KR101686689B1 - 경사 에지를 포함한 리액턴스 필터 - Google Patents

경사 에지를 포함한 리액턴스 필터 Download PDF

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Abstract

사다리형 또는 격자형 배열로 공지된 리액턴스 필터에서는, 통과 대역의 상부 에지가 커패시터를 이용하여 경사지게 형성되고, 상기 커패시터는 리액턴스 필터의 직렬 공진기들 중 적어도 하나에 대해 병렬로 접속되어 있는 것이 제안된다. 커패시터는 리액턴스의 소자칩상에 집적되어 제조될 수 있고, 이때 특히 공진기 및 커패시터의 제조를 위해 동일한 방법 단계 및 동일한 층 구조물이 사용될 수 있다.

Description

경사 에지를 포함한 리액턴스 필터{REACTANCE FILTER HAVING A STEEP EDGE}
본 발명은 경사 에지를 포함한 리액턴스 필터에 관한 것이다.
임피던스 소자들 및 특히 공진기들이 사다리와 유사한 형태로 회로 구성되어 소위 사다리형 또는 격자형 조립체로서 대역 통과 특성을 가진 리액턴스 필터가 구성될 수 있다. EP 1196 991 A1으로부터 예를 들면 사다리형 필터가 공지되어 있으며, 상기 필터는 SAW 기술(SAW = surface acoustic wave)을 이용하여 음향 1-단자(one port) 공진기로 구축되어 있다. 이러한 리액턴스 필터의 이점은, 사용한 소자의 개수 및 종류에 따라 필터 특성을 조절할 수 있고, 특히 저지 대역 억제를 개선할 수 있다는 것이다.
BAW 공진기(BAW = bulk acoustic wave)로 구축된 사다리형 조립체로서의 리액턴스 필터는 예를 들면 EP 1407 546 A1으로부터 공지되어 있다. BAW 기술은, 주파수가 정확하고 출력 고정적이면서 공진 주파수의 온도 변화가 상대적으로 낮은 대역 통과 필터가 얻어질 수 있다는 이점을 제공한다. BAW 필터의 주파수 정확도에 의해 상기 필터는 주로 듀플렉서(duplexer)에 사용된다.
BAW 기술의 또 다른 중요한 이점은, BAW 공진기를 이용하여 얻을 수 있는 품질도가 1000이 넘을 만큼 높다는 것이다. 이로 인하여, BAW 리액턴스 필터에서 매우 경사진 필터 에지가 발생한다. 이러한 점 외에, 온도 변화가 낮고 주파수 정확도가 크다는 점으로 인하여 BAW필터는 송신 대역과 수신 대역 사이의 간격이 작은 듀플렉서 응용물을 위해 제공된다.
듀플렉서는 송신 필터 및 수신 필터를 포함하고, 상기 필터들은 일반적으로 별도의 기판들상에 구축되어 있다. 송신 대역과 수신 대역 사이에 대역 간격은 종종 좁을 뿐이며, 이러한 대역 간격은 예를 들면 미국에서 사용되는 PCS 이동 무선 시스템에서 중심주파수가 1.9 GHz일 때 20 MHz에 불과하다. G-대역 확장을 포함한 필터는 듀플렉서를 필요로 하며, 상기 듀플렉서의 대역 간격은 15 MHz까지 더 줄어들었다. 송신 대역과 수신 대역간의 간격이 상대적 폭의 1%미만으로 매우 낮으려면, 높은 품질 및 양호한 온도 안정성을 가진 공진기 기술외에 듀플렉서에서 조합된 두 필터를 위해 경사 필터 에지를 가능하게 하는 필터 디자인이 필요하다. 특히 중요한 것은, 두 통과 대역이 가능한 한 양호하게 구획되기 위해, 두 통과 대역에 있어 주파수에 따라 서로를 향해 있는 두 에지는 경사지게 형성되는 것이다. 상기 언급한 G-대역 듀플렉서의 경우, 제조 산포도(manufacturing dispersion) 및 온도 종속적 편차를 고려하여, 필요한 에지 경사도가 적어도 5 dB/MHz이다. 그러나, 더 경사가 급한 에지가 필요하기도 한데, 이로써 필터 또는 듀플렉서의 사양이 향상될 뿐만 아니라, 제조 조건에 따른 편차가 있을 때 제조 수율도 증가할 수 있기 때문이다.
이미 언급한 EP 1 407 546 A1에서는, 공진기내에서 정전 용량(static capacitance)과 동적 용량(dynamic capacitance)의 비율이 감소함으로써 통과 대역의 에지가 경사지게 되는 것이 제안되어 있다. 그러므로, 공진기의 반공진 주파수는 목적한 바대로 증가하며, 이때 상기 공진기의 공진 주파수가 동시에 변경되지는 않는다. 따라서, 결합(coupling)이 줄어들고, 공진기에 부속한 통과 대역 에지는 경사지게 된다. 실시를 위해, 결합이 더 적은 압전 물질 또는 전극 물질을 사용할 것이 제안된다. 그 외 가능성으로서, 음향 거울을 사용할 것이 제안되었는데, 음향 거울도 마찬가지로 각각의 공진기의 음향 결합을 줄일 수 있다.
에지를 더 경사지게 형성할 다른 가능성은, 리액턴스 필터내에 병렬 공진기들을 더 많이 장착하는 것으로, 상기 병렬 공진기들은 더 현저하거나 부가적인 0점을 생성하고, 따라서 에지가 더 경사지게 된다. 그러나, 이러한 방법의 경우 상호 접속된 직렬 공진기들의 수에 의해 리액턴스 필터의 오믹(ohmic) 손실이 증가한다는 단점이 있다. 또한, 리액턴스 필터내에서 병렬로 접속된 공진기들은 인덕턴스와 직렬로 접속될 수 있고, 이때 0점은 더 깊은 주파수쪽으로 이동할 수 있다. 이는 절연 증가를 야기할 뿐만 아니라 대역 통과 필터의 대역폭을 더 크게 만든다. 직렬 공진기들의 수가 늘어나면서 통과 대역의 우측 에지가 더 경사지게 되며, 상기 직렬 공진기들의 반공진은 에지의 위치 및 그 경사도에 영향을 미친다.
에지 경사도를 개선하기 위해 공지된 해결 방법들은, 공통적으로, 상기 방법들이 더 큰 손실을 야기하거나 회로- 및 제조 비용을 더 많이 들여서만 구현할 수 있다는 단점이 있다. 칩상에 위치한 여러 공진기를 위해 더 큰 칩면적이 필요하다는 것도 또 다른 단점이다. 2개의 직렬 공진기를 부가할 경우, 암시적으로 적어도 하나의 병렬 공진기가 더 필요하므로, 전체적으로 3개의 부가적인 공진기가 있게 된다.
본 발명의 과제는 목적한 바대로 통과 대역의 우측 에지를 더 경사지게 형성할 수 있는 리액턴스 필터를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따르면 특허청구범위 제1항의 특징들을 포함한 리액턴스 필터에 의하여 해결된다. 본 발명의 유리한 형성예는 다른 청구항들로부터 도출된다.
리액턴스 필터는 그 자체에 대해 공지된 사다리형 또는 격자형 배열로서 제안되며, 상기 리액턴스 필터는 신호 입력부와 신호 출력부를 연결하는 적어도 하나의 직렬 브랜치(series branch)를 포함한다. 리액턴스 필터는 적어도 하나의 병렬 브랜치를 더 포함하고, 사다리형 필터의 경우 상기 병렬 브랜치는 직렬 브랜치로부터 접지쪽으로 분기되거나, 격자형 배열의 경우 이때 존재하는 2개의 직렬 브랜치들을 상호 연결한다. 각각의 병렬 브랜치에 병렬 공진기가 배치되며, 각각의 직렬 브랜치에는 상기 대체적으로 공지되어 있는 리액턴스 필터 조립체내에서 복수 개의 직렬 공진기들이 직렬로 접속되어 있다. 본 발명에 따르면, 이제, 직렬 공진기들 중 적어도 하나의 직렬 공진기에 대해 병렬로 커패시터가 접속되어 있다. 병렬 커패시터는 직렬 공진기의 유효 정전 용량(C0)을 증가시키고, 이를 통해 공진기의 동적 용량 대 정전 용량의 비율을 변경한다. 직렬 공진기의 공진 주파수가 식
Figure 112011076799251-pct00001
에 따라 상기 공진기의 동적 용량(C1) 및 공진기의 인덕턴스에 의존하는 반면, 식
Figure 112011076799251-pct00002
에 따른 반공진 주파수(fa)는 부가적으로, 상기 언급한 동적 용량 대 정전 용량의 비율에 의존한다. 본 발명에 따라 증가하는 정전 용량에 의해, 반공진 주파수(fa)가 낮아지고, 이때 동시에 공진 주파수의 위치가 변경되지는 않는다. 따라서 공진기의 결합이 줄어든다.
직렬 공진기의 반공진 주파수(fa)가 직접적으로 우측 필터극(영문으로 notch)의 위치를 결정하므로, 상기 줄어든 결합은 극이 좌측을 향하여 더 작은 주파수쪽으로 이동하도록 하며, 상기 결합 감소가 하나의 직렬 공진기에서만 또는 어느 경우든 일부의 직렬 공진기에서만 일어날 경우에도 그러하다. 통과 대역의 폭은 거의 변경되지 않은 채로 유지되는데, 직렬 공진기들 중 적어도 하나는 병렬 접속된 커패시터를 포함하며, 단 모든 직렬 공진기가 병렬 접속된 커패시터를 포함하지는 않는다. 따라서, 우측 통과 대역 에지의 경사도가 효과적으로 증가하며, 이때 대역폭에 있어 현저한 손실을 감수할 필요는 없다. 제공된 리액턴스 필터 조립체를 이용하여 에지 경사도를 예를 들면 1 dB/MHz만큼 증가시킬 수 있다.
직렬 공진기에 대해 병렬인 커패시터는 임의적 기술로 실시할 수 있다. 상기 커패시터는 외부 커패시터로서 공진기들과 접속될 수 있다.
그러나, 커패시터가 리액턴스 필터와 함께 통합되어 제조되고 특히 공통의 제조 단계를 이용하는 것이 유리하다. 즉, 커패시터가 공진기 또는 공진기들에 대해 병렬로 제조되는 것이 유리하다.
SAW 단일 단자 공진기로 구성된 리액턴스 필터는 변환기를 포함하고, 상기 변환기는 용량을 가진다. 변경된 전극 핑거 간격을 가지며 부가적으로 생성된 변환기는 SAW 단일 단자 공진기들로 구성된 필터의 경우에 커패시터로서 사용될 수 있다.
더욱 유리하게는, 이미 언급한 이유로 인하여, BAW 공진기들로 구성된 리액턴스 필터를 형성하는 것이다. 상기 공진기들은 기판 상부에서 구조화된 층 구조물을 포함한다. 층 구조물은 적어도 하나의 바텀 전극(bottom electrode), 압전층 및 탑 전극(top electrode)을 포함한다. 공진기와 함께 통합되어 제조된 커패시터는 전극층들 중 적어도 하나의 전극층을 커패시터전극으로서 사용한다. 커패시터는 예를 들면 금속(1)/유전체/금속(2)이라는 층시퀀스를 포함하며, 원칙적으로 상기 층시퀀스는 바텀 전극/압전층/탑 전극이라는 상기 층 구조물을 포함하여 구현될 수 있다. 한편 이러한 커패시터를 공진기로서 활용하지 않으려면, 커패시터의 공진 주파수를 리액턴스 필터의 통과 대역 밖에 위치한 영역으로 이동시키기 위한 부가적인 처리가 필요하다.
커패시터를 직렬 공진기의 구조 유닛에 대해 병렬로 제조하는 또 다른 가능성은, 음향 거울을 포함한 직렬 공진기를 사용하는 것인데, 음향 거울은 기판과 직렬 공진기 사이에 배치되어 있다. 음향 거울은 하이임피던스층(high impedance layer)을 포함하며, 상기 임피던스층은 금속으로 구성된다. 상기 임피던스층은 커패시터 구조물을 위한 층시퀀스내에서 전극층으로서 사용될 수 있다.
공진기를 위한 층구조물 및 커패시터를 위한 층시퀀스를 직렬로 구조화하는 간단한 가능성은, 층구조물내에서 커패시터 및 공진기를 래터럴로 나란히 구현하는 것이다. 특히, 공진기 영역은 래터럴로 커패시터 영역의 옆에 배치되어 있을 수 있다. 공진기 영역에서, 층들 및 층 두께는, 이들이 적합한 공진 주파수를 제공하도록 조절된다. 한편 이에 대해 래터럴로 배치된 커패시터 영역에서, 커패시터를 위한 층시퀀스는 예를 들면 층두께와 관련하여, 커패시터의 공진 주파수가 리액턴스 필터의 통과 대역 밖에 위치하도록 형성된다. 그러나, 커패시터 영역에서 공진기 영역의 개별층들이 생략되고 다른 층들이 커패시터 영역에만, 예를 들면 상부에 탑 전극상에 적층되어, 상기 커패시터의 공진 주파수가 비임계적 영역으로 이동하는 경우도 가능하다.
커패시터 영역내에서 공진 주파수가 이동하도록 층시퀀스를 변경하기 위한 가능성은, 커패시터 영역에서 바텀 전극의 층두께를 변경하는 것이다. 일반적으로, 바텀 전극은 경질 금속 소재의 층 및 연질 금속 소재의 층을 포함한다. 부가적인 구조화 단계에 의해, 커패시터 영역에서 상기 두 층들 중 하나가 제거될 수 있고, 일반적으로 바텀 전극의 상부 부분층이 제거될 수 있는데, 상기 상부 부분층은 예를 들면 경질 금속으로 구성될 수 있다.
부가적 실시예에 따르면, 커패시터 영역에서 공진기의 탑 전극 및 음향 거울의 전기 전도층은 커패시터를 위한 층시퀀스에서의 금속(1) 및 금속(2)으로서 사용된다. 이를 위해, 바텀 전극은 커패시터 영역에서 완전히 제거되어, 커패시터는 탑 전극와 거울층 사이에 형성된다.
그러나, 커패시터가 바텀 전극과 음향 거울의 하이임피던스층 사이에 형성될 수도 있다. 이때의 이점은, 기판상에서 부가적인 면을 필요로 하지 않고도, 커패시터가 가장 많은 부분 또는 전체가 공진기의 하부에 형성될 수 있다는 것이다. 이러한 커패시터는 매우 간단히 제조될 수 있고, 소자의 밑면을 증대시키지 않거나 근소한 정도로만 증대시킨다.
리액턴스 필터에서 커패시터는 적어도 하나의 직렬 공진기에 대해 병렬로 접속되어 있다. 이를 위해, 커패시터 전극은 그에 상응하는 공진기 전극과 연결될 필요가 있다. 바텀 전극과 음향 거울의 하이임피던스층 사이에 형성된 커패시터의 경우, 탑 전극은 관통 접촉을 이용하여 하이임피던스와 전기 전도적으로 연결된다. 이러한 관통 접촉은 바람직하게는 공진기 영역의 밖에 배치되어 있다.
커패시터 영역 및 공진기 영역이 적어도 부분적으로 겹치는 모든 다른 배열도 역시 유리하다.
바람직한 실시예에서, 커패시터는 신호 입력부와 가장 근접해있는 직렬 공진기에 대해 병렬로 접속되어 있다. 나머지 직렬 공진기들 중 적어도 하나의 직렬 공진기는 병렬 접속된 공진기를 미포함하여 형성된다. 여러 구성예에 있어서, 신호 입력부에서 병렬 접속된 용량은 상기 입력부와의 정합을 용이하게 할 수 있다. 예를 들면 단자를 50 ohm에 맞추기 위해 더 낮은 직렬 인덕턴스가 필요하다.
본 발명에 따른 리액턴스 필터에서, 더 경사진 상부 에지와 관련하여 최대 효과는, 커패시터의 용량이 공진기의 정전 용량의 1과 50% 사이의 범위, 바람직하게는 3-30%의 범위에 있을 때 달성된다.
이하, 본 발명은 실시예 및 그에 속한 도면에 의거하여 더 상세히 설명된다. 도면은 본 발명을 더욱 양호하게 이해하기 위한 목적일 뿐이며, 따라서 개략적으로만 도시되었고, 척도에 맞지 않다. 마찬가지로, 개별 부분들은 크기가 변경된 채로 도시되어 있을 수 있어서, 도면으로부터 상대저인 크기비를 추론할 수 없다.
도 1은 공진기들로 구성된 공지된 리액턴스 필터를 도시한다.
도 2는 외부 용량을 가진 본 발명에 따른 리액턴스 필터를 도시한다.
도 3은 내부 용량을 가진 본 발명에 따른 리액턴스 필터를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 리액턴스 필터를 포함한 듀플렉서를 도시한다.
도 5는 리액턴스 필터의 층구조물로 구현된 커패시터를 도시한다.
도 6은 음향 거울뿐만 아니라 바텀 전극의 경질 부분이 제거된 직렬 공진기를 도시하며, 상기 공진기에 커패시터가 연결되어 있다.
도 7a 및 7b는 커패시터가 직접 연결된 직렬 공진기의 개략적 횡단면도 및 등가회로도를 도시하며, 상기 커패시터는 탑 전극, 하이임피던스층 및 바텀 전극 사이에 형성되어 있다.
도 8a 및 8b는 직렬 공진기, 및 바텀 전극과 하이임피던스층 사이에 형성된 커패시터로 이루어진 조립체를 개략적 횡단면도 및 블록 회로도로 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 리액턴스 필터의 전송 곡선을 동일한 방식으로 구성된 기타 공지된 리액턴스 필터에 비교하여 도시한다.
도 10은 BAW 공진기를 위한 층구조물 예를 도시하며, 상기 층구조물의 부분층들은 공진기 및 커패시터를 구현하기 위해 사용될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 공지되며 캐리어로서의 칩(CH)상에 공진기들로 구성된 사다리형 구조의 리액턴스 필터를 도시한다. 신호 입력부(SE)와 신호 출력부(SA) 사이에 직렬 브랜치(SZ)가 접속되어 있다. 직렬 브랜치의 노드점으로부터 나와 3개의 병렬 브랜치(PZ)가 고정 전위 및 특히 접지쪽으로 접속되어 있다. 각각의 병렬 브랜치(PZ)에 병렬 공진기(PR)가 배치되어 있다. 직렬 브랜치(SZ)는 직렬 공진기들(SR)로 이루어진 직렬 회로를 포함한다.
도 2는 직렬 공진기(SR)에 대해 병렬로 커패시터(CAP)가 접속된 리액턴스 필터를 도시한다. 직렬 공진기들(SR) 중 하나만 커패시터에 병렬로 접속되어도 이미 이점들이 얻어지는데, 이때 이러한 커패시터는 복수 개의 직렬 공진기들을 병렬로 가교할 수 있다(도면에 미도시됨). 반면, 직렬 공진기들 중 적어도 하나는 변경되지 않은 채로 유지된다.
공진기들(SR, PR)은 임의적 기술로 제조될 수 있는데, 직렬 브랜치에 대해 병렬로 접속된 커패시터의 작용 방식은 전기적인 작용 방식이고, 따라서 모든 공진된 공진기들을 위해 적용될 수 있기 때문이다. 커패시터(CAP)는 도 2에 도시된 바와 같이 예를 들면 외부 커패시터이며, 상기 커패시터는 SMD 소자 또는 다른 기술로 제조된 외부 회로 소자로서 리액턴스 필터와 접속될 수 있다. 리액턴스 필터 및 커패시터는 예를 들면 공통의 회로기판상에 배치되어 있을 수 있다. 또한, 리액턴스 필터의 칩상에 별도의 커패시터가 실장될 수 있다. SMD 커패시터 대신, 용량은 다층 회로 기판상에 집적될 수 있다.
리액턴스 필터의 전체 직렬 공진기들(SR) 및 병렬 공진기들(PR)은 예를 들면 칩(CH)으로 형성된 공통 기판상에 배치되어 있을 수 있다. 그러나, 직렬 공진기 및 병렬 공진기의 서로 다른 주파수 위치에 의해, 직렬 공진기 및 병렬 공진기가 서로 다른 기판 또는 칩상에 구현되는 것이 유리할 수 있다.
도 3은 커패시터(CAP)가 리액턴스 필터의 칩(CHY)상에 집적된 리액턴스 필터를 도시한다. 부가적으로, 칩상에 또는 칩의 외부에 위치한 병렬 브랜치들 중 2개가 하나의 공통 브랜치와 연결되며, 임피던스 소자(IE), 특히 인덕턴스를 이용하여 접지와 접속될 수 있음이 암시되어 있다. 이러한 방식으로, 병렬 공진기에 의해 생성된, 리액턴스 필터의 극점을 이동시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 리액턴스 필터를 위한 유리한 응용예를 도시한다. 리액턴스 필터는 상기 리액턴스 필터의 경사진 상부 에지에 의해 특히 송신 필터(SF)의 형성을 위한 듀플렉서에 장착될 수 있다. 송신 필터의 통과 대역의 상부 에지는 수신 필터(EF)의 통과 대역의 하부 에지를 향해있어서, 듀플렉서의 두 필터는 송신 필터(SF)의 통과 대역의 더 경사진 상부 에지에 의해 더욱 양호하게 상호간 절연된다. 두 필터는 안테나(A)와 연결되어 있다. 예를 들면 1/4 파동 전송 라인과 같은 정합망은 미도시되었는데, 이러한 정합망을 이용하면 예를 들면 송신 필터(SF)의 신호 출력부로부터 수신 필터(EF)로 송신 신호가 커플링되는 것이 방지된다.
도 5는, 어떻게, 통상적으로 BAW 공진기의 제조를 위해 사용되는 층 구조물이 본 발명에 따라 간단한 방식으로 커패시터의 제조를 위해, BAW 공진기의 제조 시 사용되는 공정 단계들을 이용하여 제조될 수 있는가를 도시한다. 따라서, BAW 공진기에서 커패시터(CAP)의 제조는 간단한 방식으로 BAW 공진기의 제조 공정에 통합될 수 있다.
이러한 층 구조물은 예를 들면 기판(SU), BAW 공진기의 바텀 전극을 나타내는 제1금속층(M1), BAW 공진기의 층 구조물내에서 압전층일 수 있는 유전체(D) 및 탑 전극으로 사용될 수 있는 제2금속층(M2)을 포함한다.
제1금속(M1)/유전체(D)/제2금속(M2)이라는 층시퀀스로 구성된 커패시터(CAP)는 이에 상응하는 연결부(T1, T2)를 경유하여 연결된다. 예를 들면 기판상에 직접적으로 안착되거나 기판 상부에 적층된 절연층상에 안착한 제1금속층은 유전체를 관통하는 관통 접촉(DK)을 경유하여 연결될 수 있다. 전극 물질과의 더 양호한 연결을 위해, 관통 접촉의 영역에서 국부적으로 부가적 금속이 제1금속층(M1)상에 적층되어 있을 수 있고, 상기 제1금속층은 이 경우 특히 경질 금속층(HM)이다. 상기 관통 접촉(DK)을 이용하여, 커패시터(CAP)의 두 연결부는 층 구조물의 표면상에 제공될 수 있고, 상기 표면에서 상기 연결부들은 특히 간단하게 연결되거나 외부 회로 환경과 연결될 수 있다.
도 5에 도시된 커패시터는 임의의 위치에서 BAW 공진기의 기판상에 또는 BAW 공진기들로 구성된 리액턴스 필터의 기판상에 구현될 수 있다. 도시된 형태에서, 커패시터(CAP)는 공진기 영역과 이격되어 구현될 수 있다.
그러나, 커패시터(CAP)가 공진기에 직접적으로 연결되고 특히 상기 공진기와 결합된 직렬 공진기(SR)에 연결되어 형성되는 것이 유리하다. 도 6은 바텀 전극(BE)의 적절한 구조화에 의해 직렬 공진기(SR)의 영역(공진기 영역)과 커패시터(CAP)의 영역(커패시터 영역)을 구분하는 가능성을 도시한다.
바텀 전극은 2개의 금속층들, 즉 하부 연질 금속층(WM) 및 그 위에 배치된 경질 금속층(HM)을 포함한다. 커패시터 영역(KB)에서 경질 금속층(HM)이 제거됨으로써, 상기 커패시터 영역은 다른 공진 특성을 가지며 공진기 영역(RB)으로서 형성될 수 있어서, 커패시터에서는 직렬 공진기와 상이한 공진 주파수가 얻어진다. 따라서, 커패시터(CAP)는 리액턴스 필터의 중간 주파수의 영역에서 상기 커패시터의 용량에 의해 작용하며 공진기로서 역할하지는 않는데, 상기 커패시터의 공진 주파수가 리액턴스의 통과 대역을 위해 결정적인 주파수의 밖에 위치하기 때문이다. 이러한 구성에서, 바텀 전극(BE)의 일부인 연질 금속층은 커패시터의 제1금속층(M1)으로, 탑 전극(TE)은 커패시터의 제2금속층(M2)으로 사용될 수 있다. 직렬 공진기 또는 BAW 층구조물의 압전층(PS)은 커패시터 영역(KB)에서 유전체로 역할한다.
물론, 커패시터 영역(KB)에서 리액턴스 필터의 통과 대역의 범위내에 있는 공진을 방지하기 위한 다른 수단도 가능하다. 따라서, 특히 압전층(PS)의 유전체(D)의 층 두께는 커패시터 영역(KB)에서 변경되며 특히 감소할 수 있다.
또한, 도면에는 음향 거울(AS)이 도시되어 있는데, 음향 거울은 바텀 전극(BE)의 하부에 배치되어 있다. 음향 거울은 로우임피던스층 및 하이임피던스층(HI)을 교번적으로 포함하며, 상기 임피던스층들은 이에 상응하여 높고 낮은 음향 임피던스를 가진 물질들로 제조된다. 특히, 하이임피던스층(HI)은 중금속으로 구성되며 따라서 전기 전도도가 있다. 중간에 위치한 로우임피던스층으로서, 일반적으로 유전체 및 특히 산화물이 사용된다. 음향 거울(AS)의 부분층은 소정 파장을 가진 1/4파동층일 수 있어서, 부분층들 사이의 경계면에서 음파는 상기 파장 범위내에서 공진기쪽으로 재귀 반사될 수 있다.
도 6에는, 음향 거울이 공진기 영역(RB)에만 걸쳐 연장되거나, 하이임피던스층(HI)이 커패시터 영역(KB)에서 홈이 파여 있는 것이 도시되어 있다. 이러한 실시예를 위해, 음향 거울이 전면적으로, 커패시터 영역내에 배치될 수 있다.
도 7a는 커패시터 영역을 탑 전극(TE)과 음향 거울(AS)의 하이임피던스층들(HI) 중 하나와의 사이에 형성하는 가능성을 도시한다. 이에 대해, 커패시터 영역(KB)에서 바텀 전극이 제거되어, 탑 전극 및 하이임피던스층(HI1)은 압전층(PS) 및 음향 거울(AS)의 유전체(D)에 의해서만 분리된다. 이리한 실시 방식은, 하이임피던스층(HI1)과 바텀 전극(BE) 사이에 부가적 커패시터(CAP2)가 형성된다는 이점이 있으며, 상기 부가적 커패시터는 커패시터 영역(KB)에서 제1커패시터(CAP1)와 직렬로 접속된다. 이러한 방식으로, 하이임피던스층(HI1)의 직접적인 접촉이 생략될 수 있는데, 하이임피던스층(HI1)은 두 커패시터들(CAP1, CAP2)의 직렬 회로에서 플로팅 전극을 나타내기 때문이다. 도 7b는 도 7a에서 횡단면도로 도시된 조립체의 등가회로도를 도시하며, 상기 조립체는 다시 본 발명에 따른 리액턴스 필터의 일부분만을 나타내고, 이는 예를 들면 도 2 내지 4 중 어느 하나의 도면에 도시된 바와 같다.
도 8a는 BAW 공진기의 층구조물내에서 커패시터를 구현하는 다른 가능성을 도시한다. 도 8a의 도시된 변형예에서, 커패시터(CAP)는 음향 거울의 하이임피던스층(HI)과 직렬 공진기(SR)의 바텀 전극(BE) 사이에 형성된다. 이때, 커패시터는 직렬 공진기의 바로 밑에 배치되며, 부가적 면을 필요로 하지 않는다. 하이임피던스층(HI)의 전기적 연결을 위해 관통 접촉(DK)만이 어느 위치에 형성되는데, 이로써 커패시터의 제2전극을 전기적으로 접촉하기 위함이다. 이러한 실시 방식은 공간이 매우 절약적이며, 제조 시 적은 구조화 비용만을 필요로 한다. 관통 접촉(DK)에서 탑 전극은 하이임피던스층(HI)과 전기 전도적으로 연결된다.
도 8b는 조립체의 등가회로도를 도시하며, 상기 조립체는 다시, 예를 들면 도 2 내지 4 중 어느 하나의 도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 리액턴스 필터의 블록 회로도의 부분 단면을 형성한다.
우측 에지를 더 경사지게 하려는 원하는 효과는 각각의 부가적 용량값에 의해 얻어지는데, 상기 용량값은 직렬 공진기와의 병렬 접속에 의해 상기 직렬 공진기의 정전 용량을 증가시킨다. 리액턴스 필터의 상부 통과 대역 에지를 충분히 경사지게 하면서 양호한 효과를 얻으려면, 직렬 공진기의 정전 용량의 3-30%의 범위에서 용량을 가지는 커패시터를 이용한다.
도 9는 도 3에서 본 발명에 따라 형성된 리액턴스 필터의 모의실험된 전송 곡선(K1)(S21)을 도 1에 따라 형성된 공지된 리액턴스 필터의 모의실험된 전송 곡선(K2)과 비교한다. 본 발명에 따른 리액턴스 필터의 커패시터는 0.32 pF라는 용량을 가지는 반면, 직렬 공진기의 정전 용량은 약 1.2 pF이다. 본 발명에 따른 리액턴스 필터에서 통과 대역의 우측 에지는 약 0.7 dB/MHz만큼 경사진 것이 확인된다. 곡선(K1)의 경사도는 4.7 dB/MHz, 공지된 필터의 곡선(K2)의 경사도는 4.0 dB/MHz이다. 통과 대역의 나머지 영역에서 두 곡선은 거의 합동이다. 이는, 직렬 공진기에 대해 부가적으로 병렬 접속된 용량(CAP)에 의해 다른 필터 특성은 연관되지 않거나 근소한 정도로만 연관됨을 나타낸다.
도면의 우측 하단에는 두 곡선(K1, K2)을 위한 Roll-off 에지의 하부 부분의 일부가 확대되어 도시되어 있다. 본 발명에 따른 리액턴스 필터의 더 경사진 곡선(K1)은 이전에 소정의 절연 레벨에 도달하여, 통과 대역은 인접한 주파수에 비해 더 강하게 구분된다. 따라서, 송신 필터로서의 필터가 수신 대역이 더 높은 듀플렉서에, 특히 예를 들면 미국에서 사용되는 PCS 대역의 경우와 마찬가지로 대역 간격이 작은 듀플렉서에서 송신 필터로서 사용되는 경우가 매우 유리하다.
도 10은 가능한 전체 층 구조물(SAB)을 다시 개략적으로 도시하는데, 상기 층 구조물은 BAW 공진기의 제조 시 사용될 수 있는 바와 같다. 기판(SU)으로서 일반적으로 결정 물질, 특히 규소 웨이퍼가 역할한다. SMR 공진기(SMR = surface mounted resonator)로서의 변형 구성예에서, 기판(SU)상부에 직접적으로 음향 거울(AS)이 구축되고, 음향 거울은 교번적인 순서로 하이임피던스층(HI) 및 로우임피던스층(LI)을 포함한다. 충분히 제 기능을 하는 음향 거울(AS)은 2쌍의 하이임피던스층 및 로우임피던스층을 이용하여 얻어진다. 하이임피던스층으로서 특히 텅스텐, 백금 또는 몰리브댄과 같이 중금속이 사용되는 반면, 로우임피던스층은 제조 조건에 따라 일반적으로 반도체 기술에 사용되는 산화물, 특히 규소산화물일 수 있다.
음향 거울 상부에 바텀 전극(BE)이 배치되어 있다. 바텀 전극은 다층일 수 있고, 특히 연질 금속층(WM) 및 그 위에 경질 금속층(HM)을 포함할 수 있다. 연질 금속으로서, 예를 들면 알루미늄이 적합하며, 반면 경질 금속(HM)으로서 다시 몰리브댄 및 텅스텐이 적합하다.
바텀 전극(BE) 상부에 압전층(PS)이 배치되어 있다. 압전층은 일반적으로 균일하며 유리하게는 알루미늄질화물, 아연산화물과 같은 압전 물질 또는 유사한 물질로 구성된다.
압전층(PS) 상부에 탑 전극(TE)이 적층되며, 탑 전극은 단층이거나 다층일 수 있다. 가장 간단한 변형예에서, 탑 전극(TE)은 알루미늄층이다. 그러나, 탑 전극은 바텀 전극과 마찬가지로 중금속으로 구성될 수 있다.
BAW 공진기를 위해 가능한 상기 층 구조물(SAB)내에서, 이제 2개의 임의적인 전기 전도층들은 본 발명에 따라 사용된 커패시터(CAP)의 구성을 위해 사용될 수 있다. 유리하게는, 2개의 전기 전도층들이 사용되며, 상기 전기 전도층은 층 구조물(SAB)에서 상호간 좁은 간격만을 가진다.
커패시터(CAP)의 용량 조절은 커패시터를 위해 사용된 두 전기 전도층들(전극층 또는 거울층) 중 하나가 이에 상응하여 구조화됨으로써 이루어진다. 탑 전극, 압전층 및 바텀 전극과 같은 공진기의 부분층들이 커패시터(CAP)를 위해 사용되면, 이러한 층구조물은 커패시터 영역(KB)에서 상기 층들 중 적어도 하나와 관련하여 변경되는데, 이는 공진 주파수를 그에 상응하게 이동시키기 위함이다. 이는 탑 전극(TE)일 수 있다.
본 발명에 따른 리액턴스 필터는 도시된 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명은 기술 종속적이나, 유리하게도 BAW 공진기 및 BAW 공진기의 층구조물에 통합된 커패시터를 이용하여 구현된다.
본 발명에 따른 필터는 도시된 리액턴스 필터에 비해 직렬 공진기의 수, 병렬 공진기의 수, 및 병렬 접속된 커패시터의 수와 관련하여 상이할 수 있다. 부가적으로, 리액턴스 필터는 부가적 임피던스 소자와 접속될 수 있으며, 특히 인덕턴스 또는 용량와 접속될 수 있다. 본 발명에 따른 리액턴스 필터의 공진기의 일부는 다른 임피던스 소자로 대체될 수 있다. 회로에서, 공진기와 같은 개별 소자는 2개 이상의 동일한 종류의 소자들로 이루어진 직렬 회로 또는 병렬 회로에 의해 대체될 수 있으며, 이로 인하여 필터의 특성이 불량해지지는 않는다.
또한, 리액턴스 필터는 멤브레인계 BAW 공진기상에 구성될 수 있다. 이 경우, 음향 거울이 제공되지 않으나, 커패시터 영역의 주파수 이동은 앞서 설명한 바와 같이 단단한 바텀 전극층의 식각 또는 얇아짐에 의해 실시될 수 있다. 이에 대해 대안적으로, 커패시터 영역에서 부가적인 층이 탑 전극상에 증착될 수 있다.
A 안테나
AS 음향 거울
BE 직렬 공진기의 바텀 전극
CAP 커패시터
CH 칩
D 유전체
DK 관통접촉
EF 수신필터
HI 음향 거울의 하이임피던스층, 전기 전도성
HM 바텀 전극의 경질금속층
IE 임피던스 소자
K1, K2 전송 곡선
KB 커패시터 영역
NI 로우임피던스층
PR 병렬공진기
PS 압전층
PZ 병렬 브랜치
RB 공진기 영역
SA 신호 출력부
SAB 공진기(및 커패시터)를 위한 층구조물
SE 신호 입력부
SF 송신 필터
SR 직렬 공진기
SU 기판
SZ 직렬 브랜치
T1, T2 연결부
TE 직렬 공진기의 탑 전극
WM 바텀 전극의 연질금속층

Claims (17)

  1. 신호 입력부와 신호 출력부를 연결하는 직렬 브랜치,
    상기 직렬 브랜치로부터 접지쪽으로 분기되는 적어도 하나의 병렬 브랜치로, 각각의 병렬 브랜치에 병렬 공진기가 배치되는 것인, 병렬 브랜치, 및
    상기 직렬 브랜치에서 직렬로 접속되어 있는 2개이상의 직렬 공진기들을 포함하고,
    상기 직렬 브랜치에서는 상기 직렬 공진기들 중 하나의 직렬 공진기에 대해 병렬로 커패시터가 접속되고,
    상기 직렬 공진기들 및 병렬 공진기는 BAW 공진기로서 형성되고, 구조화된 층구조물로서 기판상에 구현되고,
    상기 기판상에 음향 거울 및 그 위에 상기 직렬 공진기가 적층되고, 상기 음향 거울은 금속 소재의 하이임피던스층을 포함하고,
    상기 커패시터, 및 상기 직렬 공진기와 병렬 공진기로부터 선택된 모든 공진기들은 상기 층구조물에서 나란히 구현되고,
    상기 층 구조물은 직렬 공진기들을 포함하는 공진기 영역 및 상기 공진기 영역에 래터럴로 배치된 커패시터 영역으로 분할되며,
    상기 층 구조물은, 공진기 영역에 대항하는 커패시터 영역의 층 구조물에서 층 두께가 변경되거나 커패시터 영역에서 공진기 영역에 존재하는 층이 생략되거나 공진기 영역에서만 추가적인 층이 탑 전극 상의 상부에 적층되어, 커페시터 영역에서 커패시터의 공진 주파수가 리액턴스 필터의 통과 대역 밖에 위치하도록 커패시터를 설계하는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터와 기판 사이에 절연층이 배치되고, 이때 상기 커패시터는 금속(1)/유전체/금속(2)이라는 층시퀀스를 포함하고, 상기 층시퀀스에서 두 금속층들 중 적어도 하나의 금속층을 위해 상기 직렬 공진기의 전극층의 부분면이 사용되는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 층시퀀스에서 상기 두 금속층들 중 적어도 하나의 금속층을 위해 상기 하이임피던스층이 사용되는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공진기 영역에서 바텀 전극 상부에 압전층이, 그리고 그 위에 탑 전극이 제공되며, 상기 바텀 전극은 경질 금속 소재의 층 및 연질 금속 소재의 층으로 구성되고, 상기 커패시터 영역에서 경질 금속 또는 연질 금속으로 구성된 두 층들 중 1개의 층이 제거되는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  7. 청구항 1, 청구항 3 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    바텀 전극은 상기 커패시터 영역에서 완전히 제거되어, 상기 커패시터는 상기 탑 전극과 하이임피던스층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  8. 청구항 1, 청구항 3 및 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터는 바텀 전극과 하이임피던스층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 탑 전극 및 하이임피던스층은 관통접촉에 의해 전기 전도적으로 연결되고, 상기 관통접촉은 상기 공진기 영역의 밖에 배치되는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 커패시터 영역 및 공진기 영역은 적어도 부분적으로 겹치는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  11. 청구항 1, 청구항 3, 청구항 4 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 직렬 공진기에 대해 병렬로 접속되고, 상기 직렬 공진기는 상기 신호 입력부에 가장 근접하게 위치하며, 나머지 직렬 공진기들 중 적어도 하나는 병렬 접속된 커패시터를 미포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  12. 청구항 1, 청구항 3, 청구항 4 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터는 그에 부속한 직렬 공진기의 정전 용량의 1과 50%사이의 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  13. 청구항 1, 청구항 3, 청구항 4 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직렬 공진기들에 대한 상기 커패시터의 공진 주파수는 상기 커패시터의 탑 전극상에 적층된 층에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는 리액턴스 필터.
  14. 청구항 1, 청구항 3, 청구항 4 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직렬 공진기들에 대한 상기 커패시터의 공진 주파수는, 상기 커패시터가 상기 공진기보다 1개의 층을 적게 포함함으로써 이동하는 것을 특징으로 하는 리액턴스필터.
  15. CDMA 또는 WCDMA 이동 무선 장치를 위한 듀플렉서로,
    송신 필터를 포함하고,
    청구항 1, 청구항 3, 청구항 4 및 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 리액턴스 필터가 송신 필터로 동작하는 것을 특징으로 하는 듀플렉서.
  16. PCS 이동 무선 장치를 위한 듀플렉서로,
    송신 필터를 포함하고,
    청구항 1, 청구항 3, 청구항 4 및 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 리액턴스 필터가 송신 필터로 동작하는 것을 특징으로 하는 듀플렉서.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 듀플렉서는 상기 리액턴스 필터를 송신 필터로서 포함하고 부가적인 필터를 수신 필터로서 포함하며, 상기 송신 필터 및 수신 필터는 상기 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 듀플렉서.
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