[发明专利]一种用于表面声波装置的可调谐表面声波叉指换能器结构

说明书

本发明基于对减小RF滤波器的尺寸和成本，以及对减少覆盖多个操作频段的移动手机和无线系统所需的滤波器数量的强烈需求，需要可覆盖尽可能多的频段或频率范围的可调谐RF滤波器，以便减少移动手机和无线系统中滤波器的数量。本发明公开了一种用于表面声波装置的可调谐表面声波叉指换能器结构，本发明提供可调谐表面声波(SAW)IDT结构，其中待激发和传输的声波的谐振频率由数模转换器(DACs)来调谐。DAC将输入数字信号转换为输出直流电压，并通过集成薄膜偏压电阻向SAW IDT提供直流偏压。输出直流电压的极性和数值由输入数字信号控制，以实现SAW IDT的谐振频率的选择和调谐。

技术领域

本发明涉及可调谐滤波和产生可调谐RF信号，来用于通信系统。更具体地，本发明涉及可调谐表面声波谐振器和SAW滤波器，其操作频率由数模转换器调节。

背景技术

电子系统，尤其是应用于射频(RF)通信的电子系统，需要小型带通滤波器和振荡器。振荡器用于产生RF信号，带通滤波器用于在给定频率下在特定带宽(BW)内选择(发送或接收)信号。这些系统的一些例子包括全球定位系统(GPS)；移动通信系统包括：全球移动通信系统(GSM)，个人通信服务(PCS)，通用移动电信系统(UMTS)，长期演进技术(LTE)；数据传输单元包含：蓝牙，无线局域网(WLAN)，卫星广播和未来交通控制通讯。它们还包括用于航空和航天器的其它高频系统。

射频带通滤波器采用不同的技术制造：(a)基于介电谐振器的陶瓷滤波器；(b)基于表面声波谐振器(SAW)的滤波器和(c)使用薄膜体声波谐振器(FBAR)的滤波器。SAW和FBAR都是在系统尺寸有限的情况下使用的。目前，SAW器件主要用于频率低于2GHz的量产应用，而FBAR在频率为2至4GHz或更高频率的系统中占主导地位。由于量大，目前手机中通用的SAW或FBAR射频滤波器是使用微电子制造工艺在压电材料晶片上(例如：用于SAW的LiNbO3和用于的FBAR的AlN)制造而成的。

表面声波(SAW)滤波器

SAW器件的开发可追溯到第一个SAW器件制成时的1965年。早期的SAW器件研究工作主要是为了满足雷达信号处理的需要。在20世纪80年代和90年代，主要的开发工作集中在低损耗滤波器上，尤其是用于手机的滤波器。SAW器件的基本原理可以通过基本的SAW结构来理解。图1示出了在压电基片(110)上的现有技术SAW滤波器(100)的示意图。其中，一输入叉指换能器IDT1(120)，其相邻电极之间的中心距离被控制到“叉指间距”，被连接到电信号源(130)来激发具有速度v和频率f_o＝v/(2×叉指间距)的声波(140)。一输出叉指换能器IDT2(150)，其相邻电极之间的中心距也被控制为“叉指间距”，来接收声波(140)并将其转换为输出电信号(160)。在信号源(130)中频率不为f_o的电信号不能在输出终端激发出具有充足强度的共振声波，到达输出叉指换能器IDT2(150)，并在输出终端产生一个输出信号。一个SAW滤波器一旦制成，其传输的中心频率f_o和带宽(BW)是由滤波器的几何形状和所使用的材料所决定。唯一被允许从输入IDT到达输出IDT的电信号是那些频率位于中心频率f_o的带宽内的电信号

滤波器压电材料的主要特性为：声波传播速度，叉指间距和耦合系数。其中，声波速度和叉指间距决定谐振频率，而耦合系数则影响带宽。几种压电基片的速度值为：LiNbO₃～4,000m/s，ZnO～6,300m/s，AlN～10,400m/s和GaN～7,900m/s。例如，为了在LiNbO₃上获得中心频率f_o为2GHz的滤波器，声波的波长为l＝(4000m/sec)/(2×10⁹/sec)＝2×10^-4cm。因此，图1中的叉指间距的值则等于(1/2)l或1μm。假定电极的宽度和相邻电极之间的空间相等，则电极宽度为0.5μm。

薄膜体声波谐振器(FBAR)