ellos con capa piezoeléctrica no ferroica 3, y el otro con una capa ferroica 4 dispuesta por encima de uno de los electrodos 9 de unos de los resonadores R2, por debajo de la capa piezoeléctrica 11, tal y como se ilustra en dicha Fig. 4, o constituyendo en parte o totalmente a la misma (disposición no ilustrada).

En los dos resonadores R1, R2 las capas piezoeléctricas 3, 11 se sitúan entre sus respectivos electrodos 12, 8-9. Los resonadores R1, R2 están construidos para que resuenen a la misma frecuencia, de manera que entre la entrada E y la salida S su comportamiento lineal sea el mismo que el de un único resonador.

En las Figs. 5 (a) y 5 (b) se ilustran sendos ejemplos de realización donde el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de la invención comprende un resonador SAW con una capa piezoeléctrica ferroeléctrica 3, y una capa compensatoria dieléctrica 4 fabricada con un material no ferroico dispuesta por debajo de los electrodos, o IDTs metálicos 1, 2.

En el ejemplo de realización de la Fig. 5 (a) la capa compensatoria no ferroica 4 se encuentra dispuesta justo por encima del piezoeléctrico ferroeléctrico 3, mientras que en el ejemplo de realización ilustrado por la Fig. 5

(b) el resonador SAW comprende dos electrodos adicionales 8, 9, a lado y lado de la capa piezoeléctrica ferroeléctrica 3, y la capa compensatoria no ferroica 4 se encuentra dispuesta justo por encima del electrodo adicional superior 8.

En dicho ejemplo de realización de la Fig. 5 (b), los medios de compensación comprenden una fuente de tensión continua Vdc conectada a dichos electrodos adicionales 8, 9, con el fin de aplicar una tensión continua entre ellos que afecte a la capa piezoeléctrica ferroica 3, en particular para modificar sus constantes no lineales. En este caso, a diferencia de los referentes a resonadores BAW, la tensión es aplicada sobre la capa piezoeléctrica convencional 3, que para los resonadores SAW es ferroica, ya que ésta tiene unas propiedades que permiten variar el margen de no linealidad mucho más que la capa compensatoria no ferroica 4.

Finalmente en la Fig. 6 se ilustra una gráfica que ilustra los resultados obtenidos a partir de unas simulaciones de segundo harmónico generado en reflexión por un resonador BAW SMR para una potencia de 5 entrada de 30 dBm.

En particular las simulaciones se han hecho para un resonador BAW SMR en el que la capa compensatoria dieléctrica 4 se encuentra entre la capa activa 3 y el electrodo superior 1.

El resonador simulado está formado por una capa activa 3 de AlN y una capa compensatoria 4 de ZnO dopado. La traza discontinua se corresponde con un valor de coeficiente no lineal de la capa compensatoria 4 menor 10 que el usado para la simulación de la traza sólida. Se observa cómo, con adecuado diseño de su espesor para

ambos casos, se consigue la cancelación del segundo harmónico generado por la capa activa.

Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (19)

1. REIVINDICACIONES

   1.- Dispositivo de onda acústica del tipo que comprende al menos dos electrodos (1, 2), al menos una capa activa (3) constituida por material piezoeléctrico, y unos medios de compensación de señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por al menos parte de dicho dispositivo de onda acústica, donde dichos medios de compensación comprenden al menos una capa compensatoria dieléctrica (4) en contacto con al menos una capa de dicho dispositivo de onda acústica, estando éste caracterizado porque dichos medios de compensación están previstos, mediante al menos la configuración y ubicación de dicha capa compensatoria dieléctrica (4), que es al menos una, para compensar señales espurias generadas, al aplicar una señal de entrada a dichos electrodos (1, 2), que son al menos dos, por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura, inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de al menos dicha capa activa (3), que es al menos una, de dicho dispositivo de onda acústica caracterizado porque dicha capa compensatoria dieléctrica (4), que es al menos una, está configurada para, por sí sola o en colaboración con al menos otras capas compensatorias dieléctricas (5) incluidas en los medios de compensación, tener unas propiedades de elasticidad no lineales que, en función también de su ubicación, produzcan unas señales espurias, al aplicarse dicha señal de entrada, que sean iguales en magnitud y estén en contrafase con las provocadas por la capa o capas activas (3) del dispositivo de onda acústica en ausencia de capas compensatorias.
2. 2.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende varias capas compensatorias dieléctricas (4, 5), cada una de ellas configurada para compensar un respectivo coeficiente no lineal elástico.
3. 3.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 2, caracterizado porque al menos una de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) está configurada para compensar una no linealidad de primer orden y al menos otra de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) está configurada para compensar una no linealidad de segundo orden.
4. 4.- Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha configuración de dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) se refiere al menos al dimensionado de las mismas, incluyendo su espesor.
5. 5.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) han sido construidas con unas tensiones mecánicas preestablecidas.
6. 6.- Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dichos medios de compensación comprenden al menos una fuente de estimulación externa conectada a dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5), o a unas capas de otro material en contacto con las mismas, para aplicarles una señal de estimulación que varíe sus propiedades de elasticidad no lineales.
7. 7.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 6, caracterizado porque dicha fuente de estimulación, que es al menos una, es una fuente de estimulación eléctrica, magnética o mecánica, o una combinación de las mismas.
8. 8.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 7, caracterizado porque dicha fuente de estimulación eléctrica es una fuente de tensión continua (Vdc) en conexión eléctrica con al menos dos capas de alta conductividad entre las que se encuentra al menos una de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5), para aplicar una tensión continua entre dichas dos capas de alta conductividad.
9. 9.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 8, caracterizado porque dichas capas de alta conductividad son unos electrodos (1, 2) de dicho dispositivo de onda acústica.
10. 10.- Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos un resonador de onda acústica en volumen, o resonador BAW.
11. 11.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 10, caracterizado porque el material de dicha o dichas compensatorias dieléctricas (4, 5) es al menos uno del grupo que incluye los siguientes materiales ferroicos: material ferromagnético, material ferroeléctrico y material ferroelástico, o una combinación de los mismos, con coeficientes no lineales opuestos a los de la capa o capas activas (3) del dispositivo.
12. 12.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho resonador de onda acústica en volumen, que es al menos uno, es de tipo membrana, o FBAR.
13. 13.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho resonador de onda acústica en volumen, que es al menos uno, es del tipo que se encuentra montado en un soporte sólido, o SMR.
14. 14.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 13, caracterizado porque la capa o capas de material ferroico (4, 5) están ubicadas en el espejo acústico (6) de dicho resonador BAW tipo SMR, que es al menos uno.
15. 15.- Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque 5 comprende al menos un resonador de onda acústica de tipo superficial, o resonador SAW.
16. 16.- Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 15, caracterizado porque el material de la capa o capas compensatorias (4, 5) es un material dieléctrico no ferroico con coeficientes elásticos no lineales opuestos a los de la capa o capas activas (3) del dispositivo.
17. 17.- Dispositivo de onda acústica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado 10 porque comprende al menos dos resonadores de onda acústica conectados en paralelo, al menos uno de los cuales incluye una o más de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5).
18. 18.- Filtro de onda acústica, caracterizado porque comprende al menos un dispositivo de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

    N.º solicitud: 200901579

    ESPAÑA

    Fecha de presentación de la solicitud: 08.07.2009

    Fecha de prioridad:

    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

    51 Int. Cl. : H03H9/15 (2006.01) H01L41/04 (2006.01)

    DOCUMENTOS RELEVANTES

    Categoría

    Documentos citados Reivindicaciones afectadas

    X

    US 2005110598 A1 (LARSON JOHN D III) 26.05.2005, todo el documento. 1

    A

    2-15,19

    X

    US 2007222336 A1 ( GRANNEN KEVIN J et al.) 27.09.2007, todo el documento. 1

    A

    2-15,19

    X

    US 3965444 A (WILLINGHAM CHARLES B et al.) 22.06.1976, todo el documento. 1

    A

    2-10,16-19

    X

    US 4035775 A (SCHULZ MANFRED B et al.) 12.07.1977, resumen; columna 6, líneas 33-52. 1

    A

    2-10,16-19

    A

    SERON et al. “Analysis and Simulation of Distributed Nonlinearities in Ferroelectrics and Superconductors for Microwave Applications” IEEE Transactions On microwave Theory And Techniques, Vol. 54, Nº. 3, Marzo 2006. 1-19

    A

    MATEU et al. “Intermodulation Distortion in Coupled-Resonator Filters With Nonuniformly Distributed Nonlinear Properties—Use in HTS IMD Compensation” IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. 55, Nº. 4, Abril 2007. 1-19

    A

    ROCAS et al. “Third order Intermodulation Distortion in Film Bulk Acoustic Resonators at Resonance and Antiresonance” Microwave Symposium Digest, 2008 IEEE MTT-S International, Atlanta, GA, USA, 15-20, Junio 2008. 1-19

    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

    Fecha de realización del informe 22.09.2011

    Examinador M. P. López Sábater Página 1/4

    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

    Nº de solicitud: 200901579

    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H03H, H01L Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de

    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200901579

    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 22.09.2011

    Declaración

    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 2-19 1 SI NO

    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 2-19 1 SI NO

    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

    Base de la Opinión.-

    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200901579

    1. Documentos considerados.-

    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

    Documento

    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

    D01

    US 2005110598 A1 (LARSON JOHN D III) 26.05.2005

19. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

    Reivindicación 1:

    Esta reivindicación adolece de falta de claridad, puesto que no especifica cuáles son la configuración y ubicación de las capas compensatorias que producen el efecto buscado de eliminación de no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura e inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de la capa activa. Tal y como se ha planteado, esta parte de la reivindicación obedece a un mero deseo que no caracteriza al aparato, por lo que éste se verá anticipado por cualquier dispositivo de onda acústica que comprenda, como sucede en el documento D01, al menos dos electrodos (112, 114), al menos una capa activa (116) constituida por material piezoeléctrico, y unos medios de compensación de señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por al menos parte de dicho dispositivo de onda acústica, donde dichos medios de compensación comprenden al menos una capa compensatoria dieléctrica (109) en contacto con al menos una capa de dicho dispositivo de onda acústica. Por lo tanto, esta primera reivindicación carece de novedad según el artículo 6 de la Ley de Patentes 11/86.

    Reivindicación 2:

    En la segunda reivindicación, dependiente de la primera, se caracteriza a la capa compensatoria dieléctrica diciendo que, bien por sí sola o bien en colaboración con al menos otras capas compensatorias dieléctricas incluidas en los medios de compensación, presenta unas propiedades de elasticidad no lineales que, en función también de su ubicación, producen unas señales espurias, al aplicarse la señal de entrada, que serán iguales en magnitud y estarán en contrafase con las provocadas por la capa o capas activas del dispositivo de onda acústica en ausencia de capas compensatorias. En este caso, se ha caracterizado al conjunto de capas compensatorias por su efecto, lo que introduce un matiz con respecto al caso de la reivindicación anterior, ya que, dado que las pérdidas cambiarán según sean las capas del dispositivo que se tenga en cada ocasión, dichas pérdidas solamente pueden compensarse a posteriori, una vez conocidas. Por lo tanto, la única manera de reivindicar las capas de compensación es por el efecto esperado de las mismas. A este respecto, no se ha encontrado en el estado de la técnica anterior ningún dispositivo acústico dimensionado de esta manera, por lo que esta segunda reivindicación sí que es nueva y tiene actividad inventiva.

    Reivindicaciones 3 a 10:

    En la medida en que estas reivindicaciones dependen de la segunda, que es nueva y tiene actividad inventiva, también éstas serán nuevas y tendrán actividad inventiva.

    Reivindicaciones 11 a 18:

    Considerando que las reivindicaciones 11, 16 y 18 dependen de la reivindicación 2, resulta obvio que desde las reivindicaciones 11 hasta la 18 todas son nuevas y tienen actividad inventiva.

    Reivindicación 19:

    Esta reivindicación, independiente, desea proteger un aparato que cuente con un dispositivo con las características de alguna de las reivindicaciones anteriores. Se considera que la reivindicación cuyas características se desea incorporar en el resonador del filtro que se desea proteger es la segunda, por lo que esta reivindicación 19 será nueva y tendrá actividad inventiva.

    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4