[发明专利]具有压电声学共振元件的装置及其制造方法以及输出取决于共振频率的信号的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括至少一个压电声学共振元件的装置，该共振元件具有压电层和两个设置在压电层上的电极，其中该压电声学共振元件是通过用电极在压电层上施加交变电压从而激励压电层以共振频率进行体振动来实现的，本发明还涉及制造这种装置的方法以及输出取决于共振频率的信号的方法。

背景技术

这种类型的压电声学共振元件，其中通过施加交变电压场而激励压电声学层以共振频率纵振动(Dickenschwingung)，即整体振动(Koerpervolumenschwingung)，称为“体声波(Bulk Acoustic Wave，BAW)压电共振器”，并且首先是为通信电子的高频应用而开发的。

用于实现BAW共振器的最简单的配置是由压电材料制成的层，该压电材料在合适的结晶方向情况下(例如c轴垂直于电极面)以三明治结构设置在两个电极之间。

在图1和图2中示意性示出BAW共振器的两个基本类型，如在M.Dubois的介绍性文章“Thin Film Bulk Acoustic Resonators：ATechnology Overview”，Tagung MEMSWAVE 03，Toulouse，France，July2-4，2003中所示。

图1A在此示意性示出所谓“薄膜体声波共振器(FBAR)”的例子。压电AlN层300敷设在Si晶片400形式的载体衬底上。在压电层的底面和正面敷设了电极100和200。如果通过电极100/200向压电层300施加电交变场，则由于反向的压电效应会出现电能向机械能的转换。所产生的声波体振动在压电层内传播，其中其前进方向平行于电场，而且声波在电极/空气的界面上被反射。如果共振器的层结构的厚度等于输入信号波长的一半，则实现共振振动。为了避免在载波衬底中的声学损失，在压电层的底面设置一个空腔，从而声波可以在电极/空气的界面上被反射。

图1B示出BAW共振器作为所谓的稳固安装的共振器(SolidlyMounted Resonator，SMR)的结构。与图1的结构不同，在此为了避免在载体衬底方向上的声学损失，在下电极300和衬底400之间设置声波反射镜(布拉格反射镜)500。该声波反射镜由多个具有极为不同的声阻抗的层组成，这些层以交替的顺序设置，例如W/SiO₂层或Al/AlN层等。层厚是λ/4。

与已经作为滤波器元件广泛应用于高频技术的所谓表面波共振器(Surface Acoustic Wave(SAW)Resonator)相比，存在原理上的差异，即在BAW共振器的情况下激励起压电层的纵振动(体振动)，这与表面波共振器中的表面波相反。体振动(整体振动)的激励通过合适的电极布置结合压电层的合适结晶方向进行。根据不同的配置，压电声学共振元件的被激励的体振动可以是纵向振动或者体剪切振动(Dickenscherschwingung)。

表面波共振器(SAW共振器)和体声波共振器(BAW共振器)之间的原理性差异根据不同的应用领域对部件的电特性产生很大的影响。例如，在采用BAW共振器作为高频区域的滤波器元件时，由于在两个电极之间产生的电场而仅发生与金属表面之外的电场的最小耦合。此外，FBAR滤波器或BAW滤波器在通带区域展现出比OFW滤波器更小的电损耗，而且比OFW滤波器的功率兼容性更高。

特别的优点还参照制造工艺给出，因为BAW共振器能以简单方式用标准集成电路工艺(例如CMOS、BiC-MOS等)集成在作为载体衬底的半导体芯片上。

原则上，作为BAW共振器的制造工艺不仅可以考察厚层技术，这种技术基本上基于丝网印刷技术并且尤其适用于＞100μm的结构，而且还可以考察薄层技术，如通过CVD/PVD方法从蒸镀阶段分离。

基于通过薄层技术可以获得尺寸范围明显低于10μm直至亚μm范围的结构，随着集成的要求逐渐增多以及不同部件的微型化不断发展该薄层技术尤其是提供了很好的机会。