JP2007510375A - 薄膜音響結合変成器 - Google Patents

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Abstract

薄膜音響結合変成器(FACT)の一実施形態(100)は、減結合スタック型バルク音響共振器(DSBAR)を有し、DSBARは下側圧電薄膜共振器(FBAR)(110)と、下側FBARの上に積み重ねられた上側FBAR(120)と、FBAR間にあり、音響減結合材料の層(131)からなる音響減結合器(130)とを有する。FBARの各々は、対向する平面電極(112,114)と、前記電極間の圧電要素(116)とを有する。FACTは更に、FBARの一方の電極に電気接続された第１の端子(132,134)と、FBARの他方の電極に電気接続された第２の端子(136,138)とを有する。別の実施形態(200)は、各々が上述したものと同じである複数のDSBAR(106,108)と、下側FBARを相互接続する第１の電気回路と、上側FBARを相互接続する第２の電気回路とを有する。FACTはインピーダンス変換を行い、シングルエンド回路を平衡回路に、又はその逆に接続でき、及び一次と二次との間に電気絶縁を提供する。いくつかの実施形態は更に電気的に平衡している。
【選択図】図１Ｂ

Description

変成器（transformer：変換器）は、インピーダンスを変換すること、シングルエンド回路を平衡回路に、又はその逆に接続すること、及び電気絶縁を提供することのような機能を行うために、多くのタイプの電子装置に使用されている。しかしながら、変成器の全てが、これらの特性の全てを有するとは限らない。例えば、単巻変圧器は、電気絶縁を提供しない。
ＶＨＦまでの可聴周波数および無線周波数で動作する変成器は、高い透磁率のコアの周りに結合された一次巻線と二次巻線として一般に構築される。コアは、磁束を閉じ込め、巻線間の結合を増加させる。また、この周波数範囲で動作可能な変成器は、オプティカルカプラ（光結合素子）を用いても実現され得る。このモードで使用される光結合素子は、当該技術においてオプトアイソレータとも呼ばれる。
結合された巻線、又は光結合素子に基づいた変成器において、入力電気信号は、適切な変換構造体（即ち、別の巻線又は光検出器）と相互作用する異なる形態（即ち、磁束又は光子）に変換され、出力において電気信号として再構成される。例えば、光結合素子は、発光ダイオードを用いて入力電気信号を光子に変換する。光子は、絶縁を提供する光ファイバ又は自由空間を通過する。光子によって照射されたフォトダイオードは、光子の流れから出力電気信号を生成する。出力電気信号は、入力電気信号の複製である。
ＵＨＦ及びマイクロ波周波数において、コイルベースの変成器は、コアの損失、巻線の損失、巻線間のキャパシタンス、及び波長に関連した問題を防止するのに十分に小さくそれらを作成することの難しさのような要因に起因して実現不可能になる。係る周波数の変成器は、１／４波長伝送線、例えば、マルシャン（Marchand）型、直列入力／並列出力の接続されたライン等に基づいている。また、マイクロ機械加工された結合コイルのセットに基づいた変成器も存在し、波長の影響が重要でないほど十分に小さい。しかしながら、係る変成器は、高い挿入損失の問題を有する。
ＵＨＦ及びマイクロ波周波数での使用に関して先ほど説明された変成器の全ては、携帯電話などの現代の小型で高密度の応用形態に使用するのにあまり望ましくないようにする寸法を有する。また、係る変成器は、バッチプロセスにより製造されることができず、本質的にオフチップ解決法であるという理由により、コストが高くなる傾向もある。さらに、係る変成器は一般に、携帯電話で使用するために許容できる帯域幅を有するが、一般に１ｄＢよりも大きい挿入損失を有し、その挿入損失は非常に高い。
光結合素子は、入力ＬＥＤの接合キャパシタンス、光検出器に固有の非線形性、及び良好なコモンモード阻止を与えるのに不十分な分離に起因して、ＵＨＦ及びマイクロ波周波数で使用されない。
従って、ＵＨＦからマイクロ波までの範囲の電気周波数において、インピーダンス変換、平衡回路と不平衡回路との間の結合、及び電気絶縁の１つ又は複数の特質を提供することができる変成器が必要とされている。また、低い挿入損失、携帯電話のＲＦ信号の周波数範囲に適応するのに十分な帯域幅、例えば、携帯電話で現在使用されている変成器よりも小さいサイズ、及び低い製造コストを有するような変成器も必要とされている。
発明の概要
第１の態様において、本発明は、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）と、下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲと、ＦＢＡＲ間にあり、音響減結合材料の層からなる音響減結合器とからなる、減結合スタック型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）を有する、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）を提供する。ＦＢＡＲの各々は、対向する平面電極と、前記電極間の圧電要素とからなる。ＦＡＣＴはさらに、ＦＢＡＲの一方の電極に電気接続された第１の端子と、ＦＢＡＲの他方の電極に電気接続された第２の端子とをさらに含む。本発明のこの態様によるＦＡＣＴは、１：１のインピーダンス変換比を有し、シングルエンド回路を平衡回路に、又はその逆に接続でき、及び一次と二次との間に電気絶縁を提供する。
別の態様において、本発明は、複数の減結合スタック型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）を含む、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）を提供する。ＤＳＢＡＲの各々は、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）と、下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲと、ＦＢＡＲ間にあり、音響減結合材料の層からなる音響減結合器とからなる。各ＦＢＡＲは、対向する平面電極と、前記電極間の圧電要素とからなる。ＦＡＣＴは、下側ＦＢＡＲを相互接続する第１の電気回路と、上側ＦＢＡＲを相互接続する第２の電気回路とをさらに含む。本発明のこの態様によるＦＡＣＴの実施形態の全ては、シングルエンド回路を平衡回路に、又はその逆に接続でき、及び一次と二次との間に電気絶縁を提供する。
本発明のこの態様によるＦＡＣＴのいくつかの実施形態は、本質的に電気的に平衡しており、単一のＤＳＢＡＲを有する上述した実施形態に比べて高い同相除去比を有する。係る実施形態において、第１の電気回路は、第１のＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの一方を、逆並列、又は直列で、第２のＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの一方と電気接続し、第２の電気回路は、第１のＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの他方を、逆並列、又は直列で、第２のＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの他方と電気接続する。第１の電気回路が各ＦＢＡＲを逆並列に接続し、第２の電気回路が各ＦＢＡＲを逆並列に接続するＦＡＣＴの実施形態は、第１の電気回路と第２の電気回路との間で、及びその逆の間で、１：１のインピーダンス変換比を有する。第１の電気回路が各ＦＢＡＲを直列に接続し、第２の電気回路が各ＦＢＡＲを直列に接続する実施形態も、第１の電気回路と第２の電気回路との間で、及びその逆の間で、１：１のインピーダンス変換比を有する。しかしながら、インピーダンスは、ＦＢＡＲが逆並列に接続される実施形態よりも高い。第１の電気回路が各ＦＢＡＲを逆並列に接続し、第２の電気回路が各ＦＢＡＲを直列に接続するＦＡＣＴの実施形態は、第１の電気回路と第２の電気回路との間で、１：４のインピーダンス変換比を有し、第２の電気回路と第１の電気回路との間で、４：１のインピーダンス変換比を有する。第１の電気回路が各ＦＢＡＲを直列に接続し、第２の電気回路が各ＦＢＡＲを逆並列に接続するＦＡＣＴの実施形態は、第１の電気回路と第２の電気回路との間で、４：１のインピーダンス変換比を有し、第２の電気回路と第１の電気回路との間で、１：４のインピーダンス変換比を有する。
本発明によるＦＡＣＴの他の実施形態は、電気的に平衡しておらず、高い同相除去比がさほど重要でない応用形態に使用され得る。係る実施形態において、第１の電気回路は、第１のＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの一方を、並列、又は逆直列で、第２のＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの一方と電気接続し、第２の電気回路は、第１のＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの他方を、並列、又は逆直列で、第２のＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの他方と電気接続する。
別の態様において、本発明は、減結合スタック型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）を含む薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）を提供する。ＤＳＢＡＲは、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）と、下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲと、約２Ｍraylの音響インピーダンスを有する音響減結合材料の層からなる音響減結合器とからなる。ＦＢＡＲの各々は、対向する平面電極と、前記電極間の圧電要素とからなる。ＦＡＣＴはさらに、下側ＦＢＡＲの電極に電気接続された第１の端子と、上側ＦＢＡＲの電極に電気接続された第２の端子とをさらに含む。
実施形態の詳細な説明
図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃはそれぞれ、本発明による薄膜の音響的に結合された変成器（film acoustically-coupled transformer（ＦＡＣＴ）：以降、薄膜音響結合変成器と称する）の第１の実施形態１００の平面図、及び２つの断面図を示す。ＦＡＣＴ１００は、１：１のインピーダンス変換比を有し、シングルエンド回路を平衡回路に、又はその逆に接続でき、及び一次と二次との間に電気絶縁を提供する。
ＦＡＣＴ１００は、減結合スタック型バルク音響共振器（decoupled stacked bulk acoustic resonator（ＤＳＢＡＲ））１０６、第１の端子１３２と１３４、及び第２の端子１３６と１３８から構成される。ＤＳＢＡＲ１０６は、一組の積み重ねられた圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）１１０と１２０、及びそれらの間の音響減結合器１３０から構成される。図示された例において、ＦＢＡＲ１２０は、ＦＢＡＲ１１０の上に積み重ねられる。ＦＢＡＲ１１０は、対向した平面電極１１２と１１４、及びそれらの電極間の圧電材料の層１１６から構成される。ＦＢＡＲ１２０は、対向した平面電極１２２と１２４、及びそれらの電極間の圧電材料の層１２６から構成される。音響減結合器１３０は、ＦＢＡＲ１１０の電極１１４とＦＢＡＲ１２０の電極１２２との間に配置される。音響減結合器は、ＦＢＡＲ１１０と１２０との間の音響エネルギーの結合を制御する。
図示された例において、第１の端子１３２と１３４は、電気トレース１３３と１３５のそれぞれによりＦＢＡＲ１１０の電極１１２と１１４にそれぞれ電気接続されるボンディングパッドとして構成される。また、図示された例において、第２の端子１３６と１３８は、電気トレース１３７と１３９のそれぞれによりＦＢＡＲ１２０の電極１２２と１２４にそれぞれ電気接続されるボンディングパッドとして構成される。実施形態において、第１の端子１３２と１３４は、一次端子を構成し、第２の端子１３６と１３８はＦＡＣＴ１００の二次端子を構成する。代替の実施形態において、第１の端子１３２と１３４は、二次端子を構成し、第２の端子１３６と１３８はＦＡＣＴ１００の一次端子を構成する。
図示された例において、ＤＳＢＡＲ１０６は、基板１０２に画定された空洞１０４の上に浮いている。ＤＳＢＡＲを空洞の上に浮かせることにより、ＤＳＢＡＲのＦＢＡＲは、機械的に共振することが可能になる。ＦＢＡＲを機械的に共振させることを可能にする他の浮遊機構が可能である。例えば、Lakinによる米国特許第６，１０７，７２１号に開示されるように、ＤＳＢＡＲが、基板１０２内に、又は基板１０２上に形成された不一致の音響ブラッグリフレクタ（図示せず）の上に配置され得る。
ＦＢＡＲは、本発明の譲受人に譲渡され、Ruby他による「Tunable Thin Film Acoustic Resonators and Method of Making Same」と題する米国特許第５，５８７，６２０号に開示されている。また、Rubyの開示は、３つの平面電極の間に挟まれた２つの圧電材料層から構成されたスタック型圧電薄膜共振器（ＳＢＡＲ）も開示する。RubyのＳＢＡＲは、１つの電極が双方のＦＢＡＲに共通である積み重ねられた一組のＦＢＡＲから構成されているものとみなされることができ、本明細書において共通電極ＳＢＡＲと呼ぶことにする。共通電極は、共通電極ＳＢＡＲに対して、平衡回路を不平衡回路に、又はその逆に接続できなくし、一次と二次との間に電気絶縁を提供することをできなくする。さらに、共通電極ＳＢＡＲは、大抵の応用形態の使用に適さなくする極めて狭い通過帯域幅を呈する。この狭い通過帯域幅は、ＦＢＡＲ間の音響エネルギーを過度に結合する共通電極の結果である。
上述したように、本発明によるＦＡＣＴ１００は、一組の積み重ねられた圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）１１０と１２０、及びＦＢＡＲ１１０と１２０との間の音響減結合器１３０を含む。一組の積み重ねられたＦＢＡＲ、及びそれらのＦＢＡＲ間の音響減結合器から構成された構造は、ＦＢＡＲが互いに直接的に接触している上述した従来の共通電極ＳＢＡＲから区別するために、本明細書において、減結合スタック型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）と称する。ＦＡＣＴ１００において、音響減結合器１３０は、積み重ねられたＦＢＡＲ１１０と１２０との間の音響エネルギーの結合を制御し、さらにＦＢＡＲ１１０をＦＢＡＲ１２０から電気的に絶縁する。音響減結合器１３０により提供される電気絶縁により、ＦＡＣＴ１００が、平衡回路を不平衡回路に、及びその逆に接続し、一次と二次の間に電気絶縁を提供することを可能にする。音響減結合器１３０により提供される音響結合は、上記で参照された共通電極ＳＢＡＲのＦＢＡＲ間の音響結合よりも大幅に少ない。この結果、図２に関連して以下で説明されるように、ＦＢＡＲ１１０と１２０は、過度に結合されず、ＦＡＣＴ１００は、通過帯域において相対的に平坦な応答を有する。
図１Ａ〜図１Ｃに示された音響減結合器１３０の実施形態はそれぞれ、ＦＢＡＲ１１０の電極１１４とＦＢＡＲ１２０の電極１２２との間に配置された音響減結合材料の層１３１から構成された第１の実施形態である。図１Ｄは、音響減結合器のこの第１の実施形態をより詳細に示す拡大図である。音響減結合器１３０を構成する音響減結合材料の層１３１の重要は特性は、ＦＢＡＲ１１０と１２０の材料よりも低い音響インピーダンス、高い電気抵抗、低い誘電率、及びＦＡＣＴ１００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の音響減結合材料における波長の四分の一の奇数倍である公称の厚さである。
音響減結合器１３０の音響減結合材料は、ＦＢＡＲ１１０と１２０の材料よりも低く、空気よりも大幅に大きい音響インピーダンスを有する。材料の音響インピーダンスは、材料における粒子速度に対する応力の比であり、raylと省略されるレイリー（Rayleight）で測定される。ＦＢＡＲの材料は一般に、圧電層１１６、１２６の材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であり、電極１１２、１１４、１２２、及び１２４の材料としてモリブデン（Ｍｏ）である。ＦＢＡＲの材料の音響インピーダンスは一般に、３０Ｍrayl（ＡｌＮは３５Ｍrayl、Ｍｏは６３Ｍrayl）より大きく、空気の音響インピーダンスは約１ｋraylである。ＦＢＡＲ１１０、１２０の材料が上述したようなものであるＦＡＣＴ１００の実施形態において、約２Ｍraylから約８Ｍraylの範囲の音響インピーダンスを有する材料は、音響減結合器１３０の音響減結合材料として良好に機能する。
図２は、ＦＡＣＴ１００の計算された周波数応答が、音響減結合器１３０の第１の実施形態を構成する音響減結合材料の層１３１の音響インピーダンスにどのように依存するかを示すグラフである。図示された実施形態は、約１９００ＭＨｚの中心周波数を有する。音響減結合器の音響減結合材料が、約４Ｍrayl（ポリイミド、グラフ１４０）、８Ｍrayl（グラフ１４２）、及び１６Ｍrayl（グラフ１４４）の音響インピーダンスを有する実施形態について、計算された周波数応答が示される。看取されるように、ＦＡＣＴ１００の帯域幅は、音響減結合材料の音響インピーダンスの増加に伴い増えている。音響インピーダンスが１６Ｍraylである実施形態において、ＦＢＡＲの共振は過度に結合され、それにより通過帯域応答において特徴的な２つのピークを生じる。
図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄに示された音響減結合器１３０の実施形態は、ＦＣＡＴ１００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の音響減結合材料における波長の四分の一に等しい公称の厚さを有する音響減結合材料の層１３１から構成され、即ち、この厚さは、ｔ≒λｎ／４であり、ここで、ｔは音響減結合器１３０を構成する音響減結合材料の層１３１の厚さであり、λｎは中心周波数に等しい周波数の音響信号の音響減結合材料における波長である。代案として、公称の厚さの約±１０％以内である層１３１の厚さが、使用されてもよい。代案として、この範囲外の厚さが、性能の若干の低下と共に使用されてもよい。しかしながら、層１３１の厚さは、一方の極値における０λｎと他方の極値におけるλｎ／２から大幅に異なるべきである。
より一般的には、図１Ｄに示された音響減結合器１３０の第１の実施形態は、ＦＡＣＴ１００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の音響減結合材料における波長の四分の一の奇数倍に等しい公称の厚さを有する音響減結合材料の層１３１から構成され、即ち、この厚さは、ｔ≒（２ｍ＋１）λｎ／４であり、ここで、ｔとλｎは上記で定義された通りであり、ｍはゼロ以上の整数である。この場合、代案として、約λｎ／４の±１０％だけ公称の厚さと異なる層１３１の厚さが使用されてもよい。この範囲外の厚さの許容範囲が、性能の若干の低下と共に使用されてもよいが、層１３１の厚さは、λｎ／２の整数倍から大幅に異なるべきである。しかしながら、音響減結合材料の層１３１が中心周波数に等しい周波数の音響信号の音響減結合材料における波長の四分の一より大きい奇数倍数である音響減結合器１３０の実施形態は一般に、複数の音響モードをサポートするために係るより厚い層の能力に起因して、スプリアス応答のアーチファクトを呈する周波数応答を有する。
多くのプラスチック材料が上述した範囲の音響インピーダンスを有し、上述した厚さの範囲の均一な厚さの層に適用され得る。従って、係るプラスチック材料は、潜在的に音響減結合器１３０の音響減結合材料の層１３１として使用するのに適している。しかしながら、音響減結合材料は、音響減結合材料の層１３１が電極１１４上に堆積されて音響減結合器１３０を形成した後に実施される製造手順の温度にも耐えることができなければならない。以下でより詳細に説明されるように、ＦＡＣＴ１００の実際的な実施形態において、電極１２２と１２４、及び圧電層１２６は、層１３１が堆積された後にスパッタリングにより堆積される。これらの堆積プロセス中に、４００℃もの高い温度に到達する。従って、係る温度において安定したままであるプラスチックが、音響減結合材料として使用される。
プラスチック材料は一般に、ＦＢＡＲ１１０と１２０の他の材料と比べて、単位長さ当たり非常に高い音響減衰を有する。しかしながら、音響減結合器１３０の上述した実施形態が、一般に約１μｍの厚さからなるプラスチックの音響減結合材料の層１３１から構成されるので、層１３１により導入される音響減衰は一般に、ごくわずかである。
一実施形態において、音響減結合材料の層１３１として、ポリイミドが使用される。ポリイミドは、E.I. du Pont de Nemours and CompanyからKapton（登録商標）という名で販売されている。係る実施形態において、音響減結合器１３０は、スピンコーティングにより電極１１４に塗布されたポリイミドの層１３１から構成される。ポリイミドは約４Ｍraylの音響インピーダンスを有する。
別の実施形態において、ポリ（パラキシレン）が音響減結合材料の層１３１として使用される。係る実施形態において、音響減結合器１３０は、真空蒸着により電極１１４に付着されたポリ（パラキシレン）の層１３１から構成される。また、ポリ（パラキシレン）は、当該技術においてパリレンとしても知られている。パリレンが作成されるダイマー型前駆体のジパラキシレン、及びパリレンの層の真空蒸着を行うための装置は、多くの供給業者から入手可能である。パリレンは約２．８Ｍraylの音響インピーダンスを有する。
別の実施形態において、架橋ポリフェニレンポリマーが、音響減結合材料の層１３１として使用される。係る実施形態において、音響減結合器１３０は、スピンコーティングにより塗布された架橋ポリフェニレンポリマーの層１３１から構成される。架橋ポリフェニレンポリマーは、集積回路に使用するための低誘電率の誘電体材料として開発され、それ故に、ＦＢＡＲ１２０の後続の製造中に音響減結合器１３０がさらされる高い温度で安定したままである。本発明者は、架橋ポリフェニレンポリマーが約２Ｍraylの計算された音響インピーダンスをさらに有することを発見した。この音響インピーダンスは、有用な通過帯域幅をＦＡＣＴ１００に与える音響インピーダンスの範囲内にある。
各々の架橋ポリフェニレンポリマーを形成するために重合する種々のオリゴマーを含む前駆体溶液は、米国ミシガン州ミッドランドのThe Dow Chemical Companyにより、Silk（登録商標）の名で販売されている。前駆体溶液はスピンコーティングにより塗布される。さらに接着促進剤を含有するSilk（登録商標）Ｊと呼ばれるこれらの前駆体溶液の１つから得られた架橋ポリフェニレンポリマーは、２．１Ｍrayl、即ち約２Ｍraylの計算された音響インピーダンスを有する。
架橋ポリフェニレンポリマーを形成するために重合するオリゴマーは、ビスシンクロペンタジエノン含有モノマー及び芳香族アセチレン含有モノマーから準備される。係るモノマー使用することは、過度の置換の必要性なしに可溶性オリゴマーを形成する。前駆体溶液は、ガンマブチロラクトン及びシクロヘキサノン溶剤に溶かされた特定のオリゴマーを含有する。前駆体溶液中のオリゴマーの割合は、前駆体溶液がスピンオンされる際の層の厚さを決定する。付着後、熱を加えて溶剤を蒸発させ、オリゴマーを硬化させて架橋ポリマーを形成する。ビスシンクロペンタジエノンは、新たな芳香環を形成する４＋２付加環化反応でアセチレンと反応する。さらに、硬化により、架橋ポリフェニレンポリマーという結果になる。上述した架橋ポリフェニレンポリマーは、Godschalx他による米国特許第５，９６５，６７９号に開示されている。さらなる実用的な詳細は、Martin他著、「Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect」12 Advanced Materials、1769（2000年）に説明されている。ポリイミドと比較して、架橋ポリフェニレンポリマーは、より低い音響インピーダンス、より低い音響減衰、及びより低い誘電率を有する。さらに、前駆体溶液のスピンオンされた層は、音響減結合器１３０の典型的な厚さである約２００ｎｍの厚さを有する架橋ポリフェニレンポリマーの高品質の薄膜を作成することができる。
代替の実施形態において、音響減結合器１３０を構成する音響減結合材料の層１３１は、ＦＢＡＲ１１０と１２０の材料より大幅に大きい音響インピーダンスを有する。現時点でこの特性を有する材料は知られていないが、係る材料は、今後は入手可能になる可能性があり、又はより低い音響インピーダンスのＦＢＡＲの材料が今後は入手可能になる可能性がある。係る高い音響インピーダンスの音響減結合材料の層１３１の厚さは、上述した通りである。
図１Ｅは、ブラッグ構造体１６１を組み込む音響減結合器１３０の第２の実施形態を示すＦＡＣＴ１００の一部の拡大図である。ブラッグ構造体１６１は、高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５と１６７との間に挟まれた低い音響インピーダンスのブラッグ要素１６３から構成される。低い音響インピーダンスのブラッグ要素１６３は、高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５と１６７がそれぞれ高い音響インピーダンスの材料の層であるのに対して、低い音響インピーダンスの材料の層である。ブラッグ要素の音響インピーダンスは、互いに対して、及びさらに圧電材料の層１１６と１２６の音響インピーダンスに対して「低い」及び「高い」として特徴付けられる。ブラッグ要素の少なくとも１つはさらに、ＦＡＣＴ１００の入力と出力との間に電気絶縁を提供するために高い電気抵抗率、及び低い誘電率を有する。
ブラッグ要素１６１、１６３、及び１６５を構成する各層は、ＦＡＣＴ１００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の層の材料における波長の四分の一の奇数倍に等しい公称の厚さを有する。代案として、波長の四分の一の約±１０％だけ公称の厚さと異なる層が、使用されてもよい。この範囲外の厚さの許容範囲が、性能の若干の低下と共に使用されてもよいが、層の厚さは、波長の二分の一の整数倍から大幅に異なるべきである。
実施形態において、低い音響インピーダンスのブラッグ要素１６３は、約１３Ｍraylの音響インピーダンスを有する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の層であり、高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５と１６７のそれぞれは、約６３Ｍraylの音響インピーダンスを有する電極１１４と１２２とそれぞれ同じ材料、即ちモリブデンの層である。高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５と１６７、及びＦＢＡＲ１１０と１２０のそれぞれ電極１１４と１２２に対してそれぞれ同じ材料を使用することにより、高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５と１６７はさらに、それぞれ電極１１４と１２２としての役割を果たすことが可能になる。
例において、高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５と１６７は、ＦＡＣＴ１００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号のモリブデンにおける波長の四分の一に等しい公称の厚さを有し、低い音響インピーダンスのブラッグ要素１６３は、中心周波数に等しい周波数の音響信号のＳｉＯ２における波長の四分の三に等しい公称の厚さを有する。低い音響インピーダンスのブラッグ要素１６３としてＳｉＯ２の四分の一波長の厚さの層の代わりに、ＳｉＯ２の四分の三波長の厚さの層を使用することにより、ＦＢＡＲ１１０と１２０との間のキャパシタンスが低減される。
高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５、１６７と低い音響インピーダンスのブラッグ要素１６３との音響インピーダンスの差が相対的に低い実施形態では、ブラッグ構造体１６１は、２つ以上（例えば、ｎ）の低い音響インピーダンスのブラッグ要素が対応する数（即ち、ｎ＋１）の高い音響インピーダンスのブラッグ要素で交互に挟まれるように構成され得る。ブラッグ要素の１つだけが、絶縁される必要がある。例えば、ブラッグ構造体は、３つの高い音響インピーダンスのブラッグ要素で交互に挟まれた２つの低い音響インピーダンスのブラッグ要素から構成され得る。
ウェハースケールの製造を用いて、ＦＡＣＴ１００と同様のＦＡＣＴを一度に数千個製造する。ウェハースケールの製造は、各ＦＡＣＴの製造コストを安くする。ＦＡＣＴ１００は、図５Ａ〜図５Ｔに関連して以下で説明されるものと同様の製造方法を用いて作成され得る。従って、ＦＡＣＴ１００の製造方法は、独立して説明されない。
再び、図１Ａ〜図１Ｃを参照すると、ＦＡＣＴ１００を使用するためには、図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、それぞれ電極１１２と１１４に電気接続された第１の端子１３２と１３４に電気接続がなされ、図１Ａ及び図１Ｃに示されるように、それぞれ電極１２２と１２４に電気接続された第２の端子１３６と１３８にさらに電気接続がなされる。第１の端子１３２と１３４に対する電気接続は、ＦＡＣＴ１００の一次側に対する電気接続を行い、第２の端子１３６と１３８に対する電気接続は、ＦＡＣＴ１００の二次側に対する電気接続を行う。代替の実施形態において、第２の端子１３６と１３８に対する電気接続は、ＦＡＣＴ１００の一次側に対する電気接続を行い、第１の端子１３２と１３４に対する電気接続は、ＦＡＣＴ１００の二次側に対する電気接続を行う。
ＦＡＣＴ１００の動作中、ＦＡＣＴ１００の一次端子を構成する第１の端子１３２と１３４に印加された入力電気信号は、ＦＢＡＲ１１０の電極１１２と１１４との間に電圧差を確立する。電極１１２と１１４との間の電圧差は、入力電気信号の周波数においてＦＢＡＲ１１０を機械的に変形させる。入力電気信号の周波数に応じて、音響減結合器１３０はＦＢＡＲ１１０の機械的な変形から生じる音響エネルギーの全て、又は一部をＦＢＡＲ１２０に結合する。ＦＢＡＲ１１０から受け取った音響エネルギーは、入力電気信号の周波数においてＦＢＡＲ１２０を機械的に変形させる。ＦＢＡＲ１２０の機械的な変形は、入力電気信号の周波数において電極１２２と１２４との間に電圧差を生成する。この電圧差は、ＦＡＣＴ１００の二次端子を構成する第２の端子１３６と１３８において、出力電気信号として出力される。ピエゾ電気は線形効果であり、そのため、第１の端子に印加される入力電気信号の振幅と位相は、第２の端子で出力される出力電気信号に維持される。
第２の端子１３６と１３８が一次端子を構成し、第１の端子１３２と１３４が二次端子を構成するＦＡＣＴ１００の実施形態は、音響エネルギーが音響減結合器１３０を介してＦＢＡＲ１２０からＦＢＡＲ１１０に伝搬することを除いて、同様に動作する。
上述したように、ＦＡＣＴ１００は、１：１のインピーダンス変換比を提供し、シングルエンド回路を平衡回路に、又はその逆に接続することができ、一次と二次との間に電気絶縁を提供する。しかしながら、電極１１２と基板１０２との間のキャパシタンスは、電極１１４と基板との間のキャパシタンスとは異なる。この結果、ＦＡＣＴ１００は、電気的に完全に平衡しておらず、特定の応用形態に対して不十分な同相除去比（ＣＭＲＲ）を有する可能性がある。
図３Ａ〜図３Ｃはそれぞれ、本発明による、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）の第２の実施形態２００の平面図、及び２つの断面図を示す。ＦＡＣＴ２００は、シングルエンド回路を平衡回路に、又はその逆に接続することができ、一次と二次との間に電気絶縁を提供する。ＦＡＣＴ２００のいくつかの実施形態は、電気的に平衡しており、それ故に高い同相除去比を有するが、他の実施形態は、電気的に平衡しておらず、より低い同相除去比を有する。ＦＡＣＴ２００は、ＦＡＣＴの一部を形成する電気回路の構成に応じて、１：１、１：４、又は４：１のインピーダンス変換比を有する。
ＦＡＣＴ２００は、２つの減結合スタック型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）２０６と２０８から構成される。各ＤＳＢＡＲは、一組の積み重ねられた圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）、及びＦＢＡＲ間の音響減結合器から構成される。ＦＡＣＴ２００はさらに、ＤＳＢＡＲ２０６の一方のＦＢＡＲをＤＳＢＡＲ２０８の一方のＦＢＡＲに接続する電気回路、及びＤＳＢＡＲ２０６の他方のＦＢＡＲをＤＳＢＡＲ２０８の他方のＦＢＡＲに接続する電気回路から構成される。
ＤＳＢＡＲ２０６は、一組の積み重ねられたＦＢＡＲ２１０と２２０、及びそれらの間の音響減結合器２３０から構成される。ＤＳＢＡＲ２０８は、一組の積み重ねられたＦＢＡＲ２５０と２６０、及びそれらの間の音響減結合器２７０から構成される。図示された例において、ＦＢＡＲ２２０はＦＢＡＲ２１０の上に積み重ねられ、ＦＢＡＲ２６０はＦＢＡＲ２５０の上に積み重ねられる。ＦＢＡＲ２１０は、対向する平面電極２１２と２１４、及びこれらの電極間の圧電材料の層２１６から構成される。ＦＢＡＲ２２０は、対向する平面電極２２２と２２４、及びこれらの電極間の圧電材料の層２２６から構成される。ＦＢＡＲ２５０は、対向する平面電極２５２と２５４、及びこれらの電極間の圧電材料の層２５６から構成される。ＦＢＡＲ２６０は、対向する平面電極２６２と２６４、及びこれらの電極間の圧電材料の層２６６から構成される。
上述したように、電気回路が、ＤＳＢＡＲ２０６の一方のＦＢＡＲをＤＳＢＡＲ２０８の一方のＦＢＡＲに接続し、電気回路が、ＤＳＢＡＲ２０６の他方のＦＢＡＲをＤＳＢＡＲ２０８の他方のＦＢＡＲに接続する。各電気回路は、並列、直列、逆並列、及び逆直列の構成の任意の１つにおいて、それぞれのＦＢＡＲを電気接続する。並列、直列、逆並列、及び逆直列の電気回路構成の１６個の考えられる組み合わせのうち、８個だけが実際に役立つＦＡＣＴを生じさせる。ＦＢＡＲを接続する電気回路構成の組み合わせは、ＦＡＣＴが電気的に平衡（高い同相除去比）しているか、又は電気的に平衡していないかどうかを決定し、ＦＡＣＴのインピーダンス変換比、即ち１：１、１：４、又は４：１を決定する。電気回路構成の考えられる組み合わせが、以下の表１にまとめられている。
Figure 2007510375
表１において、行の見出しは、電気回路の一方、例えば、図４Ｃに関連して以下で説明される電気回路２４５の構成を示し、列の見出しは、電気回路の他方、例えば、図４Ｃに関連して説明される電気回路２４６の構成を示し、ＢはＦＡＣＴが電気的に平衡していることを示し、ＵはＦＡＣＴが平衡していないことを示し、及びＸは機能しないＦＡＣＴを示す。示されたインピーダンス変換比は、行の見出しにより示された電気回路に接続された電気端子から列の見出しにより示された電気回路に接続された電気端子へのインピーダンス変換である。
表１に示された電気回路は、電気回路がＤＳＢＡＲ２０６と２０８において互いに同じ段にあるＦＢＡＲの電極だけを接続、即ち、電気回路の一方がＦＢＡＲ２１０と２５０の電極のみを接続でき、電気回路の他方がＦＢＡＲ２２０と２６０の電極のみを接続できるという制約を受ける。表１はさらに、圧電層２１６、２２６、２５６、及び２６６のｃ軸が全て同じ方向に向けられていると想定する。実施形態において、例えば、電気回路がＦＢＡＲ２１０と２６０の電極、及びＦＢＡＲ２２０と２５０の電極を接続することができる実施形態、及び／又は仮定において、より多い電気回路は制約を受けないと考えられる。
ＦＢＡＲを相互接続する電気回路を詳細に説明する前に、異なるＤＳＢＡＲのＦＢＡＲの電極を接続する電気回路に適用される際の、逆並列、並列、逆直列、及び直列の用語を定義する。ＦＢＡＲは極性依存性のデバイスである。ＦＢＡＲの電極間に印加された所与の極性の電圧により、ＦＢＡＲは機械的に収縮するが、反対の極性の同じ電圧により、ＦＢＡＲは同じ量だけ機械的に膨張する。同様に、ＦＢＡＲを機械的に収縮させるＦＢＡＲに加えられる機械的な応力は、ＦＢＡＲの電極間に所与の極性の電圧を生成する一方、ＦＢＡＲを機械的に膨張させる機械的な応力は、ＦＢＡＲの電極間に反対の極性の電圧を生成する。
図４Ａ〜図４Ｄを参照すると、ＦＡＣＴ２００において、電気回路が並列に接続するＦＢＡＲの電極は、それぞれのＤＳＢＡＲにおいて同じ段にある。並列に接続されたＦＢＡＲに印加される信号は、ＦＢＡＲにわたって同じ位相の信号を生成する。従って、ＦＢＡＲは、同相で膨張して収縮し、同相の音響エネルギーを生成する。他方、電気回路が逆並列に接続するＦＢＡＲの電極は、それぞれのＤＳＢＡＲにおいて異なる段にある。逆並列に接続されたＦＢＡＲに印加される信号は、ＦＢＡＲにわたって逆相の信号を生成する。従って、ＦＢＡＲは、逆位相で膨張して収縮し、逆位相の音響エネルギーを生成する。
電気回路が直列に接続するＦＢＡＲの電極は、それぞれのＤＳＢＡＲにおいて同じ段にある。直列に接続されたＦＢＡＲに印加される信号は、ＦＢＡＲにわたって逆相の信号を生成する。ＦＢＡＲは、逆位相で膨張して収縮し、逆位相の音響エネルギーを生成する。他方、電気回路が逆直列に接続するＦＢＡＲの電極は、それぞれのＤＳＢＡＲにおいて異なる段にある。逆直列に接続されたＦＢＡＲに印加される信号は、ＦＢＡＲにわたって同じ位相の信号を生成する。ＦＢＡＲは、同相で膨張して収縮し、同相の音響エネルギーを生成する。
ＦＢＡＲを同相で膨張させて収縮させる音響エネルギーを受け取るＦＢＡＲは、同相の信号を生成する。同相の信号を生成するＦＢＡＲを並列に接続することにより、個々のＦＢＡＲの両端の信号レベルに等しい信号レベル、及び個々のＦＢＡＲの特性インピーダンスの半分のインピーダンスが生じる。係るＦＢＡＲを逆直列に接続することにより、個々のＦＢＡＲの両端の信号レベルの２倍の信号レベル、及び個々のＦＢＡＲの特性インピーダンスの２倍のインピーダンスが生じる。しかしながら、同相の信号を生成するＦＢＡＲを逆並列、又は直列に接続することにより、信号は相殺される。ＦＢＡＲを逆位相で膨張させて収縮させる音響エネルギーを受け取るＦＢＡＲは、逆位相の信号を生成する。逆位相の信号を生成するＦＢＡＲを逆並列に接続することにより、個々のＦＢＡＲの両端の信号レベルに等しい信号、及び個々のＦＢＡＲの特性インピーダンスの半分のインピーダンスが生じる。係るＦＢＡＲを直列に接続することにより、個々のＦＢＡＲの両端の信号レベルの２倍の信号、及び個々のＦＢＡＲの特性インピーダンスの２倍のインピーダンスが生じる。しかしながら、逆位相の信号を生成するＦＢＡＲを並列、又は逆直列に接続することにより、信号は相殺される。機能しないものとして表１に示されたＦＡＣＴは、音響エネルギーを受け取るＦＢＡＲが相殺される信号を生成するＦＡＣＴである。
図４Ａと図４Ｂは、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０と２２０、及びＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０と２６０を逆並列に、又は直列にそれぞれ接続し、１：１のインピーダンス変換比を有するＦＡＣＴのそれぞれの電気的に平衡した実施形態を形成する電気回路の２つの構成を模式的に示す。
図４Ａは、ＤＳＢＡＲ２０６の一方のＦＢＡＲを逆並列にＤＳＢＡＲ２０８の一方のＦＢＡＲと電気接続して第１の端子Ｆに電気接続する電気回路２４１、及びＤＳＢＡＲ２０６の他方のＦＢＡＲを逆並列にＤＳＢＡＲ２０８の他方のＦＢＡＲと電気接続して第２の端子Ｓに電気接続する電気回路２４２を示す。図示された例において、電気回路２４１は、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０を逆並列にＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０と電気接続して第１の端子Ｆに電気接続し、電気回路２４２は、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０を逆並列にＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０と電気接続して第２の端子Ｓに電気接続する。
特に、電気回路２４１は、ＦＢＡＲ２２０の電極２２２をＦＢＡＲ２６０の電極２６４に電気接続して第１の端子Ｆの一方に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２２０の電極２２４をＦＢＡＲ２６０の電極２６２に電気接続して第１の端子Ｆの他方に電気接続する。電気回路２４２は、ＦＢＡＲ２１０の電極２１４をＦＢＡＲ２５０の電極２５２に電気接続して第２の端子Ｓの一方に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２１０の電極２１２をＦＢＡＲ２５０の電極２５４に電気接続して第２の端子Ｓの他方に電気接続する。
電気回路２４１は、第１の端子Ｆに印加される入力電気信号がＦＢＡＲ２２０と２６０に対して等しく印加されるが、逆位相で印加されるように、ＦＢＡＲ２２０と２６０を逆並列に電気接続する。電気回路２４１は、第１の端子Ｆに印加される電気信号により、同じ量だけＦＢＡＲ２２０が機械的に収縮して、さらにＦＢＡＲ２６０が機械的に膨張する、及びその逆もまた同じであるという意味において、逆並列にＦＢＡＲ２２０と２６０を電気接続する。それ故に、ＦＢＡＲ２６０により生成される音響エネルギーは、ＦＢＡＲ２２０により生成される音響エネルギーと逆位相である。従って、ＦＢＡＲ２６０からＦＢＡＲ２５０により受け取られた音響エネルギーは、ＦＢＡＲ２２０からＦＢＡＲ２１０により受け取られた音響エネルギーと逆位相であり、電極２１４と２１２との間の信号は、電極２５４と２５２との間の信号と逆位相である。電気回路２４２は、第２の端子Ｓに出力される信号が、電極２１４と２１２との間の信号、及び電極２５４と２５２との間の信号と同相であるように、ＦＢＡＲ２１０と２５０を逆並列に接続する。この結果、第２の端子Ｓ間の信号は、ＦＢＡＲ２１０と２５０の何れかの両端の信号と同じである。
第１の端子Ｆの各々と基板２０２との間には、実質的に同じキャパシタンスが存在する。第１の端子のそれぞれは、基板に近い１つの電極、及び基板から遠い１つの電極に接続されている。図示された例において、第１の端子の一方は、基板に近い電極２２２、及びそれに接続された基板から遠い電極２６４を有し、第１の端子の他方は、基板に近い電極２６２、及びそれに接続された基板から遠い電極２２４を有する。さらに、第２の端子Ｓの各々と基板２０２との間には、実質的に同じキャパシタンスが存在する。第２の端子のそれぞれは、基板に近い１つの電極、及び基板から遠い１つの電極に接続されている。図示された例において、第２の端子の一方は、基板に近い電極２１２、及びそれに接続された基板から遠い電極２５４を有し、第２の端子の他方は、基板に近い電極２５２、及びそれに接続された基板から遠い電極２１４を有する。このように、図４Ａに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、電気的に平衡しており、この結果、図１Ａ〜図１Ｃに関連して上述されたＦＡＣＴ１００よりも多くの応用形態に対して十分に高い同相除去比を有する。
図４Ａに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、１：１のインピーダンス変換比を有する。第１の端子Ｆは、ＦＡＣＴの一次端子、又は二次端子としての役割を果たし、第２の端子Ｐは、ＦＡＣＴのそれぞれ二次端子、又は一次端子としての役割を果たすことができる。一次端子に印加される入力電気信号は、二次端子において実質的に同じレベルで出力される。ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、及び２６０の全てが同様の特性インピーダンスを有する典型的な実施形態において、一次端子において、及び二次端子において見られるインピーダンスは、並列接続された２つのＦＢＡＲのインピーダンス、即ち、単一のＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの半分である。従って、図４Ａに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、相対的に低い特性インピーダンスの応用形態の使用に適している。
図４Ｂは、ＤＳＢＡＲ２０６の一方のＦＢＡＲとＤＳＢＡＲ２０８の一方のＦＢＡＲを第１の端子Ｆ間で直列に電気接続する電気回路２４３、及びＤＳＢＡＲ２０６の他方のＦＢＡＲとＤＳＢＡＲ２０８の他方のＦＢＡＲを第２の端子Ｓ間で直列に電気接続する電気回路２４４を示す。図４Ｂに示された例において、電気回路２４３は、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０を第１の端子Ｆ間で直列に電気接続し、電気回路２４４は、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０を第２の端子Ｓ間で直列に電気接続する。
特に、電気回路２４３は、ＦＢＡＲ２２０の電極２２２をＦＢＡＲ２６０の電極２６２に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２２０の電極２２４を第１の端子Ｆの一方に電気接続し、ＦＢＡＲ２６０の電極２６４を第１の端子Ｆの他方に電気接続する。変形態様において、電気回路２４３は、ＦＢＡＲ２２０の電極２２４をＦＢＡＲ２６０の電極２６４に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２２０の電極２２２とＦＢＡＲ２６０の電極２６２を第１の端子Ｆに電気接続する。電気回路２４４は、ＦＢＡＲ２１０の電極２１２をＦＢＡＲ２５０の電極２５２に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２１０の電極２１４を第２の端子Ｓの一方に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２５０の電極２５４を第２の端子Ｓの他方に電気接続する。変形態様において、電気回路２４４は、ＦＢＡＲ２１０の電極２１４をＦＢＡＲ２５０の電極２５４に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２１０の電極２１２とＦＢＡＲ２５０の電極２５２を第２の端子Ｓに電気接続する。
ＦＢＡＲ２２０と２６０を直列に電気接続する電気回路２４３は、第１の端子Ｆに印加される入力電気信号をＦＢＡＲ２２０と２６０との間でほぼ等しく分割する。ＦＢＡＲ２２０と２６０は、第１の端子Ｆに印加された電気信号により、同じ量だけＦＢＡＲ２２０が機械的に収縮し、ＦＢＡＲ２６０が機械的に膨張する、及びその逆も同じであるという意味で直列に接続される。従って、ＦＢＡＲ２６０により生成される音響エネルギーは、ＦＢＡＲ２２０により生成される音響エネルギーと逆位相である。ＦＢＡＲ２６０からＦＢＡＲ２５０により受け取られた音響エネルギーは、ＦＢＡＲ２２０からＦＢＡＲ２１０により受け取られた音響エネルギーと逆位相であり、電極２５４上の信号は電極２１４上の信号と逆位相である。電気回路２４４は、第２の端子Ｓにおける信号がＦＢＡＲ２１０と２５０の何れかの両端の信号の２倍になるように、ＦＢＡＲ２１０と２５０を直列に電気接続する。
第１の端子Ｆの各々と基板２０２との間には、実質的に同じキャパシタンスが存在する。第１の端子に接続された電極２２４と２６４は、基板から同じ距離を置いている。さらに、第２の端子Ｓの各々と基板２０２との間には、実質的に同じキャパシタンスが存在する。第２の端子に接続された電極２１４と２５４は、基板から同じ距離を置いている。このように、図４Ｂに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、電気的に平衡しており、この結果、図１Ａ〜図１Ｃに関連して上述されたＦＡＣＴ１００よりも多くの応用形態に対して十分に高い同相除去比を有する。
図４Ｂに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、１：１のインピーダンス変換比を有する。第１の端子Ｆは、ＦＡＣＴの一次端子、又は二次端子としての役割を果たし、第２の端子Ｐは、ＦＡＣＴのそれぞれ二次端子、又は一次端子としての役割を果たすことができる。一次端子に印加される入力電気信号は、二次端子において実質的に同じレベルで出力される。ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、及び２６０の全てが同様の特性インピーダンスを有する典型的な実施形態において、一次端子において、及び二次端子において見られるインピーダンスは、直列接続された２つのＦＢＡＲのインピーダンス、即ち、単一のＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの２倍である。従って、図４Ｂに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、図４Ａに示された実施形態よりも高い特性インピーダンスの応用形態の使用に適している。
図４Ｃと図４Ｄは、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０と２２０、及びＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０と２６０を逆並列に、及び直列に接続し、１：４又は４：１のインピーダンス変換比を有するＦＡＣＴのそれぞれの実施形態を形成する電気回路の２つの構成を模式的に示す。図４Ｃは、ＤＳＢＡＲ２０６の一方のＦＢＡＲを逆並列にＤＳＢＡＲ２０８の一方のＦＢＡＲと電気接続して第１の端子Ｆに電気接続する電気回路２４５、及びＤＳＢＡＲ２０６の他方のＦＢＡＲとＤＳＢＡＲ２０８の他方のＦＢＡＲを第２の端子Ｓ間で直列に電気接続する電気回路２４６を示す。図示された例において、電気回路２４５は、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０を逆並列にＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０と電気接続して第１の端子Ｆに電気接続し、電気回路２４６は、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０を第２の端子Ｓ間で直列に電気接続する。
特に、電気回路２４５は、ＦＢＡＲ２２０の電極２２２をＦＢＡＲ２６０の電極２６４に電気接続して第１の端子Ｆの一方に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２２０の電極２２４をＦＢＡＲ２６０の電極２６２に電気接続して第１の端子Ｆの他方に電気接続する。電気回路２４６は、ＦＢＡＲ２１０の電極２１４をＦＢＡＲ２５０の電極２５４に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２１０の電極２１２を第２の端子Ｓの一方に電気接続し、ＦＢＡＲ２５０の電極２５２を第２の端子Ｓの他方に電気接続する。変形態様において、電気回路２４６は、ＦＢＡＲ２１０の電極２１２をＦＢＡＲ２５０の電極２５２に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２１０の電極２１４とＦＢＡＲ２５０の電極２５４を第２の端子Ｓに電気接続する。
電気回路２４５は、第１の端子Ｆに印加される入力電気信号がＦＢＡＲ２２０と２６０に対して等しく印加されるが、逆位相で印加されるように、ＦＢＡＲ２２０と２６０を逆並列に電気接続する。電気回路２４５は、第１の端子Ｆに印加される電気信号により、同じ量だけＦＢＡＲ２２０が機械的に収縮して、さらにＦＢＡＲ２６０が機械的に膨張する、及びその逆もまた同じであるという意味において、逆並列にＦＢＡＲ２２０と２６０を電気接続する。それ故に、ＦＢＡＲ２６０により生成される音響エネルギーは、ＦＢＡＲ２２０により生成される音響エネルギーと逆位相である。従って、ＦＢＡＲ２６０からＦＢＡＲ２５０により受け取られた音響エネルギーは、ＦＢＡＲ２２０からＦＢＡＲ２１０により受け取られた音響エネルギーと逆位相であり、電極２５２上の信号は、電極２１２上の信号と逆位相である。電気回路２４６は、第２の端子Ｓ間の電圧差が、ＦＢＡＲ２１０と２５０の何れかの両端の電圧の２倍になるように、ＦＢＡＲ２１０と２５０を直列に接続する。
第１の端子Ｆの各々と基板２０２との間には、実質的に同じキャパシタンスが存在する。第１の端子のそれぞれは、基板に近い１つの電極、及び基板から遠い１つの電極に接続されている。図示された例において、第１の端子の一方は、基板に近い電極２２２、及びそれに接続された基板から遠い電極２６４を有し、第１の端子の他方は、基板に近い電極２６２、及びそれに接続された基板から遠い電極２２４を有する。さらに、第２の端子Ｓの各々と基板２０２との間には、実質的に同じキャパシタンスが存在する。第２の端子に接続された電極２１２と２５２は基板から同じ距離に置かれている。このように、図４Ｃに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、電気的に平衡しており、この結果、図１Ａ〜図１Ｃに関連して上述されたＦＡＣＴ１００よりも多くの応用形態に対して十分に高い同相除去比を有する。
図４Ｃに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、第１の端子Ｆが一次端子としての役割を果たし、第２の端子Ｓが二次端子としての役割を果たす場合、ステップアップＦＡＣＴである。一次端子に印加された信号は、二次端子において２倍のレベルで出力される。また、ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、及び２６０の全てが同様の特性インピーダンスを有する典型的な実施形態において、一次端子において見られるインピーダンスは、並列接続された２つのＦＢＡＲのインピーダンス、即ち、単一のＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの半分であり、それに対して二次端子において見られるインピーダンスは、直列接続された２つのＦＢＡＲのインピーダンス、即ち、単一のＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの２倍である。従って、図４Ｃに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、１：４の一次対二次のインピーダンス比を有する。
図４Ｃに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、第１の端子Ｆが二次端子としての役割を果たし、第２の端子Ｓが一次端子としての役割を果たす場合、ステップダウンＦＡＣＴである。この場合、第２の端子で出力される信号は、一次端子に印加される入力電気信号の半分のレベルであり、一次対二次のインピーダンス比は、４：１である。
図４Ｄは、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０、及びＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０を第１の端子Ｆ間で直列に電気接続する電気回路２４７、及びＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０を逆並列に電気接続して第２の端子Ｓに電気接続する電気回路２４８を模式的に示す。
特に、電気回路２４７は、ＦＢＡＲ２２０の電極２２２をＦＢＡＲ２６０の電極２６２に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２２０の電極２２４とＦＢＡＲ２６０の電極２６４を第１の端子Ｆに電気接続する。電気回路２４８は、ＦＢＡＲ２１０の電極２１２をＦＢＡＲ２５０の電極２５４に電気接続して第２の端子Ｓの一方に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２１０の電極２１４を、ＦＢＡＲ２５０の電極２５２に電気接続して第２の端子Ｓの他方に電気接続する。変形態様において、電気回路２４７は、ＦＢＡＲ２２０の電極２２４をＦＢＡＲ２６０の電極２６４に電気接続し、さらにＦＢＡＲ２２０の電極２２２とＦＢＡＲ２６０の電極２６２を第１の端子Ｆに電気接続する。
ＦＢＡＲ２２０と２６０を直列に電気接続する電気回路２４７は、第１の端子Ｆに印加される入力電気信号をＦＢＡＲ２２０と２６０との間でほぼ等しく分割する。ＦＢＡＲ２２０と２６０は、第１の端子Ｆに印加される電気信号により、同じ量だけＦＢＡＲ２２０が機械的に収縮して、ＦＢＡＲ２６０が機械的に膨張する、及びその逆もまた同じであるという意味において、直列に接続される。それ故に、ＦＢＡＲ２６０により生成される音響エネルギーは、ＦＢＡＲ２２０により生成される音響エネルギーと逆位相である。ＦＢＡＲ２６０からＦＢＡＲ２５０により受け取られた音響エネルギーは、ＦＢＡＲ２２０からＦＢＡＲ２１０により受け取られた音響エネルギーと逆位相であり、電極２５２と２５４との間の電圧は、電極２１２と２１４との間の電圧と逆位相である。電気回路２４８は、第２の端子Ｓで出力される信号が電極２１４と２１２にわたる信号と、及び電極２５４と２５２にわたる信号とも同相であるように、逆並列にＦＢＡＲ２１０と２５０を電気接続する。この結果、第２の端子Ｓにおける信号が、ＦＢＡＲ２１０と２５０の何れかの両端の信号と等しいレベルであり、第１の端子Ｆに印加される入力電気信号の半分のレベルに等しくなる。
第１の端子Ｆの各々と基板２０２との間には、実質的に同じキャパシタンスが存在する。第１の端子に接続された電極２２４と２６４は基板から同じ距離に置かれている。さらに、第２の端子Ｓの各々と基板２０２との間には、実質的に同じキャパシタンスが存在する。第２の端子のそれぞれは、基板に近い１つの電極、及び基板から遠い１つの電極に接続されている。図示された例において、第２の端子の一方は、基板に近い電極２１２、及びそれに接続された基板から遠い電極２５４を有し、第２の端子の他方は、基板に近い電極２５２、及びそれに接続された基板から遠い電極２１４を有する。このように、図４Ｄに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、電気的に平衡しており、この結果、図１Ａ〜図１Ｃに関連して上述されたＦＡＣＴ１００よりも多くの応用形態に対して十分に高い同相除去比を有する。
図４Ｄに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、第１の端子Ｆが一次端子としての役割を果たし、第２の端子Ｓが二次端子としての役割を果たす場合、ステップダウンＦＡＣＴである。第２の端子で出力される信号は、一次端子に印加される入力電気信号の半分のレベルである。また、ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、及び２６０の全てが同様の特性インピーダンスを有する典型的な実施形態において、一次端子において見られるインピーダンスは、直列接続された２つのＦＢＡＲのインピーダンス、即ち、単一のＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの２倍であり、それに対して二次端子において見られるインピーダンスは、並列接続された２つのＦＢＡＲのインピーダンス、即ち、単一のＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの半分である。従って、図４Ｄに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、４：１の一次対二次のインピーダンス比を有する。
図４Ｄに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態は、第１の端子Ｆが二次端子としての役割を果たし、第２の端子Ｓが一次端子としての役割を果たす場合、ステップアップＦＡＣＴである。この場合、第２の端子で出力される信号は、一次端子に印加される入力電気信号の２倍のレベルであり、一次対二次のインピーダンス比は、１：４である。
低い同相除去比が重要でない応用形態において、ＦＢＡＲを相互接続する電気回路は、先ほど説明されたものとは異なる可能性がある。図４Ｅは、１：１のインピーダンス変換比を有するＦＡＣＴの実施形態を示し、この場合、電気回路３４１が、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０を並列に電気接続して第１の端子Ｆに電気接続し、電気回路３４２が、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０を並列に電気接続して第２の端子Ｓに電気接続する。
図４Ｆは、１：１のインピーダンス変換比を有するＦＡＣＴの実施形態を示し、この場合、電気回路３４３は、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０を第１の端子Ｆ間で逆直列に接続し、電気回路３４４は、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０を第２の端子Ｓ間で逆直列に接続する。
図４Ｇは、電気回路３４５が、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０を並列に電気接続して第１の端子Ｆに電気接続し、電気回路３４６が、ＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０を第２の端子Ｓ間で逆直列に電気接続する、ＦＡＣＴの実施形態を示す。この実施形態は、第１の端子Ｆが一次端子としての役割を果たし、第２の端子Ｓが二次端子としての役割を果たす場合に１：４のインピーダンス変換比を有し、又は第２の端子Ｓが一次端子としての役割を果たし、第１の端子Ｆが二次端子としての役割を果たす場合に４：１のインピーダンス変換比を有する。
図４Ｈは、電気回路３４７がＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０を第１の端子Ｆ間で逆直列に電気接続し、電気回路３４８がＤＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０とＤＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０を並列に電気接続して第２の端子Ｓに電気接続する、ＦＡＣＴの実施形態を示す。この実施形態は、第１の端子Ｆが一次端子としての役割を果たし、第２の端子Ｓが二次端子としての役割を果たす場合に４：１のインピーダンス変換比を有し、又は第２の端子Ｓが一次端子としての役割を果たし、第１の端子Ｆが二次端子としての役割を果たす場合に１：４のインピーダンス変換比を有する。
図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴ２００の実施形態の電気的構成は、図４Ｃに示されたものと類似している。ボンディングパッド２８２及びボンディングパッド２８４がＦＡＣＴ２００の第１の端子を構成する。相互接続パッド２３６、電極２２２から相互接続パッド２３６まで延在する電気トレース２３７（図５Ｇ）、相互接続パッド２３６と電気接触している相互接続パッド２７８、及び電極２６４から相互接続パッド２７８まで延在する電気トレース２７９は、ＦＢＡＲ２２０の電極２２２をＦＢＡＲ２６０の電極２６４に電気接続する電気回路２４５（図４Ｃ）の一部を構成する。相互接続パッド２３８、電極２２４から相互接続パッド２３８まで延在する電気トレース２３９、相互接続パッド２３８と電気接触している相互接続パッド２７６、及び電極２６２から相互接続パッド２７６まで延在する電気トレース２７７（図５Ｇ）は、ＦＢＡＲ２２０の電極２２４をＦＢＡＲ２６０の電極２６２に電気接続する電気回路２４５（図４Ｃ）の一部を構成する。電極２２２とボンディングパッド２８２との間に延在する電気トレース２８３、及び電極２６４とボンディングパッド２８４（図５Ｇ）との間に延在する電気トレース２８５は、逆並列に接続されたＦＢＡＲ２２０と２６０をボンディングパッド２８２と２８４により提供された第１の端子に接続する電気回路２４５の一部を構成する。
代替の実施形態において、ボンディングパッド２８２と２８４、及びトレース２８３と２８５は省かれ、相互接続パッド２３８と２７８が、ボンディングパッドとして構成されてＦＡＣＴ２００の第１の端子を提供する。
ボンディングパッド２３２とボンディングパッド２７２は、ＦＡＣＴ２００の第２の端子を構成する。電極２１４と電極２５４との間に延在する電気トレース２３５（図５Ｅ）は、ＦＢＡＲ２１０とＦＢＡＲ２５０を直列に接続する電気回路２４６（図４Ｃ）の一部を構成する。電極２１２とボンディングパッド２３２との間に延在する電気トレース２３３、及び電極２５２とボンディングパッド２７２との間に延在する電気トレース２７３（図５Ｃ）は、ＦＢＡＲ２１０とＦＢＡＲ２５０をボンディングパッド２３２と２７２により提供される第２の端子に接続する電気回路２４６の一部を構成する。
ＦＡＣＴ２００において、音響減結合器２３０が、ＦＢＡＲ２１０と２２０との間、特に電極２１４と２２２との間に配置される。音響減結合器２３０は、ＦＢＡＲ２１０と２２０との間の音響エネルギーの結合を制御する。さらに、音響減結合器２７０が、ＦＢＡＲ２５０と２６０との間、特に電極２５４と２６２との間に配置される。音響減結合器２７０は、ＦＢＡＲ２５０と２６０との間の音響エネルギーの結合を制御する。音響減結合器２３０は、ＦＢＡＲ２１０と２２０が直接互いに接するように結合された場合に比べて、ＦＢＡＲ間の音響エネルギーが少ないように結合する。音響減結合器２７０は、ＦＢＡＲ２５０と２６０が直接互いに接するように結合された場合に比べて、ＦＢＡＲ間の音響エネルギーが少ないように結合する。音響減結合器２３０と２７０により規定された音響エネルギーの結合は、ＦＡＣＴ２００の通過帯域幅を決定する。
図３Ａ〜図３Ｃに示された実施形態において、音響減結合器２３０と２７０は、音響減結合材料の層２３１の各部分である。音響減結合材料の層２３１の重要な特性は、ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、及び２６０よりも少ない音響インピーダンス、ＦＡＣＴ２００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の音響減結合材料における波長の四分の一の奇数倍である公称の厚さ、及びＦＡＣＴの一次と二次との間に電気絶縁を提供するための高い電気抵抗率と低い誘電率である。層２３１の材料と他の特性は、図１Ａ〜図１Ｄ、及び図２に関連して上述されたものと同様である。従って、音響減結合器２３０と２７０を提供する層２３１は、これ以上ここで説明されない。別の実施形態（図示せず）において、音響減結合器２３０と２７０はそれぞれ、図１Ｅに関連して上述されたブラッグ構造１６１に類似したブラッグ構造を含む。代案として、音響減結合器２３０と２７０は、図３Ａ〜図３Ｃに示された音響減結合器２３０と２７０の実施形態が共通の層２３１を共有する態様に類似するように、共通のブラッグ構造を共有してもよい。
ＤＳＢＡＲ２０６とＤＳＢＡＲ２０８は、基板２０２に画定された空洞２０４の上に浮かされて、互いに隣接して配置される。これらのＤＳＢＡＲを空洞の上に浮かせることにより、各ＤＳＢＡＲの積み重ねられたＦＢＡＲが機械的に共振することが可能になる。積み重ねられたＦＢＡＲが機械的に共振することを可能にする他の浮遊方式が可能である。例えば、上述したLakinの米国特許第６，１０７，７２１号により開示されるように、ＤＳＢＡＲは、基板２０２内、又は基板２０２上に形成された不一致の音響ブラッグリフレクタ（図示せず）の上に配置され得る。
ウェハースケールの製造により、ＦＡＣＴ２００に類似した数千個のＦＡＣＴを一度に製造する。係るウェハースケールの製造は、ＦＡＣＴの製造コストを安くする。例示的な製造方法が、図５Ａ〜図５Ｊの平面図、及び図５Ｋ〜図５Ｔの断面図に関連して次に説明される。上述したように、製造方法は、図１Ａ〜図１Ｃに関連して上述されたＦＡＣＴ１００を作成するためにも使用され得る。製造が説明されるＦＡＣＴ２００の実施形態の通過帯域は、約１．９ＧＨｚの公称の中心周波数を有する。他の周波数で動作するための実施形態は、構造と製造において同様であるが、以下で例示されるものとは異なる厚さと横方向の寸法を有する。
単結晶シリコンのウェハーが準備される。ウェハーの一部は、各ＦＡＣＴが製造されるために、ＦＡＣＴ２００の基板２０２に対応する基板を構成する。図５Ａ〜図５Ｊ及び図５Ｋ〜図５Ｔは、ウェハーの一部内に、及びその一部上にＦＡＣＴ２００を製造することを例示し、以下の説明はその製造を説明する。ＦＡＣＴ２００が製造される際、ウェハー上の残りのＦＡＣＴは同様に製造される。
ＦＡＣＴ２００の基板２０２を構成するウェハーの一部は、図５Ａ及び図５Ｋに示されるように、選択的にウェットエッチングされて空洞２０４を形成する。
充填材料の層（図示せず）が、空洞を埋めるのに十分な厚さでウェハーの表面上に堆積される。次いで、ウェハーの表面が平坦化されて、充填材料で充填された空洞が残される。図５Ｂと図５Ｌは、基板２０２内の、充填材料２０５で充填された空洞２０４を示す。
実施形態において、充填材料は、リン珪酸ガラス（ＰＳＧ）であり、従来の低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）を用いて堆積される。代案として、充填材料は、スパッタリング、又はスピンコーティングにより堆積されてもよい。
金属の層が、ウェハー及び充填材料の表面に堆積される。図５Ｃと図５Ｍに示されるように、金属はパターニングされて、電極２１２、ボンディングパッド２３２、電極２１２とボンディングパッド２３２との間に延在する電気トレース２３３、電極２５２、ボンディングパッド２７２、及び電極２１２とボンディングパッド２７２との間に延在する電気トレース２７３を画定する。電極２１２と電極２５２は一般に、ウェハーの主表面に対して平行な平面において非対称形状を有する。Larson III他の米国特許第６，２１５，３７５号に説明されるように、非対称形状は、電極が一部を形成するＦＢＡＲ２１０とＦＢＡＲ２５０（図３Ａ）の横モードを最小限に抑える。電極２１２と電極２５２は、以下で説明されるように、充填材料がエッチングにより後で除去され得るように、充填材料２０５の表面の一部を露出するように配置される。
電極２１２、２１４、２２２、２２４、２５２、２５４、２６２、及び２６４が画定される金属層は、ウェハーの主表面に対して平行な各平面において、ＦＢＡＲ２１０の電極２１２と２１４が同じ形状、サイズ、向き、及び位置を有し、ＦＢＡＲ２２０の電極２２２と２２４が同じ形状、サイズ、向き、及び位置を有し、ＦＢＡＲ２５０の電極２５２と２５４が同じ形状、サイズ、向き、及び位置を有し、ＦＢＡＲ２６０の電極２６２と２６４が同じ形状、サイズ、向き、及び位置を有するように、パターニングされる。一般に、電極２１４と２２２はさらに、同じ形状、サイズ、向き、及び位置を有し、電極２５４と２６２はさらに、同じ形状、サイズ、向き、及び位置を有する。
実施形態において、電極２１２、ボンディングパッド２３２、トレース２３３、電極２５２、ボンディングパッド２７２、及びトレース２７３を形成するために堆積された金属は、モリブデンである。モリブデンは、スパッタリングにより約３００ｎｍの厚さで堆積され、ドライエッチングによりパターニングされて、それぞれ約１２，０００平方μｍの面積を有する五角形の電極を画定する。代案として、タングステン、ニオビウム、及びチタニウムのような他の耐火金属が、電極２１２と２５２、ボンディングパッド２３２と２７２、及びトレース２３３と２７３の金属として使用されてもよい。代案として、電極、ボンディングパッド、及びトレースは、２つ以上の材料の層からなってもよい。
図５Ｄと図５Ｎに示されるように、圧電材料の層が、堆積されてパターニングされ、ＦＢＡＲ２１０の圧電層２１６、及びＦＢＡＲ２５０の圧電層２５６を提供する圧電層２１７が画定される。圧電層２１７は、充填材料２０５の表面の一部、及びボンディングパッド２３２と２７２を露出するように、パターニングされる。圧電層２１７はさらに、充填材料の表面の別の部分に対するアクセスを提供する窓２１９を画定するためにパターニングされる。
実施形態において、圧電層２１７を形成するために堆積された圧電材料は、窒化アルミニウムであり、スパッタリングにより約１．４μｍの厚さで堆積される。圧電材料は、水酸化カリウムのウエットエッチングにより、又は塩素系のドライエッチングによりパターニングされる。圧電層２１７の代替の材料は、酸化亜鉛、及びチタン酸ジルコン酸鉛を含む。
図５Ｅと図５Ｏに示されるように、金属の層が堆積されて、電極２１４、電極２５４、及び電極２１４と電極２５４との間に延在する電気トレース２３５を画定するためにパターニングされる。
実施形態において、電極２１４、電極２５４、及びトレース２３５を形成するために堆積された金属は、モリブデンである。モリブデンは、スパッタリングにより約３００ｎｍの厚さで堆積され、ドライエッチングによりパターニングされる。代案として、電極２１４と２５４、及びトレース２３５の材料として、他の耐火金属が使用されてもよい。代案として、電極とトレースは、２つ以上の材料の層からなってもよい。
次いで、図５Ｆと図５Ｐに示されるように、音響減結合材料の層が、堆積されて、音響減結合器２３０と音響減結合器２７０を提供する音響減結合層２３１を画定するためにパターニングされる。音響減結合層２３１は、少なくとも電極２１４と電極２５４を覆うように形作られ、さらに充填材料２０５の表面の一部、及びボンディングパッド２３２と２７２を露出するように形作られる。音響減結合層２３１はさらに、充填材料の表面の別の部分に対するアクセスを提供する窓２１９を画定するためにパターニングされる。
実施形態において、音響減結合材料は、約２００ｎｍ、即ちポリイミドにおける中心周波数の波長の四分の一の厚さを有するポリイミドである。ポリイミドは、音響減結合層２３１を形成するために、スピンコーティングにより堆積されてフォトリソグラフィによりパターニングされる。ポリイミドは感光性であり、そのためフォトレジストを必要としない。上述したように、他のプラスチック材料が音響減結合材料として使用され得る。音響減結合材料は、スピンコーティング以外の方法により堆積され得る。
音響減結合層２３１の材料がポリイミドである実施形態において、ポリイミドの堆積とパターニングの後、ウェハーは、最初に空気中で約２５０℃の温度でベーキングされ、次いで窒素雰囲気のような不活性雰囲気中で約４１５℃温度でベーキングされ、その後、さらなる処理が実施される。ベーキングは、ポリイミドの揮発性成分を蒸発させ、後続の処理における係る揮発性成分の蒸発により、後続の堆積される層の分離が生じることを防止する。
図５Ｇと図５Ｑに示されるように、金属の層が、堆積されてパターニングされ、電極２２２、相互接続パッド２３６、電極２２２から相互接続パッド２３６まで延在する電気トレース２３７、ボンディングパッド２８２、及び電極２２２からボンディングパッド２８２まで延在する電気トレース２８３が画定される。また、図５Ｇと図５Ｑに示されるように、パターニングは、金属の層において、電極２６２、相互接続パッド２７６、及び電極２６２から相互接続パッド２７６まで延在する電気トレース２７７も画定する。
実施形態において、電極２２２と２６２、ボンディングパッド２８２、相互接続パッド２３６と２７６、及び電気トレース２３７と２７７と２８３を形成するために堆積された金属は、モリブデンである。モリブデンは、スパッタリングにより約３００ｎｍの厚さで堆積され、ドライエッチングによりパターニングされる。代案として、電極２２２と２６２、パッド２３６と２７６と２８２、及び電気トレース２３７と２７７と２８３の材料として、他の耐火金属が使用されてもよい。代案として、電極、ボンディングパッド、及びトレースは、２つ以上の材料の層からなってもよい。
圧電材料の層が、堆積されてパターニングされ、ＦＢＡＲ２２０の圧電層２２６、及びＦＢＡＲ２６０の圧電層２６６を提供する圧電層２２７が画定される。図５Ｈと図５Ｒに示されるように、圧電層２２７は、パッド２３２、２３６、２７２、２７６、及び２８２を露出するように、及び充填材料２０５の表面の一部を露出するように、形作られる。圧電層２２７はさらにパターニングされて、充填材料の表面の別の一部に対するアクセスを提供する窓２１９が画定される。
実施形態において、圧電層２２７を形成するために堆積された圧電材料は、窒化アルミニウムであり、スパッタリングにより約１．４μｍの厚さで堆積される。圧電材料は、水酸化カリウムのウエットエッチングにより、又は塩素系のドライエッチングによりパターニングされる。圧電層２２７の代替の材料は、酸化亜鉛、及びチタン酸ジルコン酸鉛を含む。
図５Ｉと図５Ｓに示されるように、金属の層が堆積されて、電極２２４、相互接続パッド２３８、及び電極２２４から相互接続パッド２３８まで延在する電気トレース２３９を画定するためにパターニングされる。相互接続パッド２３８は、電極２２４と２６２を接続する電気回路２４５（図４Ｃ）の一部を提供するために、相互接続パッド２７６と電気接触するように配置される。また、図５Ｉと図５Ｓに示されるように、パターニングは、金属の層において、電極２６４、相互接続パッド２７８、電極２６４から相互接続パッド２７８まで延在する電気トレース２７９、ボンディングパッド２８４、及び電極２６４からボンディングパッド２８４まで延在する電気トレース２８５も画定する。相互接続パッド２７８は、電極２２２と２６４を接続する電気回路２４５（図４Ｃ）の一部を提供するために、相互接続パッド２３６と電気接触するように配置される。上述したように、信頼性のある電気接続が、積み重ねられた相互接続パッド２３６と２７８、及び積み重ねられた相互接続パッド２７６と２３８に対してなされることができる場合には、ボンディングパッド２８２と２８４、及び電気トレース２８３と２８５は省略され得る。
実施形態において、電極２２４と２６４、パッド２３８と２７８と２８４、及び電気トレース２３７と２７９と２８５を形成するために堆積された金属は、モリブデンである。モリブデンは、スパッタリングにより約３００ｎｍの厚さで堆積され、ドライエッチングによりパターニングされる。代案として、電極２２４と２６４、パッド２３８と２７８と２８４、及び電気トレース２３７と２７９と２８５の材料として、他の耐火金属が使用されてもよい。代案として、電極、ボンディングパッド、及びトレースは、２つ以上の材料の層からなってもよい。
次いで、ウェハーは、等方性ウェットエッチングされて、空洞２０４から充填材料２０５が除去される。上述したように、充填材料２０５の表面の部分は、例えば、窓２１９を通じて露出されたままである。エッチングプロセスは、図５Ｊと図５Ｔに示されるように、空洞２０４の上に浮かされたＦＡＣＴ２００を残す。
実施形態において、充填材料２０５を除去するために使用されるエッチャントは、希フッ化水素酸である。
金の保護層が、パッド２３２、２３８、２７２、２７８、２８２、及び２８４の露出された表面上に堆積される。
次いで、ウェハーは、ＦＡＣＴ２００を含む個々のＦＡＣＴに分割される。次いで、各ＦＡＣＴはパッケージ内に実装され、ＦＡＣＴのボンディングパッド２３２、２７２、２８２、及び２８４とパッケージの一部であるパッドとの間で電気接続がなされる。
説明されたものと類似したプロセスを用いて、ＦＢＡＲが図４Ｂ〜図４Ｈに示されたように電気接続されたＦＡＣＴ２００の実施形態を製造することができる。
使用に当たって、電極２２２と２６４に電気接続されたボンディングパッド２８２、及び電極２２４と２６２に電気接続されたボンディングパッド２８４は、ＦＡＣＴ２００の第１の端子を提供し、電極２１２に電気接続されたボンディングパッド２３２、及び電極２５２に電気接続されたボンディングパッド２７２は、ＦＡＣＴ２００の第２の端子を提供する。一実施形態において、第１の端子は一次端子を提供し、第２の端子はＦＡＣＴ２００の二次端子を提供する。別の実施形態において、第１の端子は二次端子を提供し、第２の端子はＦＡＣＴ２００の一次端子を提供する。
音響減結合器１３０が図１Ｅに関連して上述されたものと類似するブラッグ構造を組み込むＦＡＣＴ２００の実施形態は、上述したプロセスと類似したプロセスにより作成される。このプロセスは以下のように異なる。
圧電材料の層２１７が堆積されてパターニングされた後（図５Ｄと図５Ｎ）、金属の層が堆積されてパターニングされ、図５Ｅと図５Ｏに示された態様と類似した態様で、電極２１４と２５４を組み込む高い音響インピーダンスのブラッグ要素が画定され、さらに電極間に延在する電気トレース２３５が画定される。高い音響インピーダンスのブラッグ要素は、図１Ｅに示された高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５に類似する。金属の層が、ＦＡＣＴ２００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の金属における波長の四分の一の奇数倍に等しい公称の厚さで堆積される。
実施形態において、電極２１４と２５４を組み込む高い音響インピーダンスのブラッグ要素を形成するために堆積される金属は、モリブデンである。モリブデンは、スパッタリングにより約８２０ｎｍ（Ｍｏにおける波長の四分の一）の厚さで堆積され、ドライエッチングによりパターニングされる。代案として、電極２１４と２５４を組み込む高い音響インピーダンスのブラッグ要素の材料として、他の耐火金属が使用されてもよい。代案として、高い音響インピーダンスのブラッグ要素は、２つ以上の金属の層からなってもよい。
次いで、低い音響インピーダンスの材料の層が堆積され、図５Ｆと図５Ｐに示された態様と類似した態様で、低い音響インピーダンスのブラッグ要素を画定するためにパターニングされる。低い音響インピーダンスの材料の層は、ＦＡＣＴ２００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の低い音響インピーダンスの材料における波長の四分の一の奇数倍に等しい公称の厚さで堆積される。低い音響インピーダンスのブラッグ要素は、少なくとも高い音響インピーダンスのブラッグ要素を覆うように形作られ、さらに充填材料２０５の表面の一部、及びボンディングパッド２３２と２７２を露出するように形作られる。低い音響インピーダンスの材料の層はさらに、パターニングされて、充填材料の表面の別の部分に対するアクセスを提供する窓が画定される。
実施形態において、低い音響インピーダンスの材料は、約７９０ｎｍの厚さを有するＳｉＯ２である。ＳｉＯ２はスパッタリングにより堆積され、エッチングによりパターニングされる。低い音響インピーダンスのブラッグ要素の材料として使用され得る他の低い音響インピーダンスの材料は、リン珪酸ガラス（ＰＳＧ）、二酸化チタン、及びフッ化マグネシウムを含む。代案として、低い音響インピーダンスの材料は、スパッタリング以外の方法により堆積され得る。
金属の層が堆積され、電極２２２と２６２を組み込む高い音響インピーダンスのブラッグ要素を画定するためにパターニングされる。金属の層はさらに、パターニングされて、図７Ｇと図７Ｑに示される態様と類似した態様で、相互接続パッド２３６、電極２２２から相互接続パッド２３６まで延在する電気トレース２３７、ボンディングパッド２８２、電極２２２からボンディングパッド２８２まで延在する電気トレース２８３、相互接続パッド２７６、及び電極２６２から相互接続パッド２７６まで延在する電気トレース２７７を画定するためにパターニングされる。金属の層は、ＦＡＣＴ２００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の金属における波長の四分の一の奇数倍に等しい公称の厚さで堆積される。
実施形態において、電極２２２と２６２を組み込む高い音響インピーダンスのブラッグ要素を形成するために堆積される金属は、モリブデンである。モリブデンは、スパッタリングにより約８２０ｎｍ（Ｍｏにおける波長の四分の一）の厚さで堆積され、ドライエッチングによりパターニングされる。代案として、電極２２２と２６２を組み込む高い音響インピーダンスのブラッグ要素、及びその関連するパッドと電気トレースの材料として、他の耐火金属が使用されてもよい。代案として、高い音響インピーダンスのブラッグ要素、パッド、及び電気トレースは、２つ以上の材料の層からなってもよい。
次いで、上述したように、圧電材料の層が堆積されて、圧電層２２７を画定するためにパターニングされ、ＦＡＣＴ２００の製造を完了するために、上述されたようなプロセスが続く。
別の実施形態において、音響減結合材料の層２３１は、架橋ポリフェニレンポリマーである。図５Ｅと図５Ｏに関連して上述されたように、電極２１４と２５４及び電気トレース２３５を画定するために金属の層がパターニングされた後、図５Ｆと図５Ｐに関連して上述された態様と類似した態様で、架橋ポリフェニレンポリマーの前駆体溶液がスピンオンされるが、パターニングはされない。前駆体溶液の調合物、及びスピン速度は、架橋ポリフェニレンポリマーが約１８７ｎｍの厚さで層を形成するように、選択される。これは、ＦＡＣＴ２００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数を有する音響信号の架橋ポリフェニレンポリマーにおける波長λｎの四分の一に対応する。次いで、ウェハーが、真空状態下のような不活性環境で、又は窒素雰囲気内で、約３８５℃〜約４５０℃の範囲の温度でベーキングされ、その後、さらなる処理が実施される。ベーキングは最初に前駆体溶液から有機溶剤を除去し、次いで上述したように架橋ポリフェニレンポリマーを形成するために、オリゴマーが架橋される。
次いで、金属の層が、図５Ｇと図５Ｑに関連して上述された態様と類似した態様で、架橋ポリフェニレンポリマーの層の上に堆積されるが、最初に図５Ｆに示された音響減結合層２３１のパターニングと同様にパターニングされ、音響減結合層２３１を画定するために架橋ポリフェニレンポリマーの層をパターニングするために後で使用されることになるハードマスクを画定する。最初にパターニングされた金属の層は、音響減結合層２３１と同じ広さを有し、ボンディングパッド２３２と２７２、及び充填材料２０５の表面の一部を露出し、音響減結合層２３１の窓２１９の意図された位置に窓を有する。
次いで、図５Ｆに示されるように、架橋ポリフェニレンポリマーの層が、ハードエッチマスクとして最初にパターニングされた金属の層でもって、パターニングされる。架橋ポリフェニレンポリマーの層をパターニングすることは、音響減結合層２３１の範囲を画定し、その音響減結合層２３１は、ボンディングパッド２３２と２７２、及び充填材料２０５の表面の一部を露出し、充填材料の表面の別の部分に対するアクセスを提供する窓２１９を形成する。パターニングは、酸素プラズマエッチングで実施される。
次いで、図５Ｇと図５Ｑに示されたように、金属の層が再パターニングされ、電極２２２、電極２６２、ボンディングパッド２８２、相互接続パッド２３６と２７６が画定される。再パターニングはさらに、電極２２２と相互接続パッド２３６との間に延在する電気トレース２３７、電極２６２と相互接続パッド２７６との間に延在する電気トレース２７７、及び電極２２２とボンディングパッド２８２との間に延在する電気トレース２８３を画定する。
音響減結合器として、架橋ポリフェニレンポリマーの音響減結合層を有する帯域フィルタ２００の実施形態の製造は、図５Ｈ、図５Ｉ、図５Ｊ、図５Ｒ、図５Ｓ、及び図５Ｔに関連して上述された処理を実施することにより、完了する。
実施形態において、架橋ポリフェニレンポリマーの前駆体溶液は、The Dow Chemical Companyにより販売されており、それは、Silk（登録商標）Ｊと呼ばれている。代案として、前駆体溶液は、The Dow Chemical CompanyによりSilk（登録商標）という名で販売されている前駆体溶液の任意の適切な１つとすることができる。特定の実施形態において、前駆体溶液がスピンオンされる前に、接着促進剤の層が付着される。硬化した場合に、約２Ｍraylの音響インピーダンスを有する架橋ポリフェニレンポリマーを形成するオリゴマーを含有する前駆体溶液は、現在、又は将来において、他の供給業者からも入手可能になる可能性があり、また使用され得る。
本開示は、例示的な実施形態を用いて詳細に本発明を説明した。しかしながら、本発明は、添付の特許請求の範囲により規定され、説明されたそのものずばりの実施形態に限定されない。
本発明による、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）の第１の実施形態の例の平面図である。 図１Ａにおいて切断線１Ｂ−１Ｂに沿ったＦＡＣＴの断面図である。 図１Ａにおいて切断線１Ｃ−１Ｃに沿ったＦＡＣＴの断面図である。 本発明による、音響減結合器の実施形態を示す切断線１Ｂ−１Ｂに沿った、図１Ａに示されたＦＡＣＴの一部の拡大断面図である。 音響減結合器の代替の実施形態を示す切断線１Ｂ−１Ｂに沿った、図１Ａに示されたＦＡＣＴの一部の拡大断面図である。 図１Ａ〜図１Ｃに示されたＦＡＣＴの実施形態の計算された周波数応答が、音響減結合材料の音響インピーダンスにどのように依存するかを示すグラフである。 本発明による、ＦＡＣＴの第２の実施形態の例の平面図である。 図１Ａにおいて切断線３Ｂ−３Ｂに沿った、ＦＡＣＴの断面図である。 図１Ａにおいて切断線３Ｃ−３Ｃに沿った、ＦＡＣＴの断面図である。 図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴの電気的に平衡した実施形態の電気回路を示す略図である。 図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴの電気的に平衡した実施形態の電気回路を示す略図である。 図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴの電気的に平衡した実施形態の電気回路を示す略図である。 図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴの電気的に平衡した実施形態の電気回路を示す略図である。 図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴの電気的に平衡していない実施形態の電気回路を示す略図である。 図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴの電気的に平衡していない実施形態の電気回路を示す略図である。 図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴの電気的に平衡していない実施形態の電気回路を示す略図である。 図３Ａ〜図３Ｃに示されたＦＡＣＴの電気的に平衡していない実施形態の電気回路を示す略図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 本発明による、ＦＡＣＴを作成するためのプロセスを示す平面図である。 図５Ａの切断線５Ｋ−５Ｋに沿った断面図である。 図５Ｂの切断線５Ｌ−５Ｌに沿った断面図である。 図５Ｃの切断線５Ｍ−５Ｍに沿った断面図である。 図５Ｄの切断線５Ｎ−５Ｎに沿った断面図である。 図５Ｅの切断線５Ｏ−５Ｏに沿った断面図である。 図５Ｆの切断線５Ｐ−５Ｐに沿った断面図である。 図５Ｇの切断線５Ｑ−５Ｑに沿った断面図である。 図５Ｈの切断線５Ｒ−５Ｒに沿った断面図である。 図５Ｉの切断線５Ｓ−５Ｓに沿った断面図である。 図５Ｊの切断線５Ｔ−５Ｔに沿った断面図である。

Claims (17)

  1. 各々が対向する平面電極、及び前記電極間の圧電要素からなる、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）、及び前記下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲと、及び
    前記ＦＢＡＲ間にあり、音響減結合材料の層からなる音響減結合器とからなる、複数の減結合スタック型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）と、
    前記下側ＦＢＡＲの前記電極に電気接続された第１の端子と、
    前記上側ＦＢＡＲの前記電極に電気接続された第２の端子とを含む、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）。
  2. 前記ＦＡＣＴが中心周波数により特徴付けられた通過帯域を有し、
    前記音響減結合材料の層が、前記中心周波数に等しい周波数の音響信号の前記音響減結合材料における波長の四分の一の奇数倍に等しい公称の厚さを有する、請求項１に記載のＦＡＣＴ。
  3. 前記奇数倍が１である、請求項２に記載のＦＡＣＴ。
  4. 各々が対向する平面電極、及び前記電極間の圧電要素からなる、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）、及び前記下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲと、及び
    前記ＦＢＡＲ間にあり、音響減結合材料の層からなる音響減結合器とからなる、複数の減結合スタック型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）と、
    前記下側ＦＢＡＲを相互接続する第１の電気回路と、
    前記上側ＦＢＡＲを相互接続する第２の電気回路とを含む、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）。
  5. 前記第１の電気回路が前記下側ＦＢＡＲを、（ａ）直列、及び（ｂ）逆並列の一方で相互接続し、
    前記第２の電気回路が前記上側ＦＢＡＲを、（ｃ）直列、及び（ｄ）逆並列の一方で相互接続する、請求項４に記載のＦＡＣＴ。
  6. 前記音響減結合材料が、音響インピーダンスにおいて前記圧電要素よりも低い、請求項１〜５の何れかに記載のＦＡＣＴ。
  7. 前記音響減結合材料が、音響インピーダンスにおいて前記圧電要素と空気との間の中間にある、請求項１〜５の何れかに記載のＦＡＣＴ。
  8. 前記音響減結合材料が、約２Ｍraylから約８Ｍraylの範囲の音響インピーダンスを有する、請求項１〜５の何れかに記載のＦＡＣＴ。
  9. 前記音響減結合材料が、プラスチックからなる、請求項１〜５の何れかに記載のＦＡＣＴ。
  10. 前記音響減結合材料が、ポリイミドからなる、請求項１〜５の何れかに記載のＦＡＣＴ。
  11. 前記音響減結合材料が、ポリ（パラキシレン）からなる、請求項１〜５の何れかに記載のＦＡＣＴ。
  12. 前記音響減結合材料が、架橋ポリフェニレンポリマーからなる、請求項１〜５の何れかに記載のＦＡＣＴ。
  13. 前記架橋ポリフェニレンポリマーが、The Dow Chemical Companyにより、Silk（登録商標）の名で販売されている前駆体溶液から形成される、請求項１２に記載のＦＡＣＴ。
  14. 各々が対向する平面電極、及び前記電極間の圧電要素からなる、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）、及び前記下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲと、及び
    前記ＦＢＡＲ間にあり、約２Ｍraylの音響インピーダンスを有する音響減結合材料の層からなる音響減結合器とからなる、減結合スタック型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）と、
    前記下側ＦＢＡＲの前記電極に電気接続された第１の端子と、
    前記上側ＦＢＡＲの前記電極に電気接続された第２の端子とを含む、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）。
  15. 前記ＤＳＢＡＲが第１のＤＳＢＡＲであり、
    前記ＦＡＣＴが、
    各々が対向する平面電極、及び前記電極間の圧電要素からなる、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）、及び前記下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲと、及び
    前記ＦＢＡＲ間にあり、約２Ｍraylの音響インピーダンスを有する音響減結合材料の層からなる音響減結合器とからなる、第２のＤＳＢＡＲと、
    前記下側ＦＢＡＲを相互接続する第１の電気回路と、
    前記上側ＦＢＡＲを相互接続する第２の電気回路とをさらに含む、請求項１４に記載のＦＡＣＴ。
  16. 前記ＦＡＣＴが中心周波数により特徴付けられた通過帯域を有し、
    前記音響減結合材料の層が、前記中心周波数に等しい周波数の音響信号の前記音響減結合材料における波長の四分の一の奇数倍に等しい公称の厚さを有する、請求項１４又は１５に記載のＦＡＣＴ。
  17. 前記奇数倍が１である、請求項１６に記載のＦＡＣＴ。
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