[发明专利]具有改进的通带特性的横向耦合式体声波滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及体声波(BAW)薄膜技术。具体地说，本发明涉及一种横向耦合式BAW(LBAW)滤波器以及借助LBAW滤波器对射频(RF)信号进行滤波的方法。这种滤波器具有权利要求1的前序部分所述的特征。

背景技术

BAW谐振器

体声波薄膜装置可用作谐振器。图1示出了基于薄膜技术的固定安装的压电BAW谐振器的示意图。构成谐振器的压电薄膜层和电极层将电信号转换成声学振动，反之亦然。谐振器固定地安装在硅衬底上，这意味着谐振器与具有由高、低声学阻抗(Z)材料的交替层所构成的声反射器(声布拉格反射器或“声反射镜”)的衬底声学隔离。这种类型的谐振器通常称为固定安装的谐振器(SMR)。另一种可能性是制作自立膜式谐振器，通常称为薄膜谐振器或FBAR。

在BAW装置中，体波的传播方向典型地沿着厚度轴(图1的z轴)。粒子位移要么垂直于传播方向(剪切波)，要么平行于传播方向(纵波)。在厚度方向上，声波具有声学波长λ_z。体声波在电极之间反射，并且当压电层与电极的厚度d使得声学半波长的整数倍N包含在压电层与电极层所形成的厚度范围内时，即d_piezo+els＝Nλ_z/2时，会产生驻波(厚度谐振)。厚度模式的特征基于整数N和粒子运动的方向。图2示出了两种体波模式：一阶厚度延伸(TE1)模式(上)和二阶厚度剪切(TS2)模式(下)。在TE1模式下，粒子位移平行于传播方向(厚度方向)，并且在压电层与电极的厚度内存在一个半波长(λ_z/2)。在TS2模式下，粒子位移垂直于传播方向，并且在压电层与电极的厚度内存在一个波长(λ_z)。

波也可以如同具有横波长λ_||的板波那样在横向上传播。图2中针对TE1和TS2模式进行显示。在横向有限尺寸的谐振器中，由于来自谐振器边缘的反射，使得可以在横向上产生驻波模式。

谐振器的声学特性可以通过散布(dispersion)图来描述，即，通过示出了体声波谐振模式的横波数k_||＝2π/λ_||对频率f的视图来描述，参见图3，其为BAW谐振器层堆叠的计算散布图的示例。BAW谐振器的散布特性主要由薄膜层堆叠来确定。图3中示出了二阶厚度-剪切TS2振动模式和TE1振动模式的初动频率(在该频率处振动模式首次出现)。针对TE1模式，初动频率与针对横波数k_||＝0的频率相同。基础的厚度谐振接近于k＝0(横波长为无穷大)。散布曲线描述了横向传播的波(板波)关于频率的特性。如果TS2模式出现在比TE1模式低的频率处，则认为散布为类型1，相反情况则认为是类型2。

BAW滤波器

滤波器可以通过电连接单端口谐振器而形成梯式或网格滤波器。另一种可能是通过针对声波将谐振器彼此放置得足够接近而在它们之间设置机械(声学)耦合，从而从一个谐振器耦接到另一谐振器。这种装置称为耦合式谐振滤波器(CRF)。

在BAW装置中，堆叠压电层之间的垂直声学耦合使用在堆叠式晶体滤波器(SCF)(参见IEEE1987年第41届频率控制讨论会会报第371-381页，“Thin film resonator technology”，作者R.M.Lakin等)和垂直耦合式CRF(参见IEEE2004年超声研讨会会报第416-419页，“Single-to-balanced Filters for Mobile Phones using Coupled Resonator BA W Technology”，作者G.G.Fattinger等)中。在SCF中，两个压电层通过中间电极隔开。在垂直耦合式CRF中，耦合层用于修改压电层之间的耦合强度。CRF可使用SMR技术或膜技术来制备。

已经表明，薄膜垂直耦合式CRF提供相对较宽频带的频率响应(中心频率为1850MHz的为80MHz带宽，或者带宽是中心频率的4.3％(参见Fattinger等人的文献))。它们还能够进行不平衡至平衡(换衡)转换。垂直耦合式CRF的缺点是需要大量的层以及它们对压电层厚度的灵敏度。这使得制备工艺困难并因此昂贵。

体声波薄膜装置(LBAW)中的横向声学耦合是一种有前景的滤波器制备技术，但是它尚未获得广泛研究。然而，可以证明，TE1模式LBAW的滤波性能相当于或优于目前商业可获得的声波滤波器。然而，滤波器通带的下方可见强的杂散响应(由TE1模式形成)。杂散峰值是由于强的二阶厚度-剪切(TS2)波振动模式的激发而导致的。为了使该原型滤波器可商业实现，就必须对这种响应加以抑制。