JP2009147909A - 共振伝送最小値を有する音響結合共振子 - Google Patents

Abstract

【課題】増強された近接周波数阻止特性を有し、所望周波数又は周波数範囲を阻止する為にフィルタ減衰特性を調整する様に設計され得る音響共振子フィルタの提供。
【解決手段】帯域通過フィルタは、入力端子５０５及び出力端子５５５と、第１、第２の音響共振子５１０，５２０と、音響結合層５３０とを含む。第１の音響共振子５１０は、第１、第２の電極５１２，５１４とこれら第１及び第２の電極間の圧電層５１６とを含む。第１の音響共振子の第１の電極は入力端子に接続され、第２の音響共振子５２０は、第１、第２の電極５２２，５２４と、これら第１及び第２の電極間の圧電層５２６とを含む。音響結合は、第１の音響共振子の第２の電極と第２の音響共振子の第１の電極間に与えられ、出力端子は第２の音響共振子の第２の電極に接続される。入力端子と出力端子間にはコンデンサ５５０が延びる構成で、フィルタの周波数応答は少なくとも２つの伝送ゼロを含む。
【選択図】図５

Description

種々の異なる周波数帯域に亘って動作できる通信装置の益々増加する需要が存在する。例えば多数の周波数帯域で動作できる携帯電話または移動電話の益々増加する需要が存在する。このような装置では一般に、各送信および受信周波数帯域のために別々の送信および受信フィルタが使用される。実際には適当な用途で、バルク音響波（ＢＡＷ）フィルタ、表面音響波（ＳＡＷ）フィルタ、薄膜バルク音響共振子（ＦＢＡＲ）フィルタ、および結合共振子フィルタ（ＣＲＦ）が使用され得る。

音響共振子の典型的な実現形態は、２つの金属電極の間に配置された圧電材料の層を備える。一般的な圧電材料は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と酸化亜鉛（ＺｎＯ）とを含む。

図１は以下、圧電層１２と呼ばれ、第１の電極あるいは上部電極Ｔと第２の電極あるいは下部電極Ｂとの間に配置される圧電材料の層を備える例示的な共振子１０を示す。上部電極および下部電極という名称は単に定義目的のためであって、音響共振子の空間的配置および位置決めに関するいかなる限定も表さない。

音響共振子１０の第１の電極Ｔと第２の電極Ｂとの間に電界が印加されると、双方向または逆方向の圧電効果が音響共振子１０を機械的に膨張または収縮させるが、膨張または収縮の事例は圧電材料の分極に依存する。これは、電界がＴおよびＢ電極の間に逆方向に印加された場合に反対の事例が当てはまることを意味する。交番電界の場合には、圧電層１２に音波が生成され、音響共振子１０の実現形態に依存してこの音波は例えば、縦波として電界と平行に、あるいは横波として電界を横断して伝播し、また例えば圧電層１２の界面で反射する。縦波の場合、圧電層１２の厚さｄと上部および下部電極の厚さが音波の波長λの半分の整数倍に等しいときは何時でも共振状態および／または音響共振振動が発生する。各音響材料は音波に関して異なる伝播速度を有するので、基本共振周波数すなわち最低共振周波数Ｆ_ＲＥＳは共振子層のすべての厚さの重み付け合計に逆比例する。

音響共振子の圧電特性、従ってまた共振特性は、種々の要因に、例えば圧電材料、製造方法、製造時に圧電材料に与えられる分極、および結晶のサイズに依存する。上記に言及されたように、共振子の全厚さに依存するのは、特に共振周波数である。

図２は、バルク音響波（ＢＡＷ）装置または薄膜バルク音響共振子（ＦＢＡＲ）のモデルを示す。図２のモデルは、修正バターワース−バン・ダイク（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ−Ｖａｎ Ｄｙｋｅ）モデル（ＭＢＶＤモデル）である。高品質共振子の場合、抵抗値Ｒｓ、ＲｏおよびＲｍは小さく、この場合、これらの抵抗値は対象の周波数において無視できる。この場合、単純化のために装置は、キャパシタンスＣｏと並列の、ＬｍおよびＣｍの直列共振結合によってモデル化され得る。このモデルの周波数応答は帯域通過応答であって、この通過帯域より低い周波数は、コンデンサＣｍおよびＣｏによって減衰させられ、この通過帯域より高い周波数は、インダクタンスＬｍによって減衰させられる。

上記のように音響共振子は、電気フィルタで使用され、特に無線周波（ＲＦ）フィルタおよびマイクロ波フィルタで使用され得る。これらの共振子は、種々のフィルタ構成を作り出すために種々の方法で結合され得る。１つの特定の構成は、結合層が２つの音響共振子の音響動作を結合し、これが帯域通過フィルタ伝達関数につながる結合共振子フィルタ（ＣＲＦ）である。

特に上記のように、このようなフィルタは多数の周波数帯域で動作できる携帯電話または移動電話で使用されることが多い。このような装置では、１つの特定の周波数帯域（「通過帯域」）を通すように意図されたフィルタは、阻止されるべき信号を含む他の近接周波数帯域で高いレベルの減衰を有するべきであることが重要である。具体的には、フィルタによって阻止されるべき比較的大きな振幅の信号を含む１つ以上の周波数または周波数帯域が通過帯域の近くに存在する場合がある。このような場合、たとえ他の周波数または周波数帯域における阻止が同じレベルの阻止を受けないとしても、これら特定の周波数または周波数帯域におけるフィルタの阻止特性を強化し得ることは有益である。

従って必要とされるものは、増強された近接周波数阻止特性を有する、特に所望の特定周波数において増強された阻止特性を示す音響共振子フィルタ構造である。同様に必要とされるものは、１つ以上の所望周波数または周波数範囲を阻止するためにフィルタの減衰特性を調整するように設計され得る音響共振子フィルタ構造である。

一例示的実施形態では、信号処理装置は、入力信号を受信するように適合された入力端子と；第１の電極と、第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極との間に延びる圧電層と、を有する第１の音響共振子であって、該第１の音響共振子の前記第１の電極は前記入力端子に接続される、第１の音響共振子と；第１の電極と、第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極との間に延びる圧電層と、を有する第２の音響共振子と；前記第１の音響共振子の第２の電極に接続された第１の面と、前記第２の音響共振子の第１の電極に接続された、前記第１の面とは反対側の第２の面と、を有する音響結合層であって、前記第１の音響共振子から前記第２の音響共振子に音響エネルギーを結合するように適合された音響結合層と；前記第２の音響共振子の第２の電極に接続された出力端子と；前記入力端子と前記出力端子との間に延びるコンデンサと；を備える。入力端子から出力端子への伝送経路は、通過帯域と、中心通過帯域周波数と、少なくとも２つの伝送ゼロと、を示す周波数応答を有する。第１の伝送ゼロは、中心通過帯域周波数より低い、そして中心通過帯域周波数の少なくとも１０％である周波数にあり、また第２の伝送ゼロは、中心通過帯域周波数より高い、そして中心通過帯域周波数の１０００％より高くない周波数にある。

もう１つの例示的実施形態では、無線周波フィルタは、入力端子と；出力端子と；音響結合層と；前記入力端子と前記音響結合層との間に配置された第１の音響共振子と；前記音響結合層と前記出力端子との間に配置された第２の音響共振子と；前記入力端子と前記出力端子との間に延びるコンデンサとを備える。

更にもう１つの例示的実施形態では帯域通過フィルタは、音響結合層によって第２の音響共振子に結合された第１の音響共振子を有する結合共振子構造を備え、このフィルタは通過帯域と、中心通過帯域周波数と、周波数応答における少なくとも２つの伝送ゼロと、を有する。

例示的実施形態は、付属図面の図と共に読まれるとき下記の詳細説明から最もよく理解される。種々の特徴が必ずしも原寸に比例して描かれていないことは強調される。実際にこれらの寸法は、論議の明瞭さのために任意に拡大または縮小されている可能性がある。適用可能で実用的であればどこにおいても、同様の符号は同様の要素を指している。

下記の詳細な説明では限定ではなく説明の目的で、本教示による実施形態の十分な理解を与えるために、特定の詳細を開示する例示的実施形態が説明される。しかしながら、本明細書で開示される特定の詳細から逸脱する本教示による他の実施形態が付属の特許請求の範囲内に留まることは、本開示の利益を有する当業者には明らかである。更に、周知の装置と方法の説明は、例示的実施形態の説明を不明確にしないために省略されることがある。このような方法と装置は、明らかに本教示の範囲内にある。

図３は、２つの共振子間に音響結合層３３０を有する２つの音響結合型音響共振子３１０、３２０を含む装置３００を示す。

装置３００は、第１の音響共振子３１０に接続された入力端子３０５に印加された入力信号を受信して、帯域濾波された出力信号を出力端子３５５に与える帯域通過フィルタとして動作し得る。

１つの一般的用途では帯域通過フィルタは、携帯電話あるいは移動電話で使用される。移動電話は、１つ以上の周波数帯域で動作し得る。しかしながら任意の所与時刻に、移動電話は近接周波数帯域内の多数の強い信号の存在時に動作する可能性がある。移動電話の適切な動作のために、帯域通過フィルタが近接周波数帯域上の信号の高いレベルの阻止を与えながら、同時に移動電話が動作する周波数帯域において信号を通すことが必要である。

図３に示された構成は、帯域通過フィルタとしての使用のために従来技術で知られているが、図４に関して説明されるように、この構成は多くの用途に関して不十分な近接帯域阻止に悩まされている。

例えば２．０ＧＨｚおよび／または２．８ＧＨｚに近い周波数の信号を阻止しながら、２．４ＧＨｚ付近に中心を有する周波数帯域の信号を通すことが望ましい用途を考える。図４は、約２．４ＧＨｚの中心通過帯域周波数を有するように設計された装置３００の実施形態の伝送周波数応答４００を示す。見られるように、周波数応答４００は、２．０ＧＨｚでは約３６ｄＢのみの阻止を与え、２．８ＧＨｚでは約３３ｄＢの阻止を与える。しかしながらこのレベルの近接帯域阻止は、多くの用途では不十分である。

この欠点に取り組むために図５は、以下更に詳細に説明されるように周波数スペクトルにおいて所望の周波数に配置され得る伝送ゼロ（または局部的伝送最小値）を与える信号処理装置５００の一実施形態を示す。

装置５００は、入力端子５０５と出力端子５５５と結合共振子フィルタ（ＣＲＦ）５２５とコンデンサ５５０とを含む。ＣＲＦ５２５は、第１の音響共振子５１０と第２の音響共振子５２０と音響結合層５３０とを含む。

第１の共振子５１０は、第１の電極５１２と第２の電極５１４と、第１および第２の電極５１２および５１４の間に延びる圧電層５１６とを含む。第１の電極５１２は入力端子５０５に接続される。一実施形態では第１の共振子５１０は薄膜バルク音響共振子（ＦＢＡＲ）である。一実施形態では第１および第２の電極５１２および５１４はモリブデンで作られ、圧電層５１６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で作られる。

第２の共振子５２０は、第１の電極５２２と第２の電極５２４と、第１および第２の電極５２２および５２４の間に延びる圧電層５２６とを含む。第２の電極５２４は出力端子５５５に接続される。一実施形態では第２の共振子５２０は薄膜バルク音響共振子（ＦＢＡＲ）である。一実施形態では第１および第２の電極５２２および５２４はモリブデンで作られ、圧電層５２６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で作られる。

音響結合層５３０は、第１の共振子５１０と第２の音響共振子５２０との間に設けられる。音響結合層５３０は、第１の音響共振子５１０の第２の電極５１４に接続された第１の面を有し、また第２の音響共振子５２０の第１の電極５２２に接続された、第１の面とは反対側の第２の面を有する。音響結合層５３０は、第１の音響共振子５１０から第２の音響共振子５２０に音響エネルギーを結合する。この結合を容易にするために、音響結合層５３０の音響インピーダンスは、第１の音響共振子５１０の第２の電極５１４の音響インピーダンスより小さく、また第２の音響共振子５２０の第１の電極５２２の音響インピーダンスより小さい。一実施形態では音響結合層５３０は、低誘電率（「低ｋ」）シリコン材料層を備える。例えば対象の周波数で音響結合層は、５メガレイル（megarayls）未満の、例えば２〜３メガレイルの音響インピーダンスを有し得る。これに対して第１の音響共振子５１０の第２の電極５１４と第２の音響共振子５２０の第１の電極５２２（これらの各々は例えばモリブデンで作られ得る）は、６５メガレイルの音響インピーダンスを有し得る。音響共振子電極５１４／５２２と音響結合層５３０との間の音響インピーダンスの高い比率は，音響結合層５３０による音響共振子５１０および５２０間の音響エネルギーの結合を容易にする。

コンデンサ５５０は、入力端子５０５と出力端子５５５との間に延びる。言い換えればコンデンサ５５０は、第１の音響共振子５１０の第１の電極５１２と第２の音響共振子５２０の第２の電極５２４との間に延びる。以下更に詳細に説明されるようにコンデンサ５５０は、装置５００の伝送周波数応答において１対の伝送ゼロ（あるいは局部的伝送最小値）を与えるように選択され得る。

特に有益なことに、あるいくつかの実施形態ではコンデンサ５５０は、これがＣＲＦ５２５自体のレイアウトに実現され得るほど十分に小さく、従って外部要素を必要としない。

信号処理装置５００の周波数応答における伝送ゼロ（あるいは局部的伝送最小値）の周波数がどのようにして決定されるかをよりよく理解するために、図６は信号処理装置５００の詳細な電気的モデル６００を示す。図６のモデルでは音響共振子５１０および５２０の各々に関して「薄い電極」近似が行われる。また装置５００は、Ｓ_１１＝Ｓ_２２であるような対称構造を有すると想定されている。

図６において、
Ｃ_０は各音響共振子の平行板キャパシタンスを表し；
ｚは各音響共振子のための圧電層の音響インピーダンスを表し；
ｚ_０は音響結合層の音響インピーダンスを表し；
−ｊｚ_Ｃは対象の周波数における各音響共振子の平行板キャパシタンスのインピーダンスを表し；

ここでＫｔ^２≒０．０６５であり、ｆ_０は信号処理装置５００の中心通過帯域周波数であり；
θとθ_０はそれぞれ、圧電層５１６／５２６と音響結合層５３０とに関する位相角を表す。

θとθ_０は、下記のように計算され得る。

ここでｄとｄ_０はそれぞれ、圧電層５１６／５２６と音響結合層５３０の厚さであり、またここでνとν_０はそれぞれ、圧電層５１６／５２６と音響結合層５３０の音速を表す。

信号処理装置５００の電気的モデルの分析を容易にするために、図７は装置５００の単純化された数学的等価回路７００を示す。図７において信号処理装置５００はキャパシタンスＣｐのない場合、マトリックス

によって表される。

信号処理装置５００の伝送周波数応答においてゼロが発生するための条件は式（１）によって定義されることが示され得る。

従ってマトリックス

のＢ係数が負で虚数であれば、式（３）は物理的に実現可能な（正の）値を作り出し、伝送最小値が発生し得る。あるいくつかの単純化仮定が行われると、第１および第２の伝送ゼロの周波数Ｆ１およびＦ２は下記のように計算され得ることが示され得る。

従って式（４）および（５）から、第１および第２の音響共振子５１０および５２０と、音響結合層５３０と、コンデンサ５３０、の種々のパラメータの適切な選択によって、所望の周波数で信号処理装置５００の周波数応答に伝送ゼロＦ１およびＦ２（実際には局部的伝送最小値として現れ得る）を配置することが可能であることを見ることができる。特に式（４）および（５）から、大抵の材料パラメータは一定であって、残り（Ｃｐを除く）は、フィルタの通過帯域要件（帯域幅、中心周波数など）によって決定されることを見ることができる。このようにしてこれら２つの伝送ゼロＦ１、Ｆ２は独立ではなく、むしろこれらは値Ｃｐが変化するときに一緒に動く。

動作に際して装置５００は、帯域通過フィルタとして機能し得る。この場合、第１の音響共振子５１０の第２の電極５１４と第２の音響共振子５２０の第１の電極５２２は各々、図５に示されたようにグランドに接続される。第１の音響共振子５１０に接続された入力端子５０５には入力ＲＦまたはマイクロ波信号が印加され、第２の音響共振子５２０に接続された出力端子５５５には、帯域濾波された出力信号が生成される。

図８は、図５の信号処理装置５００の一実施形態の伝送周波数応答８００を示す。特に図８は、約２．４ＧＨｚの中心通過帯域周波数を有するように設計された装置５００の一実施形態の伝送周波数応答８００を示す。図８に見られるように周波数応答８００は、通過帯域特性を有し、また２．０ＧＨｚおよび２．８ＧＨｚそれぞれにおいて２つの伝送ゼロ８２０および８３０を含む。本実施形態ではコンデンサ５５０は、音響共振子５１０および５２０と音響結合層５３０の種々のパラメータ（例えば厚さ、音響インピーダンスなど）に関連して伝送ゼロが所望の周波数において生成されるように約３０フェムトファラッドのキャパシタンスＣｐを有する。上記のようにこのような小さなキャパシタンス値に関して、一実施形態では、別個あるいは個別のコンデンサ要素を必要とせずにＣＲＦ５２５のレイアウトの適当な設計によって所望のキャパシタンスを実現することが可能である。

ある特定の実施形態では、第１の（低周波数）伝送ゼロは中心通過帯域周波数より低い周波数で生成されることが可能であり、また第２の伝送ゼロは中心通過帯域周波数より高い周波数で生成されることが可能である。特に、中心通過帯域周波数の少なくとも１０％である周波数において「下方」伝送ゼロ（従って例えば、当然ＤＣで発生し得るいかなる伝送ゼロも除外して）を生成すること望ましいことが多い。また、中心通過帯域周波数の１０００％より高い周波数において「上方」伝送ゼロ（従って例えば、理論的には「無限大周波数」で発生し得るいかなる伝送ゼロも除外して）を生成することも望ましいことが多い。従って例えば、中心通過帯域周波数が２．０ＧＨｚである場合には、下方伝送ゼロの周波数は一般に２００ＭＨｚより高くあるべきであり、また上方伝送ゼロの周波数は一般に２０ＧＨｚより低くあるべきである。しかしながらこれらの範囲は、単に例示的であって限定的ではない。

本明細書では例示的実施形態が開示されているが、当業者は本教示に従っている多くの変形が可能であって付属の特許請求の範囲内に留まることを認めている。従ってこれらの実施形態は、付属の特許請求の範囲内を除いて制限されるべきではない。

例示的音響共振子を示す図である。 バルク音響波（ＢＡＷ）共振子または薄膜バルク音響共振子（ＦＢＡＲ）の電気的モデルを示す図である。 ２つの音響結合型音響共振子を示す図である。 図３の音響結合型共振子の伝送周波数応答を示す図である。 ２つの音響結合型共振子を含む信号処理装置の一実施形態を示す図である。 図５の信号処理装置の等価電気的モデルを示す図である。 図６のモデルのＡＢＣＤマトリックス記述等価回路を示す図である。 図５の信号処理装置の伝送周波数応答を示す図である。

符号の説明

５００ 信号処理装置
５０５ 入力端子
５１０ 第１の音響共振子
５１２ 第１の電極
５１４ 第２の電極
５１６ 圧電層
５２０ 第２の音響共振子
５２２ 第１の電極
５２４ 第２の電極
５２５ 結合共振子フィルタ（ＣＲＦ）
５２６ 圧電層
５３０ 音響結合層
５５０ コンデンサ
５５５ 出力端子

Claims (17)

1. 入力信号を受信するように適合された入力端子と、
   第１の電極と、第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極との間に延びる音響伝播層と、を有する第１の音響共振子であって、該第１の音響共振子の前記第１の電極は前記入力端子に接続される、第１の音響共振子と、
   第１の電極と、第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極との間に延びる圧電層と、を有する第２の音響共振子と、
   前記第１の音響共振子の第２の電極に接続された第１の面と、前記第２の音響共振子の第１の電極に接続された、前記第１の面とは反対側の第２の面と、を有する音響結合層であって、前記第１の音響共振子から前記第２の音響共振子に音響エネルギーを結合するように適合された、音響結合層と、
   前記第２の音響共振子の第２の電極に接続された出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子との間に延びるコンデンサと、
   を備える信号処理装置であって、
   前記入力端子から前記出力端子への伝送経路は、通過帯域と、中心通過帯域周波数と、少なくとも２つの伝送ゼロと、を示す周波数応答を有し、第１の伝送ゼロは、前記中心通過帯域周波数より低い、そして前記中心通過帯域周波数の少なくとも１０％である周波数にあり、第２の伝送ゼロは、前記中心通過帯域周波数より高い、そして前記中心通過帯域周波数の１０００％より高くない周波数にある、信号処理装置。
2. 前記音響結合層が、前記第１の音響共振子の第２の電極の音響インピーダンスより小さい、そして前記第２の音響共振子の第１の電極の音響インピーダンスより小さい音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の音響共振子の第２の電極の音響インピーダンス対前記音響結合層の音響インピーダンスの比は１０：１より大きく、そして前記第２の音響共振子の第１の電極の音響インピーダンス対前記音響結合層の音響インピーダンスの比も１０：１より大きい、請求項２に記載の装置。
4. 前記コンデンサが、前記入力端子と前記出力端子との間の前記伝送経路の周波数応答が約２．０ＧＨｚと約２．８ＧＨｚとにおいて伝送ゼロを示すような値を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記コンデンサが、約３０ｆＦの値を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記音響結合層が、低誘電率を有するシリコン材料を含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の音響共振子の第２の電極と前記第２の音響共振子の第１の電極とは、それぞれ接地される、請求項１に記載の装置。
8. 入力端子と、
   出力端子と、
   音響結合層と、
   前記入力端子と前記音響結合層との間に配置された第１の音響共振子と、
   前記音響結合層と前記出力端子との間に配置された第２の音響共振子と、
   前記入力端子と前記出力端子との間に延びるコンデンサと、
   を備えている無線周波フィルタ。
9. 前記コンデンサが、前記入力端子と前記出力端子との間の伝送経路の周波数応答が、約２．０ＧＨｚと約２．８ＧＨｚとにおいて伝送ゼロを示すような値を有する、請求項８に記載のフィルタ。
10. 前記コンデンサが、約３０ｆＦの値を有する、請求項８に記載のフィルタ。
11. 前記音響結合層が、低誘電率を有するシリコン材料を含む、請求項８に記載のフィルタ。
12. 前記第１の音響共振子の電極と前記第２の音響共振子の電極が、それぞれ接地される、請求項８に記載のフィルタ。
13. 音響結合層によって第２の音響共振子に結合された第１の音響共振子を有する結合共振子構造を備え、通過帯域と、中心通過帯域周波数と、周波数応答における少なくとも２つの伝送ゼロと、を有する帯域通過フィルタ。
14. 前記結合共振子構造に亘るキャパシタンスを更に備えている、請求項１３に記載のフィルタ。
15. 前記キャパシタンスが、前記２つの伝送ゼロが約２．０ＧＨｚと約２．８ＧＨｚとに配置されるような値を有する、請求項１４に記載のフィルタ。
16. 前記キャパシタンスが、約３０ｆＦの値を有する、請求項１４に記載のフィルタ。
17. 前記音響結合層が、低誘電率を有するシリコン材料を含む、請求項１３に記載のフィルタ。

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