KR20190067708A - 가변 공진기 요소, 필터 회로 및 방법 - Google Patents

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루에디게르 바우더
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Abstract

가변 공진기 요소, 필터 회로 및 방법
필터에서 사용하기 위한 공진기 요소가 제공된다. 공진기 요소는 제 2 또는 제 3 공진기 또는 둘 모두에 음향적으로 결합된 제 1 공진기를 포함한다. 제 1 공진기는 필터 구조체에 통합을 위한 단자를 갖는다. 튜닝 회로가 제 2 또는 제 3 공진기 또는 둘 모두에 결합되어 공진기 요소의 튜닝을 가능하게 한다. 튜닝 회로는 가변 캐패시터 및 인덕터를 포함한다.

Description

가변 공진기 요소, 필터 회로 및 방법{TUNABLE RESONATOR ELEMENT, FILTER CIRCUIT AND METHOD}
본 출원은 가변 공진기 요소(tunable resonator element), 이러한 가변 공진기 요소를 사용하는 필터 및 대응하는 방법에 관한 것이다.
필터는 각종 전자 회로에서 신호의 특정 주파수 성분을 필터링하지만 다른 주파수 성분은 통과시키는데 사용된다. 예를 들어, 통신 회로에서, 필터는 통신에 사용되는 주파수 대역 외의 주파수 성분 또는 주파수 대역의 일부의 주파수 성분을 차단하여 다른 회로에 의해 처리되도록 하는데 사용될 수 있다
대역폭을 증가시키기 위해, 무선 통신 표준(예를 들어, LTE, 롱텀 에볼루션(Long-Term Evolution)) 또는 유선 기반 통신 표준과도 같은 통신 표준은 사용된 주파수 범위 및 다수의 사용된 주파수 대역을 계속적으로 증가시켰다. 이러한 표준을 구현하는 통신 디바이스에서는 각각의 주파수 대역에 부합하는 고도로 선택적인 필터가 종종 요구된다. 사용되는 주파수 대역은 국가마다 상이할 수 있다. 그러므로 상이한 필터 특성(예를 들어, 상이한 통과 대역)을 갖는 복수의 필터가 요구된다. 뿐만 아니라, 캐리어 집합(carrier aggregation)이라 불리는 기술에서는 여러 주파수 대역이 동시에 동작한다. 이것은 이러한 조합에 어김없이 특정한 필터 설계를 필요로 한다. 가능한 조합마다 특정 필터를 제공하면, 물리적인 필터의 수가 사용 가능한 대역의 수보다 실제로 훨씬 많다. 통신 디바이스에서 실제로 요구되는 상이한 필터(2 포트 내지 최대 n-포트 필터)의 수를 줄이기 위해서는 가변 필터(tunable filter)가 매우 바람직하다.
통신 회로 및 디바이스에서 고도로 선택적인 대역 통과 필터로서, 표면 탄성파(surface acoustic wave, SAW) 또는 벌크 음향파(bulk acoustic wave, BAW) 기술이 흔히 사용된다. 이러한 유형의 통상적인 필터는 고정된 공진 주파수 또는 중심 주파수 용도로 설계되어 있다. 그 결과, Wi-Fi를 비롯한 LTE와 같은 현재의 통신 표준에서 사용되는 개별 주파수 대역 또는 여러 주파수 대역의 집합된 조합을 제공하는데 많은 필터가 필요하다. 그 다음으로, 예를 들어 안테나와 저잡음 증폭기 또는 전력 증폭기 사이의 원하는 신호 경로에 필요한 복수의 필터 중의 개별 필터를 선택하기 위해 무선 주파수(radio frequency, RF) 스위치가 사용된다. 그러므로 이러한 통상적인 접근법에서, 대다수의 대부분의 이산적인 구성 요소가 필요하고, 이것은 통신 디바이스에서 무선 주파수 프론트 엔드(front end)에 대한 회로 복잡성, 무선 주파수 손실, 제조 복잡성 및 필요한 공간을 증가시킨다. 스마트 폰과 같은 모바일 디바이스에서는 공간이 제한되어 있으며, 이에 따라 영역을 절약하기 위해 조정 가능한 해결책이 매우 바람직하다.
필요로 하는 전체 필터의 수를 줄이기 위해 이러한 SAW 또는 BAW 필터를 조정할 수 있게 하려는 몇몇 접근법이 만들어졌다. 그러나, 통상적인 튜닝 기술은 그 튜닝 범위, 선택도에 관한 단점 및/또는 필터를 튜닝하는 가능성으로 인해 도입되는 손실에 관한 단점이 있을 수 있다. 그러므로 필터 튜닝을 위한 개선된 가능성을 제공하는 것이 목적이다.
실시예에 따르면, 필터용 공진기 요소는 필터 구조체에 결합하기 위한 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 제 1 공진기; 제 3 단자 및 제 4 단자를 갖는 제 2 공진기 - 제 2 공진기는 제 1 공진기에 음향적으로 결합됨 -; 및 제 3 및 제 4 단자에 결합된 튜닝 회로를 포함한다. 일 실시예에서, 제 3 공진기가 제 1 공진기에 결합된다. 일 실시예에서, 튜닝 회로는 가변 캐패시터 및 인덕터 중 적어도 하나를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, RF 필터 디바이스는 신호 입력; 신호 출력; 신호 입력과 신호 출력 사이에 결합된 복수의 직렬 공진기 요소 - 각각의 직렬 공진기 요소는 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 제 1 공진기, 제 3 단자 및 제 4 단자를 갖는 제 2 공진기 - 제 2 공진기는 제 1 공진기에 음향적으로 결합됨 -, 및 제 3 및 제 4 단자에 결합된 튜닝 회로를 포함함 -; 및 복수의 직렬 공진기 요소에 결합된 복수의 션트 공진기 요소를 포함하고, 각각의 션트 공진기 요소는 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 제 1 공진기, 제 3 단자 및 제 4 단자를 갖는 제 2 공진기 - 제 2 공진기는 제 1 공진기에 음향적으로 결합됨 -, 및 제 3 및 제 4 단자에 결합된 튜닝 회로를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, RF 집적 회로 필터는 기판; 기판 상에 배열된 절연 층; 패터닝된 상부 전극 층, 패터닝된 압전 층 및 패터닝된 하부 전극 층을 포함하는 절연 층 내에 배열된 복수의 필터 공진기 - 복수의 필터 공진기 중 적어도 두 개는 패터닝된 상부 전극 층과 함께 결합됨 -; 복수의 필터 공진기상에 배열된 음향 결합 층; 및 음향 결합 층 상에 배열되고 복수의 필터 공진기 각각의 위에 대응적으로 위치하는 복수의 튜닝 공진기를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, RF 필터 디바이스는 신호 입력; 신호 출력; 및 신호 입력과 신호 출력 사이에 결합된 공진기 요소를 포함하고, 공진기 요소는 제 1 공진기, 제 1 공진기 위의 제 2 공진기 - 제 2 공진기는 제 1 공진기에 음향적으로 결합됨 -, 제 1 공진기 아래의 제 3 공진기 - 제 3 공진기는 제 1 공진기에 음향적으로 결합됨 -, 제 2 공진기에 결합된 제 1 튜닝 회로; 및 제 3 공진기에 결합된 제 2 튜닝 회로를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, RF 필터는 기판; 기판상의 절연 층; 패터닝된 상부 전극 층, 패터닝된 압전 층 및 패터닝된 하부 전극 층을 포함하는 절연 층 내의 복수의 필터 공진기 - 복수의 필터 공진기 중 적어도 두 개는 패터닝된 상부 전극 층과 함께 결합되고 복수의 필터 공진기 중 적어도 두 개는 패터닝된 하부 전극 층과 함께 결합됨 -; 복수의 필터 공진기상의 음향 결합 층; 복수의 필터 공진기 각각의 위에 대응적으로 위치하는 음향 결합 층상의 복수의 튜닝 공진기; 및 복수의 튜닝 공진기에 결합된 복수의 튜닝 회로를 포함하며, 각각의 튜닝 회로는 가변 캐패시터 및 인덕터를 포함한다.
본 발명 및 본 발명의 이점의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 함께 설명되는 다음의 설명이 참조된다.
도 1은 실시예에 따른 공진기 요소의 개략적인 블록도이다.
도 2는 공진기의 구현예를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 3은 실시예에서 사용 가능한 공진기 스택(resonator stack)의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3의 공진기 스택의 예시적인 등가 회로이다.
도 5는 실시예에 따른 공진기 요소를 사용하여 구현될 수 있는 예시적인 필터 구조체이다.
도 6은 션트 공진기 요소(shunt resonator element)로서 사용 가능한 실시예에 따른 공진기 요소의 회로도이다.
도 7은 직렬 공진기 요소(series resonator element)로서 사용 가능한 실시예에 따른 공진기 요소의 회로도이다.
도 8 내지 도 13은 실시예의 동작을 설명하는 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 14는 실시예에 따른 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 15는 층 스택의 상부 위치의 필터 공진기 및 층 스택의 하부 위치의 튜닝 공진기를 포함하는 공진기 요소, 및 튜닝 공진기에 결합된 튜닝 회로의 단면도이다.
도 16은 각각의 공진기 요소가 필터 공진기 및 튜닝 회로에 결합된 대응하는 튜닝 공진기를 포함하는, 2 ½ 스테이지 사다리형 필터(2 ½ stage ladder filter)의 개략도이다.
도 17은 층 스택의 하부 위치의 필터 공진기 및 층 스택의 상부 위치의 튜닝 공진기를 포함하는 공진기 요소, 및 튜닝 공진기에 결합된 튜닝 회로의 단면도이다.
도 18a는 각각의 공진기 요소가 필터 공진기 및 튜닝 회로에 결합된 대응하는 튜닝 공진기, 및 접지로의 액세스(ground access)를 제공하는데 사용되는 깊은 비아(deep via)를 포함하는, 1 ½ 스테이지 사다리형 필터 집적 회로의 단면도이다.
도 18b는 도 18a의 사다리형 필터에 대응하는 개략도이다.
도 19는 제 1 튜닝 회로에 결합된 상부 위치의 제 1 튜닝 공진기, 중간 위치의 필터 공진기 및 제 2 튜닝 회로에 결합된 하부 위치의 제 2 튜닝 공진기를 포함하는 층 스택의 공진기 요소의 단면도이다.
도 20a 및 도 20b는 대응하는 튜닝 네트워크(Zt)에 결합된 상부 및 하부 위치의 튜닝 공진기를 포함하는 공진기 요소 층 스택의 단면도를 도시한다.
도 21a 내지 도 21d는 가변 캐패시터 및 인덕터를 포함하는 대응하는 튜닝 네트워크(Zt)에 결합된 상부 위치 또는 하부 위치 중 어느 한 위치의 튜닝 공진기를 포함하는 션트 및 직렬 공진기 요소의 회로도이다.
도 22는 각각의 필터 공진기가 튜닝 회로에 결합된 대응하는 튜닝 공진기를 포함하고, 튜닝 회로가 가변 캐패시터 및 인덕터를 포함하는, 1 ½ 스테이지 사다리형 필터의 개략도이다.
도 23 내지 도 26은 도 22의 사다리형 필터의 다양한 집적 회로 구현예를 도시한다.
아래에서, 첨부 도면을 참조하여 다양한 실시예가 상세히 설명될 것이다. 이들 실시예는 단지 예시적인 목적으로 제공될 뿐이지 제한하는 것으로 해석되지 않아야 함을 유의하여야 한다. 예를 들어, 실시예는 복수의 특징, 요소 또는 세부 사항을 포함하는 것으로서 설명될 수 있지만, 다른 실시예에서는 이들 특징, 요소 또는 세부 사항 중 일부가 생략될 수 있고 및/또는 대안의 특징, 요소 또는 세부 사항으로 대체될 수 있다. 명시적으로 설명된 특징, 요소 또는 세부 사항 이외에, 다른 특징, 요소 또는 세부 사항, 예를 들면, 벌크 음향파(BAW) 기반 필터에서 통상적으로 사용되는 구성요소가 제공될 수 있다.
상이한 실시예로부터의 특징은 반대한다고 언급되지 않는 한, 추가 실시예를 형성하기 위해 조합될 수 있다. 실시예 중 하나와 관련하여 설명된 변형 또는 변경 사항은 달리 언급이 없는 한 다른 실시예에도 적용될 수 있다.
다음에 논의되는 실시예는 벌크 음향파(BAW) 기반 필터를 제조하는데 사용될 수 있는 벌크 음향파(BAW) 공진기 요소에 관한 것이다. BAW 공진기를 형성하기 위해, 일반적으로 두 개의 전극 사이에 압전 층이 제공된다. 두 개의 전극 사이에 전기장을 가하면 기계적 응력이 발생하며, 기계적 응력은 음향 파로서 구조체의 벌크를 통해 더 전파된다. 구조체의 음향 경로 및 두께 방향이 음향파 길이의 반 정수 배(multiples of half)에 해당할 때 공명 조건이 성립된다.
실시예에서, 서로 음향적으로 결합되어 공진기 요소를 형성하는 적어도 두 개의 공진기가 사용된다. 두 개의 공진기 중 제 1 공진기는 필터 구조체에 통합되는 단자를 갖는다. 제 2 공진기는 튜닝 회로에 결합된다. 튜닝 회로를 통해, 공진기 요소의 공진 위치가 변경될 수 있다.
또한, 일부 실시예에서 제 1 공진기는 추가의 튜닝 회로에 결합될 수 있다. 도 1은 실시예에 따른 그러한 공진기 요소를 개략적으로 도시한다. 도 1의 실시예의 공진기 요소는 음향 결합(acoustic coupling)(13)을 통해 제 2 공진기(14)와 결합되는 제 1 공진기(10)를 포함한다. 이 맥락에서 음향 결합은 제 1 공진기(10)의 음향파가 적어도 부분적으로 제 2 공진기(14)로 전파될 수 있으며 그 반대로도 가능하다는 것을 의미한다. 공진기 사이의 이러한 음향 결합은 예를 들어 유전체 재료를 사용하여 구현될 수 있다.
제 1 공진기(10)는 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)를 갖는다. 예를 들어 제 1 공진기(10)의 전극에 대응하거나 그 전극에 결합될 수 있는 제 1 및 제 2 단자(11, 12)를 사용하여, 도 1의 공진기 요소는 사다리형 필터 구조체(ladder filter structure) 또는 격자형 필터 구조체(lattice filter structure)와 같은 필터 구조체에 통합될 수 있다.
또한, 튜닝 회로(15)는 제 2 공진기(14)에 결합된다. 튜닝 회로(15)는 가변 임피던스, 예를 들면, 가변 캐패시터를 포함할 수 있는 임피던스 네트워크 또는 무선 주파수(radio frequency, RF) 스위치와 같은 스위치와 같은 가변 요소를 포함할 수 있다. 튜닝 회로(15)의 가변 요소(들)의 값을 변동함으로써, 도 1의 공진기 요소의 공진이 시프트될 수 있다. 이것은 도 1에 도시된 바와 같이 하나 이상의 공진기 요소를 사용하여 가변 필터를 구축하는데 사용될 수 있다.
일부 통상적인 접근법과 대조적으로, 튜닝 회로(15)는 제 1 공진기(10)로부터 전기적으로 분리되고(decoupled) 제 2 공진기(14) 및 음향 결합(13)을 통해서만 제 1 공진기(10)에 대해 작용한다는 점을 주목하여야 한다. 일부 실시예에서, 이것은 제 1 공진기(10)에 직접 결합된 튜닝 회로와 비교하여 악 영향을 회피한다.
일부 실시예에서, 제 1 공진기(10) 및 제 2 공진기(14)는 유사한 재료를 사용하는 유사한 공진기 구조체일 수 있다. 다른 실시예에서, 상이한 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 공진기(10)에 대한 실시예에서, 비교적 낮은 압전 결합(piezoelectric coupling)을 갖는 재료, 예를 들어 알루미늄 질화물(aluminum nitride. AlN)이 사용될 수 있다. 이것은 대역폭이 작은 필터를 구축하는 것을 가능하게 한다. 반면에, 실시예에서, 제 2 공진기(14)는 압전 결합이 비교적 높은 재료, 예를 들어, 리튬 니오베이트(lithium niobate, LiNbO3) 또는 칼륨 니오베이트(potassium niobate, KNbO3) 또는 Sc-도핑된 알루미늄 질화물(Sc-doped aluminum nitride) 또는 알루미늄 스칸듐 질화물(aluminum scandium nitride)(AlScN)에 기초하여 구성될 수 있다. 이것은 일부 실시예에서 높은 튜닝 범위를 가능하게 해준다. 일부 실시예에서, 제 1 공진기의 압전 재료의 압전 결합 상수(piezoelectric coupling constant)(kT 2)는 30 % 보다 아래, 예를 들어, 20 % 보다 아래 또는 10 % 보다 아래일 수 있으며, 반면에 제 2 공진기에 대한 압전 결합 상수(kT 2)는 예를 들어 10 % 보다 위, 예를 들어 20 % 보다 위, 예를 들어 30 % 보다 위 또는 40 % 보다 위일 수 있다. 압전(전기 기계) 결합 상수((kT 2)는 각각의 압전 재료의 텐서 특성(tensor property)로부터, 즉, 탄성 강성도(elastic stiffness) 또는 컴플라이언스 계수(compliance coefficient), 유전 계수(dielectric coefficient) 및 압전 계수(piezoelectric coefficient)로부터 계산될 수 있다. 상수(kT 2)는 또한 횡방향으로 고정된 재료(transversely clamped material)에 대한 압전 결합 상수라고도 지칭될 수 있고; kT 2=K2/(1+K2)로서 정의할 수 있으며, 여기서 압전 결합 상수 K2는 K2=e2/(εS cE)로서 정의되고, e는 압전 재료 계수이고, εS는 유전체 재료 계수이며, cE는 사용된 각각의 압전 재료의 탄성 재료 계수이다.
압전 결합 상수(kT 2)는 (이상적인) 압전 공진기의 상대 대역폭에 대한 척도이다. 그러므로 실시예에서, 제 1 공진기(10) 및 제 2 공진기(14)의 상이한 재료의 조합은 일부 통신 애플리케이션에서 요구되는 바와 같이, 한편으로는 작은 대역폭을 가능하게 하고, 다른 한편으로는 비교적 넓은 튜닝 범위를 가능하게 한다. 실시예에서 제 1 공진기(10)로서 알루미늄 질화물계 공진기를 사용하면 열을 전달할 수 있는 양호한 열 전도를 부가적으로 제공하는데, 이것은 과열을 방지할 수 있는 일부 애플리케이션에서 중요할 수 있다. 그러나, 위의 재료는 단지 예로서 취급될 뿐이며, 다른 재료가 또한 사용될 수 있다.
제 1 공진기(10)는 제 1 및 제 2 단자(11, 12)를 사용하여 필터 구조체에 통합되기 때문에 필터 공진기라고도 지칭될 수 있다. 제 2 공진기(14)는 튜닝 회로(15)를 사용하여 도 1의 공진기 요소의 공진 주파수를 튜닝하는데 사용되기 때문에 튜닝 공진기라고도 지칭될 수 있다.
제 1 공진기(10), 음향 결합(13) 및 제 2 공진기(14)는 기존의 프로세스 흐름을 사용하여 단일 재료 스택으로 구현될 수 있다.
대응하는 스택 구조체는 도2 및 도 3을 참조하여 다음에 논의될 것이다. 서론으로, 도 2는 설명 목적으로 단일 공진기를 갖는 공진기 요소를 도시한다. 다음으로, 도 3을 참조하여, 제 1 및 제 2 공진기(예를 들어, 도 1의 공진기(10, 14))를 포함하는 공진기 스택이 설명될 것이다.
도 2는 벌크 음향파(BAW) 공진기의 단면도를 도시한다. 공진기 자체는 상부 전극(20)과 하부 전극(22) 사이에 샌드위치된 압전 재료(21)를 포함한다. 상부 전극(20) 및 하부 전극(22)은 각각 하나 이상의 금속 층에 의해 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 단일 공진기 대신에, 일부 실시예에서, 아래에서 도 3에서 설명되는 바와 같은 제 1 공진기 및 제 2 공진기를 포함하는 공진기 스택이 제공된다.
도 2의 실시예에서, 공진기의 음향 차단(acoustic isolation)을 위해, 소위 음향 미러(acoustic mirror)가 공진기 아래에 배치된다. 도 2의 음향 미러는 낮은 음향 임피던스와 높은 음향 임피던스가 교번하는 일련의 층을 포함한다. 예를 들어, 도 2에서, 참조 부호 (23)은 비교적 낮은 음향 임피던스를 갖는 재료를 나타내는 반면, (24A 내지 24C)는 비교적 높은 음향 임피던스를 갖는 층을 나타내어, 공진기(20, 21, 22) 아래에 낮은 음향 임피던스와 높은 음향 임피던스의 층을 교번하게 한다. 실시예에서 각각의 개별 층(층(24A, 24B, 24C) 사이의 재료(23), 전극(22) 및 기판(25)뿐만 아니라 층(24A 내지 24C) 자체)은 약 λ/4의 두께를 가지며, λ는 층 내의 종파(longitudinal wave)의 음향 파장이다. 이와 관련하여, λ는 각각의 층 재료에 따라 달라진다는 것을 주목하여야 한다. 이러한 음향 미러 구조체는 공진기를 지지 기판(25)으로부터 음향적으로 분리시킨다. 이러한 음향 미러 대신에, 다른 실시예에서는 캐버티(cavity)가 또한 제공될 수 있다. 캐버티는 하부 전극(22)의 바로 아래에 있거나, 또는 공진기 구조체(20/21/22)를 지지하는 얇은 멤브레인 아래에 있을 수 있다.
상부 전극(20), 압전 재료(21) 및 하부 전극(22)을 포함하는 도 2에 도시된 바와 같은 공진기의 공진 주파수는 논의된 이들 모든 층의 두께에 따라 달라지는데, 압전 층 두께가 가장 큰 영향을 미치고, 그 다음으로는 전극 두께가 영향을 미친다. 그러므로 주파수에 영향을 미치는 추가 회로가 없는 도 2의 경우, 공진기의 공진 주파수는 재료와 층 두께의 특정 조합으로 고정되며, 예를 들어 (전역적 대책으로서 또는 리소그래피에 의해 정의된 국부적 대책으로서) 증착 또는 에칭과 같은 처리 단계를 사용하여 구조체를 물리적으로 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
도 3은 실시예에서 사용 가능한 공진기 스택을 도시한다. 실시예에서 도 3의 공진기 스택은 예를 들어, 도 2의 단면도의 공진기(20 내지 22)를 대체할 수 있다.
도 3의 공진기 스택은 제 1 압전 재료(31)가 제 1 상부 전극(30)과 제 1 하부 전극(32) 사이에 샌드위치되어 형성된 제 1 공진기를 포함한다. 또한, 공진기 스택(3)은 제 2 압전 재료(35)가 제 2 상부 전극(34)과 제 2 하부 전극(36) 사이에 샌드위치되어 형성된 제 2 공진기를 포함한다. 제 1 및 제 2 공진기는 음향 결합을 제공하고 일부 실시예에서는 전기적 격리를 또한 제공하는 하나 이상의 층(33)에 의해 분리된다. 층(33)은 하나 이상의 유전체 층으로 형성될 수 있다. 층(33)은 또한 유전체 층과 전도성(예를 들면, 금속) 층의 조합을 포함할 수 있다. (직렬 공진기 요소의 경우와 같이) 하부 전극(32)과 상부 전극(34) 사이의 전기적 절연이 요구되는 실시예에서, 하나 이상의 층(33)은 적어도 하나의 유전체(전기적으로 비전도성) 층을 포함한다. 전기적으로 절연되든 절연되지 않든, 하나 이상의 층(예를 들어, 층 스택)(33)은 항상 제 1 및 제 2 공진기 사이에 음향 결합을 제공한다.
전극(30, 32, 34 및 36)은 각각 예를 들어 알루미늄 층, 구리 층 또는 텅스텐(wolfram) 층과 같은 하나 이상의 금속 층을 포함할 수 있지만, 이러한 층으로 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예에서 제 1 압전 재료(31) 및 제 2 압전 재료(35)는 동일한 재료일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 실시예에서 상이한 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하여 이전에 설명한 바와 같이, 제 1 압전 재료(31)는 비교적 낮은 압전 결합을 갖는 재료, 예를 들어 알루미늄 질화물일 수 있으며, 제 1 공진기는 위에서 설명한 바와 같이 대역폭이 비교적 좁은 필터를 구축하는 필터 공진기로서 작용할 수 있다. 층(31)과 같은 알루미늄 질화물 압전 층은 예를 들어 Al 타깃으로부터의 반응성 스퍼터링에 의해 제조될 수 있다. 제 2 압전 재료(35)는 큰 튜닝 범위를 제공하기 위해 비교적 높은 압전 결합을 갖는 재료, 예를 들어 리튬 니오베이트, 칼륨 니오베이트 또는 Sc-도핑된 알루미늄 질화물을 포함할 수 있다. Sc-도핑된 AlN 층은 상당한 양의 Sc를 함유할 수 있는 소위 AlScN 층으로서 형성될 수도 있음을 주목해야 한다. 다른 실시예에서, 압전 층(31, 35)은 둘 모두 알루미늄 질화물계이지만, 상이한 도펀트 및/또는 도펀트 농도, 예를 들어, 상이한 스칸듐(Sc) 농도를 가질 수 있다.
실시예에서, 제 1 및 제 2 공진기를 적절하게 결합하기 위해, 공진기 둘 모두의 압전 재료는 동일한 유형의 음향 파(편파(polarization))에 압전 결합된다는 것을 주목하여야 한다. 압전 결합은 일반적으로 재료뿐만 아니라 사용된 결정 방향에 따라서도 달라진다. 실시예에서 제 2 공진기의 튜닝 회로는 압전 층이 둘 모두 동일한 음향파 유형/편파에 결합되면 제 1 공진기의 주파수 거동에만 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링된 알루미늄 질화물 압전 재료가 사용될 때, 압전 층(35)은 압전 층(31)과 동일한 편파의 강력한 압전 결합을 제공하는 컷(cut)(결정 방향(crystal orientation))에서 사용된다.
예를 들어, 알루미늄 질화물이 제 1 압전 층(31) 또는 제 2 압전 층(35)에 사용되는 실시예에서, 알루미늄 질화물은 기판 재료 상에서 c-축 방향에 증착될 수 있다. 기판 재료(예를 들어, 도 2의 기판(25))로서, 실리콘 웨이퍼 또는 리튬 니오베이트(LiNbO3) 또는 리튬 탄탈레이트(LiTaO3) 결정이 사용될 수 있다.
도 4는 도 3의 층 스택의 등가 회로를 도시한다. 도면 부호 (40)은 도 3에서 층(30, 31 및 32)에 의해 형성된 제 1 공진기를 나타내고, (41)은 도 3에서 층(34, 35 및 36)에 의해 형성된 제 2 공진기를 나타낸다. 단자(43)는 제 1 상부 전극(도 3의 (30), 도 4에서 (t1)로도 표시됨)과 접촉하고, 단자(44)는 제 1 하부 전극(도 3의 (32), (b1)로도 표시됨)과 전기적으로 접촉하고, 단자(45)는 제 2 상부 전극(도 3의 (34), (b2)로도 표시됨)과 접촉하며, 단자(46)는 제 2 하부 전극(도 3의 (36), (b2)로도 표시됨)과 전기적으로 접촉한다.
캐패시턴스(C12)를 갖는 기생 캐패시터(42)는 제 1 공진기 하부 전극과 제 2 공진기 상부 전극 사이의 유전체 층(스택)(33)과 연관된다.
도 3 및 도 4의 실시예에서, 제 1 하부 전극(32)은 제 2 상부 전극(34)과 전기적으로 분리되어 있고, 다른 실시예에서 게다가 별도의 단자가 필요하지 않을 때, 제 2 상부 전극 및 제 1 하부 전극의 둘 모두로서 작용하는 단일 전극이 제공될 수 있으며, 공진기의 음향 결합은 이러한 공통 전극을 통해 이루어진다는 것을 주목하여야 한다. 이 경우, 전기적 분리를 위한 어떠한 유전체 층도 필요하지 않다.실시예에서, 그 다음으로 단자(43, 44)는 도 4의 공진기 요소를 필터 구조체에 통합하는 역할을 한다. 주파수 튜닝을 제공하기 위해, 튜닝 회로가 단자(45 및 46)에 결합될 수 있다. 예는 도 5 내지 도 7을 참조하여 다음에 논의될 것이다.
도 5는 사다리형 필터, 이 사례에서는 3 ½ 스테이지 사다리형 필터의 예시적인 토폴로지를 도시한다. 부호 (50)은 신호 입력을 나타내고, 부호 (51)은 신호 출력을 나타내며, 부호 (52)는 접지 라인을 나타낸다. 도 5의 사다리형 필터는 네 개의 직렬 공진기(53A 내지 53D) 및 세 개의 션트 공진기(54A 내지 54C)를 포함한다. 전형적으로 모든 직렬 공진기(53A 내지 53D)는 동일한 공진 주파수를 갖고 모든 션트 공진기(54A 내지 54C)는 동일한 공진 주파수를 갖지만, 직렬 공진기와 션트 공진기의 공진 주파수는 서로에 대해 디튜닝된다(detuned). 디튜닝의 양은 결과적인 필터의 대역폭에 대략 대응한다. 일반적인 사례에서 션트 공진기(54A 내지 54C)의 공진 주파수는 직렬 공진기(53A내지53D)의 공진 주파수보다 낮다.
공진기(53A 내지 53D, 54A 내지 54C)의 각각은 도 1, 도 3 및 도 4와 관련하여 위에서 논의한 바와 같은 공진기 요소의 제 1 공진기일 수 있다. 공진기 요소의 각각의 제 2 공진기에 결합된 튜닝 회로를 통해, 필터의 주파수 튜닝이 수행될 수 있다. 도 5의 사다리형 필터 구조체는 단지 예로서 제공되며, 관련 기술분야에서 BAW 공진기와 함께 사용되는 임의의 통상적인 사다리형 또는 격자형 필터 구조체는 도 1, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 바와 같은 제 1 및 제 2 공진기를 포함하는 공진기 요소에 의해 통상적으로 사용되는 공진기로 대체함으로써 사용되고 변경될 수 있다. 이러한 복수의 필터는 조합되어 예를 들어 통신 애플리케이션에서 사용되는 복수의 주파수 대역을 필터링하기 위한 n-포트 필터 구조체를 형성할 수 있다.
도 6은 튜닝 회로를 포함하고, 예를 들어 도 5의 사다리형 필터 구조체의 션트 공진기(54A 내지 54C)를 구현하는 션트 공진기 요소로서 사용 가능한 실시예에 따른 공진기 요소를 도시한다.
도 6의 공진기 요소는 제 1 상부 전극(t1)과 제 1 하부 전극(b1)을 갖는 제 1 공진기(62) 및 제 2 상부 전극(t2)과 제 2 하부 전극(b2)을 갖는 제 2 공진기(65)를 포함한다. 제 1 공진기(62) 및 제 2 공진기(65)는 예를 들어, 기생 캐패시턴스(64)로 표시된 유전체 재료에 의해 전기적으로 절연된다(그러나 음향적으로는 분리되지 않는다). 이러한 유전체 재료는 화살표(63)로 표시된 바와 같이 공진기(62, 65) 사이에 음향 결합을 제공한다. 제 1 공진기(62) 및 제 2 공진기(65)의 구현예는 도 1 및 도 2와 관련하여 이전에 설명한 바와 같을 수 있다.
제 1 공진기(62)의 제 1 상부 전극(t1)은 제 1 단자(60)("3"으로도 표시됨) 및 제 2 단자(61)("4"로도 표시됨)에 결합된다. 단자(60, 61)는 추가의 공진기 또는 신호 입력/출력 단자와 접속하여 필터 구조체를 구축하기 위해 제공된다. 예를 들어, 도 6의 션트 공진기 요소가 도 5의 션트 공진기(54A)를 구현하는데 사용될 때, 제 1 단자(60)는 직렬 공진기(53A)와 결합되고 제 2 단자(61)는 직렬 공진기(53B)와 결합된다.
제 1 공진기(62)의 제 1 하부 전극(b1)은 "0"으로도 표시된 단자(68)를 통해 접지에 결합된다. 도 5의 예시적인 필터 구조체에서, 이것은 션트 공진기(54A 내지 54C) 중 임의의 하나를 접지 라인(52)에 결합하는 것에 대응한다.
제 2 공진기(65)의 제 2 상부 전극(t2)은 "0"으로도 표시된 단자(69)를 통해 접지에 결합된다.
또한, 튜닝 회로가 제 2 공진기(65)의 제 2 상부 전극(t2)과 제 2 하부 전극(b2) 사이에 결합된다. 도 6의 예에서, 튜닝 회로는 인덕턴스(66)에 병렬로 결합된 가변 캐패시터(67)를 포함한다. 일부 실시예에서 인덕턴스(66)는 높은 Q (품질 인자(Quality-factor)) 인덕터 또는 다른 리액턴스로서, 예를 들어, Q 인자가 10 초과, 50 초과 또는 100 초과하는 것으로 구현될 수 있다. 인덕터의 유도율(inductivity)(L1)은 예를 들어, 0.5 내지 200 nH, 예를 들어, 50 nH 보다 아래, 예를 들어 1 내지 10 nH일 수 있다. 가변 캐패시터(67)는 예를 들어 버랙터(varactor) 또는 스위치드 캐패시터(switched capacitor)를 사용하는 임의의 통상적인 방식으로 구현될 수 있다. 가변 캐패시터(67)의 캐패시턴스 값을 변경함으로써, 도 6의 공진기 요소의 공진(직렬 공진 및 병렬 공진)이 조정될 수 있다. 도 6의 튜닝 회로는 단지 예일뿐이며, 캐패시턴스, 인덕터 및/또는 저항의 다양한 조합이 사용될 수 있고, 이들 캐패시턴스, 인덕터 및/또는 저항 중 하나 이상은 튜닝을 제공하도록 가변 가능하다. 일부 실시예에서, 튜닝 회로는 또한 공진기 요소를 조정하기 위해 선택적으로 개방 및 폐쇄될 수 있는 무선 주파수(RF) 스위치와 같은 스위치를 또한 포함할 수 있다. 이러한 튜닝 회로에서, 캐패시턴스 또는 유도율은 스위치 또는 스위치들(예를 들어, RF 스위치 또는 스위치들)에 직렬 또는 병렬로 결합될 수 있다.
나중에 시뮬레이션 결과를 사용하여 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 인덕턴스(66), 예를 들면, 인덕터는 가변 캐패시터만 사용되는 사례에 비해 튜닝 범위를 증가시킬 수 있다.
도 7은 예를 들어 직렬 공진기(53A 내지 53D)를 구현하기 위한 도 5의 필터 구조체와 같은 필터 구조체에서 직렬 공진기로서 적합한 공진기 요소의 회로도이다. 도 7의 공진기 요소는 캐패시턴스 값(C12)을 갖는 (기생) 캐패시턴스(73)로 표시된 바와 같이 전기적으로 분리된 제 1 공진기(72) 및 제 2 공진기(75)를 포함한다. 캐패시턴스(73)는 화살표(74)로 표시된 바와 같이, 제 1 공진기(72)와 제 2 공진기(75)를 음향적으로 결합하는 일부 유전체 층(들)과 연관된다. 제 1 공진기(72)는 제 1 상부 전극(t1) 및 제 1 하부 전극(b1)을 갖고, 제 2 공진기(75)는 제 2 상부 전극(t2) 및 제 2 하부 전극(b2)을 갖는다. 제 1 및 제 2 공진기(72, 75)는 위의 도 1, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이 구현될 수 있다.
제 1 상부 전극(t1)은 "5"로도 표시된 제 1 단자(70)와 결합되고, 제 1 하부 전극(B1)은 "6"으로도 표시된 제 2 단자(71)와 결합된다. 제 1 및 제 2 단자(70,71)를 통해, 도 7의 공진기 요소는 필터 구조체에 통합될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 직렬 공진기(53A)를 구현하기 위해, 제 1 단자(70)는 신호 입력(50)에 결합될 것이며, 제 2 단자(71)는 공진기(54A 및 53B)에 결합될 것이다. 공진기(54A)가 도 6에서와 같이 구현되는 사례에서, 예를 들어, 도 7의 제 2 단자(71)는 도 6의 제 1 단자(60)와 결합될 것이며, 그 다음으로 도 6의 제 2 단자(61)는 공진기(53B)의 대응하는 단자와 결합될 것이다.
제 2 상부 전극(t2)은 "0"으로도 표시된 단자(78)를 통해 접지에 결합된다. 도 6 및 도 7의 단자(60, 61, 70, 71)의 표시(3, 4, 5 및 6)는 나중에 도 8 내지 도 12를 참조하는 시뮬레이션에 관해 논의할 때 사용될 것이고, 반면에 접지에 결합된 단자는 도 6 및 도 7에서도 "0"으로 표시된다.
또한, 예를 들어 인덕턴스(76) 및 가변 캐패시터(77)를 포함하는 튜닝 회로는 제 2 상부 전극(t2) 및 제 2 하부 전극(b2)에 결합된다. 임피던스(76) 및 가변 캐패시턴스(77)는 도 6의 인덕턴스(66) 및 가변 캐패시턴스(67)에 대해 각기 설명된 것과 유사한 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 인덕턴스(76) 및 캐패시턴스(77)는 예를 들어 제 2 공진기(75)에 결합된 튜닝 회로에 대한 일례일뿐이며, 도 6에 대해서 또한 설명한 바와 같이, 다른 튜닝 회로 구성이 또한 가능하다.
도 6의 션트 공진기 요소 및 도 7의 직렬 공진기 요소를 이용하여, 격자형 필터 및 사다리형 필터와 같은 다양한 필터 구조체, 예를 들어 도 5의 사다리형 필터 구조체가 구성될 수 있다.
위에서 논의한 공진기 요소의 기능성을 설명하기 위해, 시뮬레이션 결과 또는 다양한 구성이 도 8 내지 도 12를 참조하여 논의될 것이다.
도 8 내지 도 12의 시뮬레이션에서, 압전 결합 상수(kT 2)가 7.1 % 인 도핑된 알루미늄 질화물(예를 들어, 스칸듐 도핑된 또는 다른 재료로 도핑됨)로 만들어진 제 1 공진기(필터 공진기)를 가정했으며, 제 2 공진기(주파수 튜닝 공진기)의 경우 압전 결합 상수가 kT 2 = 25 % 인 LiNbO3-결정계 공진기를 가정하였다.
도 8(a) 내지 도 8(d)는 다양한 구성에 대해 주파수에 대한 S-파라미터(삽입 손실을 나타내는 산란 파라미터)를 도시한다. 도 8(a) 및 도 8(b)에서, S-파라미터는 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 제 1 공진기가 션트 구성으로 결합되는 공진기 요소에 대해 도시된다. 도 8(c) 및 도 8(d)는 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 공진기의 직렬 결합에 대한 곡선을 도시한다. 도 8(a) 및 도 8(b)는 동일한 곡선을 도시하는데, y 축을 도 8(a)에 비해 도 8(b)에서 확대하여 도시하며, 마찬가지로 y-축을 도 8(c)에 비해 도 8(d)에서 확대하여 도시한다. 도 8(a) 및 도 8(b)에서, 곡선(80)은 도 6의 임피던스와 같은 임피던스(66)를 포함하는 튜닝 회로에 대한 S-파라미터를 도시한다. 시뮬레이션에서 임피던스는 매우 높은 품질 인자를 갖는 1 nH의 유도율이었다. 또한, 1 pF의 작은 캐패시턴스(67)를 가정하였다. 곡선(81)은 곡선(80)의 임피던스에 10pF의 캐패시턴스를 병렬로 추가한 S-파라미터를 도시한다. 도시된 공진의 대략 300 MHz 정도의 큰 시프트가 관찰된다.
도 8(c) 및 도 8(d)의 곡선(82)은 도 8(a) 및 도 8(b)의 곡선(80)과 유사하게, 매우 높은 품질 인자를 갖는 1 nH의 유도율에다 캐패시턴스로서 1 pF의 작은 캐패시턴스를 더함으로써 형성된 임피던스를 포함하는 튜닝 회로용 직렬 공진기 사례에 대한 S-파라미터를 도시하며, 곡선(83)은 임피던스에 병렬로 결합된 10 pF의 추가 캐패시턴스에 따른 거동을 도시한다. 또한 여기서, 대략 300 MHz 정도의 공진의 주파수 시프트가 관찰된다.
다음으로, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 도 6 및 도 7의 임피던스(66 또는 76)의 유도율의 영향이 설명될 것이다. 도 8과 유사하게, 도 9 내지 도 12에서, 그래프 (a) 및 (b)는 도 6에 도시된 바와 같은 션트 공진기 배열에 대한 곡선을 도시하고, 그래프 (c) 및 (d)는 도 7에 도시된 바와 같은 직렬 공진기 구성에 대한 S-파라미터를 도시한다. 또한, 도 8과 유사하게, 도 9 내지 도 12의 그래프 (b)에서, y 축은 그래프 (a)에 비해 확대되어 있고, 그래프 (d)에서는 y 축이 그래프 (c)에 비해 확대되어있다. 도 9 내지 12의 각각의 그래프에서, 도 8에 대해 설명된 것과 유사하게, 1pF의 캐패시턴스에 대한 곡선(또는 곡선의 세트) 및 10pF의 캐패시턴스에 대한 곡선 또는 곡선의 세트가 도시된다.
도 9에서, 튜닝 회로의 임피던스(66 및 76)는 각각 100 nH의 값을 갖는다. 곡선(90 및 92)은 1pF의 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 도시하며, 곡선(91 및 93)은 10pF의 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 도시한다. 도시된 공진은 션트 공진기 사례 및 직렬 공진기 사례의 둘 모두보다 100 MHz 미만만큼 시프트된다.
도 10은 3 nH의 유도율의 사례를 도시한다. 곡선(100 및 102)은 1 pF의 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 도시하고, 곡선(101 및 103)은 10 pF의 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 도시한다. 곡선(100 내지 103)의 각각은 특히 곡선(91 및 93)에 대한 그래프 (b) 및 (d)의 확대 버전에서 볼 수 있는 복수의 곡선을 포함한다. 이들 곡선은 42 내지 100의 Q-인자 범위에 대해, 유도율의 상이한 Q-인자(품질 인자)에 대한 거동을 나타낸다. 일반적으로 Q-인자가 높을수록 더 확연한 공진이 생기며 삽입 손실이 감소한다. 이 경우의 공진은 약 150 MHz만큼 시프트된다.
도 11은 1.7 nH의 유도율 값에 대한 곡선을 도시한다. 곡선(110 및 112)는 1 pF의 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 도시하고, 곡선(111 및 113)은 10 pf의 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 도시한다. 특히 도 11(b) 및 도 11(d)의 확대도에서 볼 수 있는 곡선(110 내지 113)의 개별 곡선은 유도율에 대한 상이한 Q 인자를, 다시 42 내지 200의 범위에서 도시한다. 캐패시턴스의 변화를 통해, 공진은 300 MHz보다 약간 적게 시프트된다.
마지막으로, 도 12는 1.3 nH의 유도율을 갖는 사례를 도시한다. 곡선(120 및 122)은 1 pF의 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 도시하고, 곡선(121, 123)은 10 pF의 캐패시턴스에 대한 S-파라미터를 도시한다. 곡선(120 내지 123)의 개별 곡선은 상이한 Q-인자에 대한 거동을 도시한다. 여기서, 공진은 거의 400 MHz만큼 시프트된다. 따라서, 알 수 있는 바와 같이, 유도율을 감소시킴으로써 동일한 캐패시턴스의 변환으로 더 큰 주파수 튜닝 범위가 획득될 수 있다. 그러나, 상이한 Q-인자 사이의 차이는 유도율이 감소함으로써 더욱 확연해지므로, 작은 유전을을 사용하는 실시예에서, 5 nH 보다 아래이고 100 보다 위인 Q-인자, 예를 들어, 150보다 위인 Q-인자가 유도율을 구현하기 위해 선택될 수 있다.
도 13은 화살표(63)로 예시된 음향 경로에 대한 일치하는 고유 음향 포트 종단(match intrinsic acoustic port termination)을 갖는, 도 6에 도시된 바와 같이 구성된 공진기 스택(션트 공진기 구성)의 음향 위상(acoustic phase)을 도시한다. 곡선(130)은 튜닝 임피던스(66)에 따른 위상을 도시하는 반면, 곡선(131)은 캐패시턴스(67)가 추가로 도입될 때의 위상을 도시한다. 캐패시턴스를 변화시킴으로써, 이에 따라 예를 들어 점(132)이 점(133)으로 시프트되어 화살표(134)로 표시된 바와 같은 튜닝 범위가 생긴다.
도 14는 실시예에 따른 방법을 도시한다. 도 14의 방법은 일련의 행위 또는 이벤트로 설명되지만, 이러한 행위 또는 이벤트가 설명되고 도시되는 순서는 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 도 14의 방법은 위에서 논의한 공진기 요소를 사용하여 구현될 수 있으며, 이들 공진기 요소와 관련하여 설명된 특징, 요소, 변형 및 변경이 또한 본 방법에 적용 가능하다. 용이한 참조를 위해, 도 14의 방법은 공진기 요소의 이전의 설명을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 도 14의 방법은 이전에 설명한 공진기 요소와 상관 없이 구현될 수도 있다.
도 14의 (140)에서, 공진기 스택이 제공된다. 공진기 스택을 제공하는 단계는 예를 들어, 기판 상에 두 개의 적층된 공진기, 예를 들어, 도 3과 관련하여 논의되고 설명된 바와 같이 적층된 공진기를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 공진기 스택을 제공하는 단계는 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 음향 미러 또는 캐버티를 공진기 아래에 제공하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
(141)에서, 방법은 공진기 스택의 제 1 공진기, 예를 들어, 이전에 논의한 실시예의 제 1 공진기(필터 공진기)를 필터 구조체에 통합하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 제 1 공진기는 션트 공진기로서 또는 직렬 공진기로서 필터 구조체에 포함될 수 있다.
(142)에서, 공진기 스택의 제 2 공진기에 튜닝 회로, 예를 들어, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 인덕터 및 가변 캐패시터를 포함하는 튜닝 회로가 제공된다. 그런 다음, 튜닝 회로에 의해, 공진기 스택은 필터 구조체에서 사용하기 위한 원하는 주파수로 조정될 수 있다. 예를 들어, 튜닝 회로를 통해, 필터 구조체는 통신 디바이스에서 사용되는 상이한 주파수 대역에 적용될 수 있다.
본 명세서에서 주파수 가변 벌크 음향파(BAW) 공진기를 갖는 회로 토폴로지를 사용하는 주파수 가변 RF 필터가 설명되었다. 가능한 필터 회로 토폴로지는 예를 들어, 사다리형 또는 격자형 필터이다. 임의의 필터 토폴로지의 개별 공진기는 각각의 임피던스 레벨 또는 등가적으로는 공진기 영역이 상이하다. 가변 공진기로부터 가변 필터를 구축하기 위해, 모든 공진기는 예를 들어, 도 8(a) 내지 도 13에 도시된 필터 곡선의 균일한 튜닝/시프팅을 가능하게 하기 위해 유사한 방식으로 이상적으로 조정 가능하다(또는 프로그램 가능하다). 이상적으로, 모든 가변 BAW 공진기는 가변 또는 프로그램 가능 캐패시터 및/또는 인덕터를 포함하는 대응하는 개별 튜닝 네트워크를 갖고 있다. 이러한 수동 부품은 손실을 최소화하고 결과적인 (대역 통과) 필터 성능을 극대화하기 위해 이상적으로 높은 품질 인자를 제공한다. 필터 구성에서의 개별 공진기의 균일한 주파수 튜닝/시프팅은 연관된 공진기 임피던스에 따라 크기 조정되는 각각의 튜닝 네트워크에 의해 실현된다. 튜닝 네트워크 내의 캐패시터는 각 공진기의 정적 캐패시턴스에 비례하여 크기 조정되는 반면, 튜닝 네트워크 내의 인덕터는 각 공진기의 정적 캐패시턴스에 역 비례하여 크기 조정된다.
고정 주파수 (BAW) 공진기에 기초한 토폴로지를 갖는 임의의 통상적인 RF 필터는 동일한 토폴로지를 갖는 가변 필터로 변환될 수 있지만, 가변/프로그램 가능 (BAW) 공진기는 통상적인 RF 필터의 고정 주파수 (BAW) 공진기 대신에 사용된다. 각각의 가변/프로그램 가능 BAW 공진기는 개별 튜닝 네트워크에 의해 제어된다. 각 튜닝 네트워크의 임피던스는 (제조 공차 및 기생 효과에 따른 한계 내에서) 튜닝 공진기의 임피던스에 비례하여 크기 조정된다. 션트 공진기는 주파수 시프트된 필터 곡선의 대역폭을 조절할 수 있도록 하기 위해 직렬 공진기와 상이하게 튜닝될 수 있다.
일반적으로, 가변 RF 사다리형 필터는 N 하프 스테이지(N half stages)를 가지며, 여기서 N ≥ 2 은 전형적으로 4(예를 들어, 2 스테이지) 내지 7(예를 들어, 3 ½ 스테이지) 또는 8(예를 들어, 4 스테이지)이다. 단일의 사다리형 필터 스테이지는 직렬 공진기 및 병렬 공진기를 포함한다. 하프 스테이지는 직렬 공진기 또는 병렬 공진기 중 하나일 수 있다. 3 ½ 스테이지 사다리형 필터는 4 개의 션트 공진기와 3 개의 직렬 공진기, 또는 3 개의 션트 공진기와 4 개의 직렬 공진기로 실현될 수 있다. 아래에서 더 상세하게 설명되는 도 16은 2 ½ 스테이지 사다리형 필터의 예를 도시한다. 직렬 또는 션트 공진기(하프 스테이지)는 예를 들어, 전력 처리 능력을 개선하기 위해 하나 초과의 공진기를 포함할 수 있음을 주목해야 한다. 전형적으로, 모든 직렬 공진기는 동일한 (직렬) 층 스택을 제공하며, 모든 션트 공진기는 동일한 (션트) 층 스택을 제공한다. 결과적으로, 모든 직렬 공진기는 유사한 공진 및 반-공진 주파수(anti-resonance frequency)를 제공한다. 이것은 모든 션트 공진기에도 해당된다. 대역 통과 필터의 경우, 션트 공진기의 공진 주파수는 직렬 공진기의 각 공진 주파수보다 작다. (그 반대는 대역 저지 필터가 될 것이다). 그러나 필터의 개별 공진기 면적은 상이하다. 공진기의 정적 캐패시턴스는 그 면적에 비례하며, 공진기의 임피던스 함수는 그 면적에 반비례한다. 주어진 층 스택에 대해, 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 상이한 면적의 가변/프로그램 가능 BAW 공진기는 각각의 튜닝 네트워크의 임피던스가 튜닝 공진기의 임피던스에 비례할 때 동일한 주파수 시프팅을 제공한다. 각 튜닝 공진기의 정적 캐패시턴스(또는 면적)에 따라 튜닝 네트워크의 임피던스를 크기 조정하는 이러한 것은 개별 주파수 가변(프로그램 가능) 공진기로부터 주파수 가변(프로그램 가능) 필터를 구현하기 위한 하나의 요소이다.
도 15는 필터 공진기(1502), 튜닝 공진기(1506) 및 필터 공진기(1502)와 튜닝 공진기(1506) 사이에 위치된 음향 결합 층(들)(1504)을 갖는 가변 BAW 공진기(1500)(1502)를 도시한다. 가변 튜닝 회로(1508)는 도 15의 예시적인 가변 BAW 공진기의 튜닝 공진기(1506)에 결합된다. 필터 공진기(1502)는 압전 층(Piezo 1)을 포함하고 튜닝 공진기(1506)는 압전 층(Piezo 2)를 포함한다. 도 15에는 또한 기판 층(1512) 및 기판(1512)으로부터 가변 BAW 공진기(1500)를 음향적으로 분리하기 위한 음향 분리 층(acoustic decoupling layer)(1510)이 또한 도시된다.
도 16은 세 개의 직렬 공진기(1602, 1606 및 1610) 및 두 개의 션트 공진기(1604 및 1608)를 갖는 2 ½ 스테이지 사다리형 필터(1600)의 예를 도시한다. 각각의 공진기는 세 개의 요소: 필터 공진기, 필터 공진기에 음향적으로 결합된 튜닝 공진기 및 아래에서 더 상세히 설명되는 튜닝 공진기에 전기적으로 결합된 튜닝 회로를 포함한다. 따라서, 필터(1600)는 세 개의 직렬 필터 공진기(1602A, 1606A, 1610A), 두 개의 션트 필터 공진기(1604A, 1608A), RF 입력(1612) 및 RF 출력(1614)을 포함한다. 각각의 필터 공진기는 자체 튜닝 네트워크에 결합된다. 직렬 필터 공진기(1602A)는 튜닝 회로(1602C)에 결합된 튜닝 공진기(1602B)를 포함하는 대응하는 튜닝 네트워크를 갖는다. 션트 필터 공진기(1604A)는 튜닝 회로(1604C)에 결합된 튜닝 공진기(1604B)를 포함하는 대응하는 튜닝 네트워크를 갖는다. 직렬 필터 공진기(1606A)는 튜닝 회로(1606C)에 결합된 튜닝 공진기(1606B)를 포함하는 대응하는 튜닝 네트워크를 갖는다. 션트 필터 공진기(1608A)는 튜닝 회로(1608C)에 결합된 튜닝 공진기(1608B)를 포함하는 대응하는 튜닝 네트워크를 갖는다. 직렬 필터 공진기(1610A)는 튜닝 회로(1610C)에 결합된 튜닝 공진기(1610B)를 포함하는 대응하는 튜닝 네트워크를 갖는다. 각각의 튜닝 네트워크의 임피던스는 모든 개별 공진기가 동일한 (또는 유사한) 주파수 튜닝 거동을 보이는 것을 보장하기 위해, 각각의 공진기의 임피던스 (또는 면적)에 따라 크기 조정된다. 임피던스 크기 조정에 따라 예를 들면, 도 8(a) 내지 도 13에 도시된 결과적인 대역 통과 필터 곡선의 주파수 시프팅이 동일할 것임을 보장한다.
가변 공진기에 사용된 기호는 도 16의 필터 회로도를 간소화하도록 선택된 것임을 유의하는 것이 중요하다. "나란한(side-by-side)" 가변 공진기 기호는 필터 공진기와 튜닝 공진기 사이의 음향 결합을 나타내기 위해 사용된다. 가변 공진기(1602)와 같은 가변 BAW 공진기의 경우, 예를 들어, 필터 공진기 및 튜닝 공진기의 둘 모두는 도 15에 도시된 바와 같은 실시예에서 서로의 상부에 하나의 층 스택으로 조합되고 음향적으로 결합된다.
주파수 가변 RF 필터는 실시예에 따라 최소 기생을 갖는 주파수 가변 벌크 음향파(BAW) 공진기를 갖는 회로 토폴로지를 사용하여 실현된다. 최선의 공진기 성능, 즉, 가변 공진에 필요한 최고 품질 인자를 달성하기 위해, 튜닝 네트워크의 기생 및 튜닝 네트워크와 튜닝 공진기(전극) 간의 상호 접속부(interconnect)를 최소화하는 것이 중요하다. 전극의 금속화 층을 이용하여 개별 필터 공진기를 상호 접속하는 것이 가능하지만, 모든 공진기가 각각의 자체 튜닝 네트워크를 필요로 한다. 튜닝 네트워크는 예를 들어 CMOS 기술에서 프로그램 가능 IC로 실현될 수 있다. 튜닝 네트워크의 각각의 포트(단자)를 튜닝 공진기의 대응하는 포트(전극)와 상호 접속하는 것은 이상적으로 최소의 기생, 즉, 최소의 저항 손실로 실현되어야 한다. 그러므로 튜닝 공진기의 포트(전극)는 BAW 칩의 표면에 가까워야 한다. 결과적으로, 필터 공진기는 (음향 분리를 위한 음향 미러 또는 멤브레인/캐버티를 갖는) 기판에 가까이 위치되고(제조되고) 그의 (매립된) 전극 금속화 층(electrode metallization layer) 내에 직접 접속되어야 한다. 그 다음, 튜닝 공진기는 그의 각 필터 공진기의 상부에서 기판의 표면에/근처에 위치된다(제조된다). 결과적으로, 필터 공진기가 그의 각 튜닝 공진기의 상부에 있는 가변 BAW 공진기의 사례에서와 같이 깊은 비아(deep via)가 요구되지 않기 때문에, 튜닝 공진기와 그의 튜닝 네트워크 사이의 상호 접속부는 가능한 한 짧으며 오믹이 낮다. 아래에서 논의되는 실시예는 모든 가변 BAW 공진기가 자체 튜닝 네트워크를 필요로 하는 필터 구현예에 특히 적합하다. 따라서 N 개의 공진기를 갖는 사다리형 필터는 튜닝 회로와의 2*N 개의 상호 접속부가 필요하지만, 필터 입력에는 하나의 상호 접속부(비아)만이 필요하고, 필터 출력에는 하나의 상호 접속부(비아) (더하기 접지 결합)이 필요하다.
아래에서 보다 상세히 논의되는 실시예는 다음과 같은 구성 양태 중 적어도 일부를 사용하는 가변 (또는 프로그램 가능) BAW (벌크 음향파) 공진기에 기초한 가변(또는 프로그램 가능) RF 필터를 실현한다: 각각의 가변 BAW 공진기는 튜닝 공진기가 필터 공진기의 상부에 위치하는 층 스택을 특징으로 한다; 개별 가변 BAW 필터 공진기는 그의 각 전극 층 내에서 서로 결합된다(특정 필터 토폴로지를 실현하기 위해 이들 두 전극 층 사이에 일부 비아가 요구될 수 있지만, 그러한 비아는 필터 공진기의 압전 층 두께에 의해 결정되는 길이를 가지며 따라서 아주 짧고/얕은, 전형적으로는 약 1 ㎛이다); 필터 입력 및 필터 출력 단자 만이 깊은 비아에 의해 BAW 필터 칩의 표면에 결합되고, 이것은 필터 공진기를 필터 회로와 결합하는데 필요한 깊은 비아의 수를 최소화한다; 및 개별 가변 BAW 공진기의 튜닝 공진기는 모두 그의 각 필터 공진기의 상부에 실현된다. 결과적으로, 튜닝 공진기와 각각의 튜닝 네트워크의 상호 접속부는 (칩 표면에서 또는 칩 표면 근처에서) 가능한 짧은데, 단지 튜닝 공진기 하부 전극과 접촉하기 위한 얕은 비아이다. 이러한 구성은 가변 공진기 성능 및 이에 따른 전반적인 필터 성능에 극히 도움이 된다.
도 17은 실시예에 따라 튜닝 공진기(1702)가 필터 공진기(1706)의 상부에 있는 가변 BAW 공진기(1700)의 예를 도시한다. 또한, 도 17에는 음향 결합 층(1704) 및 튜닝 회로(1708)가 도시된다. 도 17에 도시된 적층된 층 구성은 튜닝 네트워크와 튜닝 공진기 사이의 상호 접속부가 구현하기 훨씬 쉬우며 더 작은 기생(특히 오믹 손실)의 부수적인 이점을 제공하므로 일부 관점에서 도 15의 표준의 적층된 층 구성(1500)보다 우수하다. 도 18a와 관련하여 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 필터 공진기는 그의 전극 금속화 층(임의로 일부 실시예에서는 이러한 전극 층 사이의 몇몇 얕은 비아와의 조합)을 이용함으로써 실현되는 필터 토폴로지에 따라 서로 쉽게 결합될 수 있고, 그럼으로써 전체 비아의 수를 최소화할 수 있다. 도 18a의 실시예에서, 각각의 튜닝 공진기는 자체의 튜닝 네트워크에 결합된다.
도 18a는 가변 공진기(1812, 1814 및 1816)를 갖는 집적 회로 필터(1800) 전체의 개략적인 단면도를 도시한다. 이전에 논의한 바와 같이, 각각의 가변 공진기는 필터 공진기, 튜닝 공진기 및 이전에 논의된 방식으로 결합된 튜닝 회로를 포함한다. 그러므로 가변 공진기(1812)는 필터 공진기(1812A), 튜닝 공진기(1812B) 및 튜닝 회로(1812C)를 포함한다. 가변 공진기(1814)는 필터 공진기(1814A), 튜닝 공진기(1814B) 및 튜닝 회로(1814C)를 포함한다. 가변 공진기(1816)는 필터 공진기(1816A), 튜닝 공진기(1816B) 및 튜닝 회로(1816C)를 포함한다.
도 18a에 도시된 특정 필터 구성은 1 ½ 스테이지 사다리형 필터이다. 필터 공진기(1812A)는 (하부 전극(1832) 및 깊은 비아(1828A)를 통한) 접지와 (상부 전극(1834) 및 얕은 비아(1842)를 통한) RF IN 사이에 결합된 션트 공진기이다. 필터 공진기(1812A)의 상부 전극(1834)은 도시된 바와 같이 필터 공진기(1814A)의 상부 전극(1834)에 결합된다. 필터 공진기(1814A)는 (상부 전극(1834)이 RF In 포트(1808)에 결합된 션트 구성의) 필터 공진기(1812A)와 (하부 전극(1824)이 깊은 비아(1828B)를 통해 접지에 결합되고 상부 전극(1822)이 얕은 비아(1826)를 통해 RF Out 포트(1810)에 결합된 션트 구성의) 필터 공진기(1816A) 사이에 결합된 직렬 공진기이다. 션트 필터 공진기(1816A)의 상부 전극(1822)은 직렬 공진기(1814A)의 하부 전극(1820)에 결합된다. 이러한 접속은 각각의 전극 접점(1820 및 1822) 사이의 비아(1830)를 사용한다. 이러한 비아(들)(1830)를 제외하고 - 개별 필터 공진기의 전극 사이의 전기적 결합은 그러한 전극에 사용된 각각의 금속화 층을 적절히 구축해줌으로써 실현될 수 있음을 주목하여야 한다. 따라서 직렬 필터 공진기와 션트 필터 공진기의 결합에 의한 필터 회로의 실현은 도시된 바와 같이 다수의 얕은 비아 및 단지 두 개의 깊은 비아를 사용하여 달성될 수 있다.
도 18a에는 또한 음향 분리 층(1836A, 1836B 및 1836C)이 도시된다. 분리 층(1836A)은 기판(1802)으로부터 공진기(1812)를 분리하기 위해 사용된다. 분리 층(1836B)은 기판(1802)으로부터 공진기(1814)를 분리하기 위해 사용된다. 분리 층(1836C)은 기판(1802)으로부터 공진기(1816)를 분리하기 위해 사용된다.
튜닝 공진기(1812B, 1814B 및 1816B)는 대응하는 공진기 스택(1812A, 1814A 및 1816A)의 상부에 배치되고, 그 결과 튜닝 네트워크(1812C, 1814C 및 1816C)와의 짧으며 낮은 오믹 상호 접속부를 초래한다. 필터 공진기(1812A, 1814A, 1816)는 기판(1802) 및 캐버티 또는 음향 미러에 의해 제공된 음향 분리(도 18에서 이전에 실시예에서 설명한 음향 분리 층(1836A, 1836B, 1836B)로서 도시됨)에 더 가까운 공진기 층 스택의 더 깊은 영역에 위치한다. 필터 공진기는 필터 회로 토폴로지에 따라 서로 상호 접속된다. 필터 공진기(1812A 및 1814A)는 상호 접속부(1834)와 함께 결합되고, 필터 공진기(1814A 및 1816A)는 상호 접속부(1820, 1822) 및 얕은 비아(1830)와 함께 결합된다. 이러한 상호 접속은 어떠한 비아도 없이 또는 (필터 토폴로지에 따라) 두 개의 전극 금속화 사이의 소수의 (얕은) 비아만으로 필터 공진기의 전극 금속화 층 내에서 수행될 수 있다. 더 깊은 비아(1828A 및 1828B)는 일부 실시예에서 RF In와 RF Out를 접촉시키기 위해서만 그리고 도 18a에 도시된 실시예의 경우 접지 결합을 위해서만 필요할 뿐이다.
도 18a에서, 필터 공진기(1812A, 1814A, 1816A)는 절연 층(1804)에서 형성(또는 매립)된 것으로 도시된다. 절연 층은 예를 들어, 실리콘 이산화물 또는 다른 공지된 절연 재료를 포함할 수 있다. 음향 결합 층은 필터 공진기와 튜닝 공진기를 음향적으로 결합하기 위한 공통 음향 결합 층(common acoustic coupling layer)(1806)으로서 도시된다. 음향 분리를 위해 하나 초과의 층 및 하나 초과의 재료가 사용될 수도 있다. 튜닝 회로(1812C, 1814C 및 1816C)는 집적 회로 필터(1800)와 동일한 제조 프로세스를 사용하여 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 대안적으로, 상이한 제조 프로세스가 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 튜닝 회로를 실현하는데 사용될 수 있다.
도 18b는 도 18a의 필터 회로를 재현한 것으로, 필터 공진기(1812A, 1814A 및 1816A)는 대응하는 원 기호(1), (2) 및 (3)으로 강조 표시된다. 대응하는 전기 개략도가 또한 도시되는데, 좌측의 개략도는 필터 공진기(1812A, 1814A 및 1816A)의 물리적 방향을 보존하여 도시되며, 우측의 개략도는 보다 통상적인 방식으로 도시된다. 션트 공진기(1812A 및 1816A) 및 직렬 공진기(1814A)는 사다리형 필터 구성에서 RF IN 포트(1808)와 RF OUT 포트(1810) 사이에 결합되는 것으로 명확히 도시된다.
튜닝 범위가 향상된 주파수 가변 벌크 음향파(BAW) 공진기의 일례가 도 19에 도시되고 아래에서 설명된다. 본 명세서에서 이전에 논의한 바와 같이, 가변 BAW 공진기는 결합된 BAW 공진기 쌍으로서 실현될 수 있다. 하나의 공진기는 필터 공진기, 즉, 필터 회로 토폴로지로 구축되는 공진기이다. 다른 음향적으로 결합된 BAW 공진기는 튜닝 공진기이다. 튜닝 공진기는 튜닝 네트워크에 결합된다. 튜닝 네트워크와 결합된 튜닝 공진기는 필터 공진기 층 스택 내의 튜닝 층으로서 효과적으로 작용한다. 이러한 튜닝 층은 가변 기계 강성도(tunable mechanical stiffness)를 제공한다. 가변 기계 강성도는 튜닝 네트워크 설정에 따라 달라지며 튜닝 층의 음향 속도 및 음향 임피던스에 영향을 미친다.
도 19를 다시 참조하면, 복합 BAW 공진기(1900)는 가변 공진기(1900)의 층 스택 내부에 (단지 한 개 대신에, 예를 들어, 도 15 및 도 17 참조) 두 개의 튜닝 공진기(1902 및 1912)를 포함한다. 두 개의 튜닝 공진기(1902 및 1912)는 필터 공진기의 양측에, 즉, 하나의 튜닝 공진기(상부 튜닝 공진기(1902))는 필터 공진기(1908)의 위에 그리고 제 2 튜닝 공진기(하부 튜닝 공진기(1912))는 필터 공진기 아래에 배치된다. 따라서, 효과적으로, 가변 기계 강성도를 갖는 튜닝 층이 필터 공진기의 양측(상부 및 하부)에 배치된다.
도 19는 또한 상부 튜닝 공진기가 압전 층(Piezo 1)을 포함하고 튜닝 회로(1904)에 결합된 것을 도시한다. 필터 공진기(1908)는 압전 층(Piezo 2)을 포함한다. 하부 튜닝 공진기는 압전 층(Piezo 3)을 포함하며 튜닝 회로(1914)에 결합된다. 음향 결합 층(1906)은 상부 튜닝 공진기(1902)와 필터 공진기(1908)를 음향적으로 결합한다. 음향 결합 층(1910)은 하부 공진기(1912)를 필터 공진기에 음향적으로 결합한다. 특히, 음향 결합 층(1906)은 상부 튜닝 공진기(1902)의 하부 전극과 필터 공진기(1908)의 상부 전극 사이에 결합된다. 유사하게, 음향 결합 층(1910)은 필터 공진기(1908)의 하부 전극과 하부 튜닝 공진기(1912)의 상부 전극 사이에 결합된다. 공진기(1902, 1908 및 1912)의 면적은 일치한다. 필터 공진기(1908) 및 두 개의 튜닝 공진기(1902 및 1912)의 정적 캐패시턴스는 면적에 따라 다르지만, 개별 압전 층 재료 각각의 두께 및 유전 상수에 따라서도 다르며, 전형적으로 서로 상이하다. 이전 실시예에서와 같이, 필터 신호 단자는 필터 공진기의 상부 및 하부 전극과 연관된다. 공진기(1900)는 이전에 설명한 바와 같이 원하는 대로 사다리형 필터에서 사용될 수 있다.
또한, 도 19는 기판 층(1918) 및 공진기(1900)를 기판(1918)으로부터 음향적으로 분리하기 위한 음향 분리 층(1916)을 도시한다.
도 19의 복합 공진기(1900)는 도 15 및 도 17에 도시된 단일 튜닝 공진기 실시예와 비교하여 향상된 튜닝 범위를 제공하는 실시예의 층 스택이다.
이제 도 20 내지 26을 참조하면, 인덕터를 포함하는 향상된 튜닝 범위를 갖는 튜닝 회로의 실시예가 설명된다. 튜닝 회로에 인덕터를 추가하면 가변 캐패시터만을 포함하는 튜닝 회로보다 개선된 튜닝 범위가 제공된다. 이용 가능한 제조 프로세스가 어떤 것이든 인덕터에 필요한 최선의 금속 층을 제공하는지에 따라, 압전 다이상에는 높은 Q(품질 인자)를 갖는 인덕터가 대응하는 공진기, 인터포저(interposer) 재료, RF 필터 제어 칩 또는 IPD(통합된 수동 소자)와 함께 통합될 수 있다. 높은 Q 인덕터를 설계하기 위해 저항이 낮은 금속 층이 사용될 수 있다. 예를 들어, 두꺼운 구리 또는 알루미늄 금속 층이 튜닝 회로에 사용하기에 적합한 높은 Q 인덕터에 패터닝될 수 있다.
사용되는 인덕터의 Q가 높을수록, 공진기는 커다란 손실 없이 튜닝 범위를 보다 높은 주파수로 더 높게 확장할 수 있다. 30 내지 50의 인덕터 Q는 총 튜닝 범위를 예를 들어 1.5 배 증가되게 할 수 있다.
아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 튜닝 네트워크는 압전 다이(도 23) 또는 인터포저 재료(도 24) 또는 RF 필터 제어 칩(도 25 또는 도 26) 또는 IPD(도 25 및 도 26) 상에 통합되는 높은 Q 인덕터로 보완된다.
도 20a는 필터 공진기(2002), 튜닝 공진기(2004) 및 이들 사이의 음향 결합 층(들)(2006)을 갖는 가변 BAW 공진기(2000A)를 도시한다. 필터 공진기(2002)는 상부 전극(t1), 압전 층(Piezo1), 하부 전극(b1)을 포함하며, 층 스택에서 음향 결합 층(2006) 위에 위치된다. 튜닝 공진기(2004)는 상부 전극(t2), 압전 층(Piezo2), 하부 전극(b2)을 포함하며, 층 스택에서 음향 결합 층(2006) 아래에 위치된다. (가변/프로그램 가능 임피던스를 갖는) 튜닝 네트워크(Zt)는 튜닝 공진기(2004)에 결합된다. 실시예에서, 튜닝 네트워크(Zt)는 인덕터 및 가변 캐패시터를 둘 모두 포함한다.
도 20b는 필터 공진기(2002), 튜닝 공진기(2004) 및 이들 사이의 음향 결합 층(2006)을 갖는 가변 BAW 공진기(2000B)를 도시한다. 필터 공진기(2002)는 상부 전극(t2), 압전 층(Piezo2), 하부 전극(b2)을 포함하며, 층 스택에서 음향 결합 층(2006) 아래에 위치된다. 튜닝 공진기(2004)는 상부 전극(t1), 압전 층(Piezo1), 하부 전극(b1)을 포함하며, 층 스택에서 음향 결합 층(2006) 위에 위치된다. 튜닝 네트워크(Zt)는 튜닝 공진기(2004)에 결합된다. 실시예에서, 튜닝 네트워크(Zt)는 인덕터 및 가변 캐패시터를 둘 모두 포함한다.
도 21a 내지 도 21d는 음향적으로 결합된 공진기 디바이스가 션트 또는 직렬 구성일 수 있음을 도시한다. 도 21a 및 도 21b는 (필터 공진기의 하나의 전극이 접지된) 션트 구성을 도시하는 반면에, 도 21c 및 도 21d는 직렬 구성을 도시한다. 전기 포트는 참조 부호 (1 및 2)를 갖는다. Zt는 임피던스이며, 튜닝 공진기의 두 개의 전극에 병렬로 결합된다. 실제로 Zt는 높은 Q 인덕터(Lt)를 포함할 수 있으며, 가변 캐패시터(Ct)는 인피니언 테크놀로지(Infineon Technologies)로부터 입수 가능한 C-튜너와 같은 프로그램 가능 캐패시터로 구현될 수 있다. 도 21a 내지 도 21d에서, 음향 결합 층은 C12의 정적 캐패시턴스 및 음향 결합 구성요소(ka12)를 갖는 것으로 도시된다. 각각의 튜닝 공진기는 대응하는 튜닝 회로(Zt)에 결합된 것으로 도시된다.
도 21a는 층 스택에서 필터 공진기(2002)가 상부 위치에 있고 튜닝 공진기(2004)가 하부 위치에 있는 션트 공진기(2100A)를 도시한다. 도 21b는 층 스택에서 필터 공진기(2002)가 상부 위치에 있고 튜닝 공진기(2004)가 하부 위치에 있는 직렬 공진기(2100B)를 도시한다. 도 21c는 층 스택에서 필터 공진기(2002)가 하부 위치에 있고 튜닝 공진기(2004)가 상부 위치에 있는 션트 공진기(2100C)를 도시한다. 도 21d는 층 스택에서 필터 공진기(2002)가 하부 위치에 있고 튜닝 공진기(2004)가 상부 위치에 있는 직렬 공진기(2100D)를 도시한다.
도 22는 하나의 직렬 가변 공진기(2208)(필터 공진기(2208A), 튜닝 공진기(2208B), 가변 캐패시터(2208C) 및 인덕터(2208D)) 및 두 개의 션트 가변 공진기(2206)(필터 공진기(2206A), 튜닝 공진기(2206B), 가변 캐패시터(2206C) 및 인덕터(2206D)) 및 (2210)(필터 공진기(2210A), 튜닝 공진기(2210B), 가변 캐패시터(2210C) 및 인덕터(2210D))를 갖는 1 ½ 스테이지 사다리형 필터(2200)의 예를 도시한다. 각각의 가변 공진기는 필터 공진기 및 가변 캐패시터와 인덕터를 포함하는 튜닝 회로에 결합되는 튜닝 공진기를 포함한다. 또한 도 22는 RF In 포트(2202) 및 RF Out 포트(2204)를 도시한다.
각각의 튜닝 네트워크의 임피던스는 모든 개별 공진기가 동일한 (또는 유사한) 주파수 튜닝 거동을 보이는 것을 보장하기 위해, 각각의 튜닝 공진기의 정적 캐패시턴스(또는 면적)와 역으로 크기 조정된다. 튜닝 임피던스가 일치하는 것은 결과적인 대역 통과 필터 곡선의 주파수 시프팅이 균일하다는 것을 보장한다. 높은 Q 인덕터를 튜닝 캐패시터와 병렬로 결합함으로써, 동등한 필터의 튜닝 범위가 현저하게 증가될 수 있다. 가변 공진기에 사용되는 기호는 필터 회로 도면을 단순화하기 위해 선택된다는 것을 유의하는 것이 중요하다. 가변 BAW 공진기의 경우, 필터 공진기 및 튜닝 공진기의 둘 모두는 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 서로의 상부에 있는 층 스택에서 결합되어 음향적으로 결합된다.
도 23은 하나의 가변 직렬 공진기(2312)(필터 공진기(2312A), 튜닝 공진기(2312B), 가변 캐패시터(2312C) 및 인덕터(2312D)) 및 두 개의 션트 가변 공진기(2310)(필터 공진기(2310A), 튜닝 공진기(2310B), 가변 캐패시터(2310C) 및 인덕터(2310D)) 및 (2314)(필터 공진기(2314A), 튜닝 공진기(2314B), 가변 캐패시터(2314C) 및 인덕터(2314D))를 갖는 1 ½ 스테이지 사다리형 필터(2300)의 집적 회로 예를 도시한다. 튜닝 임피던스(Zt)의 유도성 부분(Lt)은 매우 높은 Q 인덕터(Ql>15, 여기서 Ql은 부하 품질 인자임)를 달성하기 위해, 바람직하게는 매우 낮은 저항의 두꺼운 금속 층을 갖는 압전음향 다이(piezoacoustic die) 상에 집적된다. 튜닝 임피던스(Zt)의 용량성 부분(Ct)은 도 23에서 버랙터로서 도시된다.
도 23의 상측 부분은 기판(2302), 필터 공진기(2310A, 2312A, 2314A)를 포함하는 절연 층(2304), 음향 결합 층(2306) 및 튜닝 공진기(2310B, 2312B, 2314B)를 포함하는 절연 층(2308)을 포함하는 압전 다이의 단면도를 도시한다. 금속화된 비아(2316)는 RF 입력을 제공하도록 구성되고 필터 공진기(2310A 및 2312A)의 상부 전극과 접촉한다. 금속화된 비아(2318)는 RF 출력을 제공하도록 구성되고, 필터 공진기(2312A 및 2314A)의 하부 전극과 접촉한다. 금속화된 비아(2310E 및 2310F)는 튜닝 공진기(2310B)와 가변 캐패시터(2310C) 및 인덕터(2310D)를 전기적으로 접촉하도록 구성된다. 금속화된 비아(2312E 및 2312F)는 튜닝 공진기(2312B)와 가변 캐패시터(2312C) 및 인덕터(2312D)를 전기적으로 접촉하도록 구성된다. 금속화된 비아(2314E 및 2314F)는 튜닝 공진기(2314B)와 가변 캐패시터(2314C) 및 인덕터(2314D)를 전기적으로 접촉하도록 구성된다.
도 23의 하측 부분은 집적 회로 필터(2300)의 상부 표면(2320) 상에서 가변 캐패시터(2310C, 2312C, 2314C) 및 인덕터(2310D, 2312D, 2314D)의 구현을 도시한다. 관련 부분에서, 인덕터(2310D, 2312D 및 2314D)는 칩의 하부 층을 제조하는데 사용되는 압전음향 집적 회로 프로세스에서 이용 가능한 금속 층을 사용하여 패턴화된 금속 트레이스로서 도시된다. 인덕터(2310D, 2312D, 2314D)는 인덕터의 가장 내측의 코일이 전기적으로 접촉될 수 있도록 대응하는 크로스오버(2310G, 2312G, 2314G)를 포함한다. 전형적으로, 가변 캐패시터(2310C, 2312C, 및 2314C)는 상이한 칩 상에 제조되고 (2310E/2310F, 2312E/F 및 2314E/F)에 각각 전기적으로 결합된다. 가변 캐패시터(2310C, 2312C 및 2314C)는 실시예에서 캐패시터에 접속된 트랜지스터(capacitor-connected transistor)를 사용하여 버랙터로서 제조될 수 있다.
도 24는 도 23과 관련하여 이전에 설명한 바와 같이 층(2302, 2304, 2306 및 2308)을 포함하는 압전음향 칩 내에 제조되지만, (Zt)의 유도성 부분(Lt)가 인터포저 금속 층(2324) 상에서 (예를 들어, 라미네이트상에서) 집적되어 있는 1 ½ 스테이지 사다리형 필터(2400)의 예를 도시한다. 도 24에서, 인덕터 금속 층은 압전음향 칩 상에 이용 가능하지 않을 수 있지만, 인터포저(2324) 상에서 이용 가능하다. 인덕터 금속의 경우, 매우 높은 Q 인덕터(Q1>15)를 달성하기 위해서는 매우 낮은 저항을 갖는 두꺼운 금속 층이 바람직하다. (Zt)의 용량성 부분(Ct)은 블록 다이어그램에서 그저 버랙터로서 도시된다. 실시예에서 금속화된 관통 비아(2330)는 RF In 포트를 제공하는데 사용된다. 실시예에서 금속화된 관통 비어(2328)는 RF Out 포트를 제공하는데 사용된다. 인터포저(2324)는 아래의 평면도에 도시된 버랙터(2310C, 2312C, 2314C 및 2314D)를 접촉하기 위한 추가의 복수의 금속화된 관통 비아를 포함한다. 인터포저(2324)는 인덕터를 제조하고 가변 캐패시터를 접속하기 위한 상부 표면(2326)을 포함한다. 또한, 도 24의 상측 부분에는 인터포저(2324) 내의 대응하는 관통 비아와 전기적 접촉을 위한 볼 그리드 어레이(2322)가 도시된다.
도 24의 하측 부분은 인터포저(2324 또는 2326)의 일부로서 제조된, 장착된/부착된/결합된 가변 캐패시터(2310C, 2312C, 2314C) 및 대응하는 결합된 인덕터(2310D, 2312D 및 2314D)를 각기 포함하는 인터포저(2324)의 상부 표면(2326)을 도시한다. 인덕터는 대응하는 크로스오버(2310G, 2312G, 2314G)를 포함하며, 크로스오버의 기능은 도 23과 관련하여 이전에 설명되었다.
도 25는 하나의 직렬 가변 공진기 및 두 개의 션트 가변 공진기를 갖는 1 ½ 스테이지 사다리형 필터(2500)의 예를 도시한다. (Zt)의 유도성 부분(Lt)은 매우 높은 Q 인덕터(Q1>15)를 달성하기 위해 인터포저 재료(예를 들어, 2 층 라미네이트)을 통해, 매우 낮은 저항을 갖는 필터 제어 칩 또는 매우 낮은 저항을 갖는 높은 Q IPD의 두꺼운 금속 층(들) 상에 집적된다. (Zt)의 용량성 부분(Ct)은 도 25에서 버랙터로서 도시된다.
도 25의 상측 부분은 실시예에 따른 사다리형 필터(2500)의 구성의 단면도를 도시한다. 압전음향 칩은 이전에 모두 설명된 상호 접속된 층(2302, 2304 및 2308)뿐만 아니라 볼 그리드 어레이(2322)를 포함하는 것으로 도시된다. 인터포저(2324)는 압전음향 칩을 IPD(2334)에 결합하기 위한 복수의 관통 비아를 포함한다. IPD(2334)는 가변 캐패시터(2310C, 2312C, 2314C) 및 인덕터(2310D, 2312D, 2314D)뿐만 아니라 볼 그리드 어레이(2332)를 포함한다. IPD(2334) 내의 인덕터 및 가변 캐패시터는 사용된 IPD 프로세스에 따라 IPD 내부에서 또는 상부에서 제조될 수 있다.
도 25의 하측 부분은 가변 캐패시터(2310C, 2312C 및 2314C) 및 인덕터(2310D, 2312D 및 2314D)를 포함하는 IPD(2334)의 평면도이다.
도 26은 실질적으로 도 25와 관련하여 설명된 1 ½ 스테이지 사다리형 필터(2600)의 예를 도시한다. 그러나 도 26에서, 도시된 바와 같이 IPD(2334)는 볼 그리드 어레이(2332)에 직접 결합되어 있고, 인터포저(2324)는 제거되어 있음을 주목하여야 한다. 이전에 설명한 바와 같이, 도 26의 상측 부분은 사다리형 필터(2600)의 단면도이고, 도 26의 하측 부분은 IPD(2334)의 평면도이다.
위에서 논의한 실시예에서, 튜닝 회로는 각각의 공진기 요소의 제 2 또는 제 3 공진기에만 제공되며, 또한 공진기 요소 및 방법의 다른 실시예에서는 추가의 튜닝 회로가 제 1 공진기 요소에 제공될 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 추가의 튜닝 회로는 예를 들어 임피던스 네트워크로서 위에서 튜닝 회로에 대해 위에서 설명한 것과 유사한 방식으로 구현될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 공진기 요소를 사용하는 필터가 특히 이동 통신 디바이스와 같은 통신 디바이스에 사용될 수 있고, 대응하는 필터 구조체를 사용하는 그러한 통신 디바이스가 실시예를 형성할 수 있지만, 필터는 신호 특히 GHz 범위의 고주파 신호가 필터링되어야 하는 다른 디바이스에서 또한 사용될 수 있다.
위에서 논의한 실시예는 단지 예로서 제공될 뿐이며, 명시적으로 도시되고 설명된 것 이외의 다른 구현 가능성이 존재하므로, 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (23)

  1. RF 집적 회로 필터로서,
    기판과,
    상기 기판 상에 배열된 절연 층과,
    패터닝된 상부 전극 층, 패터닝된 압전 층 및 패터닝된 하부 전극 층을 포함하는 상기 절연 층 내에 배열된 복수의 필터 공진기 - 상기 복수의 필터 공진기 중 적어도 두 개는 상기 패터닝된 상부 전극 층과 함께 결합됨 - 와,
    상기 복수의 필터 공진기상에 배열된 음향 결합 층(acoustic coupling layer)과,
    상기 음향 결합 층상에 배열되고 상기 복수의 필터 공진기 각각의 위에 대응하게 위치하는 복수의 튜닝 공진기를 포함하는, RF 집적 회로 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 결합 층을 관통하여 상기 복수의 필터 공진기 중 적어도 하나로의 RF 입력 또는 RF 출력 액세스 중 적어도 하나를 제공하는 비아를 더 포함하는, RF 집적 회로 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 결합 층 및 상기 절연 층을 관통하여 상기 복수의 필터 공진기 중 적어도 하나로의 접지 액세스를 제공하는 비아를 더 포함하는, RF 집적 회로 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 공진기 중 적어도 하나의 상부 전극은 튜닝 회로로의 액세스를 제공하도록 구성되는, RF 집적 회로 필터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 튜닝 회로는 튜닝 가능(tunable) 또는 프로그램 가능 가변(programmable variable) 캐패시터를 포함하는, RF 집적 회로 필터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 공진기 중 적어도 하나의 하부 전극은 튜닝 회로로의 액세스를 제공하도록 구성되는, RF 집적 회로 필터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 튜닝 회로는 튜닝 가능 또는 프로그램 가능 가변 캐패시터를 포함하는, RF 집적 회로 필터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 튜닝 공진기에 각각 결합되는 복수의 튜닝 회로를 더 포함하는, RF 집적 회로 필터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 튜닝 공진기에 결합된 복수의 튜닝 회로를 더 포함하고, 각각의 튜닝 회로는 가변 캐패시터 및 인덕터를 포함하는, RF 집적 회로 필터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 공진기 중 적어도 하나의 상부 전극 및 하부 전극은 튜닝 회로의 제 1 및 제 2 노드로의 대응하는 액세스를 제공하도록 구성되는, RF 집적 회로 필터.
  11. RF 필터 디바이스로서,
    신호 입력과,
    신호 출력과,
    상기 신호 입력과 상기 신호 출력 사이에 결합된 공진기 요소를 포함하고, 상기 공진기 요소는,
    제 1 공진기와,
    상기 제 1 공진기 위의 제 2 공진기 - 상기 제 2 공진기는 상기 제 1 공진기에 음향적으로 결합됨 - 와,
    상기 제 1 공진기 아래의 제 3 공진기 - 상기 제 3 공진기는 상기 제 1 공진기에 음향적으로 결합됨 - 와,
    상기 제 2 공진기에 결합된 제 1 튜닝 회로와,
    상기 제 3 공진기에 결합된 제 2 튜닝 회로를 포함하는, RF 필터 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 공진기의 임피던스는 정합되는, RF 필터 디바이스.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 RF 필터 디바이스는 층 스택을 포함하며, 상기 층 스택의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 공진기의 면적은 일치하는, RF 필터 디바이스.
  14. RF 필터로서,
    기판과,
    상기 기판상의 절연 층과,
    패터닝된 상부 전극 층, 패터닝된 압전 층 및 패터닝된 하부 전극 층을 포함하는 상기 절연 층 내의 복수의 필터 공진기 - 상기 복수의 필터 공진기 중 적어도 두 개는 상기 패터닝된 상부 전극 층과 함께 결합되고 상기 복수의 필터 공진기 중 적어도 두 개는 상기 패터닝된 하부 전극 층과 함께 결합됨 - 와,
    상기 복수의 필터 공진기상의 음향 결합 층과,
    상기 복수의 필터 공진기 각각의 위에 대응적으로 위치하는 음향 결합 층상의 복수의 튜닝 공진기와,
    상기 복수의 튜닝 공진기에 결합된 복수의 튜닝 회로를 포함하고,
    각각의 튜닝 회로는 가변 캐패시터 및 인덕터를 포함하는, RF 필터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 RF 필터는 상기 복수의 튜닝 회로의 상기 가변 캐패시터를 제외한, 단일 압전음향 집적 회로(single piezoacoustic integrated circuit)를 포함하는, RF 필터.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 필터 공진기, 상기 음향 결합 층 및 상기 복수의 튜닝 공진기를 포함하는 압전음향 집적 회로와,
    상기 복수의 튜닝 회로를 포함하는 상기 압전 음향 집적 회로에 결합된 인터포저(interposer)를 포함하는, RF 필터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압전음향 집적 회로는 제 1 금속 프로세스로 제조되고, 상기 인터포저는 상기 제 1 금속 프로세스와 상이한 제 2 금속 프로세스로 제조되는, RF 필터.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 필터 공진기, 상기 음향 결합 층 및 상기 복수의 튜닝 공진기를 포함하는 압전음향(piezoacoustic) 집적 회로와,
    복수의 관통 비아를 포함하는 상기 압전음향 집적 회로에 결합된 인터포저와,
    상기 복수의 튜닝 회로를 포함하는 상기 인터포저에 결합된 IPD 또는 제어 칩을 포함하는, RF 필터.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전음향 집적 회로 및 상기 인터포저는 볼 그리드 어레이를 통해 함께 결합되는, RF 필터.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 IPD 또는 제어 칩 및 상기 인터포저는 볼 그리드 어레이를 통해 함께 결합되는, RF 필터.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전음향 집적 회로는 제 1 금속 프로세스로 제조되고, 상기 IPD 또는 제어 칩은 상기 제 1 금속 프로세스와 상이한 제 2 금속 프로세스로 제조되는, RF 필터.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 필터 공진기, 상기 음향 결합 층 및 상기 복수의 튜닝 공진기를 포함하는 압전음향 집적 회로와,
    상기 복수의 튜닝 회로를 포함하는 압전음향 집적 회로에 결합된 IPD 또는 제어 칩을 포함하는, RF 필터.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 압전음향 집적 회로는 제 1 금속 프로세스로 제조되고, 상기 IPD 또는 제어 칩은 상기 제 1 금속 프로세스와 상이한 제 2 금속 프로세스로 제조되는, RF 필터.
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