TWI459630B - 微機電濾波器 - Google Patents
微機電濾波器 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI459630B TWI459630B TW099131228A TW99131228A TWI459630B TW I459630 B TWI459630 B TW I459630B TW 099131228 A TW099131228 A TW 099131228A TW 99131228 A TW99131228 A TW 99131228A TW I459630 B TWI459630 B TW I459630B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- resonator
- electrode
- filter
- substrate
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 76
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 76
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 73
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 73
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 73
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 72
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 56
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 56
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 30
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 20
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 16
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 4
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02228—Guided bulk acoustic wave devices or Lamb wave devices having interdigital transducers situated in parallel planes on either side of a piezoelectric layer
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/462—Microelectro-mechanical filters
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/48—Coupling means therefor
- H03H9/50—Mechanical coupling means
- H03H9/505—Mechanical coupling means for microelectro-mechanical filters
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
本發明是有關於一種濾波器，且特別是有關於一種用於無線通訊系統之微機電濾波器。
在過去幾年，各種無線通訊蓬勃發展。目前應用在無線通訊上的規格或頻段已達七種以上，每種規格都有其獨特的通訊協定(protocol)，例如不同的頻帶、不同的通道寬度。在通訊系統中，聲波濾波器用於將欲傳輸的訊號擷取出來，並將其他雜訊予以濾除，為通訊系統中一項不可或缺的元件。對於給定的頻率響應，濾波器的轉移函數乃是由品質因數(quality factor，底下簡稱Q值)所決定。傳統射頻(radio frequency)元件因導體及介質在GHz的頻率下，元件損耗將隨著頻率而增加。因此，以某些結構共振方式設計的體聲波共振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator)，由於具體積小，逐漸取代相關元件，而成為某些手機用濾波器的主要元件。目前某些商業化的體聲波共振濾波器在1GHz時，Q值約800至1200，僅適合做為頻段選擇濾波器。若要開發「通道選擇濾波器」來滿足某些下一代通訊系統需求，則共振器在1GHz的Q值需更高。
現有國際研發單位中，關於研究靜電驅動共振器以美國加州柏克萊大學(University of California-Berkeley)為首。相關文獻中記載了在靜電力驅動下，某些靜電驅動共振器具高品質因數，Q值約8800，且具高輸入阻抗(input impedance)約100K歐姆(Ohm)。在現有通訊系統中，系統的阻抗一般約為50 Ohm。若元件阻抗太高(數十K Ohm至數M Ohm)，則該元件的反射係數將接近1，造成穿透損耗(insertion loss)太高，不適合在通訊系統中使用該元件。
此外，為增加共振器的機電轉換係數，現有技術是將壓電薄膜置於電極與共振器之間。已知壓電共振器本身特性是屬於低品質因數。相關文獻中記載了在壓電驅動下，壓電驅動共振器的機電轉換係數典型值為7.7×10-5
C/m；在靜電驅動下，靜電驅動共振器的機電轉換係數典型值為3.3×10-6
C/m。可知某些技術以壓電材料作為共振體可得到較低的阻抗，但無法達到高Q值。所以某些壓電共振器的特性是屬於具低品質因數且具低輸入阻抗。
某些習知的共振器存在下列問題：不能同時滿足提高Q值與降低阻抗，故無法設計極高Q值的濾波器且阻抗達到50歐姆。因此，如何設計極高Q值的濾波器且阻抗達到50歐姆，以使與通訊系統的阻抗匹配，進而可以達到通道選擇濾波器的目標，是當前猶待解決的課題。
本發明提供一種微機電濾波器。此微機電濾波器可實現高頻共振且聲波損耗小，可以提供高品質因數與降低輸入阻抗特性的濾波器。
本發明提出一種微機電濾波器。此微機電濾波器包括一第一基板、一第二基板、一輸入電極、一輸出電極、一第一懸掛式共振器、一第二懸掛式共振器、一壓電共振器以及一耦合樑。所述輸入電極配置在所述第一基板上方。所述輸出電極配置在所述第二基板上方。所述第一懸掛式共振器連接所述第一基板及所述第二基板。所述第二懸掛式共振器連接所述第一基板及所述第二基板。所述壓電共振器緊密地連結在所述第一懸掛式共振器上方，所述壓電共振器的上電極具一指叉型式金屬圖案。所述指叉型式金屬圖案兩側分別與所述輸入電極、所述輸出電極連接，而配置在所述壓電共振器的上電極下方依序為一第一壓電材料層與一第一下電極。在所述第一懸掛式共振器與所述第二懸掛式共振器之間以所述耦合樑做耦合連接。所述耦合樑用於傳遞聲波，並可控制濾波器的頻寬。
本發明另提出一種微機電濾波器，此微機電濾波器包括一第一壓電區域、一第二壓電區域、一輸入電極、一輸出電極、一第一壓電共振器、一第二壓電共振器以及一耦合樑。所述輸入電極配置在所述第一壓電區域上方。所述輸出電極配置在所述第二壓電區域上方。所述第一壓電共振器包括一上電極、一懸掛式壓電層以及一第一下電極。所述上電極具一指叉型式金屬圖案，所述指叉型式金屬圖案與所述輸入電極以及所述輸出電極連接。所述懸掛式壓電層配置在所述上電極的下方。所述懸掛式壓電層連接所述第一壓電區域及所述第二壓電區域。所述第一下電極配置在所述懸掛式壓電層下方。所述第二壓電共振器連接所述第一壓電區域及所述第二壓電區域。在所述懸掛式壓電層與所述第二壓電共振器之間以所述耦合樑做耦合連接。所述耦合樑用於傳遞聲波，並可控制濾波器的頻寬。
從另一角度來看，本發明提出一種微機電濾波器。此微機電濾波器包括一輸入電極、一輸出電極、至少一第一共振器以及至少一第二共振器，其中所述第一共振器為一壓電共振器。所述第一共振器耦接在所述輸入電極與所述輸出電極之間。所述第二共振器的材質為矽、絕緣層上有矽的半導體材料或壓電材料，且所述第二共振器不具金屬的材質。在所述至少一第一共振器與所述至少一第二共振器之間以所述耦合樑做耦合連接。所述耦合樑用於共振器間傳遞聲波，並可控制濾波器的頻寬。
為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。各實施例中相似的元件統一地用相似的標號來表示。
第一實施例
請參看圖1，圖1是依本發明的第一實施例的微機電濾波器的立體示意圖。微機電濾波器100包括第一基板110、第二基板120、輸入電極130、輸出電極140、第一懸掛式共振器150、第二懸掛式共振器160、壓電共振器170以及耦合樑180。
第一基板110與第二基板120是同一種的材質層，分成兩塊形成平行配置的原因是為了形成多個共振器的支撐層，在第一懸掛式共振器150、第二懸掛式共振器160的下方部分以鏤空方式完成。於是，第一懸掛式共振器150以懸掛方式連接於第一基板110與第二基板120之間，而形成“I”字型；類似地，第二懸掛式共振器160也以懸掛方式連接於第一基板110與第二基板120之間，也形成“I”字型。其中，第一懸掛式共振器150與第二懸掛式共振器160形成平行配置，這兩個共振器的厚度相同。壓電共振器170配置在第一懸掛式共振器150上方，以完全緊密地連結而形成複合層共振器，在複合層共振器中，壓電共振器170相對於第一懸掛式共振器150的厚度薄。複合層共振器與第二懸掛式共振器160形成平行配置。在複合層共振器與第二懸掛式共振器160之間以耦合樑180做耦合連接。
第一懸掛式共振器150與壓電共振器170的形狀一致，以能夠完全緊密連結。第一懸掛式共振器150與第二懸掛式共振器160可以為相似或相同形狀的結構。第一懸掛式共振器150連接第一基板110及第二基板120。第二懸掛式共振器160也連接第一基板110及第二基板120。基板110a、基板120a、第一懸掛式共振器150、第二懸掛式共振器160及耦合樑180的材質為相同，可以為純矽或絕緣層上有矽的(SOI，Silicon On Insulator)半導體材料。另外，第一基板110可包括矽層110a或SOI層110b，或矽層110a與SOI層110b的組合；第二基板120可包括矽層120a或SOI層120b，或矽層120a與SOI層120b的組合。
輸入電極130配置在第一基板110上方。輸出電極140配置在第二基板120上方。電信號可以進入輸入電極130，但電信號無法通過第一基板110或第二基板120。輸入電極130與輸出電極140的電極連接方向分別延伸至複合層共振器的上方，而形成指叉式金屬圖案，其中輸入電極130與輸出電極140的材質為金屬，壓電共振器170可以將輸入電極130的電信號轉換為機械能帶動懸掛式共振器150並透過耦合樑180傳至懸掛式共振器160，其中機械能再被轉換為電信號而從輸出電極140傳送出去。
壓電共振器170具有上電極172、第一壓電材料層174與第一下電極。壓電共振器170的上電極172具一指叉型式金屬圖案。此指叉型式金屬圖案兩側分別與輸入電極130及輸出電極140相連接。而配置在上電極172下方依序為第一壓電材料層174與第一下電極，其中第一下電極配置在第一壓電材料層174與第一懸掛式共振器150之間。因第一下電極的金屬厚度極薄，在圖中並未繪示出來。圖1中，上電極172的指叉型式金屬圖案的左邊為1階、右邊為2階，該指叉型式僅是一種實施例。指叉型式金屬圖案的配置方式也可以在第一壓電材料層174上做多階交疊變化的指叉型式，本發明並不以此為限。
在本實施例中，由於第二懸掛式共振器160的材質可以為矽或絕緣層上有矽的半導體材料，而形成矽共振器160。第二懸掛式共振器160的材質較佳方式是純矽。矽共振器(第二懸掛式共振器160)的結構是屬於高品質因數共振器。
值得一提的是，複合層共振器包含第一懸掛式共振器150與壓電共振器170，而壓電共振器170因本身結構使用到金屬材料，形成具有低品質因數及低阻抗的複合層共振器。此外，矽共振器(第二懸掛式共振器160)因本身使用的材料與結構等因素，可形成具有高品質因數及高阻抗的共振器高。
矽共振器(第二懸掛式共振器160)本身不具有金屬且不與輸入電極130或輸出電極140連接。壓電共振器170的上電極172與輸入電極130或輸出電極140連接，因此電信號可以通過輸入電極130進入複合層共振器，並在複合層共振器內形成聲波(Acoustic Wave)的共振，該聲波轉換為電信號後再經由輸出電極140傳輸出去。壓電共振器170推動與本身緊密結合的第一懸掛式共振器150，接著複合層共振器可以推動耦合樑180，再推動第二懸掛式共振器160。由於耦合樑180連接在複合層共振器與矽共振器(第二懸掛式共振器160)之間，耦合樑180帶動了兩共振器，將不同品質因數串聯。耦合樑180的作用可以在共振器170與矽共振器(第二懸掛式共振器160)之間傳遞聲波而呈同相或反相的共振狀態，並可控制微機電濾波器100的頻寬。由於矽對聲波的損耗小，此微機電濾波器100的結構可以得到極高的品質因數。另一方面，電信號的輸入是經由壓電共振器170，所以輸入阻抗極低。因此，微機電濾波器100可以對聲波產生濾波的效果，並且同時具高品質因數與低輸入阻抗的特性。
承上述，耦合樑180會影響聲波共振時的同相或反相的頻率。耦合樑180的尺寸將影響微機電濾波器100的帶通頻寬。設計時，可以根據通訊系統的需求、共振器數目及排列來調整耦合樑180的長度、粗細，使所設計出的振動模態配置在所要的頻段或頻寬內，即可得到適當的頻率響應。
此外，微機電濾波器100在輸入電極130一側更可包括第二壓電材料層190與第二下電極，其中第二下電極因其金屬厚度極薄在圖中並未繪示出來。第二壓電材料層190配置在輸入電極130下方，第二下電極配置在第二壓電材料層190與第一基板110之間。類似上述方式，微機電濾波器100在輸出電極140一側更可包括第三壓電材料層192與第三下電極，其中第三下電極因其金屬厚度極薄在圖中並未繪示出來。第三壓電材料層192配置在輸出電極140下方，第三下電極配置在第三壓電材料層192與第二基板120之間。第一壓電材料層174、第二壓電材料層190與第三壓電材料層192連接在一起，而形成位在同一個壓電材料層。第一、第二及第三下電極連接在一起。以下再舉幾個實施方式進行說明。
第二實施例
請參看圖2，圖2是依本發明的第二實施例的微機電濾波器的立體示意圖。微機電濾波器200的結構類似於前述的微機電濾波器100。微機電濾波器200採用多個耦合樑將多個壓電共振器與多個矽共振器組合。此微機電濾波器200包括第一基板110、第二基板120、輸入電極130、輸出電極140、多個第一懸掛式共振器150、多個第二懸掛式共振器160、多個壓電共振器170以及多個耦合樑180。其中第一懸掛式共振器150的數量與壓電共振器170的數量相同。
第一基板110與第二基板120是同一種的材質層，分成兩塊形成平行配置的原因是為了形成多個共振器的支撐層，在第一懸掛式共振器150、第二懸掛式共振器160的下方部分以鏤空方式完成。每一個第一懸掛式共振器150以懸掛方式連接於第一基板110與第二基板120之間，而形成類似“I”字型；類似地，每一個第二懸掛式共振器160也以懸掛方式連接於第一基板110與第二基板120之間，也形成類似“I”字型。其中，每一個第一懸掛式共振器150與每一個第二懸掛式共振器160形成平行配置，共振器150、160的厚度相同。每一個壓電共振器170配置在其相應的第一懸掛式共振器150上方，以完全緊密地連結而形成複合層共振器，在複合層共振器中的兩共振器相比，壓電共振器170相對於第一懸掛式共振器150的厚度薄。在每一個複合層共振器與第二懸掛式共振器160之間以一個耦合樑180做耦合連接。
第一懸掛式共振器150與壓電共振器170的形狀一致，以能夠完全緊密連結。每一個第一懸掛式共振器150與每一個第二懸掛式共振器160可以為相似或相同形狀的結構。每一個第一懸掛式共振器150連接第一基板110及第二基板120。每一個第二懸掛式共振器160也連接第一基板110及第二基板120。基板110a、基板120a、第一懸掛式共振器150、第二懸掛式共振器160及耦合樑180的材質為相同，可以為純矽或絕緣層上有矽的半導體材料。另外，第一基板110可包括矽層110a或SOI層110b，或矽層110a與SOI層110b的組合；第二基板110可包括矽層120a或SOI層120b，或矽層120a與SOI層120b的組合。
輸入電極130配置在第一基板110上方。輸出電極140配置在第二基板120上方。電信號可以進入輸入電極130，但電信號無法通過第一基板110或第二基板120。輸入電極130與輸出電極140的電極連接方向分別延伸至複合層共振器的上方，而形成指叉式金屬圖案，其中輸入電極130與輸出電極140的材質為金屬，壓電共振器170可以將輸入電極130的電信號轉換為機械能帶動第一懸掛式共振器150並透過耦合樑180傳至其他懸掛式共振器，其中機械能再被轉換為電信號而從輸出電極140傳送出去。
每一個壓電共振器170具有一上電極172、第一壓電材料層174與第一下電極。每一個壓電共振器170的上電極172具一指叉型式金屬圖案。每一個指叉型式金屬圖案兩側分別與輸入電極130及輸出電極140相連接。而配置在上電極172下方依序為第一壓電材料層174與第一下電極，其中第一下電極配置在第一壓電材料層174與第一懸掛式共振器150之間。因第一下電極的金屬厚度極薄，在圖中並未繪示出來。圖2中，上電極172的指叉型式金屬圖案的左邊為1階、右邊為2階，該指叉型式僅是一種實施例。指叉型式金屬圖案的配置方式也可以在第一壓電材料層174上做多階交疊變化的指叉型式，本發明並不以此為限。
在此實施例中，由於每一個第二懸掛式共振器160的材質可以為矽或絕緣層上有矽的半導體材料，而形成多個矽共振器160。第二懸掛式共振器160的材質較佳方式是純矽。矽共振器160的結構是屬於高品質因數共振器。
值得一提的是，複合層共振器包含第一懸掛式共振器150與壓電共振器170，而壓電共振器170因本身結構使用到金屬材料，可形成具有低品質因數及低阻抗的共振器。此外，多個矽共振器160因本身使用的材料與結構等因素，可形成多個具有高品質因數及高阻抗的共振器，其中矽的純度越高則Q值與阻抗值越高。圖2與圖1相較之下，圖2的微機電濾波器200不但具有與圖1的微機電濾波器100相類似功效，而且更可以提高Q值。
每一個矽共振器160本身不具有金屬且不與輸入電極130或輸出電極140連接。每一個壓電共振器170的上電極172與輸入電極130或輸出電極140連接，因此電信號可以通過輸入電極130進入每一個壓電共振器170，並在各壓電共振器170內形成聲波的共振，該聲波轉換為電信號後再經由輸出電極140傳輸出去。由於每一個耦合樑180連接在壓電共振器170與矽共振器160之間，耦合樑180將不同品質因數串聯。每一個壓電共振器170內的聲波共振會推動相鄰的矽共振器160。耦合樑180的作用可以在共振器170與高品質因數共振器160之間傳遞聲波而呈同相或反相的共振狀態，並可控制微機電濾波器200的頻寬。由於矽對聲波的損耗小，此微機電濾波器200的結構可以得到極高的品質因數。另一方面，聲波的輸入與輸出是經由每一個壓電共振器170，所以輸入阻抗極低。因此，微機電濾波器200可以對聲波產生濾波的效果，並且同時具高品質因數與低輸入阻抗的特性。
承上述，多個耦合樑180會影響到聲波共振時的同相或反相的頻率。每一個耦合樑180的尺寸將影響微機電濾波器200的帶通頻寬。設計時，可以根據通訊系統的需求來調整耦合樑180的長度、粗細，使所設計出的振動模態配置在所要的頻段或頻寬內，即可得到適當的頻率響應。
此外，微機電濾波器200在輸入電極130一側更可包括第二壓電材料層190與第二下電極，其中第二下電極因其金屬厚度極薄在圖中並未繪示出來。第二壓電材料層190配置在輸入電極130下方，第二下電極配置在第二壓電材料層190與第一基板110之間。類似上述方式，微機電濾波器200在輸出電極140一側更可包括第三壓電材料層192與第三下電極，其中第三下電極因其金屬厚度極薄在圖中並未繪示出來。第三壓電材料層192配置在輸出電極140下方，第三下電極配置在第三壓電材料層192與第二基板120之間。第一壓電材料層174、第二壓電材料層190與第三壓電材料層192連接在一起，而形成位在同一個壓電材料層。第一、第二及第三下電極連接在一起。
值得一提的是，第一實施例的微機電濾波器100採用一個耦合樑將一個壓電共振器與一個矽共振器組合，第二實施例的微機電濾波器200採用四個耦合樑將兩個壓電共振器與三個矽共振器組合，其中矽共振器的結構是屬於高品質因數共振器。雖然上述實施例中已經對微機電濾波器描述幾個可能的型態，但所屬技術領域中具有通常知識者應當知道，本發明的設計當不限制於上述幾種可能的型態。換言之，只要是微機電濾波器透過耦合樑將壓電共振器與高品質因數共振器組合，所述高品質因數共振器本身不具有金屬且不與輸入電極或輸出電極連接，且壓電共振器的上電極與輸入電極或輸出電極連接，就已經是符合了本發明的精神所在。以下再舉幾個實施方式以便本領域具有通常知識者能夠更進一步的了解本發明的精神，並實施本發明。
第三實施例
請參看圖3，圖3是依本發明的第三實施例的微機電濾波器的立體示意圖。微機電濾波器300包括第一壓電區域310、第二壓電區域320、輸入電極330、輸出電極340、具指叉電極之壓電共振器370、不具指叉電極之壓電共振器360以及耦合樑380。壓電共振器370包括上電極352、懸掛式壓電層350以及第一下電極，其中壓電共振器370不具矽基板。因第一下電極的金屬厚度極薄，在圖中並未繪示出來。
第一壓電區域310與第二壓電區域320是同一種的材質層，分成兩塊形成平行配置並配置在SOI層390的上方，微機電濾波器300的左右兩邊各有SOI層390，因此可以做為多個懸掛式壓電層的支撐層。懸掛式壓電層350以懸掛方式連接於第一壓電區域310與第二壓電區域320之間，而形成“I”字型；類似地，不具指叉電極之壓電共振器360也以懸掛方式連接於第一壓電區域310與第二壓電區域320之間，也形成“I”字型。其中，懸掛式壓電層350與壓電共振器360形成平行配置。在懸掛式壓電層350與壓電共振器360之間以一個耦合樑380做耦合連接。每一個壓電層與耦合樑380是同一種材質的壓電層。
輸入電極330配置在第一壓電區域310上方。輸出電極340配置在第二壓電區域320上方。輸入電極330與輸出電極340的電極連接方向分別延伸至壓電共振器370的上方，而形成指叉式金屬圖案，其中輸入電極330與輸出電極340的材質為金屬，壓電共振器370可以將輸入電極330的電信號轉換為機械能並形成共振，其中機械能再被轉換為電信號而從輸出電極340傳送出去。在微機電濾波器300中的輸入電極330及輸出電極340可以形成一個輸入輸出的能量轉化界面。
上電極352配置在懸掛式壓電層350的上方。上電極352具一指叉型式金屬圖案。此指叉型式金屬圖案兩側分別與輸入電極330以及輸出電極340相連接。第一下電極配置在懸掛式壓電層350下方。圖3中，上電極352的指叉型式金屬圖案的左邊為1階、右邊為2階，該指叉型式僅是一種實施例。指叉型式金屬圖案的配置方式也可以在懸掛式壓電層350上做多階交疊變化的指叉型式，本發明並不以此為限。
懸掛式壓電層350與壓電共振器360可以為相似或相同形狀的結構。懸掛式壓電層350連接第一壓電區域310及第二壓電區域320。壓電共振器360連接第一壓電區域310及第二壓電區域320。上述各個壓電層可以為相同的壓電薄膜層。
值得一提的是，由於壓電共振器360的材質為壓電材料，且不具金屬的材質，因此壓電共振器360的結構是屬於高品質因數及高阻抗的共振器。具指叉電極之壓電共振器370因本身結構使用到金屬材料，可形成具有低品質因數及低阻抗的共振器。
壓電共振器360本身不具有金屬且不與輸入電極330或輸出電極340連接。壓電共振器370的上電極352與輸入電極330或輸出電極340連接，因此電信號可以通過輸入電極330進入壓電共振器370，並在壓電共振器370內形成聲波的共振，該聲波被轉換為電信號後再經由輸出電極340傳輸出去。壓電共振器370推動耦合樑380，再推動壓電共振器360。由於耦合樑380連接在壓電共振器370與高品質因數共振器(壓電共振器360)之間，耦合樑380帶動了兩共振器，將不同品質因數串聯。壓電共振器370內的聲波共振會推動一旁的高品質因數共振器(壓電共振器360)。耦合樑380的作用可以在共振器370與高品質因數共振器(壓電共振器360)之間傳遞聲波而呈同相或反相的共振狀態，並可控制微機電濾波器300的頻寬。由於矽對聲波的損耗小，此微機電濾波器300的結構可以得到極高的品質因數。另一方面，聲波的輸入與輸出是經由壓電共振器370，所以輸入阻抗極低。因此，微機電濾波器300可以對聲波產生濾波的效果，並且同時具高品質因數與低輸入阻抗的特性。
承上述，耦合樑380會影響聲波共振時的同相或反相的頻率。耦合樑380的尺寸將影響微機電濾波器300的帶通頻寬。設計時，可以根據通訊系統的需求來調整耦合樑380的長度、粗細，使所設計出的振動模態配置在所要的頻段或頻寬內，即可得到適當的頻率響應。
此外，微機電濾波器300在輸入電極330一側更可包括第二下電極，其中第二下電極因其金屬厚度極薄在圖中並未繪示出來。第二下電極配置在第一壓電區域310下方。第二下電極與第一下電極連接。類似上述方式，微機電濾波器300在輸出電極340一側更可包括第三下電極，其中第三下電極因其金屬厚度極薄在圖中並未繪示出來。第三下電極配置在第二壓電層320下方。第三下電極與第一下電極連接。另外，在第二、第三下電極下方可以配置SOI層390。以下再舉一實施例進行說明。
第四實施例
請參看圖4，圖4是依本發明的第四實施例的微機電濾波器的立體示意圖。微機電濾波器400的結構類似於前述的微機電濾波器300。微機電濾波器400採用多個耦合樑將多個壓電共振器與多個高品質因數共振器(壓電共振器360)組合。此微機電濾波器400包括第一壓電區域310、第二壓電區域320、輸入電極330、輸出電極340、多個具指叉電極之壓電共振器370、多個不具指叉電極之壓電共振器360以及多個耦合樑380。壓電共振器370包括上電極352、懸掛式壓電層350以及第一下電極，其中壓電共振器370不具矽基板。因第一下電極的金屬厚度極薄，在圖中並未繪示出來。
第一壓電區域310與第二壓電區域320是同一種的材質層，分成兩塊形成平行配置並配置在SOI層390的上方，微機電濾波器400的左右兩邊各有SOI層390，因此可以做為多個懸掛式壓電層的支撐層。每一個懸掛式壓電層350以懸掛方式連接於第一壓電區域310與第二壓電區域320之間，而形成“I”字型；類似地，每一個壓電共振器360也以懸掛方式連接於第一壓電區域310與第二壓電層320之間，也形成“I”字型。其中，每一個懸掛式壓電層350與每一個壓電共振器360形成平行配置。在懸掛式壓電層350與壓電共振器360之間以一個耦合樑380做耦合連接。每一個壓電層與耦合樑380是同一種材質的壓電層。
輸入電極330配置在第一壓電區域310上方。輸出電極340配置在第二壓電層320上方。輸入電極330與輸出電極340的電極連接方向分別延伸至壓電共振器370的上方，而形成指叉式金屬圖案，其中輸入電極330與輸出電極340的材質為金屬，壓電共振器370可以將輸入電極330的電信號轉換為機械能並形成共振，其中機械能再被轉換為電信號而從輸出電極340傳送出去。在微機電濾波器300中的輸入電極330及輸出電極340可以形成一個輸入輸出的能量轉化界面。
每一個壓電共振器370的上電極352具一指叉型式金屬圖案。上電極352配置在懸掛式壓電層350的上方。每一個指叉型式金屬圖案兩側分別與輸入電極330以及輸出電極340相連接。第一下電極配置在懸掛式壓電層350下方。圖4中，上電極352的指叉型式金屬圖案的左邊為1階、右邊為2階，該指叉型式僅是一種實施例。指叉型式金屬圖案的配置方式也可以在懸掛式壓電層350上做多階交疊變化的指叉型式，本發明並不以此為限。
每一個懸掛式壓電層350與每一個壓電共振器360可以為相似或相同形狀的結構。每一個懸掛式壓電層350連接第一壓電區域310及第二壓電區域320。每一個壓電共振器360連接第一壓電區域310及第二壓電區域320。上述各個壓電層可以為相同的壓電薄膜層。
值得一提的是，由於每一個壓電共振器360的材質為壓電材料，且不具金屬的材質，因此每一個壓電共振器360的結構是屬於高品質因數及高阻抗的共振器。每一個壓電共振器370因本身結構使用到金屬材料，可形成具有低品質因數及低阻抗的共振器。圖4與圖3相較之下，圖4的微機電濾波器400不但具有與圖3的微機電濾波器300相類似功效，而且更可以提高Q值。
每一個壓電共振器360本身不具有金屬且不與輸入電極330或輸出電極340連接。每一個壓電共振器370的上電極352與輸入電極330或輸出電極340連接，因此電信號可以通過輸入電極330進入壓電共振器370，並在壓電共振器370內形成聲波的共振，該聲波轉換為電信號後再經由輸出電極340傳輸出去。壓電共振器370推動耦合樑380，再推動壓電共振器360。由於耦合樑380連接在壓電共振器370與高品質因數共振器(壓電共振器360)之間，耦合樑380將不同品質因數串聯。每一個壓電共振器370內的聲波共振會推動相鄰的高品質因數共振器(壓電共振器360)。耦合樑380的作用可以在共振器370與高品質因數共振器(壓電共振器360)之間傳遞聲波而呈同相或反相的共振狀態，並可控制微機電濾波器400的頻寬。由於矽對聲波的損耗小，此微機電濾波器400的結構可以得到極高的品質因數。另一方面，聲波的輸入與輸出是經由每一個壓電共振器370，所以輸入阻抗極低。因此，微機電濾波器400可以對聲波產生濾波的效果，並且同時具高品質因數與低輸入阻抗的特性。
承上述，多個耦合樑380會影響聲波共振時的同相或反相的頻率。每一個耦合樑380的尺寸將影響微機電濾波器400的帶通頻寬。設計時，可以根據通訊系統的需求來調整耦合樑380的長度、粗細，使所設計出的振動模態配置在所要的頻段或頻寬內，即可得到適當的頻率響應。
此外，微機電濾波器400在輸入電極330一側更可包括第二下電極，其中第二下電極因其金屬厚度極薄在圖中並未繪示出來。第二下電極配置在第一壓電區域310下方。第二下電極與第一下電極連接。類似上述方式，微機電濾波器400在輸出電極340一側更可包括第三下電極，其中第三下電極因其金屬厚度極薄在圖中並未繪示出來。第三下電極配置在第二壓電層320下方。第三下電極與第一下電極連接。另外，在第二、第三下電極下方可以配置SOI層390。
值得一提的是，上述各實施例的微機電濾波器因具有比傳統濾波器高的Q值且具低輸入阻抗值，因此可應用於需高Q值的裝置，如手機、無線網路等相關無線通訊產品；或是取代現有手機使用中之體聲波共振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator)或表面聲波共振器(Surface Acoustic Wave Resonator)；或是應用在通訊系統中的阻抗匹配通訊；或可依需求選取所需的頻帶，達到通道選擇濾波器的目標，以達成無縫隙通訊系統。
由上述可知，本發明實施例的微機電濾波器將具不同Q值的共振器以機械結構方式耦合，可獲得一高品質因數及接近系統規格的帶通濾波器。故當在數十MHz至數GHz之高頻率範圍時，本發明實施例的微機電濾波器均可適用在不同頻段的通訊系統，避免了習知技術的限制且更可滿足下一代的通訊系統需求。由此可見，本發明確可提供一項具有產業利用價值的濾波器設計，已具備顯著的實用性與進步性。
綜上所述，本發明的微機電濾波器將具不同Q值的共振器以機械結構方式耦合，並選擇低品質因數及低阻抗的共振器為輸入/輸出端，可提高Q值與降低阻抗，解決現有技術瓶頸的問題。本發明的實施例至少具有以下特徵(1)可用於中頻至高頻的頻率範圍，(2)具低輸入阻抗，可與通訊系統中的阻抗匹配，以及(3)具高品質因數。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200．．．微機電濾波器
110．．．第一基板
110a、120a．．．矽層
120．．．第二基板
110b、120b．．．SOI層
130．．．輸入電極
140．．．輸出電極
150．．．第一懸掛式共振器
160．．．第二懸掛式共振器
170．．．壓電共振器
172．．．上電極
174．．．第一壓電材料層
180．．．耦合樑
190．．．第二壓電材料層
192．．．第三壓電材料層
300、400．．．微機電濾波器
310．．．第一壓電區域
320．．．第二壓電區域
330．．．輸入電極
340．．．輸出電極
350．．．懸掛式壓電層
352．．．上電極
360．．．不具指叉電極之壓電共振器
370．．．具指叉電極之壓電共振器
380．．．耦合樑
390．．．SOI層
圖1是依本發明的第一實施例的微機電濾波器的立體示意圖。
圖2是依本發明的第二實施例的微機電濾波器的立體示意圖。
圖3是依本發明的第三實施例的微機電濾波器的立體示意圖。
圖4是依本發明的第四實施例的微機電濾波器的立體示意圖。
100．．．微機電濾波器
110．．．第一基板
110a、120a．．．矽層
120．．．第二基板
110b、120b．．．SOI層
130．．．輸入電極
140．．．輸出電極
150．．．第一懸掛式共振器
160．．．第二懸掛式共振器
170．．．壓電共振器
172．．．上電極
174．．．第一壓電材料層
180．．．耦合樑
190．．．第二壓電材料層
192．．．第三壓電材料層
Claims (16)
- 一種微機電濾波器，包括：一第一基板；一第二基板；一輸入電極，所述輸入電極配置在所述第一基板上方；一輸出電極，所述輸出電極配置在所述第二基板上方；一第一懸掛式共振器，所述第一懸掛式共振器連接所述第一基板及所述第二基板；一第二懸掛式共振器，所述第二懸掛式共振器連接所述第一基板及所述第二基板，所述第二懸掛式共振器本身不具有金屬且不與所述輸入電極或所述輸出電極連接；一壓電共振器，所述壓電共振器緊密地連結在所述第一懸掛式共振器上方，所述壓電共振器的上電極具一指叉型式金屬圖案，所述指叉型式金屬圖案兩側分別與所述輸入電極、所述輸出電極連接，而配置在所述壓電共振器的上電極下方依序為一第一壓電材料層與一第一下電極；以及一耦合樑，在所述第一懸掛式共振器與所述第二懸掛式共振器之間以所述耦合樑做耦合連接，所述耦合樑用於傳遞聲波，並控制所述微機電濾波器的頻寬。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電濾波器，其中所述輸入電極與所述輸出電極的材質為金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電濾波器，其中所述第二懸掛式共振器的材質為矽或是絕緣層上有矽的半 導體材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電濾波器，其中所述第一基板及所述第二基板的材質為矽或是絕緣層上有矽的半導體材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電濾波器，其中所述耦合樑的材質為矽或是絕緣層上有矽的半導體材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電濾波器，其中所述微機電濾波器更包括一第二壓電材料層與一第二下電極，所述第二壓電材料層配置在所述輸入電極下方，所述第二下電極配置在所述第二壓電材料層與所述第一基板之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電濾波器，其中所述微機電濾波器更包括一第三壓電材料層與一第三下電極，所述第三壓電材料層配置在所述輸出電極下方，所述第三下電極配置在所述第三壓電材料層與所述第二基板之間。
- 一種微機電濾波器，包括：一第一壓電區域；一第二壓電區域；一輸入電極，所述輸入電極配置在所述第一壓電區域上方；一輸出電極，所述輸出電極配置在所述第二壓電區域上方；一第一壓電共振器，所述第一壓電共振器包括： 一上電極具一指叉型式金屬圖案，所述指叉型式金屬圖案與所述輸入電極、所述輸出電極連接；一懸掛式壓電層，配置在所述上電極的下方，所述懸掛式壓電層連接所述第一壓電區域及所述第二壓電區域；以及一第一下電極，配置在所述懸掛式壓電層下方；一第二壓電共振器，所述第二壓電共振器連接所述第一壓電區域及所述第二壓電區域，所述第二壓電共振器的材質為壓電材料且不具金屬的材質；以及一耦合樑，在所述懸掛式壓電層與所述第二壓電共振器之間以所述耦合樑做耦合連接，所述耦合樑用於傳遞聲波，並控制所述微機電濾波器的頻寬。
- 如申請專利範圍第8項所述之微機電濾波器，其中所述輸入電極與所述輸出電極的材質為金屬。
- 如申請專利範圍第8項所述之微機電濾波器，其中所述耦合樑的材質為壓電材料。
- 如申請專利範圍第8項所述之微機電濾波器，其中所述微機電濾波器更包括一第二下電極，所述第二下電極配置在所述第一壓電區域下方，所述第二下電極與所述第一下電極連接。
- 如申請專利範圍第8項所述之微機電濾波器，其中所述微機電濾波器更包括一第三下電極，所述第三下電極配置在所述第二壓電區域下方，所述第三下電極與所述第一下電極連接。
- 一種微機電濾波器，包括：一輸入電極；一輸出電極；至少一第一共振器，所述第一共振器耦接在所述輸入電極與所述輸出電極之間，其中所述第一共振器為一壓電共振器；至少一第二共振器，所述第二共振器的材質為矽、絕緣層上有矽的半導體材料或壓電材料，且所述第二共振器不具金屬的材質；以及至少一耦合樑，在所述至少一第一共振器與所述至少一第二共振器之間以所述耦合樑做耦合連接，所述耦合樑用於共振器間傳遞聲波，並控制所述微機電濾波器的頻寬。
- 如申請專利範圍第13項所述之微機電濾波器，其中所述輸入電極與所述輸出電極的材質為金屬。
- 如申請專利範圍第13項所述之微機電濾波器，其中所述耦合樑的材質為矽、絕緣層上有矽的半導體材料或壓電材料。
- 如申請專利範圍第13項所述之微機電濾波器，其中所述第一共振器包括一上電極、一壓電材料層與一下電極，其中所述上電極具一指叉型式金屬圖案，所述指叉型式金屬圖案與所述輸入電極、所述輸出電極連接，而配置在所述指叉型式金屬圖案下方依序為所述壓電材料層與所述下電極。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW099131228A TWI459630B (zh) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | 微機電濾波器 |
| US12/940,054 US8471651B2 (en) | 2010-09-15 | 2010-11-05 | Microelectromechanical filter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW099131228A TWI459630B (zh) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | 微機電濾波器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201212372A TW201212372A (en) | 2012-03-16 |
| TWI459630B true TWI459630B (zh) | 2014-11-01 |
Family
ID=45806106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW099131228A TWI459630B (zh) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | 微機電濾波器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8471651B2 (zh) |
| TW (1) | TWI459630B (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9225311B2 (en) * | 2012-02-21 | 2015-12-29 | International Business Machines Corporation | Method of manufacturing switchable filters |
| CN105871350B (zh) * | 2016-03-22 | 2019-02-15 | 电子科技大学 | 一种双窄支撑梁高品质因数的压电谐振器 |
| US10277194B2 (en) | 2017-09-15 | 2019-04-30 | Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. | Acoustic MEMs resonator and filter with fractal electrode and method for producing the same |
| CN108539334B (zh) * | 2018-04-02 | 2020-02-07 | 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司 | 一种基于多孔硅的微带硅基微波滤波器及其制造方法 |
| FI20195302A1 (en) | 2019-04-12 | 2020-10-13 | Tikitin Oy | MEMS RESONATOR |
| CN110880924A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-03-13 | 武汉大学 | 一种可调谐的薄膜体声波谐振器 |
| KR20230069710A (ko) * | 2021-11-12 | 2023-05-19 | 삼성전자주식회사 | 지향성 음향 센서 |
| TWI831407B (zh) * | 2022-10-06 | 2024-02-01 | 台灣晶技股份有限公司 | 懸吊型諧振器 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2003263841A1 (en) | 2002-08-01 | 2004-02-23 | Georgia Tech Research Corporation | Piezo electric on seminconductor on- insulator resonator |
| US7511870B2 (en) | 2004-10-18 | 2009-03-31 | Georgia Tech Research Corp. | Highly tunable low-impedance capacitive micromechanical resonators, oscillators, and processes relating thereto |
| US7492241B2 (en) | 2005-06-02 | 2009-02-17 | The Regents Of The University Of California | Contour-mode piezoelectric micromechanical resonators |
| TW200737585A (en) | 2006-03-24 | 2007-10-01 | Univ Nat Kaohsiung 1St Univ Sc | Micromechanical wave filter using free-free beam resonator |
| WO2008019179A2 (en) * | 2006-05-02 | 2008-02-14 | Cornell Research Foundation, Inc. | Mems filter with voltage tunable center frequency and bandwith |
| US7847656B2 (en) * | 2006-07-27 | 2010-12-07 | Georgia Tech Research Corporation | Monolithic thin-film piezoelectric filters |
| WO2008036830A2 (en) * | 2006-09-20 | 2008-03-27 | Trustees Of Boston University | Nano electromechanical integrated-circuit filter |
| US7639105B2 (en) * | 2007-01-19 | 2009-12-29 | Georgia Tech Research Corporation | Lithographically-defined multi-standard multi-frequency high-Q tunable micromechanical resonators |
| US7750759B1 (en) * | 2007-04-30 | 2010-07-06 | Rf Micro Devices, Inc. | Multi-mode MEMS resonator array |
-
2010
- 2010-09-15 TW TW099131228A patent/TWI459630B/zh not_active IP Right Cessation
- 2010-11-05 US US12/940,054 patent/US8471651B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20120062340A1 (en) | 2012-03-15 |
| US8471651B2 (en) | 2013-06-25 |
| TW201212372A (en) | 2012-03-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI459630B (zh) | 微機電濾波器 | |
| JP4691163B2 (ja) | 周波数可変音響薄膜共振器、フィルタ、及びそれを用いた通信装置 | |
| US11834327B2 (en) | MEMS bridge devices and methods of manufacture thereof | |
| EP1998444B1 (en) | Bulk acoustic wave device with coupled resonators | |
| JPWO2006134959A1 (ja) | 多重モード薄膜弾性波共振器フィルタ | |
| US20060164183A1 (en) | Bulk acoustic wave resonator and circuit comprising same | |
| JP5688977B2 (ja) | 誘電体導波管の入出力接続構造 | |
| EP1385189A2 (en) | Switch | |
| CN108649920A (zh) | 压电声波谐振器、压电声波滤波器、双工器及射频通信模块 | |
| CN109643982A (zh) | 弹性波装置及其制造方法 | |
| JPWO2007145127A1 (ja) | 複合共振回路 | |
| JP4629571B2 (ja) | マイクロ波回路 | |
| CN102447452A (zh) | 体声波共振组件与体声波滤波器及其方法 | |
| JP2009130478A (ja) | 圧電振動子およびその製造方法 | |
| CN110868188A (zh) | 一种基于环形电极的超高频谐振器结构 | |
| US20080284528A1 (en) | Resonator, oscillator, and communication apparatus | |
| JP2008113061A (ja) | バルク音響波共振子及びフィルタ装置並びに通信装置 | |
| US8823216B2 (en) | Signal transmission device, filter, and inter-substrate communication device | |
| CN102273073A (zh) | 滤波元件、分波器以及电子装置 | |
| CN102468817A (zh) | 微机电滤波器 | |
| JP5278519B2 (ja) | 弾性表面波フィルタ及びそれを用いた通信機器 | |
| US8957745B2 (en) | Superlattice crystal resonator and its usage as superlattice crystal filter | |
| KR101616768B1 (ko) | 너치가 형성된 유전체 도파관 필터 | |
| JP2001251102A (ja) | 薄膜共振器フィルタとその構成方法 | |
| JP2011101227A (ja) | 可変分布定数線路、可変フィルタ、および通信モジュール |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |