WO2010100148A1 - Reaktanzfilter mit steiler flanke - Google Patents

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Definitions

  • reactance filters with band-pass characteristics can be constructed.
  • SAW Surface Acoustic Wave
  • BAW Buick Acoustic Wave
  • the BAW technology offers the advantage that frequency-accurate and high-performance band-pass filters with a relatively low temperature response of the resonance frequency can be obtained. Due to the frequency accuracy of BAW filters, these are also a major use in duplexers.
  • BAW technology Another major advantage of BAW technology is the high quality of more than 1000, which can be achieved with BAW resonators. This allows very steep filter edges on BAW reactance filters. This, the low temperature response and the high frequency accuracy predestine BAW Filter for
  • Duplexer applications with a short distance between transmit and receive band include a transmit and a receive filter, which are usually constructed on separate substrates. There is often only a small band gap between the transmitting and receiving band, which is only 20 megahertz at 1.9 gigahertz center frequency, for example, in the case of the PCS mobile radio system used in the USA. G-band extenders even require duplexers whose band gap is further reduced to 15 megahertz. Such a small distance between transmitting and receiving band of less than one percent relative width requires in addition to one
  • Resonator technology with high quality and good temperature stability also a filter design, which allows steep filter edges for the two filters combined in the duplexer. It is particularly important to make the two mutually frequency-facing flanks of the two passbands steep, in order to achieve the best possible demarcation between the two passbands.
  • the necessary slope is at least 5 dB / MHz, taking into account manufacturing variations and temperature-dependent fluctuations. But even steeper flanks are desirable because it allows both the specification of the filter or duplexer and the manufacturing yield can be increased in a production-related fluctuation.
  • EP 1 407 546 A1 it is proposed to control an edge of the passband by reducing the ratio of static and dynamic capacitance in a resonator.
  • the anti-resonant frequency of the resonator is specifically increased without simultaneously changing the resonant frequency of this resonator. This reduces the coupling and the edge of the passband associated with the resonator becomes steeper.
  • piezo materials or electrode materials with a lower coupling.
  • Another possibility is to use acoustic mirrors, which can also reduce the acoustic coupling of the respective resonator.
  • Another way to make an edge steeper is to use more parallel resonators in the reactance filter, which produce more pronounced or additional zeros and thus tax the edge.
  • the disadvantage is that with this method, the ohmic losses of the reactance filter by the number of interconnected series resonators increases.
  • the parallel-connected resonators in the reactance filter can be connected in series with inductors, whereby zeros can be shifted to lower frequencies. Not only does this increase the isolation, but it also increases the bandwidth of the bandpass filter.
  • a steeper right flank of the pass band is achieved by an increased number of serial resonators whose anti-resonance influence the position of the flank and thus their steepness.
  • a disadvantage of the known solutions for improving the edge steepness is generally that they either cause higher losses or can be generated only with increased Verschaltungsungs- and manufacturing costs.
  • a further disadvantage here is that a larger chip area is necessary for more resonators on the chip. If two series resonators are added, implicitly at least one parallel resonator is also required, so that a total of three additional resonators are present.
  • the object of the present invention is therefore to specify a reactance filter with which the right flank of the pass band can be designed to be steeper.
  • a reactance filter is proposed in a ladder type or lattice arrangement known per se, which comprises at least one series branch which connects a signal input to a signal output.
  • the reactance filter also has at least one parallel branch which, in the case of a ladder type filter, branches off from the series branch to ground or connects the two serial branches present here in a lattice arrangement.
  • a parallel resonator is arranged and in each series branch, a plurality of series resonators is connected in series in this far known reactance filter arrangement.
  • a capacitor is now connected in parallel to at least one of the series resonators. This shunt capacitor increases the effective static capacitance Co of the series resonator, thereby changing the ratio of dynamic to static
  • Capacity of the resonator While the resonant frequency of the series resonator according to the formula is exclusively dependent on the dynamic capacitance Cl and the inductance of the resonator, has the antiresonant frequency f a according to the formula
  • the antiresonance frequency f a is also reduced without the position of the resonant frequency simultaneously changing. This reduces the coupling of the resonator.
  • the capacitor parallel to a series resonator may be implemented in any technology. It can be connected as an external capacitor with the resonators.
  • a reactance filter constructed of SAW single-port resonators has transducers having a capacitance.
  • An additionally produced transducer with a modified electrode finger spacing therefore makes use of single-port resonators as a capacitor in filters made of SAW.
  • BAW resonators have a structured layer structure over a substrate.
  • This layer structure comprises at least a bottom electrode, a piezoelectric layer and a top electrode.
  • An integrated capacitor produced with the resonator uses at least one of the electrode layers as a capacitor electrode.
  • the capacitor has, for example, a layer sequence of metal 1 /
  • Dielectric / metal 2 which can be realized in principle with the layer structure bottom electrode / piezoelectric layer / top electrode.
  • Dielectric / metal 2 which can be realized in principle with the layer structure bottom electrode / piezoelectric layer / top electrode.
  • further measures are required here to move the resonant frequency of the capacitor in a range which is outside the pass band of the reactance filter.
  • Another way to make the capacitor parallel to the structural units of the series resonator is to use a series resonator with an acoustic mirror, which is arranged between the substrate and the series resonator.
  • the acoustic mirror comprises a high-impedance layer formed of metal. This can be used as an electrode layer in the layer sequence for the capacitor structure.
  • a simple possibility for parallel structuring of the layer structure for the resonators and the layer sequence for the capacitor is to realize the capacitor and the resonators laterally side by side in the layer structure.
  • a resonator region can be arranged laterally next to a capacitor region for this purpose. In the resonator region, the layers and layer thicknesses are set to give the corresponding resonant frequency.
  • the layer sequence for the capacitor is designed, for example with respect to the layer thicknesses, so that the resonant frequency of the capacitor lies outside the pass band of the reactance filter.
  • Capacitor area e.g. on top of the top electrode and so to shift the resonant frequency of this capacitor in a non-critical area.
  • the bottom electrode comprises a layer of a cemented carbide and a layer of a soft metal.
  • Structuring step may then be removed in the capacitor region of one of these two layers, usually the upper sub-layer of the bottom electrode, e.g. may be formed by the hard metal.
  • the top electrode of the resonator and an electrically conductive layer of the acoustic mirror in the capacitor region as metal 1 and Metal 2 used in the layer sequence for the capacitor.
  • the bottom electrode in the capacitor region is completely removed, so that the capacitor is formed between the top electrode and the mirror layer.
  • the capacitor between the bottom electrode and a high-impedance layer of the acoustic mirror.
  • This has the advantage that the capacitor can be formed for the most part or entirely underneath the resonator without requiring additional area on the substrate.
  • Such a capacitor is therefore particularly easy to produce and does not increase the base of the device or only slightly.
  • the capacitor is connected in parallel to at least one series resonator. For this it is necessary to connect the capacitor electrodes to the corresponding resonator electrodes.
  • the top electrode is electrically conductively connected to the high impedance by means of a plated-through hole. This through-connection is preferably arranged outside the resonator region.
  • a capacitor is connected in parallel with the series resonator closest to the signal input. At least one of the other series resonators is formed without a resonator connected in parallel.
  • a parallel connected capacitance at the signal input can at many configurations make it easier to adapt to this input. For example, you need a smaller series inductance to adjust the port to 50 ohms.
  • a maximum effect with respect to a steeper upper edge is achieved when the capacitance of the capacitor is in the range between 1 and 50% and preferably in the range of 3-30% of the static capacitance of the resonator.
  • FIG. 1 shows a known reactance filter, which is constructed from resonators
  • FIG. 2 shows a reactance filter according to the invention with an external capacitance
  • FIG. 3 shows a reactance filter according to the invention with an internal capacitance
  • FIG. 4 shows a duplexer comprising a reactance filter according to the invention
  • FIG. 5 shows a capacitor realized from the layer structure of the reactance filter
  • FIG. 6 shows a series resonator followed by a capacitor in which both the acoustic mirror and the hard part of the bottom electrode have been removed
  • FIGS. 7A and 7B show, in schematic cross-section and in the equivalent circuit diagram, a series resonator with directly connected capacitor, which is formed between the top electrode, a high-impedance layer and the bottom electrode.
  • FIGS. 8A and 8B show an arrangement of a series resonator and a capacitor formed between the bottom electrode and a high impedance layer in schematic cross-section and in the block diagram
  • FIG. 9 shows the transmission curves of a reactance filter according to the invention in comparison to a known reactance filter of otherwise similar construction
  • FIG. 10 shows an exemplary layer structure for a BAW resonator, the sublayers of which can be used for the realization of resonator and capacitor.
  • Figure 1 shows a known from the prior art, formed on a chip CH as a carrier of resonators
  • FIG. 2 shows a reactance filter in which a capacitor CAP is connected in parallel to a series resonator SR. Advantages are already achieved when a single one of the series resonators SR is connected in parallel to a capacitor, wherein such a capacitor can also bridge several series resonators in parallel (not shown in the figure). At least one of the series resonators remains unchanged.
  • the resonators SR, PR can be manufactured using any technology, since the mode of operation of the capacitor connected in parallel with the series branch is an electrical one and can therefore be used for all known resonators.
  • the capacitor CAP is, for example, an external capacitor which can be connected to the reactance filter as an SMD component or an external circuit element manufactured in another technology.
  • Reactance filter and capacitor can be arranged for example on a common board. It is also possible to mount a discrete capacitor on the chip of the reactance filter. Instead of using an SMD capacitor, the capacitance may also be integrated in a multilayer board.
  • All series resonators SR and parallel resonators PR of the reactance filter can be arranged on a common substrate, which is designed, for example, as a chip CH.
  • a common substrate which is designed, for example, as a chip CH.
  • FIG. 3 shows a reactance filter in which the capacitor CAP is integrated on the chip CH of the reactance filter.
  • two of the parallel branches on or outside the chip can be connected to form a common branch and connected to ground by means of an impedance element IE, in particular an inductance. In this way, it is possible to move the poles of the reactance filter generated with the parallel resonators.
  • FIG. 4 shows an advantageous application for a reactance filter according to the invention. Due to its steep upper edge, this reactance filter can be used in particular in a duplexer to form the transmission filter SF.
  • the upper edge of the passband of the transmission filter points to the lower edge of the passband of the reception filter EF, so that the two filters of the duplexer are better insulated from each other by the steeper upper edge of the passband of the transmission filter SF.
  • Both filters are connected to the antenna A.
  • a matching network for example, a quarter-wave transmission line, which prevents, for example, coupling the transmission signal from the signal output of the transmission filter SF in the reception filter EF.
  • FIG. 5 shows how a layer structure, which is typically used for the production of BAW resonators, can be produced according to the invention and in a simple manner for the production of the capacitor by means of process steps which are also used for the production of BAW resonators. Therefore, it is possible to integrate the production of the capacitor CAP in BAW resonators in a simple manner in the manufacturing process of the BAW resonators.
  • Such a layer structure comprises, for example, a substrate SU, a first metal layer Ml, which represents the bottom electrode of the BAW resonators, a dielectric D, which the may be piezoelectric layer in the layer structure of the BAW resonators, and a second metal layer M2, to which the top electrode may be used.
  • the capacitor CAP formed from the layer sequence first metal Ml / dielectric D / second metal M2 is connected via corresponding connections Tl, T2.
  • the e.g. directly on the substrate or on an insulating layer applied thereto above first metal layer can be connected through a via DK through the dielectric.
  • a further metal may be applied locally to the first metal layer M1 in the area of the via, here in particular a hard metal layer HM.
  • the capacitor shown in FIG. 5 can be realized at any point on the substrate of a BAW resonator or on the substrate of a reactance filter constructed from BAW resonators.
  • the capacitor CAP can be realized off the resonator region.
  • FIG. 6 shows one possibility, by appropriate structuring of the bottom electrode BE between the region of the serial Resonator SR (resonator area) and the range of the capacitor CAP (capacitor area) to distinguish.
  • the bottom electrode comprises two metal layers, namely a lower soft metal layer WM and a carbide layer HM arranged above it.
  • a lower soft metal layer WM By removing the hard metal layer HM in the capacitor region KB, it is possible to form it with resonance properties other than the resonator region RB, so that a resonant frequency different from the series resonator is achieved in the capacitor. Therefore, the capacitor CAP in the range of the center frequency of the reactance filter acts solely on its capacity and therefore not as a resonator, since its resonant frequency is outside of the relevant for the pass band of the reactance filter frequencies.
  • the soft metal layer the
  • Part of the bottom electrode BE is used as the first metal layer Ml of the capacitor and the top electrode TE as the second metal layer M2 of the capacitor.
  • the piezoelectric layer PS of the series resonator or the BAW layer structure acts as a dielectric in the capacitor region KB.
  • the layer thickness of the dielectric D of the piezoelectric layer PS in the capacitor region KB can be changed and, in particular, reduced.
  • an acoustic mirror AS is shown, which is arranged below the bottom electrode BE.
  • This comprises alternately low and high impedance layers HI, which consist of corresponding materials with high and low acoustic impedance are made.
  • the high-impedance layers HI are made of a heavy metal and are therefore electrically conductive.
  • the intermediate low-impedance layer is usually a dielectric and in particular an oxide used.
  • the sublayers of the acoustic mirror AS can be lambda quarter layers of a given wavelength, so that acoustic waves in the range of this wavelength can be reflected back into the resonator at the interfaces between the sublayers.
  • FIG. 6 shows that the acoustic mirror extends only over the resonator region RB, or that the high-impedance layers HI are recessed in the capacitor region KB.
  • the acoustic mirror is arranged over the entire surface and thus also in the condenser region.
  • FIG. 7A shows a possibility of forming the capacitor region between the top electrode TE and one of the high-impedance layers HI of the acoustic mirror AS.
  • the bottom electrode is removed in the capacitor region KB, so that top electrode and high impedance layer HII are separated only by the piezoelectric layer PS and the dielectric D of the acoustic mirror AS.
  • This embodiment has the advantage that a further capacitor CAP2 is formed between the high-impedance layer HI1 and the bottom electrode BE, which is connected in series with the first capacitor CAP1 in the capacitor region KB.
  • FIG. 7B shows this An equivalent circuit diagram of the arrangement shown in cross-section in FIG. 7A, which in turn represents only a part of a reactance filter according to the invention, as shown, for example, in one of FIGS. 2 to 4.
  • FIG. 8A shows a further possibility of realizing the capacitor in the layer structure of a BAW resonator.
  • the capacitor CAP is formed between the high-impedance layer HI of the acoustic mirror and the bottom electrode BE of the series resonator SR.
  • the capacitor is arranged directly below the series resonator and requires no additional area.
  • only one plated-through hole DK for electrically connecting the high-impedance layer HI is made, thereby electrically contacting the second electrode of the capacitor.
  • This design is particularly space-saving and requires only a small structuring effort to produce.
  • the top electrode is electrically conductively connected to the high-impedance layer HI.
  • Figure 8B shows the equivalent circuit diagram of the arrangement, which in turn forms part of a block diagram of a reactance filter according to the invention, as e.g. in one of Figures 2 to 4 is shown.
  • FIG. 9 compares the simulated transmission curve K1 (S21) of a reactance filter designed according to FIG. 3 with the simulated transmission curve K2 of a known reactance filter designed according to FIG.
  • the capacitor of the reactance filter according to the invention has a capacitance of 0.32 pF, while the static capacitance of the series resonator is about 1.2 pF. It can be seen that the right flank of the passband in the reactance filter according to the invention is taxed by approximately 0.7 dB / MHz.
  • the slope of the curve K1 is 4.7 dB / MHz, the slope of the curve K2 of the known filter is 4.0 dB / MHz. In the remaining area of the passband both curves are almost congruent. This shows that the additional capacitance CAP, which is connected in parallel with the series resonator, does not affect other filter characteristics, or does so only marginally.
  • FIG. 10 shows again schematically a possible complete layer structure SAB, as it can be used in the production of BAW resonators.
  • the substrate SU is usually a crystalline material, in particular a silicon wafer.
  • an acoustic mirror AS is constructed directly above the substrate SU, which comprises an alternating sequence of high impedance layers HI and low impedance layers LI.
  • a sufficiently functional acoustic mirror AS is obtained with two pairs of high-impedance and low-impedance layers.
  • heavy metals such as tungsten, platinum or molybdenum are used as high-impedance layers, while the low-impedance layers may usually be an oxide used in semiconductor technology, in particular silicon oxide, for production-related reasons.
  • the bottom electrode BE is arranged.
  • This may be multi-layered and in particular have a soft metal layer WM and above a hard metal layer HM.
  • a soft metal for example, aluminum is suitable, as carbide HM, however, again molybdenum and tungsten.
  • the piezoelectric layer PS is arranged. This is usually homogeneous and advantageously constructed of a piezoelectric material such as aluminum nitride, zinc oxide or similar materials.
  • the top electrode TE is applied, which may be one or more layers.
  • the top electrode TE is an aluminum layer. However, like the bottom electrode, it can also be formed from a heavy metal.
  • any two electrically conductive layers can now be used to construct the capacitor CAP used according to the invention.
  • two electrically conductive layers are used, which in the layer structure SAB have only a small distance from each other.
  • the adjustment of the capacitance of the capacitor CAP succeeds by appropriate structuring of one of the two electrically conductive layers (electrode or mirror layers) used for the capacitor. If partial layers of the resonator such as top electrode, piezoelectric layer and bottom electrode are used for the capacitor CAP, this layer structure in the capacitor region KB is varied with respect to at least one of the layers in order to shift the resonance frequency accordingly. This can also be the top electrode TE.
  • the reactance filter according to the invention is not limited to the illustrated embodiments.
  • the invention is technology-independent, but is advantageously realized with BAW resonators and in the layer structure of the BAW resonators integrated capacitor.
  • a filter according to the invention may differ from the illustrated reactance filters with regard to the number of series resonators, the parallel resonators and the parallel-connected
  • the reactance filter can be connected to further impedance elements, in particular with inductances or capacitances.
  • Parts of Resonators of a reactance filter according to the invention may be replaced by other impedance elements.
  • individual elements such as resonators can also be replaced by a series or parallel connection of two or more similar elements, without thereby impairing the properties of the filter.
  • the reactance filter can also be constructed on membrane-based BAW resonators. In this case there is no acoustic mirror, but the frequency shift of the
  • Capacitor region can be accomplished as previously described by etching or thinning the bottom hard electrode layer. Alternatively, an additional layer can be deposited on the top electrode in the capacitor region.

Abstract

In einem an sich bekannten Reaktanzfilter in Ladder Type-oder Lattice-Anordnung wird vorgeschlagen, die obere Flanke des Passbandes mittels eines Kondensators zu versteilern, der parallel zu zumindest einem der Serienresonatoren des Reaktanzfilters geschaltet ist. Vorteilhafte Anwendung kann ein solches Reaktanzfilter als Sendefilter in einem Duplexer finden. Der Kondensator kann integriert auf dem Bauelementchip des Reaktanzfilters hergestellt werden, wobei insbesondere zur Herstellung von Resonatoren und Kondensator die gleichen Verfahrensschritte und der gleiche Schichtaufbau genutzt werden können.

Description

Beschreibung
Reaktanzfilter mit steiler Flanke
Aus einer leiterähnlicher Verschaltung von Impedanzelementen und insbesondere von Resonatoren zu so genannten Ladder Typeoder Lattice-Anordnungen lassen sich Reaktanzfilter mit Bandpasscharakter konstruieren. Aus der EP 1196 991 Al ist beispielsweise ein Ladder Type-Filter bekannt, welches aus akustischen Eintorresonatoren in SAW Technik (SAW = Surface Acoustic Wave) aufgebaut ist. Der Vorteil eines solchen Reaktanzfilters ist es, dass durch die Anzahl und Art der verwendeten Elemente die Filtereigenschaften eingestellt und insbesondere die Sperrbereichsunterdrückung verbessert werden kann.
Ein aus BAW Resonatoren (BAW = BuIk Acoustic Wave) aufgebautes Reaktanzfilter in Ladder Type-Anordnung ist beispielsweise aus der EP 1407 546 Al bekannt. Die BAW- Technologie bietet dabei den Vorteil, dass frequenzgenaue und leistungsfeste Bandpassfilter mit einem relativ geringen Temperaturgang der Resonanzfrequenz erhalten werden können. Aufgrund der Frequenzgenauigkeit von BAW-Filtern finden diese auch eine Hauptverwendung in Duplexern.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der BAW Technologie sind die hohen Güte größer 1000, die mit BAW Resonatoren erreicht werden können. Das erlaubt sehr steile Filterflanken bei BAW Reaktanzfiltern. Dies, der geringe Temperaturgang und die hohe Frequenzgenauigkeit prädestinieren BAW Filter für
Duplexer-Anwendungen mit geringem Abstand zwischen Sende- und Empfangsband . Ein Duplexer umfasst ein Sende- und ein Empfangsfilter, die üblicherweise auf getrennten Substraten aufgebaut sind. Zwischen Sende- und Empfangsband liegt ein oft nur geringer Bandabstand, der beispielsweise bei dem in den USA verwendeten PCS-Mobilfunksystem lediglich 20 Megahertz bei 1,9 Gigahertz Mittenfrequenz beträgt. Filter mit G-Band- erweiterung erfordern sogar Duplexer, deren Bandabstand weiter auf 15 Megahertz reduziert ist. Ein solch geringer Abstand zwischen Sende- und Empfangsband von weniger als einem Prozent relativer Breite erfordert neben einer
Resonatortechnologie mit hohen Güten und guter Temperaturstabilität auch ein Filterdesign, welches steile Filterflanken für die beiden im Duplexer vereinten Filter ermöglicht. Besonders wichtig ist es, die beiden einander frequenzmäßig zugewandt Flanken der beiden Passbänder steil zu gestalten, um eine möglichst gute Abgrenzung zwischen den beiden Passbändern zu erzielen. Für den genannten G-Band- Duplexer liegt die notwendige Flankensteilheit unter Berücksichtigung von Fertigungsstreuungen und temperaturabhängigen Schwankungen bei mindestens 5 dB/MHz. Es sind aber noch steilere Flanken wünschenswert, da damit sowohl die Spezifikation der Filter beziehungsweise Duplexer als auch die Fertigungsausbeute bei einer fertigungsbedingten Schwankung erhöht werden kann.
In der bereits genannten EP 1 407 546 Al wird vorgeschlagen, eine Flanke des Passbandes dadurch zu versteuern, dass in einem Resonator das Verhältnis aus statischer und dynamischer Kapazität reduziert wird. So wird die Antiresonanzfrequenz des Resonators gezielt erhöht ohne dabei gleichzeitig die Resonanzfrequenz dieses Resonators zu verändern. Damit erniedrigt sich die Kopplung und die dem Resonator zugeordnete Flanke des Passbandes wird steiler. Zur Realisierung wird vorgeschlagen, Piezomaterialien oder Elektrodenmaterialien mit geringerer Kopplung einzusetzen. Als weitere Möglichkeit wird vorgeschlagen, akustische Spiegel zu verwenden, die ebenfalls die akustische Kopplung des jeweiligen Resonators erniedrigen können.
Eine weitere Möglichkeit, eine Flanke steiler zu gestalten besteht darin, im Reaktanzfilter mehr parallele Resonatoren einzusetzen, die ausgeprägtere oder zusätzliche Nullstellen erzeugen und damit auch die Flanke versteuern. Nachteilig ist jedoch, dass mit dieser Methode auch die ohmschen Verluste des Reaktanzfilters durch die Anzahl der miteinander verschalteten Serienresonatoren ansteigt. Weiter können die parallel geschalteten Resonatoren im Reaktanzfilter mit Induktivitäten in Serie geschaltet werden, wobei Nullstellen zu tieferen Frequenzen verschoben werden können. Dies bewirkt nicht nur eine Erhöhung der Isolation, sondern auch eine höhere Bandbreite des Bandpassfilters. Eine steilere rechte Flanke des Passbandes wird durch eine erhöhte Anzahl serieller Resonatoren erreicht, deren Antiresonanz die Lage der Flanke und damit deren Steilheit beeinflussen.
Nachteilig an den bekannten Lösungen zur Verbesserung der Flankensteilheit ist allgemein, dass sie entweder höhere Verluste bewirken oder nur mit erhöhtem Verschaltungs- und Herstellungsaufwand erzeugt werden können. Ein weiter Nachteil ist hier, dass für mehr Resonatoren auf dem Chip auch eine größere Chipfläche notwendig ist. Fügt man zwei Serienresonatoren hinzu, ist implizit auch mindestens ein Parallelresonator mehr erforderlich, so dass insgesamt drei zusätzliche Resonatoren vorhanden sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Reaktanzfilter anzugeben, mit dem gezielt die rechte Flanke des Passbandes steiler gestaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Reaktanzfilter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor .
Es wird ein Reaktanzfilter in an sich bekannter Ladder Type oder Lattice-Anordnung vorgeschlagen, welches zumindest einen Serienzweig umfasst, der einen Signaleingang mit einem Signalausgang verbindet. Das Reaktanzfilter weist außerdem zumindest einen Parallelzweig auf, der bei einem Ladder Type- Filter vom Serienzweig gegen Masse abzweigt beziehungsweise in einer Lattice-Anordnung die hier vorhandenen zwei seriellen Zweige miteinander verbindet. In jedem Parallelzweig ist ein Parallelresonator angeordnet und in jedem Serienzweig ist in dieser soweit bekannten Reaktanzfilteranordnung eine Mehrzahl von Serienresonatoren seriell verschaltet. Erfindungsgemäß ist nun parallel zu zumindest einem der Serienresonatoren ein Kondensator geschaltet. Dieser Parallelkondensator erhöht die wirksame statische Kapazität Co des Serienresonators und verändert dadurch das Verhältnis von dynamischer zu statischer
Kapazität des Resonators. Während die Resonanzfrequenz des Serienresonators gemäß der Formel
Figure imgf000005_0001
ausschließlich von der dynamischen Kapazität Cl und der Induktivität des Resonators abhängig ist, weist die Antiresonanzfrequenz fa gemäß der Formel
Figure imgf000006_0001
zusätzlich eine Abhängigkeit von dem genannten Verhältnis aus dynamischer zu statischer Kapazität auf. Mit der erfindungs- gemäß erhöhten statischen Kapazität verringert sich auch die Antiresonanzfrequenz fa, ohne dass sich dabei gleichzeitig die Lage der Resonanzfrequenz verändert. Damit reduziert sich die Kopplung des Resonators.
Da die Antiresonanzfrequenz fa der Serienresonatoren, direkt die Position des rechten Filterpols (engl.: notch) bestimmt, bewirkt diese reduzierte Kopplung eine Verschiebung des Pols nach links zu niedrigeren Frequenzen, selbst wenn die Kopplungsreduktion an nur einem oder jedenfalls an nicht allen Serienresonatoren vorgenommen wird. Die Breite des
Passbandes bleibt nahezu unverändert, da zumindest einer der Serienresonatoren, nicht aber alle Serienresonatoren einen parallel geschalteten Kondensator aufweisen. Effektiv wird dadurch die Steilheit der rechten Passbandflanke erhöht, ohne nennenswerte Einbußen bei der Bandbreite hinnehmen zu müssen. Mit der angegebenen Reaktanzfilteranordnung gelingt es, die Flankensteilheit um beispielsweise 1 dB/MHz zu erhöhen.
Der zu einem Serienresonator parallele Kondensator kann in einer beliebigen Technologie ausgeführt sein. Er kann als externer Kondensator mit den Resonatoren verschaltet werden.
Vorteilhaft ist es jedoch, den Kondensator integriert mit dem Reaktanzfilter herzustellen und dazu insbesondere gemeinsame Fertigungsschritte zu verwenden. Vorteilhaft ist es also, den Kondensator parallel zu dem oder den Resonatoren herzustellen . Ein aus SAW Eintorresonatoren aufgebautes Reaktanzfilter besitzt Wandler, die eine Kapazität aufweisen. Ein zusätzlich erzeugter Wandler mit verändertem Elektrodenfingerabstand lässt daher bei Filtern aus SAW Eintorresonatoren als Kondensator nutzen.
Besonders vorteilhaft ist es aus den bereits erwähnten Gründen, ein Reaktanzfilter aus BAW-Resonatoren auszubilden. Diese weisen einen strukturierten Schichtaufbau über einem Substrat auf. Dieser Schichtaufbau umfasst zumindest eine Bottomelektrode, eine piezoelektrische Schicht und eine Topelektrode. Ein integriert mit dem Resonator hergestellter Kondensator nutzt dabei zumindest eine der Elektrodenschichten als eine Kondensatorelektrode. Der Kondensator weist beispielsweise eine Schichtfolge Metall 1/
Dielektrikum/ Metall 2 auf, welche sich prinzipiell mit dem Schichtaufbau Bottomelektrode/piezoelektrische Schicht/ Topelektrode realisieren lässt. Damit ein solcher Kondensator jedoch nicht ebenfalls als Resonator wirksam ist, sind hier jedoch weitere Maßnahmen erforderlich, um die Resonanzfrequenz des Kondensators in einen Bereich zu verschieben, der außerhalb des Passbandes des Reaktanzfilters liegt.
Eine weitere Möglichkeit, den Kondensator parallel zu den Struktureinheiten des Serienresonators herzustellen besteht darin, einen Serienresonator mit einem akustischen Spiegel zu verwenden, der zwischen Substrat und Serienresonator angeordnet ist. Der akustische Spiegel umfasst eine Hochimpedanzschicht, die aus Metall ausgebildet ist. Diese kann als eine Elektrodenschicht in der Schichtfolge für den Kondensatoraufbau verwendet werden. Eine einfache Möglichkeit zur parallelen Strukturierung des Schichtaufbaus für die Resonatoren und der Schichtfolge für den Kondensator besteht darin, den Kondensator und die Resonatoren lateral nebeneinander in dem Schichtaufbau zu realisieren. Insbesondere kann dazu ein Resonatorbereich lateral neben einem Kondensatorbereich angeordnet sein. Im Resonatorbereich sind die Schichten und Schichtdicken so eingestellt, dass sie die entsprechende Resonanzfrequenz ergeben. Im lateral dazu angeordneten Kondensatorbereich hingegen wird die Schichtfolge für den Kondensator z.B. bezüglich der Schichtdicken so gestaltet, dass die Resonanzfrequenz des Kondensators außerhalb des Passbandes des Reaktanzfilters liegt. Möglich ist es jedoch auch, im Kondensatorbereich einzelne Schichten des Resonatorbereichs weg zulassen oder andere Schichten ausschließlich im
Kondensatorbereich, z.B. oben auf die Topelektrode aufzubringen und so die Resonanzfrequenz dieses Kondensators in einen unkritischen Bereich zu verschieben.
Eine Möglichkeit, die Schichtfolge so zu verändern, dass sich die Resonanzfrequenz im Kondensatorbereich verschiebt, besteht darin, die Schichtdicke der Bottomelektrode im Kondensatorbereich zu verändern. Üblicherweise umfasst die Bottomelektrode eine Schicht eines Hartmetalls und eine Schicht eines Weichmetalls. Durch einen zusätzlichen
Strukturierungsschritt kann dann im Kondensatorbereich eine dieser beiden Schichten entfernt werden, üblicherweise die obere Teilschicht der Bottomelektrode, die z.B. durch das Hartmetall gebildet sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführung werden die Topelektrode des Resonators und eine elektrisch leitfähige Schicht des akustischen Spiegels im Kondensatorbereich als Metall 1 und Metall 2 in der Schichtfolge für den Kondensator verwendet. Dazu wird die Bottomelektrode im Kondensatorbereich vollständig entfernt, so dass der Kondensator zwischen der Topelektrode und der Spiegelschicht gebildet ist.
Möglich ist es jedoch auch, den Kondensator zwischen Bottomelektrode und einer Hochimpedanzschicht des akustischen Spiegels auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass der Kondensator zum größten Teil oder gänzlich unterhalb des Resonators ausgebildet werden kann, ohne auf dem Substrat zusätzliche Fläche zu benötigen. Ein solcher Kondensator ist daher besonders einfach herstellbar und erhöht die Grundfläche des Bauelements nicht oder nur unwesentlich.
Im Reaktanzfilter ist der Kondensator parallel zu zumindest einem Serienresonator geschaltet. Dazu ist es erforderlich, die Kondensatorelektroden mit den entsprechenden Resonatorelektroden zu verbinden. Im Fall des Kondensators, der zwischen Bottomelektrode und Hochimpedanzschicht im akusti- sehen Spiegel ausgebildet ist, wird dazu die Topelektrode mit der Hochimpedanz mittels einer Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden. Diese Durchkontaktierung ist vorzugsweise außerhalb des Resonatorbereichs angeordnet.
Vorteilhaft sind auch alle anderen Anordnungen, bei denen sich Kondensatorbereich und Resonatorbereich zumindest teilweise überlappen.
In einer bevorzugten Ausführung ist ein Kondensator parallel zu dem Serienresonator geschaltet, der dem Signaleingang am nächsten liegt. Zumindest einer der übrigen Serienresonatoren ist ohne parallel geschalteten Resonator ausgebildet. Eine parallel geschaltete Kapazität am Signaleingang kann bei vielen Konfigurationen die Anpassung an diesem Eingang erleichtern. Man braucht dann zum Beispiel eine kleinere Serieninduktivität um den Port an 50 Ohm anzupassen.
Bei einem erfindungsgemäßen Reaktanzfilter wird ein maximaler Effekt bezüglich einer steileren oberen Flanke erzielt, wenn die Kapazität des Kondensators im Bereich zwischen 1 und 50% und bevorzugt im Bereich von 3-30% der statischen Kapazität des Resonators liegt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Ebenso können einzelne Teile in der Größe verändert dargestellt sein, so dass den Figuren auch keine relativen Größenverhältnisse zu entnehmen sind.
Figur 1 zeigt ein an sich bekanntes Reaktanzfilter, welches aus Resonatoren aufgebaut ist,
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter mit einer externen Kapazität,
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter mit einer internen Kapazität,
Figur 4 zeigt einen Duplexer, der ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter umfasst,
Figur 5 zeigt einen aus dem Schichtaufbau des Reaktanzfilters realisierten Kondensator, Figur 6 zeigt einen Serienresonator mit daran anschließendem Kondensator, bei dem sowohl der akustische Spiegel als auch der harte Teil der Bottomelektrode entfernt wurden,
Figuren 7A und 7B zeigen im schematischen Querschnitt und im Ersatzschaltbild einen Serienresonator mit direkt verschaltetem Kondensator, der zwischen der Topelektrode , einer Hochimpedanzschicht und der Bottomelektrode ausgebildet ist,
Figuren 8A und 8B zeigen eine Anordnung aus Serienresonator und einem zwischen der Bottomelektrode und einer Hochimpedanzschicht ausgebildeten Kondensator im schematischen Querschnitt und im Blockschaltbild,
Figur 9 zeigt die Übertragungskurven eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters im Vergleich zu einem bekannten ansonsten gleichartig aufgebauten Reaktanzfilter,
Figur 10 zeigt einen beispielhaften Schichtaufbau für einen BAW-Resonator, dessen Teilschichten zur Realisierung von Resonator und Kondensator verwendet werden kann.
Figur 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes, auf einem Chip CH als Träger aus Resonatoren ausgebildetes
Reaktanzfilter mit Ladder Type-Aufbau. Zwischen einem Signaleingang SE und einem Signalausgang SA ist ein Serienzweig SZ geschaltet. Von Knotenpunkten des Serienzweiges abgehend sind hier drei Parallelzweige PZ gegen ein Festpotenzial und insbesondere gegen Masse geschaltet. In jedem der Parallelzweige PZ ist ein Parallelresonator PR angeordnet. Der Serienzweig SZ umfasst eine Serienverschaltung von Serienresonatoren SR. Figur 2 zeigt ein Reaktanzfilter, bei dem parallel zu einem Serienresonator SR ein Kondensator CAP geschaltet ist. Vorteile werden bereits erzielt, wenn ein einziger der Serienresonatoren SR parallel zu einem Kondensator geschaltet ist, wobei ein solcher Kondensator auch mehrere Serienresonatoren parallel überbrücken kann (in der Figur nicht dargestellt) . Zumindest einer der Serienresonatoren bleibt demgegenüber unverändert .
Die Resonatoren SR, PR können in einer beliebigen Technologie gefertigt sein, da die Wirkungsweise des parallel zum Serienzweig geschalteten Kondensators eine elektrische ist und sich daher für alle bekannten Resonatoren anwenden lässt. Der Kondensator CAP ist wie in Figur 2 dargestellt beispiels- weise ein externer Kondensator, der als SMD Bauelement oder in anderer Technologie gefertigtes externes Schaltungselement mit dem Reaktanzfilter verschaltet sein kann. Reaktanzfilter und Kondensator können beispielsweise auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sein. Möglich ist es auch, einen diskreten Kondensator auf dem Chip des Reaktanzfilters zu montieren. Anstelle einen SMD Kondensator zu verwenden, kann die Kapazität auch in einer mehrlagigen Platine integriert sein.
Sämtliche Serienresonatoren SR und Parallelresonatoren PR des Reaktanzfilters können auf einem gemeinsamen Substrat, welcher beispielsweise als Chip CH ausgebildet ist, angeordnet sein. Wegen der unterschiedlichen Frequenzlage von Serienresonatoren und Parallelresonatoren kann es jedoch auch vorteilhaft sein, Serienresonatoren und Parallelresonatoren auf unterschiedlichen Substraten oder Chips zu realisieren.
Figur 3 zeigt ein Reaktanzfilter, bei dem der Kondensator CAP auf dem Chip CH des Reaktanzfilters integriert ist. Zusatz- lieh ist angedeutet, dass zwei der Parallelzweige auf oder außerhalb des Chips zu einem gemeinsamen Zweig verbunden und mittels eines Impedanzelements IE, insbesondere einer Induktivität mit Masse verschaltet werden können. Auf diese Weise gelingt es, die mit den Parallelresonatoren erzeugten Polstellen des Reaktanzfilters zu verschieben.
Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Anwendung für ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter. Aufgrund dessen steiler oberer Flanke kann dieses Reaktanzfilter insbesondere in einem Duplexer zur Ausbildung des Sendefilters SF eingesetzt werden. Die obere Flanke des Passbandes des Sendefilters weist zu der unteren Flanke des Passbandes des Empfangsfilters EF, so dass die beiden Filter des Duplexers durch die steilere obere Flanke des Passbandes des Sendefilters SF besser gegeneinander isoliert sind. Beide Filter sind mit der Antenne A verbunden. Nicht dargestellt ist ein Anpassnetzwerk, beispielsweise eine Lambdavierteltransmissionsleitung, mit der verhindert wird, dass beispielsweise Sendesignal vom Signalausgang des Sendefilters SF in das Empfangsfilter EF einkoppeln.
Figur 5 zeigt, wie ein Schichtaufbau, der typischerweise zur Herstellung von BAW-Resonatoren genutzt wird, erfindungsgemäß und in einfacher Weise auch zur Herstellung des Kondensators mittels Prozessschritten gefertigt werden kann, die auch zur Herstellung von BAW-Resonatoren eingesetzt werden. Daher ist es möglich, bei BAW-Resonatoren die Herstellung des Kondensators CAP in einfacher Weise in den Fertigungsprozess der BAW- Resonatoren zu integrieren.
Ein solcher Schichtaufbau umfasst beispielsweise ein Substrat SU, eine erste Metallschicht Ml, die die Bottomelektrode der BAW-Resonatoren darstellt, ein Dielektrikum D, welches die piezoelektrische Schicht im Schichtaufbau der BAW-Resonatoren sein kann, sowie eine zweite Metallschicht M2, wozu die Topelektrode verwendet werden kann.
Der aus der Schichtfolge erstes Metall Ml/Dielektrikum D/zweites Metall M2 gebildete Kondensator CAP wird über entsprechende Anschlüsse Tl, T2 angeschlossen. Die z.B. direkt auf dem Substrat oder auf einer darüber aufgebrachten Isolationsschicht aufliegende erste Metallschicht kann über eine Durchkontaktierung DK durch das Dielektrikum hindurch angeschlossen werden. Zur besseren Verbindung mit dem Elektrodenmaterial kann im Bereich der Durchkontaktierung lokal ein weiteres Metall auf der ersten Metallschicht Ml aufgebracht sein, hier insbesondere eine Hartmetallschicht HM. Mittels dieser Durchkontaktierung DK ist es möglich, beide Anschlüsse des Kondensators CAP auf der Oberfläche des Schichtaufbaus vorzusehen, wo sie besonders einfach angeschlossen oder mit einer externen Schaltungsumgebung verbunden werden können.
Der in der Figur 5 dargestellte Kondensator kann an einer beliebigen Stelle auf dem Substrat eines BAW-Resonators beziehungsweise auf dem Substrat eines aus BAW-Resonatoren aufgebauten Reaktanzfilters realisiert sein. In der darge- stellten Form kann der Kondensator CAP abseits des Resonatorbereichs realisiert sein.
Vorteilhaft ist es jedoch, den Kondensator CAP unmittelbar an einem Resonator anschließend und insbesondere anschließend an den mit ihm verbundenen Serienresonator SR auszubilden. Figur 6 zeigt eine Möglichkeit, durch entsprechende Strukturierung der Bottomelektrode BE zwischen dem Bereich des Serien- resonator SR (Resonatorbereich) und dem Bereich des Kondensators CAP (Kondensatorbereich) zu unterscheiden.
Die Bottomelektrode umfasst zwei Metallschichten, nämlich eine untere Weichmetallschicht WM und eine darüber angeordnete Hartmetallschicht HM. Durch Entfernen der Hartmetallschicht HM im Kondensatorbereich KB gelingt es, diesen mit anderen Resonanzeigenschaften als den Resonatorbereich RB auszubilden, so dass im Kondensator eine vom Serienresonator unterschiedliche Resonanzfrequenz erzielt wird. Daher wirkt der Kondensator CAP im Bereich der Mittenfrequenz des Reaktanzfilters ausschließlich über seine Kapazität und daher nicht als Resonator, da seine Resonanzfrequenz außerhalb der für das Passband des Reaktanzfilters maßgeblichen Frequenzen liegt. Bei diesem Aufbau kann die Weichmetallschicht, die
Teil der Bottomelektrode BE ist, als erste Metallschicht Ml des Kondensators und die Topelektrode TE als zweite Metallschicht M2 des Kondensators eingesetzt werden. Die piezoelektrische Schicht PS des Serienresonators beziehungs- weise des BAW-Schichtaufbaus wirkt im Kondensatorbereich KB als Dielektrikum.
Natürlich ist es auch mit anderen Mitteln möglich, im Kondensatorbereich KB eine Resonanz zu vermeiden, die im Bereich des Passbandes des Reaktanzfilters liegt. So kann insbesondere die Schichtdicke des Dielektrikums D der piezoelektrischen Schicht PS im Kondensatorbereich KB verändert und insbesondere reduziert werden.
In der Figur ist außerdem ein akustischer Spiegel AS dargestellt, der unterhalb der Bottomelektrode BE angeordnet ist. Dieser umfasst alternierend aus Nieder- und Hochimpedanzschichten HI, die aus entsprechenden Materialien mit hoher und niedriger akustischer Impedanz gefertigt sind. Insbesondere bestehen die Hochimpedanzschichten HI aus einem schweren Metall und sind daher elektrisch leitend. Als dazwischen liegende Niederimpedanzschicht ist üblicherweise ein Dielektrikum und insbesondere ein Oxid eingesetzt. Die Teilschichten des akustischen Spiegels AS können Lambdaviertel- schichten einer gegebenen Wellenlänge sein, so dass an den Grenzflächen zwischen den Teilschichten akustische Wellen im Bereich dieser Wellenlänge in den Resonator zurück reflektiert werden können.
In der Figur 6 ist dargestellt, dass der akustische Spiegel sich nur über den Resonatorbereich RB erstreckt, beziehungsweise dass die Hochimpedanzschichten HI im Kondensatorbereich KB ausgespart sind. Für diese Ausführung ist es jedoch auch möglich, dass der akustische Spiegel ganzflächig und damit auch im Kondensatorbereich angeordnet ist.
Figur 7A zeigt eine Möglichkeit, den Kondensatorbereich zwischen der Topelektrode TE und einer der Hochimpedanzschichten HI des akustischen Spiegels AS auszubilden. Dazu ist im Kondensatorbereich KB die Bottomelektrode entfernt, so dass Topelektrode und Hochimpedanzschicht HIl nur durch die piezoelektrische Schicht PS und das Dielektrikum D des akustischen Spiegels AS getrennt sind. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sich zwischen der Hochimpedanzschicht HIl und der Bottomelektrode BE ein weiterer Kondensator CAP2 ausbildet, der mit dem ersten Kondensator CAPl im Kondensatorbereich KB in Serie geschaltet ist. Auf diese Weise kann eine direkte Kontaktierung der Hochimpedanzschicht HIl eingespart werden, da die Hochimpedanzschicht HIl eine floatende Elektrode in der Serienverschaltung der beiden Kondensatoren CAPl und CAP2 darstellt. Figur 7B zeigt das Ersatzschaltbild der in Figur 7A im Querschnitt gezeigten Anordnung, die wiederum nur einen Teil eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters darstellt, wie es z.B. in einer der Figuren 2 bis 4 dargestellt ist.
Figur 8A zeigt eine weitere Möglichkeit, den Kondensator im Schichtaufbau eines BAW-Resonators zu realisieren. In der dargestellten Variante von Figur 8A ist der Kondensator CAP zwischen der Hochimpedanzschicht HI des akustischen Spiegels und der Bottomelektrode BE des Serienresonators SR ausgebildet. Dabei ist der Kondensator direkt unterhalb des Serienresonators angeordnet und benötigt keine zusätzliche Fläche. An einer Stelle ist lediglich eine Durchkontaktierung DK zum elektrischen Anschluss der Hochimpedanzschicht HI ausgeführt, um dadurch die zweite Elektrode des Kondensators elektrisch zu kontaktieren. Diese Ausführung ist besonders Platz sparend und erfordert zur Herstellung einen nur geringen Strukturierungsaufwand. In der Durchkontaktierung DK ist die Topelektrode elektrisch leitend mit der Hochimpedanz- schicht HI verbunden.
Figur 8B zeigt das Ersatzschaltbild der Anordnung, welche wiederum einen Teilausschnitt eines Blockschaltbilds eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters bildet, wie es z.B. in einer der Figuren 2 bis 4 dargestellt ist.
Der gewünschte Effekt der Versteuerung der rechten Flanke wird mit jedem zusätzlichen Kapazitätswert erreicht, der durch Parallelschaltung mit dem Serienresonator dessen statische Kapazität erhöht. Ein guter Effekt und eine ausreichende Versteuerung der oberen Passbandflanke des Reaktanzfilters wird mit einem Kondensator erreicht, dessen Kapazität im Bereich von 3-30% der statischen Kapazität des Serienresonators liegt.
In der Figur 9 ist die simulierte Übertragungskurve Kl (S21) eines erfindungsgemäß gemäß Figur 3 ausgebildeten Reaktanzfilters mit der simulierten Übertragungskurve K2 eines gemäß Figur 1 ausgebildeten bekannten Reaktanzfilters verglichen. Der Kondensator des erfindungsgemäßen Reaktanzfilters weist eine Kapazität von 0,32 pF auf, während die statische Kapazität des seriellen Resonators bei ca. 1,2 pF liegt. Es zeigt sich, dass sich die rechte Flanke des Passbandes beim erfindungsgemäßen Reaktanzfilters um zirka 0,7 dB/MHz versteuert. Die Steigung der Kurve Kl beträgt 4,7 dB/MHz, die Steigung der Kurve K2 des bekannten Filters beträgt 4,0 dB/MHz. Im übrigen Bereich des Passbandes sind beide Kurven nahezu deckungsgleich. Das zeigt, dass durch die zusätzliche parallel zum Serienresonator geschaltete Kapazität CAP andere Filtereigenschaften nicht oder nur unwesentlich betroffen sind.
In der Figur rechts unten ist ein Ausschnitt des unteren Teils der Roll-off-Flanke für beide Kurven Kl, K2 vergrößert dargestellt. Die steilere Kurve Kl des erfindungsgemäßen Reaktanzfilters erreicht früher ein vorgegebenes Isolationsniveau, so dass das Passband stärker gegen benachbarte Frequenzen abgegrenzt ist. Demnach ist es besonders vorteilhaft, wenn das Filter als Sendefilter in einem Duplexer mit höher liegendem Empfangsband eingesetzt wird, insbesondere in einem Duplexer mit niedrigem Bandab- stand, wie es beispielsweise das in den USA verwendete PCS- Band der Fall ist. Figur 10 zeigt nochmals schematisch einen möglichen kompletten Schichtaufbau SAB, wie er bei der Herstellung von BAW-Resonatoren eingesetzt werden kann. Als Substrat SU dient üblicherweise ein kristallines Material, insbesondere ein Siliziumwafer . Bei der Aufbauvariante als SMR-Resonator (SMR = Surface Mounted Resonator) ist direkt über dem Substrat SU ein akustischer Spiegel AS aufgebaut, welcher eine alternierende Abfolge von Hochimpedanzschichten HI und Niederimpedanzschichten LI umfasst. Ein ausreichend funktions- fähiger akustischer Spiegel AS wird mit zwei Paaren von Hochimpedanz- und Niederimpedanzschichten erhalten. Als Hochimpedanzschichten werden insbesondere schwere Metalle wie Wolfram, Platin oder Molybdän eingesetzt, während die Niederimpedanzschichten produktionsbedingt üblicherweise ein in der Halbleitertechnologie eingesetztes Oxid, insbesondere Siliziumoxid sein kann.
Über dem akustischen Spiegel ist die Bottomelektrode BE angeordnet. Diese kann mehrschichtig sein und insbesondere eine Weichmetallschicht WM und darüber eine Hartmetallschicht HM aufweisen. Als Weichmetall ist beispielsweise Aluminium geeignet, als Hartmetall HM dagegen wieder Molybdän und Wolfram.
Über der Bottomelektrode BE ist die piezoelektrische Schicht PS angeordnet. Diese ist üblicherweise homogen und vorteilhaft aus einem piezoelektrischen Material wie Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder ähnlichen Materialien aufgebaut.
Über der piezoelektrischen Schicht PS ist die Topelektrode TE aufgebracht, welche ein- oder mehrschichtig sein kann. In der einfachsten Variante ist die Topelektrode TE eine Aluminium- schicht. Sie kann aber wie die Bottomelektrode ebenfalls aus einem schweren Metal ausgebildet werden.
Innerhalb dieses möglichen Schichtaufbaus SAB für die BAW- Resonatoren können nun zwei beliebige elektrisch leitende Schichten zum Aufbau des erfindungsgemäß eingesetzten Kondensators CAP genutzt werden. Vorteilhaft werden zwei elektrisch leitende Schichten verwendet, die im Schichtaufbau SAB einen nur geringen Abstand zueinander aufweisen.
Die Einstellung der Kapazität des Kondensators CAP gelingt über entsprechende Strukturierung einer der beiden für den Kondensator verwendeten elektrisch leitenden Schichten (Elektroden- oder Spiegelschichten) . Werden für den Konden- sator CAP Teilschichten des Resonators wie Topelektrode, piezoelektrische Schicht und Bottomelektrode eingesetzt, so wird dieser Schichtaufbau im Kondensatorbereich KB bezüglich zumindest einer der Schichten variiert, um die Resonanzfrequenz entsprechend zu verschieben. Dies kann auch die Topelektrode TE sein.
Das erfindungsgemäße Reaktanzfilter ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Erfindung ist technologieunabhängig, wird jedoch vorteilhaft mit BAW- Resonatoren und in den Schichtaufbau der BAW-Resonatoren integriertem Kondensator realisiert.
Ein erfindungsgemäßes Filter kann sich von den dargestellten Reaktanzfiltern bezüglich der Anzahl der Serienresonatoren, der Parallelresonatoren und der parallel geschalteten
Kondensatoren unterscheiden. Zusätzlich kann das Reaktanzfilter mit weiteren Impedanzelementen verschaltet sein, insbesondere mit Induktivitäten oder Kapazitäten. Teile der Resonatoren eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters können durch andere Impedanzelemente ersetzt sein. In der Verschal- tung können einzelne Elemente wie Resonatoren auch durch eine Serien- oder Parallelverschaltung von zwei oder mehreren gleichartigen Elementen ersetzt werden, ohne dass dadurch die Eigenschaften des Filters verschlechtert werden.
Weiterhin kann das Reaktanzfilter auch auf Membran-basierten BAW Resonatoren aufgebaut sein. In diesem Fall gibt es keinen akustischen Spiegel, aber die Frequenzverschiebung des
Kondensatorbereichs kann wie zuvor beschrieben durch Ätzung oder Dünnung der harten Bottomelektrodenschicht bewerkstelligt werden. Alternativ dazu kann im Kondensatorbereich auch eine zusätzliche Schicht auf der Topelektrode abgeschieden werden.
Bezugs zeichenliste
A Antenne
AS akustischer Spiegel
BE Bottomelektrode des Serienresonators
CAP Kondensator
CH Chip
D Dielektrikum
DK Durchkontaktierung
EF Empfangsfilter
HI Hochimpedanzschicht des akustischen Spiegels, elektrisch leitend
HM Hartmetall-Schicht der Bottomelektrode
IE Impedanzelement
Kl, K2 Übertragungskurven
KB Kondensatorbereich
NI Niederimpedanzschicht
PR Parallelresonator
PS piezoelektrische Schicht
PZ Parallelzweig
RB Resonatorbereich
SA Signalausgang
SAB Schichtaufbau für Resonator (und Kondensator)
SE Signaleingang
SF Sendefilter
SR Serienresonator
SU Substrat
SZ Serienzweig
Tl, T2 Anschlüsse
TE Topelektrode des Serienresonators
WM Weichmetall-Schicht der Bottomelektrode

Claims

Patentansprüche
1. Reaktanzfilter
- mit einem Serienzweig, der einen Signaleingang mit einem Signalausgang verbindet
- mit zumindest einem Parallelzweig, der vom Serienzweig gegen Masse abzweigt, wobei in jedem Parallelzweig ein Parallelresonator angeordnet ist
- mit zwei oder mehr Serienresonatoren, die im Serienzweig seriell verschaltet sind
- bei dem im Serienzweig parallel zu einem der Serienresonatoren ein Kondensator geschaltet ist.
2. Reaktanzfilter nach Anspruch 1, bei dem die Resonatoren als BAW Resonatoren ausgebildet und als strukturierter Schichtaufbau auf einem Substrat realisiert sind.
3. Reaktanzfilter nach Anspruch 2, - bei dem zwischen dem Kondensator und dem Substrat eine Isolationsschicht angeordnet ist, wobei der Kondensator eine Schichtfolge Metall l/Dielektrikum/Metall 2 umfasst,
- wobei für zumindest eine der beiden Metallschichten in der Schichtfolge eine Teilfläche einer Elektrodenschicht des Serienresonators verwendet ist.
4. Reaktanzfilter nach Anspruch 3,
- bei dem auf dem Substrat ein akustischer Spiegel und darüber der Serienresonator aufgebracht ist,
- bei dem der akustische Spiegel eine Hochimpedanzschicht aus Metall umfasst, - wobei für zumindest eine der beiden Metallschichten in der Schichtfolge die Hochimpedanzschicht verwendet ist.
5. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2-4, wobei der Kondensator und alle Resonatoren, ausgewählt aus Serienresonator und Parallelresonator, nebeneinander in dem Schichtaufbau realisiert sind.
6. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2-5, - bei dem sich der Schichtaufbau in einen
Resonatorbereich und einen lateral dazu angeordneten Kondensatorbereich aufteilt
- bei dem im Resonatorbereich über einer Bottomelektrode eine piezoelektrische Schicht und darüber eine Topelektrode vorgesehen sind,
- bei dem die Bottomelektrode aus einer Schicht eines Hartmetalls und einer Schicht eines Weichmetalls zusammengesetzt ist,
- bei dem im Kondensatorbereich eine der beiden Schichten aus Hartmetall oder Weichmetall entfernt ist.
7. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2-6,
- bei dem der Schichtaufbau unterhalb der Bottomelektrode einen akustischen Spiegel mit einer elektrisch leitenden Hochimpedanzschicht umfasst,
- bei dem die Bottomelektrode im Kondensatorbereich vollständig entfernt ist, so dass der Kondensator zwischen der Topelektrode und der Hochimpedanzschicht gebildet ist.
8. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2-6,
- bei dem der Schichtaufbau unterhalb der Bottomelektrode einen akustischen Spiegel mit einer elektrisch leitenden Hochimpedanzschicht umfasst,
- bei dem der Kondensator zwischen der Bottomelektrode und der Hochimpedanzschicht gebildet ist.
9. Reaktanzfilter nach Anspruch 8, bei dem die Topelektrode und die Hochimpedanzschicht über eine Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden sind, die außerhalb des Resonatorbereichs angeordnet ist.
10. Reaktanzfilter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem Kondensatorbereich und Resonatorbereich zumindest teilweise überlappen.
11. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 2-10,
- bei dem der Kondensator parallel zu dem
Serienresonator geschaltet ist, der dem Signaleingang am nächsten liegt,
- bei dem zumindest einer der übrigen Serienresonatoren ohne parallel geschalteten Kondensator ausgebildet ist.
12. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1-11, bei dem der Kondensator eine Kapazität zwischen 1 und 50% der statischen Kapazität des zugehörigen Serienresonators aufweist.
13. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1-12, bei dem die Resonanzfrequenz des Kondensators gegenüber dem Resonator durch eine auf die Topelektrode des Kondensators aufgebrachte Schicht verschoben ist.
14. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1-12, bei dem die Resonanzfrequenz des Kondensators gegenüber dem Resonator dadurch verschoben ist, dass der Kondensator eine Schicht weniger als der Resonator aufweist .
15. Verwendung eines Reaktanzfilters nach einem der
Ansprüche 1-14 als Sendefilter in einem Duplexer für ein CDMA oder ein WCDMA Mobilfunksystem.
16. Verwendung eines Reaktanzfilters nach einem der Ansprüche 1-14 als Sendefilter in einem Duplexer für das PCS Mobilfunksystem.
17. Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Duplexer das genannte Reaktanzfilter als Sendefilter und ein weiteres Filter als Empfangsfilter umfasst, die auf getrennten Substraten ausgebildet sind.
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