WO2011004039A2 - Dispositivo y filtro de onda acústica - Google Patents
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Definitions
- the device proposed by the first aspect of the invention is provided to compensate, by means of said compensation means, another class of unwanted effects caused by the intrinsic nonlinearity of the materials of the acoustic wave device, such as those related to the de-tuning and / or saturation thereof.
- the acoustic wave device proposed by the first aspect of the invention comprises several dielectric compensatory layers, each configured to compensate for a respective elastic non-linear coefficient.
- First-order linearity (responsible for the generation of the second harmonic) and at least one of said dielectric compensatory layers is configured to compensate for a non-linearity of the second order relative to the intrinsic quadratic coefficients referred to in the previous section as second-order coefficients.
- the active layer or layers are of a non-ferroic material, so that for the exemplary embodiments for which the device proposed by the invention comprises one or more BAW resonators, the dielectric compensating layer or layers are of a ferroic material, in particular a ferromagnetic material, a ferroelectric material, a ferro-elastic material, or a combination thereof.
- the materials that form the active layer traditionally used to construct these devices are precisely ferroelectric (for example doped ZnO, LiNbO3, LiTaO3) so that in this case the dielectric compensating layer or layers are of a material non-ferroic (for example AIN or non-doped ZnO) with a decreasing non-linear elasticity with the electric field or external mechanic that compensates for the intrinsic nonlinearities caused by the active layer or layers in the absence of compensatory layers.
- a material non-ferroic for example AIN or non-doped ZnO
- the proposed filter is a miniaturized communications filter with good performance, where non-linearities have a key impact, such as those described in: R. Aigner, "Bringing BAW Technology into Volume Production: The Ten Commandments and the Seven Deadly Sins ", Proceedings of the Third International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, Chiba (Japan) March 2007.
- Figure 1 (e) represents a device analogous to that illustrated in Figure 1 (a), including the location of the layer of ferroic material, but for another embodiment for which it comprises two additional electrodes, arranged side by side. and side of the layer of ferroic material, and where the compensation means also comprise a continuous voltage source connected to said additional electrodes;
- Figure 1 (f) schematically illustrates a device analogous to that illustrated in Figure 1 (d), including the location of the layer of ferroic material, but for another embodiment for which the compensation means also they comprise a direct voltage source connected to the two electrodes;
- Figure 5 (b) represents the same device illustrated in Figure 5 (a), for another embodiment for this it also comprises two additional electrodes arranged on the side and side of the piezoelectric ferroelectric layer; Y
- said DC voltage source Vdc is part of an electronic regulation circuit that implements a closed control loop, monitoring the response of said BAW resonator and regulating the applied voltage. by the Vdc source based on the monitored signals, if the intrinsic nonlinearities have not been completely canceled, in order to perform what could be called a fine adjustment of the nonlinear constants of the ferroic layer or layers 4 to decrease
- the maximum possible influence of said intrinsic nonlinearities on the behavior of the resonator for example by increasing or decreasing the intensity of the spurious signals produced by said ferroic layer or layers 4 that are in contraphase with those caused by the non-ferroic (piezoelectric, electrodes, etc.) of the resonator.
- acoustic wave device proposed by the first aspect of the invention comprises a FWAR type BAW resonator where the piezoelectric membrane 3 is comprised between two electrodes 1, 2 suspended above an air gap 12 defined in a silicon substrate 16, held by its ends, and where the compensation means comprise a ferroic layer 4 disposed above the lower electrode 2, in Figs. 2 (a) and 2 (c), or just above the upper electrode 1, in Fig 2
- the compensation means also comprise a DC voltage source connected to the two electrodes 1, 2, to vary the non-linear constants of the layer ferroica 4, analogously to what has been described for the embodiment example of Fig. 1 (f).
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Abstract
El dispositivo comprende dos o más electrodos (1, 2), una capa activa piezoeléctrica (3) y unos medios de compensación de señales que comprenden como mínimo una capa compensatoria dieléctrica (4) configurada y ubicada para compensar señales espurias generadas, al aplicar una señal de entrada a dichos electrodos (1, 2), por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura, inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de al menos dicha capa activa (3). Para un ejemplo de realización los medios de compensación comprenden una fuente de tensión continua (Vdc) en conexión eléctrica con unas capas de alta conductividad (1, 2) entre las que se encuentra la capa compensatoria dieléctrica (4), para aplicar una tensión continua que varíe sus propiedades de elasticidad no lineales. El filtro comprende uno o más dispositivos como el propuesto por la invención.
Description
DISPOSITIVO Y FILTRO DE ONDA ACÚSTICA
Sector de Ia técnica
La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un dispositivo de onda acústica con una o más capas compensatorias dieléctricas que compensan unas señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por el mismo, y en particular a un dispositivo de onda acústica cuya capa o capas compensatorias están previstas para compensar señales espurias generadas por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de Ia temperatura.
Un segundo aspecto de Ia invención concierne a un filtro que comprende uno o más dispositivos según el primer aspecto de Ia invención.
Estado de Ia técnica anterior
La elasticidad de los materiales usados para construir dispositivos de onda acústica, en los electrodos y en Ia capa piezoeléctrica que incorporan, en adelante capa activa, es una propiedad especialmente importante en tanto que define Ia relación entre las tensiones mecánicas y Ia deformación del material provocada por Ia onda mecánica. Esto hace que cualquier variación de Ia elasticidad con el campo externo aplicado se traduzca en un comportamiento no lineal intrínseco del dispositivo generando efectos indeseados: generación de harmónicos, productos de intermodulación, desintonización y saturación.
El creciente uso del espectro radioeléctrico debido al surgimiento de nuevos estándares de comunicación hace necesario el uso de dispositivos con prestaciones óptimas en tanto que a aprovechamiento del canal se refiere. Este incremento de prestaciones implica un incremento de Ia selectividad de los filtros que forman parte de las cabeceras de radiofrecuencia cuya misión es Ia de eliminar las señales indeseadas a frecuencias diferentes de las usadas en el enlace de comunicaciones. Por otro lado, es creciente el número de transceptores que operan a diferentes bandas de frecuencia, Io que implica Ia necesidad de construir dispositivos (filtros, amplificadores, etc.) cada vez más reducidos en peso y volumen para su integración en un único terminal. Con este objetivo se persigue Ia integración en chip de los circuitos pasivos que debido a sus elevadas dimensiones o a su proceso de fabricación suelen ser habitualmente componentes externos al chip.
Es en este contexto que los dispositivos pasivos electro-acústicos con dimensiones comparables a Ia longitud de onda acústica, mucho menor que Ia longitud
de onda electromagnética a Ia misma frecuencia, tienen un enorme potencial para Ia fabricación de resonadores y filtros para cabezales de radiofrecuencia.
Según si Ia onda acústica se propaga por Ia superficie o se propaga hacia el interior del sustrato los resonadores o filtros acústicos se pueden clasificar en dispositivos SAW y dispositivos BAW respectivamente. Los primeros permiten realizar filtros hasta 2 GHz y no son compatibles con los procesos CMOS. De entre los dispositivos BAW destacan los cristales de cuarzo de uso extendido y los resonadores acústicos de película delgada (FBAR). Estos últimos tienen un enorme potencial ya que permiten una mayor frecuencia de operación que los SAW y son compatibles con los procesos CMOS.
Uno de los mayores problemas que presentan estas tecnologías (SAW y BAW) es Ia no linealidad inherente de los materiales actualmente utilizados para Ia construcción de resonadores, es decir que las propiedades de los materiales usados dependen del nivel de las magnitudes eléctricas o acústicas que intervienen. Esto conlleva que los resonadores y/o filtros introduzcan efectos no lineales: saturación, desintonización y generación de señales indeseadas como productos de intermodulación y harmónicos, que degradan las prestaciones de los circuitos.
Para evitar dichos efectos o bien se actúa con acciones de prevención, por ejemplo limitando Ia potencia a Ia que pueden operar, incrementando las bandas de guarda entre canales, etc., o bien se aplican técnicas que permitan fabricar dispositivos más lineales.
El comportamiento no lineal de Ia elasticidad del material piezoeléctrico y los efectos de auto-calentamiento son las principales causas de las no linealidades en los dispositivos acústicos.
La elasticidad no lineal, conocida como no linealidad intrínseca, puede ser modelada por un desarrollo en series de Taylor en función de Ia tensión mecánica, de manera que los términos significativos son un coeficiente de primer orden y otro coeficiente mucho menor de segundo orden, que dependen de Ia tensión mecánica directamente y al cuadrado respectivamente. Ambos términos generan harmónicos y productos de intermodulación cuando el dispositivo es alimentado con dos tonos, siendo especialmente nocivos los productos de intermodulación de tercer orden por aparecer habitualmente a frecuencias dentro de Ia banda de operación en un sistema de comunicaciones.
También es destacable Ia contribución a Ia intermodulación de tercer orden que se genera por un efecto de auto-calentamiento del dispositivo. Es Io que se conoce como no linealidades extrínsecas. La disipación de potencia en el interior del material
se traduce en un incremento de Ia temperatura con un comportamiento de filtro paso- bajo, debido al tiempo que tarda Ia temperatura en estabilizarse (constante de relajación térmica). Estas variaciones de temperatura, que siguen Ia envolvente de Ia señal, y por tanto son variaciones lentas, hacen variar Ia elasticidad provocando intermodulación de tercer orden.
Actualmente se usan diferentes técnicas para disminuir el nivel de los harmónicos. La más sencilla aparece descrita en US20080252397, y consiste en incorporar inductancias externas al filtro de manera que, debido a Ia naturaleza capacitiva de un filtro de resonadores BAW fuera de resonancia, se limite Ia transmisión justo a las frecuencias donde deberían aparecer los harmónicos. Esta técnica tiene el inconveniente que aumenta las dimensiones del dispositivo.
En Ia patente US7365619B2 se describe otra técnica con el mismo fin aplicada a un dispositivo BAW, Ia cual consiste en subdividir cada resonador en dos de iguales dimensiones pero conectados en anti-paralelo. La polarización intrínseca del material hace que las no linealidades de primer orden tengan signos diferentes en los dos resonadores y por tanto se cancele el segundo harmónico. Esta técnica no incrementa las dimensiones del filtro aunque requiere de un diseño muy preciso y complica Ia geometría del dispositivo. En los dispositivos SAW Ia conexión antiparalela inherente de los electrodos IDT (Interdigital Transducers), reduce ya de por sí Ia generación de harmónicos en Ia zona de los electrodos, pero no en la zona de propagación de Ia onda acústica entre los electrodos.
En cuanto a Ia intermodulación no existe actualmente ninguna técnica diseñada específicamente para disminuirla. Si que existe una técnica para compensar el resonador en temperatura para prevenir que el resonador o filtro se desajuste en frecuencia, de manera que se incorpora una capa de material fino cuya variación elástica con Ia temperatura es inversa a Ia del material piezoeléctrico principal, consiguiendo que el conjunto se mantenga estable en temperatura.
Tal técnica aparece descrita en Ia patente US3965444, aplicada a resonadores SAW, con una capa compensatoria de dióxido de Silicio, y, para resonadores BAW, en las patentes US7345410, donde Ia capa incorporada es de dióxido de Silicio combinado con Boro, y en Ia patente US7408428, donde se reivindica que dicha capa, es de un material ferroeléctrico, seleccionable de entre tres compuestos muy específicos, y se encuentra dispuesta entre los electrodos de un resonador FBAR de membrana.
Esta técnica, aunque no fue originalmente concebida para ello, indirectamente puede disminuir el nivel de intermodulación generado mediante auto-calentamiento, en tanto que Ia variación de temperatura puede afectar mucho menos al dispositivo. No
obstante no cancela las no linealidades intrínsecas ni los efectos indeseados generados por éstas, al ser dichas no linealidades intrínsecas independientes de Ia temperatura.
Explicación de Ia invención
Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de Ia técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, en particular relativas a Ia carencia de dispositivos de onda acústica previstos para compensar los efectos indeseados provocados por las no linealidades intrínsecas mencionadas, con el fin de cancelarlos.
Para ello Ia presente invención aporta un~ dispositivo de onda acústica que comprende dos o más electrodos, una o más capas activas de material piezoeléctrico y unos medios de compensación de señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por como mínimo parte de dicho dispositivo de onda acústica, donde dichos medios de compensación comprenden al menos una capa compensatoria dieléctrica en contacto con una o más capas de dicho dispositivo de onda acústica.
A diferencia de las propuestas convencionales, donde los medios de compensación (es decir Ia capa compensatoria con coeficiente de temperatura inverso al de Ia capa piezoeléctrica), aunque estaban previstos para compensar un posible desajuste en frecuencia provocado por Ia temperatura, también compensaban indirectamente no linealidades extrínsecas dependientes de Ia temperatura, los medios de compensación del dispositivo propuesto por el primer aspecto de Ia invención están previstos, mediante como mínimo Ia configuración y ubicación de una o más capas compensatorias dieléctricas, para compensar señales espurias generadas, al aplicar una señal de entrada a dichos electrodos, por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de Ia temperatura, inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de Ia capa o capas activas del dispositivo de onda acústica.
Además de dichas señales espurias, en particular referentes a productos de intermodulación y harmónicos, el dispositivo propuesto por el primer aspecto de Ia invención está previsto para compensar, mediante dichos medios de compensación, otra clase de efectos indeseados provocados por Ia no linealidad intrínseca de los materiales del dispositivo de onda acústica, tales como los relativos a Ia desintonización y/o saturación del mismo.
Asimismo, aunque Ia función principal de los medios de compensación es Ia de compensar las no linealidades intrínsecas, para un ejemplo de realización éstos también están previstos para compensar no linealidades extrínsecas.
Por Io que se refiere a Ia configuración de dicha capa compensatoria dieléctrica, ésta está configurada para, por sí sola o en colaboración con otras capas
compensatorias dieléctricas incluidas en los medios de compensación, tener unas propiedades de elasticidad no lineales que, en función también de su ubicación dentro del dispositivo, produzcan unas señales espurias, al aplicarse dicha señal de entrada, que sean iguales en magnitud y estén en contrafase con las provocadas por Ia capa o capas activas del dispositivo de onda acústica en ausencia de capas compensatorias.
• Dicha configuración de Ia capa o capas compensatorias dieléctricas se refiere al menos a su dimensíonado, incluyendo su espesor, y en general también a su forma, área y composición, Ia cual dependerá del tipo de dispositivo de onda acústica en el que se aplique.
Para un ejemplo de realización, el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención comprende varias capas compensatorias dieléctricas, cada una de ellas configurada para compensar un respectivo coeficiente no lineal elástico.
Según un caso particular de dicho ejemplo de realización, como mínimo una de dichas capas compensatorias dieléctricas está configurada para compensar una no
v
linealidad de primer orden (responsable de Ia generación del segundo harmónico) y como mínimo otra de dichas capas compensatorias dieléctricas está configurada para compensar una no linealidad de segundo orden relativa a los coeficientes cuadráticos intrínsecos denominados en el apartado anterior como coeficientes de segundo orden.
Para un ejemplo de realización el dispositivo de onda acústica propuesto por Ia invención comprende un único resonador de onda acústica, por Io que en el caso en que éste comprende más de una capa compensatoria dieléctrica, por ejemplo diseñadas según se ha descrito en el párrafo anterior, éstas se encuentran dispuestas dentro del mismo resonador.
Para otro ejemplo de realización alternativo el dispositivo comprende dos o más resonadores de onda acústica conectados en paralelo, como mínimo uno de los cuales incluye una o más de dichas capas compensatorias dieléctricas, de' manera que se cancelen las no linealidades mutuamente.
Las condiciones que se deben dar para producirse cancelación de las no linealidades, dentro de un único resonador de onda acústica o mediante conexión paralela de dos resonadores, es que las señales espurias generadas por Ia capa o capas compensatorias dieléctricas estén en oposición de fase con las generadas por Ia capa o capas activas y que tengan Ia misma intensidad. La primera condición se cumple mediante Ia utilización de una o más capas compensatorias dieléctricas con un coeficiente no lineal de signo opuesto al de Ia capa o capas activas del dispositivo cuyas no linealidades se pretende compensar, como mínimo la constitutiva del
piezoeléctrico. La segunda condición se consigue, para un ejemplo de realización, escogiendo las posiciones en las que introducir una o más capas compensatorias dieléctricas con el grosor adecuado atendiendo a Ia onda estacionaria del modo resonante en cuestión
Es conocido que determinados materiales dieléctricos, bajo ciertas condiciones físicas, varían su elasticidad cuando se aplica un campo externo. Tales materiales son usados para construir las capas compensatorias dieléctricas incluidas en el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención.
Es por ello que los medios de compensación del dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención comprenden como mínimo una fuente de estimulación externa conectada a Ia capa o capas compensatorias dieléctricas, o a unas capas de otro material en contacto con las mismas (capas de alta conductividad para el caso de una estimulación eléctrica), para aplicarles una señal de estimulación que varíe sus propiedades de elasticidad no lineales, señal Ia cual puede ser aplicada individualmente en cada capa o en su conjunto. ,
En función del ejemplo de realización dicha fuente de estimulación es una fuente de estimulación eléctrica (tal como una fuente de tensión continua), magnética (tal como una fuente electromagnética), mecánica (tal como Ia que aplica una presión mecánica estática), o una combinación de fas mismas.
También es posible inducir unas condiciones externas en Ia capa o capas compensatorias dieléctricas sin utilizar una fuente de estimulación externa, sino mediante (a utilización de una o más capas compensatorias dieléctricas construidas (por ejemplo mediante técnicas de crecimiento) con unas tensiones mecánicas preestablecidas, Io que da lugar a un mayor o menor efecto del movimiento de los dominios y por consiguiente a una diferente relación no lineal de Ia elasticidad con el campo externo.
El dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención comprende, en función del ejemplo de realización, uno o varios resonadores de onda acústica en volumen, o BAW (de membrana (FBAR) o montados en un soporte sólido (SMR)), o uno o varios resonadores de onda acústica de tipo^superficial, o SAW.
Debido a que el material del que están constituidas las capas activas, en particular el piezoeléctrico, de los resonadores BAW es distinto al de los resonadores SAW, el material del que está constituida Ia capa o capas compensatorias dieléctricas del dispositivo propuesto por Ia invención también es diferente en función del tipo de resonador que éste incluya, estando éstas diseñadas para tener un comportamiento no lineal opuesto al de Ia capa activa incluida, para cada caso.
En particular, en los resonadores BAW Ia capa o capas activas son de un material no ferroico, por Io que para los ejemplos de realización para los que el dispositivo propuesto por Ia invención comprende uno o más resonadores BAW, Ia capa o capas compensatorias dieléctricas son de un material ferroico, en particular un material ferromagnético, un material ferroeléctrico, un material ferroelástico, o una combinación de los mismos.
Es interesante resaltar que no es conocido en el estado de Ia técnica, ningún dispositivo de onda acústica que incluya una o más capas de material ferromagnético o ferroelástico como parte de unos medios de compensación de no linealidades en general, ni intrínsecas ni tampoco extrínsecas.
Es conocido que Ia estructura interna de los materiales ferroicos y principalmente el efecto producido por el movimiento de sus dominios, debido a Ia polarización instantánea, les confieren propiedades especiales no encontradas en otros materiales. Una de estas propiedades es Ia de una elasticidad que, en determinados ferroicos y bajo ciertas condiciones físicas, aumenta cuando se aplica un campo externo ya sea eléctrico, magnético o mecánico y por tanto es inversa a Ia de los materiales metálicos y piezoeléctricos no ferroeléctricos que forman Ia capa o capas activas (por ejemplo AlN o cuarzo) de los resonadores BAW convencionales, por lo que en este tipo de resonadores Ia inserción de una o más capas ferroicas como capas compensatorias dieléctricas (por ejemplo ZnO dopado o BSTO), con una elasticidad no lineal creciente con el campo eléctrico o mecánico externo, compensa las no linealidades intrínsecas provocadas por Ia capa o capas activas en ausencia de capas compensatorias.
Esta variación de Ia elasticidad con el campo externo puede tener una relación lineal, de módulo o cuadrática dependiendo de las propiedades del material ferroico y de las condiciones externas aplicadas, si es el caso. Esta particularidad de los materiales ferroicos posibilita su uso en diferentes capas finas individuales, en resonadores BAW, con el objetivo de cancelar diferentes coeficientes no lineales elásticos, tal y como se ha descrito anteriormente antes de concretar el tipo de material a utilizar para fabricar las capas compensatorias dieléctricas.
Por otra parte, en los resonadores SAW los materiales que forman Ia capa activa tradicionalmente usados para construir estos dispositivos son precisamente ferroeléctricos (por ejemplo ZnO dopado, LiNbO3, LiTaO3) por Io que en este caso Ia capa o capas compensatorias dieléctricas son de un material no ferroico (por ejemplo AIN o ZnO no dopado) con una elasticidad no lineal decreciente con el campo eléctrico
o mecánico externo que compense las no linealidades intrínsecas provocadas por Ia capa o capas activas en ausencia de capas compensatorias.
Un segundo aspecto de Ia presente invención concierne a un filtro de onda acústica que comprende a uno o más dispositivos de acuerdo al primer aspecto de Ia invención.
Según el ejemplo de realización del filtro propuesto por el segundo aspecto de Ia invención, éste comprende una serie de resonadores de onda acústica, que forman parte del dispositivo propuesto, interconectados según cualquier topología de tipo conocida, tal como Ia topología "Ladder" o Ia "Lattice".
Para un ejemplo de realización el filtro propuesto es un filtro de comunicaciones miniaturizado y con buenas prestaciones, donde las no linealidades tienen un impacto clavé, tal como los descritos en: R. Aigner, "Bringing BAW Technology into Volume Production: The Ten Commandments and the Seven Deadly Sins", Proceedings of the Third International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, Chiba (Japan) March 2007.
Otras aplicaciones del dispositivo propuesto por Ia invención son, además de para fabricar el mencionado filtro de onda acústica, Ia fabricación de otra clase de circuitos de radiofrecuencia, tal como osciladores, Ia fabricación de sensores mecánicos extremadamente sensibles, transductores y "lab-on-a-chip", donde es de importancia mantener Ia relación lineal entre Ia magnitud a medir y Ia señal obtenida ("BAW and SAW sensors for In-situ analysis," Paper 5050-11, Proceedings of the SPIE Smart Structures Conference, San Diego, CA., Mar 2-6. 2003.), así como Ia utilización como elemento básico para Ia construcción de metamateriales con elementos resonantes o no resonantes (Lai, A.; Itoh, T.; Caloz, C, "Composite right/left-handed transmission line metamaterials," Microwave Magazine, IEEE, vol.5, no.3, pp. 3-50, Sept. 2004).
Breve descripción de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de Ia siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:
Ia Figura 1 (a) muestra, de manera esquemática y mediante una vista en alzado, al dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención para un ejemplo de realización para el que éste comprende un resonador BAW de tipo SMR, donde los medios de compensación comprenden una capa compensatoria dieléctrica de material ferroico dispuesta en el interior de un espejo acústico;
Ia Figura 1 (b) representa al mismo dispositivo ilustrado en Ia Figura 1 (a), para otro ejemplo de realización para el que Ia capa de material ferroico se encuentra dispuesta en otra ubicación, en concreto insertada justo encima de una capa semilla dispuesta sobre el espejo acústico;
las Figuras 1 (c) y 1 (d) también representan al mismo dispositivo ilustrado por las Figuras 1 (a) y 1 (b), para sendos ejemplos de realización para los que Ia capa de material ferroico se encuentra dispuesta, respectivamente, insertada justo encima del electrodo superior (Figura 1 (c)), y en una posición intermedia entre los electrodos (Figura 1 (d));
Ia Figura 1 (e) representa a un dispositivo análogo al ilustrado en Ia Figura 1 (a), incluida Ia' ubicación de Ia capa de material ferroico, pero para otro ejemplo de realización para el que éste comprende dos electrodos adicionales, dispuestos a lado y lado de Ia capa de material ferroico, y donde los medios de compensación también comprenden una fuente de tensión continua conectada a dichos electrodos adicionales; las Figura 1 (f) ilustra, de manera esquemática, a un dispositivo análogo al ilustrado en Ia Figura 1 (d), incluida Ia ubicación de Ia capa de material ferroico, pero para otro ejemplo de realización para el que los medios de compensación también comprenden una fuente de tensión continua conectada a los dos electrodos;
Ia Figura 2 (a) muestra de manera esquemática al dispositivo de onda acústica propuesto pro el primer aspecto de Ia invención para otro ejemplo de realización para el que éste comprende un resonador BAW de tipo FBAR donde Ia membrana piezoeléctrica está comprendida entre dos electrodos suspendidos encima de un hueco de aire «definido en un sustrato de silicio, y donde los medios de compensación comprenden una capa ferroica dispuesta por encima del electrodo inferior;
la Figura 2 (b) representa exactamente el mismo dispositivo ilustrado por Ia Figura 2 (a), para otro ejemplo de realización para el que Ia capa ferroica se encuentra dispuesta justo encima del electrodo superior;
Ia Figura 2 (c) ilustra, de manera esquemática, a un dispositivo análogo al ilustrado en Ia Figura 2 (a), incluida Ia ubicación de Ia capa de material ferroico, pero para otro ejemplo de realización para el que los medios de compensación también comprenden una fuente de tensión continua conectada a los dos electrodos;
Ia Figura 3 (a) muestra, de manera esquemática, al dispositivo propuesto por el primer aspecto de Ia invención para otro ejemplo de realización para el que éste comprende una estructura BAW resonante como Ia de las Fig. 1 (a) pero a Ia cual se encuentra acoplado acústicamente un conjunto adicional formado por una capa piezoeléctrica atrapada entre dos respectivos electrodos, mediante una capa de acoplo,
y donde los medios de compensación comprenden, además de Ia capa ferroica insertada en el espejo acústico, una segunda capa de material ferroico insertada en dicha capa de acoplo;
Ia Figura 3 (b) representa exactamente el mismo dispositivo ilustrado por Ia Figura 3 (a), pero para otro ejemplo de realización para el que las capas de material ferroico se encuentran ubicadas, una por encima del electrodo inferior del par de electrodos principal, y Ia otra por debajo del electrodo superior del par de electrodos del conjunto adicional;
Ia Figura 4 ilustra de manera esquemática al dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención para un ejemplo de realización para el que éste comprende dos resonadores BAW conectados en paralelo, donde los medios de compensación comprenden una única capa ferroica dispuesta por encima de uno de los electrodos de unos de los resonadores;
Ia Figura 5 (a) muestra, de manera esquemática, al dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención para un ejemplo de realización para el que éste comprende un resonador" SAW, donde los medios de compensación comprenden una capa compensatoria dieléctrica de material no ferroico dispuesta bajo los electrodos IDT, por encima de una capa activa piezoeléctrica de material ferroeléctrico;
Ia Figura 5 (b) representa al mismo dispositivo ilustrado en Ia Figura 5 (a), para otro ejemplo de realización para el éste comprende además dos electrodos adicionales dispuestos a lado y lado de Ia capa piezoeléctrica ferroeléctrica; y
Ia Fig. 6 es una gráfica que ilustra los resultados obtenidos a partir de unas simulaciones" de segundo harmónico generado por un resonador BAW SMR, para un ejemplo de realización.
Descripción detallada de unos ejemplos de realización
Haciendo en primer lugar referencia a las Figuras 1 (a) a 1 (f), en ellas se ilustran unos ejemplos de realización para los que el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención comprende un resonador BAW de tipo SMR que comprende una capa piezoeléctrica 3 comprendida entre dos electrodos 1 , 2 y montada sobre un espejo acústico 6 a través de una capa semilla 13 (para mejorar las propiedades de crecimiento de las capas superiores). El conjunto reposa sobre un sustrato de silicio 16.
Dichas figuras referentes a un resonador BAW SMR se diferencian principalmente por Ia ubicación de Ia capa ferroica 4 que constituye Ia capa
compensatoria dieléctrica descrita, Ia cual se encuentra dispuesta en el interior del espejo acústico 6, en las Figs. 1 (a) y 1 (e), entre el electrodo 2 y Ia capa semilla 13, en Ia Fig. 1(b), sobre el electrodo 1 , en Ia Fig. 1 (c), o sobre el electrodo 2, en las Figs. 1 (d) y 1 (f).
En las Figs. 1 (e) y 1 (f) se ilustran unos ejemplos de realización para los que los medios de compensación comprenden además una fuente de tensión continua Vdc conectada entre los electrodos 1 y 2, en el ejemplo de realización de Ia Fig. 1 (f), para aplicar una tensión continua entre ellos que afecte a Ia capa ferroica 4, en particular para modificar sus constantes no lineales, o, con el mismo fin, entre dos electrodos o capas metálicas adicionales 8 y 9 insertados en el espejo acústico 6, en el ejemplo de realización de Ia Fig. 1 (e), entre los cuales se halla dispuesta, contactando con ambos, Ia capa ferroica 4.
Para un ejemplo de realización dichas capas metálicas δ, 9 son dos de las capas propias de un reflector de Bragg o espejo acústico 6.
La ubicación de Ia capa ferroica 4, en el ejemplo de realización de Ia figura 1 (c), justo encima del electrodo superior 1 posibilita Ia aplicación de presión mecánica como fuente de estimulación externa y/o voltaje en continua si se superpone otro material metálico encima (no ilustrado).
Debe resaltarse que en el ejemplo de realización de Ia Fig. 1(d), donde Ia capa ferroica está dispuesta entre los dos electrodos 1 , 2, ésta estará por tanto sometida al campo eléctrico aplicado, como señal de entrada, entre los electrodos principales, el cual también modificará las constantes no lineales del material ferroico, de manera opuesta a como varían las constantes no lineales de Ia capa activa 3.
Sirvan los ejemplos de realización ilustrados por las diferentes Figs. 1 (a) a 1 (T) aplicados a un mismo tipo de resonador BAW SMR, como representativos de Ia gran variedad de posibilidades disponibles para implementar los medios de compensación incluidos en el dispositivo propuesto por el primer aspecto de Ia invención, tanto por Io que se refiere a Ia ubicación y diseño, en particular referente al grosor, de Ia capa ferroica, como a Ia utilización o no de una o más fuentes de estimulación externa para tener un mayor control sobre Ia cancelación de las no linealidades intrínsecas si éstas no son completamente canceladas por Ia simple existencia de Ia capa ferroica sin estimulación externa.
En el diseño de Ia capa ferroica 4, por Io que se refiere a su ubicación y espesor, así como en el del resto del resonador BAW (por ejemplo por Io que se refiere al grosor del espejo 6), influirá el hecho de que se utilice o no Ia mencionada fuente de
estimulación externa, y el tipo y Ia magnitud de Ia señal de estimulación aplicada, así como dónde sea aplicada.
Aunque no se halla ilustrado en las figuras, dicha fuente de tensión continua Vdc, para un ejemplo de realización, forma parte de un circuito electrónico de regulación que implementa un lazo cerrado de control, monitorizando Ia respuesta de dicho resonador BAW y regulando el voltaje aplicado por Ia fuente Vdc en función de las señales monitorizadas, si las no linealidades intrínsecas no han sido completamente canceladas, con el fin de realizar Io que se podría denominar como un ajuste fino de las constantes no lineales de Ia capa o capas ferroicas 4 para disminuir Io máximo posible Ia influencia de dichas no linealidades intrínsecas en el comportamiento del resonador, por ejemplo aumentando o disminuyendo Ia intensidad de las señales espurias producidas por dicha capa o capas ferroicas 4 que están en contrafase con las provocadas por las capas no ferroicas (piezoeléctrico, electrodos, etc.) del resonador.
Tal circuito de regulación implementado por dicho lazo de control es aplicable a cualquier otra clase de resonador incluido en el dispositivo propuesto, incluyendo los ilustrados en las Figs. 2 a 5.
El tipo de material ferroico escogido para configurar Ia capa 4 es, para los ejemplos ilustrados referentes a resonadores BAW, un material ferroeléctrico, en tanto que éste ofrece un mayor acoplamiento mecánico y posibilita el control de Ia polarización instantánea mediante Ia aplicación de voltaje en continua.
No obstante, tal y como se ha indicado anteriormente Ia capa ferroica 4 es de una material ferromagnético o ferroelástico, para otros ejemplos de realización no ilustrados, en cuyo caso Ia fuente de estimulación externa es, respectivamente, una fuente de estimulación magnética o mecánica.
Asimismo para otra clase de fuente de estimulación externa, ya sea magnética o mecánica, Ia presente invención también contempla unos ejemplos de realización, no ilustrados, que incorporen un circuito de regulación análogo al descrito, asociado en este caso a una fuente de estimulación magnética o mecánica, respectivamente.
A su vez, siguiendo con los ejemplos de realización de las Figs. 1 (a) a 1 (f), dependiendo de Ia impedancia acústica del material ferroico utilizado, se puede usar como capa de alta impedancia o de baja impedancia formando parte del reflector o espejo acústico 6.
En las Figs. 2 (a) a 2 (c) se ilustran otros ejemplos de realización para los que el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención comprende un resonador BAW de tipo FBAR donde Ia membrana piezoeléctrica 3 está comprendida entre dos electrodos 1 , 2 suspendidos encima de un hueco de aire 12
definido en un sustrato de silicio 16, sujetos por sus extremos, y donde los medios de compensación comprenden una capa ferroica 4 dispuesta por encima del electrodo inferior 2, en las Figs. 2 (a) y 2 (c), o justo encima del electrodo superior 1 , en Ia Fig 2
(b).
La disposición de Ia Fig. 2 (a) somete a Ia capa ferroica 4 al campo eléctrico generado entre los electrodos principales, y Ia de Ia Fig. 2 (b) posibilita Ia aplicación de presión mecánica sobre Ia capa ferroica 4 y/o de un voltaje en continua si se superpone otro material metálico encima (no ilustrado).
Por Io que se refiere al ejemplo de realización de Ia Fig. 2 (c), en éste los medios de compensación también comprenden una fuente de tensión continua Vdc conectada a los dos electrodos 1 , 2, para variar las constantes no lineales de Ia capa ferroica 4, de manera análoga a como se ha descrito para el ejemplo de realización de Ia Fig. 1 (f).
En las Figs. 3 (a) y 3 (b) se ilustra una estructura BAW resonante, que es Ia unidad básica con Ia que se construyen los filtros SCF y CRF, que se encuentra comprendida por el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención, para dos ejemplos de realización diferenciados por Ia ubicación de las dos capas ferroicas 4, 5 que ambos disponen.
Dicha estructura está formada por dos capas piezoeléctricas 3, 11 , cada una de ellas dispuesta entre dos respectivos electrodos 1, 2 y 8, 9, y una o más capas de acoplo 10 que unen al electrodo 2 con el 8 de manera que las dos capas piezoeléctricas 3, 11 se acoplan acústicamente.
Al igual que el resonador de las Figs. 1 (a) a 1 (f), Ia estructura de las Figs. 3 (a) y 3 (b) incluye un espejo acústico 6 y una capa semilla 13. El conjunto reposa sobre un sustrato de silicio 16.
En el ejemplo de realización de Ia Fig. 3 (a) las capas ferroicas 4, 5 estánsituadas, respectivamente, en Ia capa de acoplo 10 y en el espejo acústico 6.
Por Io que se refiere al ejemplo de realización de Ia Fig. 3 (b), en éste las capas ferroicas 4, 5 están situadas, respectivamente, por debajo del electrodo superior 1, y por encima del electrodo más inferior 9. En este caso ambas capas ferroicas 4, 5 se encuentran sometidas al campo eléctrico aplicado entre, respectivamente, el par de electrodos 1-2 y el 8-9.
Para unos ejemplos de realización, no ilustrados, los medios de compensación también comprenden, de manera análoga a Ia Fig. 1(f) y 2 (c), una fuente de tensión continua aplicada entre cualquier par de electrodos, 1-2, 8-9, o entre dos capas metálicas adicionales (no ilustradas) dispuestas a lado y lado de una respectiva capa ferroica 4, 5.
Para el ejemplo de realización ilustrado en Ia Fig. 4, el dispositivo propuesto por el primer aspecto de Ia invención comprende dos resonadores BAW, R1, R2, conectados en paralelo mediante las conexiones 17 y 18, uno de ellos con capa piezoeléctrica no ferroica 3, y el otro con una capa ferroica 4 dispuesta por encima de uno de los electrodos 9 de unos de los resonadores R2, por debajo de Ia capa piezoeléctrica 11 , tal y como se ilustra en dicha Fig. 4, o constituyendo en parte o totalmente a Ia misma (disposición no ilustrada).
En los dos resonadores R1 , R2 las capas piezoeléctricas 3, 11 se sitúan entre sus respectivos electrodos 1-2, 8-9. Los resonadores R1 , R2 están construidos para que resuenen a Ia misma frecuencia, de manera que entre Ia entrada E y Ia salida S su comportamiento lineal sea el mismo que el de un único resonador.
En las Figs. 5 (a) y 5 (b) se ilustran sendos ejemplos de realización donde el dispositivo de onda acústica propuesto por el primer aspecto de Ia invención comprende un resonador SAW con una capa piezoeléctrica ferroeléctrica 3, y una capa compensatoria dieléctrica 4 fabricada con un material no ferroico dispuesta por debajo de los electrodos, o IDTs metálicos 1, 2.
En el ejemplo de realización de Ia Fig. 5 (a) Ia capa compensatoria no ferroica 4 se encuentra dispuesta justo por encima del piezoeléctrico ferroeléctrico 3, mientras que en el ejemplo de realización ilustrado por Ia Fig. 5 (b) el resonador SAW comprende dos electrodos adicionales 8, 9, a lado y lado de Ia capa piezoeléctrica ferroeléctrica 3, y Ia capa compensatoria no ferroica" 4 se encuentra dispuesta justo por encima del electrodo adicional superior 8.
En dicho ejemplo de realización de Ia Fig. 5 (b), los medios de compensación comprenden una fuente de tensión continua Vdc conectada a dichos electrodos adicionales 8, 9, con el fin de aplicar una tensión continua entre ellos que afecte a Ia capa piezoeléctrica ferroica 3, en particular para modificar sus constantes no lineales. En este caso, a diferencia de los referentes a resonadores BAW, Ia tensión es aplicada sobre Ia capa piezoeléctrica convencional 3, que para los resonadores SAW es ferroica, ya que ésta tiene unas propiedades que permiten variar el margen de no linealidad mucho más que Ia capa compensatoria no ferroica 4.
Finalmente en Ia Fig. 6 se ilustra una gráfica que ilustra los resultados obtenidos a partir de unas simulaciones de segundo harmónico generado en reflexión por un resonador BAW SMR para una potencia de entrada de 30 dBm.
En particular las simulaciones se han hecho para un resonador BAW SMR en el que Ia capa compensatoria dieléctrica 4 se encuentra entre Ia capa activa 3 y el electrodo superior 1.
El resonador simulado está formado por una capa activa 3 de AIN y una capa compensatoria 4 de ZnO dopado. La traza discontinua se corresponde con un valor de coeficiente no lineal de Ia capa compensatoria 4 menor que el usado para Ia simulación de Ia traza sólida. Se observa cómo, con adecuado diseño de su espesor para ambos casos, se consigue Ia cancelación del segundo harmónico generado por Ia capa activa. "
Un experto en Ia materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de Ia invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.
Claims
1.- Dispositivo de onda acústica del tipo que comprende al menos dos electrodos (1 , 2), al menos una capa activa (3) constituida por material piezoeléctrico, y unos medios de compensación de señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por al menos parte de dicho dispositivo de onda acústica, donde dichos medios de compensación comprenden al menos una capa compensatoria dieléctrica (4) en contacto con al menos una capa de dicho dispositivo de onda acústica, estando éste caracterizado porque dichos medios de compensación están previstos, mediante al menos Ia configuración y ubicación de dicha capa compensatoria dieléctrica (4), que es al menos una, para compensar señales espurias generadas, al aplicar una señal de entrada a dichos electrodos (1, 2), que son al menos dos, por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de Ia temperatura, inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de al menos dicha capa activa (3), que es al menos una, de dicho dispositivo de onda acústica.
2.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque dicha capa compensatoria dieléctrica (4), que es al menos una, está configurada para, por sí sola o en colaboración con al menos otras capas compensatorias dieléctricas (5) incluidas en los medios de compensación, tener unas propiedades de elasticidad no lineales que, en función también de su ubicación, produzcan unas señales espurias, al aplicarse dicha señal de entrada, que sean iguales en magnitud y estén en contrafase con las provocadas por Ia capa o capas activas (3) del dispositivo de onda acústica en ausencia de capas compensatorias. ,
3.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 2, caracterizado porque comprende varias capas compensatorias dieléctricas (4, 5), cada una de ellas configurada para compensar un respectivo coeficiente no lineal elástico.
4.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 3, caracterizado porque al menos una de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) está configurada para compensar una no linealidad de primer orden y al menos otra de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) está configurada para compensar una no linealidad de segundo orden.
5.- Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha configuración de dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) se refiere al menos al dimensionado de las mismas, incluyendo su espesor.
6.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) han sido construidas con unas tensiones mecánicas preestablecidas.
7.- Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque dichos medios de compensación comprenden al menos una fuente de estimulación externa conectada a dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5), o a unas capas de otro material en contacto con las mismas, para aplicarles una señal de estimulación que varíe sus propiedades de elasticidad no lineales.
8.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 7, caracterizado porque dicha fuente de estimulación, que es al menos una, es una fuente de estimulación eléctrica, magnética o mecánica, o una combinación de las mismas.
9.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 8, caracterizado porque dicha fuente de estimulación eléctrica es una fuente de tensión continua (Vdc) en conexión eléctrica con al menos dos capas de alta conductividad entre las que se encuentra' al menos una de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5), para aplicar una tensión continua entre dichas dos capas de alta conductividad.
10.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 9, caracterizado porque dichas capas de alta conductividad son unos electrodos (1, 2) de dicho dispositivo de onda acústica.
11.- Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos un resonador de onda acústica en volumen, o resonador BAW.
12.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 11, caracterizado porque el material de dicha o dichas compensatorias dieléctricas (4, 5) es al menos uno del grupo que incluye los siguientes materiales ferroicos: material ferromagnético, material ferroeléctrico y material ferroelástico, o una combinación de los mismos, con coeficientes no lineales opuestos a los de Ia capa o capas activas (3) del dispositivo.
13.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 12, caracterizado porque dicho resonador de onda acústica en volumen, que es al menos uno, es de tipo membrana, o FBAR.
14.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 12, caracterizado porque dicho resonador de onda acústica en volumen, que es al menos uno, es del tipo que se encuentra montado en un soporte sólido, o SMR.
15.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 14, caracterizado porque Ia capa o capas de material ferroico (4, 5) están ubicadas en el espejo acústico (6) de dicho resonador BAW tipo SMR, que es al menos uno.
16.- Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende al menos un resonador de onda acústica de tipo superficial, o resonador SAW.
17.- Dispositivo de onda acústica según Ia reivindicación 16, caracterizado^ porque el material de Ia capa o capas compensatorias (4, 5) es un material dieléctrico no ferroico con coeficientes elásticos no lineales opuestos a los de Ia capa o capas activas (3) del dispositivo.
18.- Dispositivo de onda acústica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos dos resonadores de ' onda acústica conectados en paralelo, al menos uno de los cuales incluye una o más de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5).
19.- Filtro de onda acústica, caracterizado porque comprende al menos un dispositivo de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10796753 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A2 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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