[发明专利]宽带声耦合薄膜BAW滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的宽带声耦合薄膜体声波(BAW)滤波器。

背景技术

在无线电领域如移动电话、无线网络、卫星定位等中广泛使用基于微声学和薄膜技术的射频(RF)元器件，例如谐振器和滤波器。它们相比于对应的集总元件的优点包括小的尺寸和可大规模生产的能力。用于射频器件的两种基本的微声技术是表面声波(SAW)技术和体声波(BAW)技术。

在这一部分中将简单地介绍现有的滤波器技术以便提供本发明的背景。

表面声波器件

在图1a中示出了SAW器件的示意图。在压电基板1上布图形成了叉指换能器(IDT)2、3（薄膜金属条的梳齿样结构）。压电基板例如为石英、LiNbO₃或LiTaO₃。IDT用来通过压电效应将输入电信号V_in转换成声波，同时在输出端口拾取声信号并将其转换回电形式。SAW器件的操作频率取决于声波的速度以及IDT电极的尺寸：

f∝(ν/2p)

其中，f为频率，p为IDT的周期（见图1b），而ν为表面波的速度。因此，如果速度保持为常量，则更高的操作频率要求更小的p。

SAW换能器典型地为周期性的，然而该周期可能比图1所示的更加复杂。

体声波器件

在BAW器件中，采用压电晶片或薄膜内的声振动来处理输入电信号。器件中的用于薄膜的压电材料通常属于6mm对称群，例如ZnO、AlN和CdS。也可以采用其它的压电材料，例如石英、LiNbO₃或LiTaO₃等。在图2a中显示了直接式安装的BAW谐振器(SMR)的示意性截面，在图2b中显示了自支撑式（膜型）谐振器的示意性截面。在SMR中，由交替的高的和低的声阻抗(Z)材料层构成的声布喇格反射器用来将压电薄膜中的振动与基板隔离开，并且阻止声泄漏。在膜器件中，通过在自支撑式膜上制造谐振器而实现了相同的功能。

BAW谐振器的面积通常由用于使器件与系统阻抗相匹配所需的静态电容来决定。滤波器可由谐振器通过将谐振器电连接来构造。一个通用的例子是梯型滤波器，其中谐振器以T型部分或π型部分相连（图3）。通过适当地设计谐振频率，就可以实现通带响应。增加上述部分的数量有助于加宽通带。带外信号抑制由谐振器结构的电容来决定，并且通常处于～25dB的数量级。带内损耗主要由谐振器的Q值所决定。

振动模式和散布类型

在声谐振器的压电层中，当以激励频率f扫描时会产生不同的体声振动模式。在BAW器件中，体波的传播方向通常是沿着厚度轴（z轴）。粒子的位移或是垂直于传播方向（剪切波），或是平行于传播方向（纵波）。体模式的特征在于可匹配到谐振器结构（压电层和电极）的厚度中的体波长λ_z的半波长的数量。另外，体模式可沿横向（垂直于z轴）传播，作为具有横向波长λ_||的板波。这在图4a中针对两种体模式（纵波和剪切波）而示出。在有限大小的谐振器中，从谐振器边缘反射的板波可导致横向驻波，并因而导致横向谐振模式。

BAW谐振器的声学特性可通过散布曲线来描述，其中振动的横向波数k_||表示为频率的函数。图4b显示了BAW谐振器中的散布特性的例子。带有电极的（有源）区域的散布曲线由实线绘出，而无电极的（外部）区域的散布曲线由虚线绘出。在图中示出了其中压电层的厚度包括体振动的波长的大约一半的一阶纵向（厚度伸缩，TE1）振动模式，以及其中体振动与厚度方向垂直并且在压电层厚度中包括一个声波长的二阶厚度切变（TS2）模式。其中TE1模式具有随频率增大而增大的k_||的这种类型的散布称作类型1。类型1的材料包括例如ZnO。氮化铝为固有的类型2（在图4b中，TE1模式为下方的散布曲线，TE2模式为上方的散布曲线），然而如果具有适当设计的声布喇格反射器，则谐振器结构的散布曲线可裁剪为类型1。