专利名称：结合了串联的解耦堆叠体声波谐振器的声电隔离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及结合了串联的解耦堆叠体声波谐振器的声电隔离器。
背景技术：
电隔离器(galvanic isolator)允许信息信号从其输入端通到其输出端，但是在其输入端与其输出端之间没有导电路径。没有导电路径使电隔离器可以防止不期望的电压在其输入端与其输出端之间通过。严格地说，电隔离器只阻挡直流(DC)电压，不过通常的电隔离器也会另外阻挡交流(AC)电压，例如电力线处的音频电压。电隔离器的一种示例是数据耦合器，它使高数据率的数字信息信号通过，但是会阻挡DC电压，另外还阻挡低频AC电压。
数据耦合器的一种示例是光隔离器，例如Agilent Technologies，Inc.销售的光隔离器。在光隔离器中，由发光二极管(LED)将电信息信号转换为光信号。光信号经过不导电的光传输介质(通常是空气隙或光波导)，并由光检测器接收。光检测器将光信号转换回电信号。是因为光信号可以通过不导电的光传输介质，而不需要金属导体，所以提供了电隔离功能。
其他的数据耦合器包括由第一线圈磁耦合到第二线圈所组成的变压器。使电信息信号经第一线圈通过会将电信息信号转换为磁通量。磁通量经空气或不导电的磁材料通到第二线圈。第二线圈将磁通量转换回电信号。变压器允许高数据率信息信号通过，而阻挡DC电压和低频AC电压的传递。磁通量传输者造成的阻碍足以防止DC电压和低频AC电压从输入端通到输出端。有时也用隔直流电容器来提供类似的隔离功能。
便宜的光隔离器通常由于器件的电容以及光器件的功率限制而将数据率限制在约10Mb/s。采用变压器方式需要线圈具有大电感同时还要能够传输高数据率的信息信号。这种相互矛盾的需求常常难以兼顾。使用电容器不能在导电路径中提供绝对的隔断，因为信息信号会以电的方式传输通过。更好的解决方案将电信息信号转换为另一种形式的信号(例如光或磁通量)，然后将这种另外形式的信号转换回电信号。这样可以消除输入端与输出端之间的电路径。
许多数据传输系统以100Mb/s的速度工作。需要一种能够以100Mb/s或更高速度工作的紧凑、便宜的电隔离器。还需要一种能够对与信息信号频率接近的AC信号进行阻挡的紧凑、便宜的电隔离器。
发明内容
本发明在第一方面提供了一种声电隔离器。声电隔离器的实施例包括载波信号源、被连接以接收信息信号和载波信号的调制器、解调器、以及连接在调制器与解调器之间的电隔离声耦合器。电隔离声耦合器包括串联的解耦堆叠体声波谐振器(DSBAR)。
在第二方面，本发明提供了一种用于对信息信号进行电隔离的方法。该方法的实施例包括提供电隔离声耦合器的步骤，所述电隔离声耦合器包括串联的解耦堆叠体声波谐振器(DSBAR)；提供载波信号的步骤；用信息信号对载波进行调制以形成调制电信号的步骤；经过电隔离声耦合器对调制电信号进行声耦合的步骤；以及从经过电隔离声耦合器声耦合的调制电信号恢复信息信号的步骤。
包括串联解耦堆叠体声波谐振器(DSBAR)的电隔离声耦合器体积小巧，制造便宜，还能够对数据率超过100Mbit/s的信息信号进行声耦合，并能在其输入端与其输出端之间承受很大的DC或AC电压。
图1是示出根据本发明一种实施例的声电隔离器的框图。
图2是示出根据本发明第一实施例的声耦合器一种示例的原理图，所述声耦合器可以用作图1所示声电隔离器的电隔离声耦合器。
图3的曲线图示出图2所示声耦合器一种示例性实施例的频率响应特性(实线)以及组成它的解耦堆叠体声波谐振器(DSBAR)之一的频率响应特性。
图4A是图2所示声耦合器一种实际示例的俯视图。
图4B和图4C分别是沿图4A所示断面线4B-4B和4C-4C的剖视图。
图5A是图4B中标有5A的部分的放大图，示出了声解耦器的第一实施例。
图5B是图4B中标有5A的部分的放大图，示出了声解耦器的第二实施例。
图6是示出根据本发明第二实施例的声耦合器一种示例的原理图，所述声耦合器可以用作图1所示声电隔离器的电隔离声耦合器。
图7A是图6所示声耦合器一种实际示例的俯视图。
图7B和图7C分别是沿图7A所示断面线7B-7B和7C-7C的剖视图。
图8是示出根据本发明第三实施例的声耦合器一种示例的原理图，所述声耦合器可以用作图1所示声电隔离器的电隔离声耦合器。
图9A是图8所示声耦合器一种实际示例的俯视图。
图9B和图9C分别是沿图9A所示断面线9B-9B和9C-9C的剖视图。
图10是示出根据本发明第四实施例的声耦合器一种示例的原理图，所述声耦合器可以用作图1所示声电隔离器的电隔离声耦合器。
图11A是图10所示声耦合器一种实际示例的俯视图。
图11B和图11C分别是沿图11A所示断面线11B-11B和11C-11C的剖视图。
图12是示出根据本发明一种实施例用于对信息信号进行电隔离的方法一种示例的流程图。
具体实施例方式
图1是示出根据本发明一种实施例的声电隔离器10的框图。声电隔离器10在其输入端子和其输出端子之间传输电信息信号SI，同时在其输入端子与其输出端子之间提供电隔离。声电隔离器10不仅为DC信号提供电隔离，而且提供AC电隔离。电信息信号SI通常是高数据率的数字式数据信号，但也可以是模拟信号。在一种应用中，电信息信号SI是100Mbit/s的以太网信号。
在所示的示例中，声电隔离器10由本地振荡器12、调制器14、电隔离声耦合器16和解调器18组成。在所示的示例中，本地振荡器12是电载波信号SC的源。调制器14具有被连接为从声电隔离器10的输入端子22、24接收电信息信号SI的输入端，以及被连接为从本地振荡器12接收载波信号SC的输入端。调制器14的输出端连接到电隔离声耦合器16的输入端26、28。
电隔离声耦合器16在输出端34、36处提供了平衡输出。电隔离声耦合器16的输出端32、34连接到解调器18的输入端。解调器18的输出端连接到声电隔离器10的输出端子36、38。
电隔离声耦合器16具有带通频率响应，这将在下面参考图3进行详细说明。本地振荡器12产生载波信号SC，其名义频率位于电隔离声耦合器16的通带中心。在声电隔离器10的一种示例性实施例中，电隔离声耦合器16的通带中心位于频率为1.9GHz处，本地振荡器12产生频率为1.9GHz的载波信号SC。本地振荡器12将载波信号SC馈送到解调器14的载波信号输入端。
调制器14从输入端子22、24接收电信息信号SI并用电信息信号SI对载波信号SC进行调制，从而产生调制电信号SM。通常，调制电信号SM是依照电信息信号SI调制过的载波信号SC。可以使用任何适当的调制方案。在一种示例中，载波信号由电信息信号SI进行幅值调制，电信息信号SI是数字信号，具有分别代表0和1的低电平和高电平，在这种示例中，调制电信号SM具有小幅值和大幅值，它们分别代表电信息信号中的0和1。
如下面将要参考图2和图4A-4C详细说明的，电隔离声耦合器16将调制电信号SM从其输入端26、28声耦合到其输出端32、34，从而向解调器18的输入端提供电输出信号SO。电输出信号SO类似于调制电信号SM，即，它是具有与载波信号SC相同的频率、与调制电信号SM相同的调制方案以及与电信息信号SI相同的信息内容的调制电信号。解调器18对电输出信号SO进行解调以恢复电信息信号SI作为复原的电信息信号SR。复原的电信息信号SR是从解调器18到输出端子36、38的输出。
如本领域所知，解调器18包括检测器(未示出)，该检测器由电输出信号SO恢复电信息信号SI。在一种示例中，检测器对电输出信号SO进行整流和积分以恢复电信息信号SI。对于电信息信号SI是数字信号的应用，在期望用于这些应用的一种实施例中，解调器18通常还在检测器之后另外包括时钟和数据恢复(CDR)电路。CDR电路用于对从电输出信号SO中恢复的原始电信息信号波形进行清理以产生复原的电信息信号SR。解调器向声电隔离器10的输出端子36、38提供复原的电信息信号SR。
适于用作声电隔离器10中本地振荡器12、调制器14和解调器18的电路是本领域公知的。因此，不再对本地振荡器12、调制器14和解调器18进行更详细的描述。
在图1所示的实施例中将本地振荡器12示为声电隔离器10的一部分。在其他实施例中，声电隔离器10不带本地振荡器，而是具有载波信号输入端子(未示出)，声电隔离器经过该输入端子从外部载波信号发生器接收载波信号SC。在这样的实施例中，载波信号输入端子为声电隔离器提供载波源。
现在将对根据本发明的实施例可用作声电隔离器10中电隔离声耦合器16的声耦合器进行说明。如下面将参考图3详细说明的一样，这些实施例都具有带通频率响应。声耦合器的通带用中心频率和带宽表征。通带的带宽确定了可以由声耦合器进行声耦合的信息信号最大数据率。为了简单起见，将把声耦合器的通带中心频率称为“声耦合器的中心频率”。如下面会更详细说明的，声耦合器的实施例是部分由各种传声材料的层组成的，这些层的厚度取决于声信号在传声材料中的波长，所述声信号的频率名义上等于声耦合器的中心频率。在图1所示声电隔离器10中，载波信号SC的频率名义上等于用作电隔离声耦合器16的声耦合器的中心频率。
在本发明中，“四分之一波层”将用于表示这样的传声材料层，该层的名义厚度t等于声信号在材料中波长的四分之一的奇数倍，其中所述声信号的频率名义上等于声耦合器的中心频率，即t≈(2m+1)λn/4(1)其中λn为上述传声材料中声信号的波长，m为大于或等于零的整数。四分之一波层的厚度可以与名义厚度相差λn/4的约±10％。也可以使用这个容限范围之外的厚度，但性能会有些差，不过四分之一波层的厚度应当总是与λn/2的整数倍差别显著。
此外，本发明中，在上述术语“四分之一波层”前加上表示四分之一波长数目的数字来表示这样的四分之一波层，该层的厚度等于上述声信号在材料层中波长四分之一的具体倍数。例如，术语“一倍四分之一波层”将用于表示这样的传声材料层，其名义厚度t等于声信号在材料中波长的四分之一，即t≈λn/4(式(1)中m＝0)，其中所述声信号的频率等于声耦合器的中心频率。一倍四分之一波层是具有最小可能厚度的四分之一波层。与之类似，三倍四分之一波层的名义厚度t等于上述声信号在材料中波长的四分之三，即t≈3λn/4(式(1)中m＝1)。
术语“半波层”将用于表示这样的传声材料层，该层的名义厚度t等于声信号在材料中波长一半的整数倍，其中所述声信号的频率名义上等于声耦合器的中心频率，即t≈nλn/2(2)其中n为大于零的整数。半波层的厚度可以与名义厚度相差λn/2的约±10％。也可以使用这个容限范围之外的厚度，但性能会有些差，不过半波层的厚度应当总是与λn/4的奇数倍差别显著。可以在术语“半波层”前加上数字来表示这样的半波层，该层的厚度等于上述声信号在材料层中波长一半的具体倍数。
声电隔离器以及作为其组成部分的电隔离声耦合器用“击穿电压”表征。声电隔离器的击穿电压是这样的电压，当在声电隔离器的输入端子与输出端子之间施加该电压时，会造成大于阈值泄漏电流的泄漏电流流过。在像本发明中这样具有多个输入端子和多个输出端子的声电隔离器中，通过将输入端子彼此电连接、输出端子也彼此电连接来测量击穿电压。电隔离声耦合器的击穿电压是这样的电压，当在声谐振电绝缘体的输入端与输出端之间施加该电压时，会造成大于阈值泄漏电流的泄漏电流流过。在像本发明中这样具有多个输入端和多个输出端的电隔离声耦合器中，通过将输入端彼此电连接、输出端也彼此电连接来测量击穿电压。阈值泄漏电流取决于具体应用情况，通常在微安量级。
图2是示出根据本发明第一实施例的声耦合器100一种示例的示意图。声耦合器100包括输入端26和28、输出端32和34、第一解耦堆叠体声波谐振器(DSBAR)106、第二DSBAR 108以及电路140，电路140将DSBAR 106、108串联在输入端26、28与输出端32、34之间。DSBAR 106包括声解耦器130，DSBAR 108包括声解耦器170。声解耦器130与声解耦器170中至少其一是电绝缘性的，并将输入端26、28与输出端32、34电隔离开来。通常，声解耦器130和声解耦器170都是电绝缘性的。电绝缘声解耦器130、170串联在输入端26、28与输出端32、34之间。
在用作图1所示声电隔离器10中的电隔离声耦合器16时，声耦合器100将调制电信号SM从输入端26、28声耦合到输出端32、34，同时在输入端26、28与输出端32、34之间提供电隔离。因此，声耦合器100有效地将输出端子36、38与输入端子22、24电隔离开来，并使输出端子与输入端子在电压方面可以具有高达其额定击穿电压的电压差异。
DSBAR 106与DSBAR 108各包括第一薄膜体声波谐振器(FBAR)、第二FBAR以及这些FBAR之间的声解耦器。每个FBAR由相对的平面电极和电极之间的压电元件组成。具体地说，第一DSBAR 106由第一FBAR 110、第二FBAR 120以及这些FBAR之间的电绝缘声解耦器130组成。第二DSBAR 108由第一FBAR 150、第二FBAR 160以及这些FBAR之间的电绝缘声解耦器170组成。在所示的示例中，第二FBAR120堆叠在第二FBAR 110上，第一FBAR 150堆叠在第二FBAR 160上。或者，第一FBAR 110可以堆叠在第二FBAR 120上，而第二FBAR 160可以堆叠在第一FBAR 150上。
在第一DSBAR 106中，第一FBAR 110由相对的平面电极112、114与电极112、114之间的压电元件116组成，第二FBAR 120由相对的平面电极122、124与电极122、124之间的压电元件126组成。电绝缘声解耦器130位于FBAR 110的电极114与FBAR 120的电极122之间。在第二DSBAR 108中，第一FBAR 150由相对的平面电极152、154与电极152、154之间的压电元件156组成，第二FBAR 160由相对的平面电极162、164与电极162、164之间的压电元件166组成。电绝缘声解耦器170位于FBAR 150的电极152与FBAR 160的电极164之间。
电路140由导体136、138、176、178、182和184组成。导体136、138分别将输入端26、28电连接到第一DSBAR 106中第一FBAR 110的电极112、114。导体182、184通过分别将第二FBAR 120的电极122连接到第一FBAR 150的电极152、将第二FBAR 120的电极124连接到第一FBAR 150的电极154而将这些DSBAR 106、108串联起来。导体176、178分别将第二DSBAR 108中第二FBAR 160的电极162、164电连接到输出端32、34。
在第一DSBAR 106中，输入端26、28接收到的调制电信号SM分别经过导体136和138馈送到第一FBAR 110的电极112和114。在第一FBAR 110中，电极112和114向压电元件116施加电输入信号。施加到压电元件116的电输入信号使第一FBAR 110发生机械振动。声解耦器130将第一FBAR 110产生的部分声信号耦合到第二FBAR 120，所述声信号使FBAR 120振动。第二FBAR 120的压电元件126将第二FBAR 120的机械振动转换为由第二FBAR 120的电极122和124接收的中间电信号。电路140将中间电信号从第一DSBAR 106中第二FBAR 120的电极122和124分别耦合到第二DSBAR 108中第一FBAR 150的电极152和154。
在第二DSBAR 108中，第一FBAR 150响应于施加到其压电元件156的中间电信号而机械振动。声解耦器170将第一FBAR 150产生的部分声信号耦合到第二FBAR 160，所述声信号使第二FBAR 160振动。第二FBAR 160的压电元件166将第二FBAR 160的机械振动转换为由FBAR160的电极162和164接收的电输出信号SO。导体176和178将电输出信号SO从电极162、164分别连接到输出端32、34。
出现在输出端32、34之间的电输出信号SO具有与施加在输入端26、28之间的调制电信号SM相同的频率并包括其信息内容。因此，声耦合器100有效地将调制电信号SM从输入端26、28声耦合到输出端32、34。电绝缘声解耦器130使连接到输出端28的电极114与连接到电极152的电极122电绝缘，电绝缘声解耦器170使电极152与连接到输出端34的电极164电绝缘。因此，声耦合器100还使输出端32、34与输入端26、28电隔离开来。
在声耦合器100中，声解耦器130对FBAR 110产生的声信号到FBAR 120的耦合进行控制，声解耦器170对FBAR 150产生的声信号到FBAR 160的耦合进行控制。声耦合器130、170共同控制声耦合器100的带宽。具体地说，由于声解耦器130与FBAR 110和120之间的声阻抗基本上不匹配，所以与通过FBAR 110与FBAR 120之间的直接接触进行耦合相比，声解耦器130更少将FBAR 110产生的声信号耦合到FBAR 120。与之类似，由于声解耦器170与FBAR 150和160之间的声阻抗基本上不匹配，所以与通过FBAR 150与FBAR 160之间的直接接触进行耦合相比，声解耦器170更少将FBAR 150产生的声信号耦合到FBAR 160。
调制电信号SM经由串联在输入端26、28与输出端32、34之间的DSBAR 106、108通过。图3用虚线示出了DSBAR 106的频率响应特性作为DSBAR 106和108的频率响应特性的示例。DSBAR 106在大于100MHz的通带宽度中显示出了平坦的带内响应，其宽度足以传输调制电信号SM一种实施例的整个带宽，所述调制电信号SM是用一种数据率高于100Mbit/s的电信息信号SI实施例对载波信号SC进行调制得到的。每个DSBAR都使经过其的电信号受到图3中虚线所示频率响应特性的影响。声耦合器100得到的频率响应如图3中实线所示。声耦合器100具有平坦的带内响应并在通带与抑制频带之间具有陡峭的转变。而且，随着频率到中心频率的偏离量增加，频率响应持续下降，在抑制频带中造成了很大衰减。
图4A是示出声耦合器100一种实际示例的平面图。图4B和图4C是分别沿图4A中所示断面线4B-4B和4C-4C的剖视图。在图2与图4A-4C中，采用相同的标号来标记声耦合器100的元件。
在图4A-4C所示声耦合器100的实施例中，DSBAR 106和DSBAR108悬置在衬底102中限定的共用腔104上方。将DSBAR 106和108悬置在腔上方使组成DSBAR 106的堆叠FBAR 110、120以及组成DSBAR 108的堆叠FBAR 150、160可以响应于调制电信号SM进行机械谐振。也可以采用使DSBAR106和108可以机械共振的其他悬置方案。例如，DSBAR106和DSBAR 108可以悬置在衬底102中限定的相应的腔上方。在另一种示例中，可以通过声布拉格反射器(未示出)将DSBAR 106、108与衬底102声隔离，像John D.Larson III等在题为“Cavity-Less Film Bulk AcousticResonator(FBAR)Devices”的美国专利申请公开No.20050104690中所述那样，该申请转让给了本发明的受让人并通过引用而结合于此。
在图4A-4C所示的示例中，衬底102的材料是单晶硅。由于单晶硅是半导体，并因此不是良好的电绝缘体，所以衬底102通常由单晶硅的基底层101与位于基底层主要表面上的电介质材料绝缘层103组成。绝缘层的示例性材料包括氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、聚酰亚胺、交联聚亚苯基聚合物以及任何其他合适的电绝缘材料。绝缘层103使DSBAR 106、108与基底层101绝缘。或者，衬底102的材料可以是陶瓷材料，例如具有很高电阻率和击穿电场的氧化铝(Al2O3)。
在图4A-4C所示的示例中，压电材料的压电层117提供了压电元件116和166，压电材料的压电层127提供了压电元件126和156。另外，在图4A-4C所示的示例中，声解耦材料的单一声解耦层131提供了声解耦器130和170，这将在下面参考图5A进行详细说明。
在图4A-4C所示的实施例中，图2所示的输入端26、28分别用端子焊盘26、28来实现，图2所示的输出端32、34分别用端子焊盘32、34来实现。端子焊盘26、28、32和34位于衬底102的主要表面上。图2所示电路140由电迹线136、138、182、184、176和178组成，电迹线136从端子焊盘26到FBAR 110的电极112延伸，电迹线138从端子焊盘28到FBAR 110的电极114延伸，电迹线182从FBAR 120的电极122到FBAR150的电极152延伸，电迹线184从FBAR 120的电极124到FBAR 150的电极154延伸，电迹线176从FBAR 160的电极162到端子焊盘32延伸，电迹线178从FBAR 160的电极164到端子焊盘34延伸。电迹线136、138、176和178都在衬底102的部分主要表面上方延伸。另外，电迹线136和176在部分压电层117下方延伸，电迹线138和178在部分压电层117上方延伸，电迹线182在部分声解耦层131上方延伸，电迹线184在部分压电层127上方延伸。
在声电隔离器10(见图1)的某些实施例中，本地振荡器12、调制器14和解调器18是在同一衬底102中或其上制造的，通常略去端子焊盘26、28、32、34，并使电迹线136、138延伸来连接到组成部分调制器14的相应迹线，电迹线176、178延伸来连接到组成部分解调器18的相应迹线。
图5A是图4B中标有5A的部分的放大图，示出电绝缘声解耦器130第一实施例。下面对电绝缘声解耦器130的说明也适用于电绝缘声解耦器170。因此将不再单独对电绝缘声解耦器170进行说明。在图5A所示实施例中，电绝缘声解耦器130由电绝缘声解耦材料制成的四分之一波声解耦层131组成。声解耦层131位于FBAR 110和120(见图4B)中的电极114与122之间以提供声解耦器130，还位于FBAR 150和160(见图4B)中的电极152与164之间以提供声解耦器170。或者，声解耦器130和170也可以由单独的声解耦层(未示出)提供。声解耦层131的声解耦材料的声阻抗介于空气与FBAR 110、120的材料之间，还具有高电阻率和高的击穿电压。
材料的声阻抗是材料中应力与质点速度之比，并可以以瑞利(缩写为“rayl”)为单位进行测量。FBAR 110、120、150和160的压电元件116、126、156和166的压电材料通常是氮化铝(AlN)，电极112、114、122、124、152、154、162和164的材料通常是钼(Mo)。AlN的声阻抗通常约为35Mrayl，钼的声阻抗约为63Mrayl。空气的声阻抗约为1krayl。
通常，声解耦层131的电绝缘声解耦材料与组成FBAR 110、120各自的压电元件116、126的压电材料相比，声阻抗要小大约一个数量级。声耦合器100的通带带宽取决于声解耦层131的声解耦材料与FBAR 110和120的材料之间的声阻抗差异。在FBAR 110、120的材料如上所述的声解耦器100实施例中，声阻抗处于约2Mrayl到约8Mrayl的声解耦材料得到的通带宽度足以使声电隔离10(见图1)可以以高于100Mb/s的数据率工作。
确定声电隔离器10(见图1)的输入端22、24与输出端36、38之间击穿电压的主要因素是声解耦层131的声解耦材料的击穿电场以及声耦合器100中声解耦层131的厚度。声解耦层131是一倍四分之一波层的那些声耦合器100实施例通常可以以最佳的信号完整性将调制电信号SM从输入端26、28耦合到输出端32、34。声解耦层131厚度大于一倍四分之一波层的声耦合器100的实施例通常具有这样的频率响应，即由于这种较厚的声解耦层能够支持多个声模式而表现出杂散响应效果。杂散响应效果往往降低了声耦合器100输出的电输出信号SO的“眼”的张开程度。为了确保声电隔离器10(见图1)输出的恢复电信息信号SR的完整性，对于用厚度大于一倍四分之一波层的层作为声解耦层131的声耦合器100实施例，与用一倍四分之一波层(m＝0)作为声解耦层131的声耦合器100的实施例相比，通常需要在解调器18中使用更复杂类型的时钟和数据恢复电路。但是，对于一定的声解耦材料，用厚度大于一倍四分之一波层的层作为声解耦层131的声耦合器100实施例得到的声解耦器100通常具有比用一倍四分之一波层作为声解耦层131的实施例更大的击穿电压。
声解耦层131通过将用于电绝缘声解耦材料的液体前驱体旋涂到电极114和164上方来形成。通过旋涂形成的声解耦层通常会由于涂有声解耦材料的表面轮廓而具有厚度不同的区域。在这样的实施例中，声解耦层131的厚度是声解耦层中位于电极114与122之间以及位于电极152与164之间那部分的厚度。
许多材料是电绝缘性的，具有高的击穿电场并具有上述范围内的声阻抗。此外，许多这样的材料可以用于上述厚度范围内的均匀厚度的层中。因此，这样的材料都可能适用于作为声解耦层131的声解耦材料。但是，声解耦材料还必须能够耐受制造操作中的高温，所述制造操作是在已沉积声解耦层131以形成声解耦器130、170之后进行的。在声解耦器100的实际实施例中，在沉积声解耦材料之后，通过溅射来沉积电极122、124、152、154以及压电层127。在这些沉积处理过程中可以达到高达400℃的温度。因此要用在这样的温度下仍保持稳定的材料作为声解耦材料。
与FBAR 110、120、150和160的材料相比，通常的声解耦材料具有很高的单位长度声衰减。但是，由于声解耦层131通常小于1μm厚，所以声解耦材料制成的声解耦层131引起的声衰减通常可以忽略。
在一种实施例中，用聚酰亚胺作为声解耦层131的声解耦材料。聚酰亚胺由E.I.Du Pont de Nemours and Company以Kapton的商标出售。在这种实施例中，由通过旋涂而施加的聚酰亚胺构成的声解耦层131提供声解耦器130和声解耦器170。聚酰亚胺具有约4Mrayl的声阻抗和约165kV/mm的击穿电场。
在另一种实施例中，用聚(对二甲苯)作为声解耦层131的声解耦材料。在这种实施例中，由通过真空沉积施加的聚(对二甲苯)构成的声解耦层131提供声解耦器130和声解耦器170。聚(对二甲苯)本领域也称为“聚对二甲苯(Parylene)”。由二聚体前驱体二对二甲苯可以制成聚(对二甲苯)，所述二聚前驱体和用于对聚对二甲苯层进行真空沉积的设备从许多供应商处都可以获得。聚对二甲苯具有约2.8Mrayl的声阻抗和约275kV/mm的击穿电场。
在另一种实施例中，用交联聚亚苯基聚合物作为声解耦层131的声解耦材料。这种实施例中，由通过旋涂而施加到电极114的交联聚亚苯基聚合物构成的声解耦层131提供声解耦器130和声解耦器170。交联聚亚苯基聚合物是作为集成电路所用的低介电常数的电介质材料开发的，因此在FBAR 120和160的后续制造期间声解耦材料所经受的高温下仍保持稳定。交联聚亚苯基聚合物具有约2Mrayl的计算声阻抗。这个声阻抗处于使声耦合器200的通带宽度足以用于在超过100Mbit/s的数据率下工作的范围内。
前驱体溶液含有聚合形成相应的交联聚亚苯基聚合物的各种低聚物，这样的前驱体溶液由The Dow Chemical Company，Midland，MI以SiLK的注册商标出售。通过旋涂来施加前驱体溶液。这些前驱体溶液中名为SiLKTMJ的一种还含有附着力促进剂，由这一种前驱体溶液获得的交联聚亚苯基聚合物具有2.1Mrayl，即约2Mrayl的计算声阻抗。这种交联聚亚苯基聚合物具有约400kV/mm的击穿电场。
用于聚合形成交联聚亚苯基聚合物的低聚物由含有双环戊二烯酮(biscyclopentadienone)和芳族乙炔的单体来制备。采用这些单体形成可溶低聚物不需要过度取代。前驱体溶液含有溶解在γ-丁内酯和环己酮溶剂中的指定低聚物。低聚物在前驱体溶液中的百分比决定了前驱体溶液旋涂时的层厚。在涂敷之后，加热蒸发溶剂，然后使低聚物凝固形成交联聚合物。双环戊二烯酮与乙炔在4+2环加成反应中发生反应形成新的芳香环。进一步凝固得到交联聚亚苯基聚合物。Godschalx等在美国专利No.5,965,679中公开了上述交联聚亚苯基聚合物，该专利通过引用而结合于此。Martin等在Development of Low-Dielectric Constant Polymer for theFabrication of Integrated Circuit Interconnect，12 ADVANCEDMATERIALS，1769(2000)中说明了另外的实施细节，该文章同样通过引用而结合。与聚酰亚胺相比，交联聚亚苯基聚合物的声阻抗较小，声衰减较小，介电常数较低，击穿电场较高。此外，前驱体溶液的旋涂层能够产生厚度在200nm量级的高质量交联聚亚苯基聚合物膜，这个厚度是声解耦层131的典型厚度。
在一种可替换实施例中，声解耦层131中提供了声解耦器130和声解耦器170的声解耦材料是具有比FBAR 110、120、150、160大得多的声阻抗的材料。现在还没有公开过具有这种特性的材料，但是今后可能会得到这种材料，或者今后也可能得到更低声阻抗的FBAR材料。这种高声阻抗声解耦材料的四分之一波层厚度如上所述。
图5B是图4B中标有5A的部分的放大图，示出了电绝缘声解耦器130的第二实施例。电绝缘声解耦器130可以以简单的结构构成。下面对声解耦130的说明也适用于声解耦器170。因此，将不再对声解耦器170进行单独说明。在图5B所示的实施例中，声解耦器130由位于FBAR110的电极114与FBAR 120的电极122之间的电绝缘声布拉格结构161组成。声布拉格结构161包括位于高声阻抗布拉格元件165、167之间的低声阻抗布拉格元件163。这些布拉格元件中至少其一包括具有高电阻率、低介电系数和高击穿电场的性能的材料层。
每个布拉格元件163、165和167都是四分之一波层。低声阻抗布拉格元件163是低声阻抗材料构成的四分之一波层，而每个高声阻抗布拉格元件165、167都是高声阻抗材料构成的四分之一波层。这些布拉格元件的材料的声阻抗用彼此间相对的、以及相对于压电元件116和126的压电材料的“低”和“高”的声阻抗来表征。通常用共同的四分之一波层材料来提供声解耦器130的布拉格结构161和声解耦器170的布拉格解耦(未示出)。或者，声解耦器130与170也可以由独立的四分之一波层组成。
在一种实施例中，低声阻抗布拉格元件163是二氧化硅(SiO2)的四分之一波层，二氧化硅的声阻抗约为13Mrayl，每个高声阻抗布拉格元件165、167分别是与电极114、122相同材料(例如钼)的四分之一波层，钼的声阻抗约为63Mrayl。对高声阻抗布拉格元件165和FBAR 110的电极114采用相同材料使高声阻抗布拉格元件165还可以用作电极114。类似地，对高声阻抗布拉格元件167和FBAR 120的电极122采用相同材料使高声阻抗布拉格元件167还可以用作电极122。
在一种示例中，高声阻抗布拉格元件165、167是钼构成的一倍四分之一波层，低声阻抗布拉格元件163是SiO2构成的一倍四分之一波层。在载波SC频率约为1.9GHz的一种实施例中，钼高声阻抗布拉格元件165、167的厚度约为820nm，SiO2低声阻抗布拉格元件163的厚度约为260nm。
用于低声阻抗布拉格元件163的一种可替换材料是交联聚亚苯基聚合物，例如上述由Dow Chemical Co.以SiLK的注册商标出售的前驱体溶液制成的交联聚亚苯基聚合物。用于低声阻抗布拉格元件163的可替换材料示例还包括氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO)、钇铝石榴石(YAG)、二氧化钛(TiO2)以及各种玻璃。用于高声阻抗布拉格元件165、167的一种可替换材料是钨(W)。
在刚刚说明的示例中，布拉格元件163、165和167中只有一个是绝缘的，声耦合器100的击穿电压，以及声电隔离器10的击穿电压由低声阻抗布拉格元件163的厚度或者低声阻抗布拉格元件163材料的击穿电场来确定。
通过使组成布拉格结构161的所有布拉格元件163、165和167都由电绝缘材料来制造，可以提高声耦合器100的击穿电压。在一种示例性实施例中，每个高声阻抗布拉格元件163和167都是二氧化硅(SiO2)构成的四分之一波层，低声阻抗布拉格元件165是交联聚亚苯基聚合物构成的四分之一波层，例如上述由Dow Chemical Co.以SiLK的注册商标出售的前驱体溶液制成的交联聚亚苯基聚合物。但是，二氧化硅具有约30kV/mm的较低击穿电场，而由于典型的交联聚亚苯基聚合物中声音速度较低，所以由其构成的四分之一波层较薄。另一种布拉格结构161的全绝缘实施例中击穿电压高得多，在该实施例中，每个高声阻抗布拉格元件是氧化铝(Al2O3)构成的四分之一波层，低声阻抗布拉格元件165是二氧化硅构成的四分之一波层。氧化铝具有约44Mrayl的声阻抗以及几百千伏/mm的击穿电场。另外，声音在氧化铝中的速度比在典型的交联聚亚苯基聚合物中高约7倍。与施加到二氧化硅构成的两个四分之一波层和交联聚亚苯基聚合物构成的一个四分之一波层两端相比，将一定电压施加到氧化铝构成的两个四分之一波层和二氧化硅构成的一个四分之一波层两端造成的电场低得多。
用于布拉格元件163、165和167的可替换电绝缘材料示例包括氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO)、钇铝石榴石(YAG)、二氧化钛(TiO2)以及各种玻璃。上述示例是基本上以声阻抗的降序列出的。如果用具有较低声阻抗的材料作为低声阻抗布拉格层163的材料，则可以用这些示例中的任意示例作为高声阻抗布拉格层165、167的材料。
对于其中高声阻抗布拉格元件165、167与低声阻抗布拉格元件163之间的声阻抗差较小这样的声解耦器130实施例，布拉格结构161可以由多于一(n)个低声阻抗布拉格元件与相应数目(n+1)个高声阻抗布拉格元件交错组成。例如，布拉格结构161可以由两个低声阻抗布拉格元件与3个高声阻抗布拉格元件交错组成。虽然任何一个布拉格元件都不必是电绝缘的，但是如果布拉格元件中有一个或多个是电绝缘的，则得到的击穿电压更高。
某些电隔离器需要在其输入端子与输出端子之间具有高于1千伏的击穿电压。在声耦合器100中，串联的电绝缘声解耦器130、170共同在输入端26、28与输出端32、34之间提供电隔离。由声解耦器130、170提供的电隔离性能可能不足以使声电隔离器10(图1)满足高击穿电压要求。
下面将对根据本发明的声耦合器另外的实施例进行说明。在这些实施例中，每个DSBAR是绝缘解耦堆叠体声波谐振器(IDSBAR)，所述IDSBAR具有一个或多个声谐振电绝缘体位于组成IDSBAR的薄膜体声波谐振器(FBAR)之间。将IDSBAR的一个或多个声谐振电绝缘体进行串联的电连接，在输入端26、28与输出端32、34之间提供的电隔离比通过上述串联的电绝缘声解耦器130、170所提供的更多。因此，这些声耦合器实施例具有比上面参考图2和图4A-4C所述的声耦合器100大得多的击穿电压。
图6是示出根据本发明第二实施例的声耦合器200一种示例的原理图。图7A是示出声耦合器200实际示例的俯视图，图7B和图7C分别是沿图7A中所示断面线7B-7B和7C-7C的剖视图。在图6与图7A-7C中，采用相同的标号来标记声耦合器200的元件。
声耦合器200包括输入端26和28、输出端32和34、第一绝缘解耦堆叠体声波谐振器(IDSBAR)206、第二IDSBAR 208和电路140，电路140将IDSBAR 206与IDSBAR 208串联在输入端26、28与输出端32、34之间。在声耦合器200中，IDSBAR 206与IDSBAR 208各自是根据第一IDSBAR实施例的IDSBAR。根据第一IDSBAR实施例的IDSBAR的最简形式具有依次位于组成它的FBAR之间的第一声解耦器、四分之一波声谐振电绝缘体和第二声解耦器。声谐振电绝缘体提供了额外的电绝缘性能而并未削弱从输入端26、28声耦合到输出端32、34的调制电信号SM的信号完整性。IDSBAR 206和IDSBAR 208使声耦合器200具有比上面参考图2所述的声耦合器100的其他类似实施例更高的击穿电压。
在用作图1所示声电隔离器10中的电隔离声耦合器16时，声耦合器200将调制电信号SM从输入端26、28声耦合到输出端32、34，同时在输入端26、28与输出端32、34之间提供电隔离。因此，声耦合器200有效地将输出端子36、38与输入端子22、24电隔离开来，并使输出端子与输入端子在电压方面可以具有高达其额定击穿电压的电压差异。
在图6和图7A-7C所示声耦合器200的示例中，IDSBAR 206包括下部薄膜体声波谐振器(FBAR)110、堆叠在FBAR 110上的上部FBAR120、依次位于下部FBAR 110和上部FBAR 120之间的第一声解耦器130、四分之一波声谐振电绝缘体216和第二声解耦器230。IDSBAR 208包括下部FBAR 160、堆叠在FBAR 160上的上部FBAR 150、依次位于下部FBAR 160和上部FBAR 150之间的第一声解耦器170、四分之一波声谐振电绝缘体256和第二声解耦器270。IDSBAR 206和IDSBAR 208的其他实施例各自在各个FBAR之间交错包括两个或更多(n)个四分之一波声谐振电绝缘体和相应数目的(n+1)个声解耦器。
声谐振电绝缘体216、256串联在输入端26、28与输出端32、34之间，使输出端32、34与输入端26、28电隔离开来，反之亦然。因此，在本实施例中，声解耦器130、170、230和270不一定是电绝缘性的。不过，声解耦器130、170、230和270与声谐振电绝缘体216、256串联在输入端26、28与输出端32、34之间，所以电绝缘性的声解耦器130、170、230和270可以在输出端32、34与输入端26、28之间提供额外的隔离性能，反之亦然。因此，对于声解耦器130、170、230和270是绝缘性的一种声电隔离器10(见图1)实施例，与其中声耦合器130、170、230和270是导电性的那些实施例相比，通常具有更高的击穿电压。
这里将不再对上面参考图2和图4A-4C说明的FBAR 110、120、150和160、第一声解耦器130和170、电路140以及衬底102进行说明。上面对声解耦器130、170进行的说明也适用于声解耦器230、270。因此，将不对声解耦器230、270进行单独说明。可以用上面参考图5A和图5B说明的声解耦器130的示例性实施例来提供各个声解耦器130、170、230和270。可以用一个或多个共同的四分之一波层材料提供声解耦器1 30和声解耦器170，也可以用一个或多个共同的四分之一波层材料提供声解耦器230和声解耦器270。在图7A-7C所示的示例中，声解耦材料构成的声解耦层131提供了第一声解耦器130、170。另外，可以用声解耦材料构成的一个或多个共同的四分之一波层来提供第二声解耦器230和第二声解耦器270。在图7A-7C所示的示例中，声解耦材料构成的声解耦层231提供了第二声解耦器230、270。或者，也可以单独提供各个声解耦器130、170、230和270。
现在将对四分之一波声谐振电绝缘体216进行说明。下面的说明也适用于四分之一波声谐振电绝缘体256，所以将不再对四分之一波声谐振电绝缘体256进行单独说明。声谐振电绝缘体216是由电绝缘材料构成的四分之一波层。用一倍四分之一波层作为声谐振电绝缘体216的那些实施例通常会以最佳的信号完整性将调制电信号SM从输入端26、28耦合到输出端32、34。
声谐振电绝缘体216将FBAR 110产生的声信号传输到FBAR 120，但是使FBAR 120与FBAR 110电绝缘。此外，声解耦器130、230通常是电绝缘性的，在FBAR 110与FBAR 120之间提供另外的电绝缘性能。因此，声耦合器200有效地将调制电信号SM从输入端26、28声耦合到输出端32、34，而将输出端32、34与输入端26、28电隔离开来。
声谐振电绝缘体216的电绝缘材料通常是电介质或压电材料，并与FBAR 110、120在声阻抗方面匹配。例如，声谐振电绝缘体216的材料与FBAR 110、120各自的压电元件116、126的材料相同。在声谐振电绝缘体216与压电元件116、126材料不同的实施例中，声阻抗的差异基本上小于一个数量级。在一种示例中，这些声阻抗之比小于2。在一种实施例中声谐振电绝缘体216的材料与压电元件116、126的材料不同，该实施例中声谐振电绝缘体216的材料例如是电介质。适用于声谐振电绝缘体216的电介质材料包括氧化铝(Al2O3)和非压电(例如陶瓷)氮化铝(AlN)。
尽管声谐振电绝缘体216最好是一倍四分之一波层，但是在声谐振电绝缘体216的典型压电材料和电介质材料中，声音的速度比在下述声解耦器130、230的典型材料中高得多。因此，以例如一倍四分之一波层的氮化铝作为声谐振电绝缘体216，其厚度约为典型声解耦材料的一倍四分之一波层的七倍。结果，输入端26、28与输出端32、34之间一定的电压施加在声谐振电绝缘体216的这种实施例两端时，与施加在图2所示声耦合器100的声解耦器130两端时相比，产生的电场小得多。另外，适用于声谐振电绝缘体216的压电材料和电介质材料具有可与典型声解耦材料相比的击穿电场。例如，溅射沉积的氮化铝样品测得的击穿电场约为875kV/mm。因此，声耦合器200通常具有比图2所示声耦合器100大得多的击穿电压。
可以用电绝缘材料构成的共同的四分之一波层来提供声谐振电绝缘体216和声谐振电绝缘体256。在图7A-7C所示的示例中，电绝缘材料的四分之一波层217提供了声谐振电绝缘体216和256。或者，也可以单独提供声谐振电绝缘体216和256。
图8是示出根据本发明第三实施例的声耦合器300一种示例的原理图。图9A是示出声耦合器300实际示例的俯视图，图9B和图9C分别是沿图9A中所示断面线9B-9B和9C-9C的剖视图。在图8与图9A-9C中，采用相同的标号来标记声耦合器300的元件。
声耦合器300包括输入端26和28、输出端32和34、绝缘解耦堆叠体声波谐振器(IDSBAR)306、IDSBAR 308和电路140，电路140将IDSBAR 306与IDSBAR 308串联在输入端与输出端之间。在声耦合器300中，IDSBAR 306与IDSBAR 308各自是根据第二IDSBAR实施例的IDSBAR。根据第二IDSBAR实施例的IDSBAR的最简形式具有依次位于组成它的FBAR之间的第一半波声谐振电绝缘体、声解耦器和第二半波声谐振电绝缘体。半波声谐振电绝缘体提供了额外的电绝缘性能而并未削弱从输入端26、28声耦合到输出端32、34的调制电信号SM的传输完整性。根据第二IDSBAR实施例的IDSBAR 306和IDSBAR 308使声耦合器300具有比上面参考图2所述的声耦合器100和参考图6所述的声耦合器200高得多的击穿电压。
在用作图1所示声电隔离器10中的电隔离声耦合器16时，声耦合器300将调制电信号SM从输入端26、28声耦合到输出端32、34，同时在输入端26、28与输出端32、34之间提供电隔离。因此，声耦合器300有效地将输出端子36、38与输入端子22、24电隔离开来，并使输出端子与输入端子在电压方面可以具有高达其额定击穿电压的电压差异。
IDSBAR 306和IDSBAR 308各自具有依次位于其FBAR之间的第一半波声谐振电绝缘体、声解耦器和第二半波声谐振电绝缘体。在图8所示声耦合器300的示例中，IDSBAR 306包括下部薄膜体声波谐振器(FBAR)110、堆叠在FBAR 110上的上部薄膜体声波谐振器120、以及依次位于FBAR 110和FBAR 120之间的第一半波声谐振电绝缘体316、声解耦器130和第二半波声谐振电绝缘体326。IDSBAR 308包括下部薄膜体声波谐振器(FBAR)160、堆叠在FBAR 160上的上部FBAR 150、以及依次位于上部FBAR 150和下部FBAR 160之间的第一半波声谐振电绝缘体356、声解耦器170和第二半波声谐振电绝缘体366。对于声耦合器300，在各个IDSBAR 306和IDSBAR 308中，半波声谐振电绝缘体的数目有两个，并且厚度是上面参考图6所述的声谐振电绝缘体216、256的两倍。因此，半波声谐振电绝缘体316、326、356和366总共提供的电隔离性能是声谐振电绝缘体216、256总共提供的电隔离性能的大约四倍。结果，与上面参考图2和图6所述的、在其他方面类似的声耦合器100和200实施例相比，声耦合器300的实施例在输入端26、28与输出端32、34之间具有更高的击穿电压。IDSBAR 306和IDSBAR 308的其他实施例在各个FBAR之间交错包括偶数(2n)个半波声谐振电绝缘体和相应数目的(2n-1)个声解耦器。
半波声谐振电绝缘体316、326、356和366串联在输入端26、28与输出端32、34之间，使输出端32、34与输入端26、28电隔离开来，反之亦然。因此，在本实施例中，声解耦器130、170、230和270不一定是电绝缘性的。不过，声解耦器130、170与半波声谐振电绝缘体316、326、356和366串联在输入端26、28与输出端32、34之间，所以电绝缘性的声解耦器130、170可以在输出端32、34与输入端26、28之间提供额外的隔离性能，反之亦然。因此，对于声解耦器130、170是绝缘性的一种声电隔离器10(见图1)实施例，与其中声耦合器130、230是导电性的那些实施例相比，通常具有更高的击穿电压。
这里将不再对上面参考图2和图4A-4C说明的FBAR 110、120、150和160、声解耦器130和170、电路140以及衬底102进行说明。可以用上面参考图5A和图5B说明的声解耦器130的示例性实施例来提供各个声解耦器130、170。可以用一个或多个共同的四分之一波层材料提供声解耦器130和声解耦器170。在图9A-9C所示的示例中，声解耦材料构成的声解耦层131提供了声解耦器130、170。或者，也可以单独提供各个声解耦器130、170。
现在将对半波声谐振电绝缘体316进行说明。下面的说明也适用于半波声谐振电绝缘体326、356和366，所以将不再对声谐振电绝缘体326、356和366进行单独说明。声谐振电绝缘体316是由电绝缘材料构成的半波层，该材料与FBAR 110、120的名义声阻抗匹配。用一倍半波层作为半波声谐振电绝缘体316的那些实施例通常会以最佳的信号完整性将调制电信号SM从输入端26、28耦合到输出端32、34。
在声耦合器300的中心频率处，半波声谐振电绝缘体316和半波声谐振电绝缘体326是声透明的。半波声谐振电绝缘体316将FBAR 110产生的声信号耦合到声解耦器130，半波声谐振电绝缘体326将声解耦器130传输的那部分声信号耦合到FBAR 120。因此，IDSBAR 306具有与上面参考图2、图3(虚线)和图4A-4C说明的DSBAR 106类似的传输特性。另外，半波声谐振电绝缘体316、326使FBAR 120与FBAR 110电隔离开来。声解耦器130通常也如上所述在FBAR 110与FBAR 120之间提供另外的电隔离性能。IDSBAR 308也具有类似的特性。因此，声耦合器300有效地将调制电信号SM从输入端26、28声耦合到输出端32、34，而将输出端32、34与输入端26、28电隔离开来。
上面参考图6和图7A-7C所述的、适用于四分之一波声谐振电绝缘体216的材料，也适合用作半波声谐振电绝缘体316、326、356和366。因此将不再对半波声谐振电绝缘体316、326、356和366的材料进行进一步的说明。
半波声谐振电绝缘体316、326、356和366各自的厚度是声谐振电绝缘体216的两倍，并且有两个半波声谐振电绝缘体316、326将FBAR 120与FBAR 110隔开，两个半波声谐振电绝缘体356、366将FBAR 160与电连接到FBAR 120的FBAR 150隔开。此外，在半波声谐振电绝缘体316、326、356和366的典型压电材料和电介质材料中，声音的速度比在典型的声解耦材料中高得多。因此，以例如一倍半波层的氮化铝作为半波声谐振电绝缘体316、326、356和366的实施例，其厚度约为典型声解耦材料的一倍四分之一波层的14倍。结果，输入端26、28与输出端32、34之间一定的电压施加在声谐振电绝缘体316、326、356、366以及声解耦器130、170的两端时，与施加在图2和图4A-4C所示声耦合器100的实施例中声解耦器130、170两端时相比，产生的电场小得多。因此，声耦合器300通常具有比图2和图4A-4C所示声耦合器100大得多的击穿电压。
可以用电绝缘材料构成的共同的半波层来提供半波声谐振电绝缘体316和半波声谐振电绝缘体366，并用电绝缘材料构成的共同的半波层来提供半波声谐振电绝缘体326和半波声谐振电绝缘体356。在图9A-9C所示的示例中，电绝缘材料的半波层317提供了半波声谐振电绝缘体316和366，电绝缘材料的半波层327提供了半波声谐振电绝缘体326和356。或者，也可以单独提供声谐振电绝缘体316、326、356和366。
图10是示出根据本发明第四实施例的声耦合器400一种示例的原理图。图11A是示出声耦合器400实际示例的俯视图，图11B和图11C分别是沿图11A中所示断面线11B-11B和11C-11C的剖视图。在图10与图11A-11C中，采用相同的标号来标记声耦合器400的元件。声耦合器400包括输入端26和28、输出端32和34、解耦堆叠体声波谐振器(DSBAR)106、DSBAR 108和电路440，电路440将DSBAR 106、108串联在输入端与输出端之间。声耦合器400提供了比上面参考图2和图4A-4C所述的、不带另外绝缘层的声耦合器100更高的击穿电压。
在用作图1所示声电隔离器10中的电隔离声耦合器16时，声耦合器400将调制电信号SM从输入端26、28声耦合到输出端32、34，同时在输入端26、28与输出端32、34之间提供电隔离。因此，声耦合器400有效地将输出端子36、38与输入端子22、24电隔离开来，并使输出端子与输入端子在电压方面可以具有高达其额定击穿电压的电压差异。
声解耦器400的DSBAR 106、108(包括声解耦器130、170)和衬底102与上面参考图2和图4A-4C所述的声解耦器100中的DSBAR 106、108和衬底102在结构和工作方面一样，因此此处不再进行说明。
电路440与上面参考图2所述的声耦合器100的电路140有如下区别。在声耦合器100中，电路140通过将DSBAR 106的FBAR 120与DSBAR 108的FBAR 150并联，而将DSBAR 106、108串联在输入端26、28与输出端32、34之间。在声耦合器400中，电路440通过将DSBAR106的FBAR 120与DSBAR 108的FBAR 150反并联(anti-parallel)，而将DSBAR 106、108串联在输入端26、28与输出端32、34之间。通过将FBAR 120、150反并联而不是并联来对DSBAR 106、108进行串联使FBAR 120、150的压电元件126、156分别位于输入端26、28与输出端32、34之间的电路径中，其中压电元件126、156提供了额外的电隔离。因此，对于一定的压电材料和压电元件厚度，以及一定的声解耦器结构和材料，声解耦器400具有与上面参考图6所述的声解耦器200相似的击穿电压，但是由于构成其的结构层较少而更便于制造。声耦合器400具有与上面参考图2所述的声耦合器100相同数目的结构层，但是声耦合器100的击穿电压较低。
在电路440中，导体482将DSBAR 106中FBAR 120的电极122连接到DSBAR 108中FBAR 150的电极154，导体484将DSBAR 106中FBAR 120的电极124连接到DSBAR 108中FBAR 150的电极152。在输入端26、28与输出端32、34之间的8个可能的电路径中，输入端28与输出端34之间的两条电路径，即通过导体484的一条和通过导体482的一条，它们长度最短并因此最易于发生电击穿。电路440使与声解耦器130、170串联的压电元件126位于输入端28与输出端34之间通过导体484的电路径中，还使与声解耦器130、170串联的压电元件156位于输入端28与输出端34之间通过导体482的电路径中。压电元件126、156的压电材料通常具有高电阻率和高击穿电场，压电元件126、156各自通常比上述声耦合器100中的声耦合器130、170(仅有它们提供电隔离性能)厚得多。因此，对于尺寸、材料和层厚相似的情况，声耦合器400通常具有比上面参考图2和图4A-4C所述声耦合器100更高的击穿电压。通常，对于尺寸、材料和层厚相似的情况，声耦合器400的击穿电压与上面参考图6和图7A-7C所述的声耦合器200相似，但是由于具有较少的层而更便于制造。
在声耦合器400中，压电元件126、156提供的电隔离意味着声耦合器130、170不一定要电绝缘性。不过，对于一种声耦合器400的实施例，其中声解耦器130、170是电绝缘性的，与其中声耦合器130、170不具有电绝缘性的那些实施例相比，通常具有更高的击穿电压。
在图11A-11C所示的声耦合器400实际示例中，图10所示的输入端26、28是分别用端子焊盘26、28来实现的，图10所示的输出端32、34是分别用端子焊盘32、34来实现的。端子焊盘26、28、32和34位于衬底102的主要表面上。图10所示电路440包括电迹线136、138、176和178，电迹线136从端子焊盘26到FBAR 110的电极112延伸，电迹线138从端子焊盘28到FBAR 110的电极114延伸，电迹线176从FBAR160的电极162到端子焊盘32延伸，电迹线138从FBAR 160的电极164到端子焊盘34延伸。
另外，电路440包括分别位于衬底102主要表面上的连接焊盘433、435以及位置与连接焊盘433、435电接触的连接焊盘473、475。电迹线432从FBAR 120的电极122到连接焊盘433延伸，电迹线472从FBAR 150的电极154到与连接焊盘433电接触的连接焊盘473延伸。连接焊盘433、473和电迹线432、472共同构成了导体482，将FBAR 120的电极122连接到FBAR150的电极120。电迹线434从FBAR 150的电极152到连接焊盘435延伸，电迹线474从FBAR 120的电极124到与连接焊盘435电接触的连接焊盘475延伸。连接焊盘435、475和电迹线434、474共同构成了导体484，将FBAR 150的电极152连接到FBAR 120的电极124。
电迹线136、138、176和178在衬底102的部分主要表面上方延伸，电迹线136、176在部分压电层117下方延伸，电迹线138、378在部分压电层117上方延伸。另外，电迹线432、434在声解耦层131、部分压电层117和衬底102的部分主要表面上方延伸，电迹线472、474在压电层126、部分声解耦层131、部分压电层117和衬底102的部分主要表面上方延伸。
在声电隔离器10的某些实施例中，调制器14与电隔离声耦合器16是在同一衬底102中或其上制造的。在这些实施例中，通常略去端子焊盘26、28，并使电迹线133、173延伸来连接到组成部分调制器14的相应迹线。另外或者可替换地，解调器18与电隔离声耦合器16在同一衬底102中或其上制造。在这些实施例中，通常略去端子焊盘32、34，并使电迹线135、175延伸来连接到组成部分解调器18的相应迹线。
通过晶片级制造，一次制造几千个与声电隔离器10相似的声电隔离器。这种晶片级制造使声电隔离器制造便宜。对晶片进行选择性的刻蚀，在晶片上将要制造各个电隔离器声耦合器16的位置处限定腔。用牺牲材料填充腔并将晶片表面平面化。用传统的半导体制造处理，在晶片表面中和表面上制造要在晶片上制造的各个声电隔离器的本地振荡器12、调制器14和解调器16。然后用保护层覆盖制造出的电路元件。用于保护层的示例性材料是氮化铝和氮化硅。
此后通过对下列层依次进行沉积和图案化来制造上面参考图4A-4C所述的声耦合器100、上面参考图11A-11C所述的声耦合器400的实施例电极材料的第一层、压电材料的第一层、电极材料的第二层、声解耦材料层或声布拉格结构层、电极材料的第三层、压电材料的第二层和电极材料的第四层。这些层形成了各个声耦合器的DSBAR以及电路。电路还将这些DSBAR串联并连接到调制器14和解调器18上的暴露连接点。
上面参考图7A-7C所述的声耦合器200的实施例也如上所述进行制造，但是在对组成声解耦器130、170的一个或多个层进行沉积和图案化之后，对电绝缘材料构成的四分之一波层217和组成声解耦器230、270的一个或多个层进行沉积和图案化。上面参考图9A-9C所述的声耦合器300的实施例也如上所述进行制造，但是在对组成声解耦器130、170的一个或多个层进行沉积和图案化之前和之后，分别对电绝缘材料构成的第一半波层317进行沉积和图案化，以及对电绝缘材料构成的第二半波层327进行沉积和图案化。
在制造声耦合器之后，除去牺牲材料，使各个成对串联的IDSBAR悬置在其相应的腔上方。位置119处所示的操作孔119使得可以对牺牲材料进行操作以便将其除去。然后从制造出的电路元件除去保护材料。之后将衬底划分为一个个与声电隔离器10相似的声电隔离器。美国专利申请公开No.20050093654中更详细地说明了可用于制造DSBAR的示例性工艺，该申请转让给了本发明的受让人并通过引用而结合，可以采用该工艺来制造上述声电隔离器的DSBAR。
或者，声耦合器100、200、300或400可以在不同于其上制造了本地振荡器12、调制器14和解调器18的晶片的晶片上制造。在此情况下，可以用晶片键合工艺连接各个晶片以形成与下述结构类似的结构从而制造声电隔离器，所述结构是John D.Larson III等参考美国专利申请公开No.20050093659的图8A-8E说明的，该申请转让给了本发明的受让人并通过引用而结合。
在再一种可替换形式中，本地振荡器12、调制器14和声耦合器100、200、300或400在一个晶片上制造，相应的解调器18在另外的晶片上制造。然后像刚说明的那样将这些晶片键合在一起以形成声电隔离器。或者，在一个晶片上制造本地振荡器12和调制器14，并在另外的晶片上制造声耦合器100、200、300或400以及解调器18。然后像刚说明的那样将这些晶片键合在一起以形成声电隔离器。
在适用于本申请的另一种可替换形式中，规定声电隔离器在输入端22、24与输出端36、38之间具有大的击穿电压，则在半导体晶片中以及晶片上制造多个输入电路和多个输出电路，每个输入电路都包括本地振荡器12的实例和调制器14的实例，每个输出电路都包括解调器18的实例。然后将晶片单个化称为一个个半导体芯片，每个芯片都实现了单一的输入电路或单一的输出电路。将每个声电隔离器的电隔离声耦合器16制造成悬置在限定于陶瓷晶片中的腔的上方，所述晶片具有位于其主要表面上的导电迹线。对于在晶片上制造的每个声电隔离器，将实现了输入电路的一个半导体芯片和实现了输出电路的一个半导体芯片安装在与导电迹线电接触的陶瓷晶片上。例如，可以通过球焊(ball bonding)或倒装芯片焊接将半导体芯片安装在陶瓷晶片上。带有所安装的半导体芯片的陶瓷晶片也可以用作上述双晶片结构中。
在以约1.9GHz的载波频率工作的声电隔离器10一种示例性实施例中，电极112、114、122、124、152、154、162和164的材料是钼。每个电极具有约300nm的厚度，形状为五边形，面积约为12,000μm2。不同的面积得到的特征阻抗也不同。如Larson III等在转让给本发明的受让人并通过引用而结合的美国专利No.6,215,375中所说明那样，电极的边不平行使FBAR 110、120、150和160中的横模最小。对限定了电极112、114、122、124、152、154、162和164的金属层进行图案化，使得在平行于晶片主要表面的各个平面中，FBAR 110的电极112和114具有同样的形状、尺寸、方向和位置，FBAR 120的电极122和124具有同样的形状、尺寸、方向和位置，FBAR 150的电极152和154具有同样的形状、尺寸、方向和位置，FBAR 160的电极162和164具有同样的形状、尺寸、方向和位置。通常，电极114和122也具有相同的形状、尺寸、方向和位置，电极152和164具有相同的形状、尺寸、方向和位置。可替换的电极材料包括例如钨、铌和钛的金属。电极可以具有多层结构。
压电元件116、126、156和166的材料是氮化铝。每个压电元件的厚度约为1.4μm。可替换的压电材料包括氧化锌、硫化镉和极化铁电材料，所述极化铁电材料例如钙钛矿铁电材料，包括锆钛酸铅(PZT)、偏铌酸铅以及钛酸钡。
上面参考图5A和图5B说明了可以用于声解耦器130、170的结构和材料。
在上面参考图7A-7C说明的声耦合器200的实施例中，四分之一波声谐振电绝缘体216、256的材料是氮化铝。每个声谐振电绝缘体具有约1.4μm的厚度。可替换的材料包括氧化铝(Al2O3)和非压电氮化铝。上面参考图5A和图5B说明了可以用于声解耦器230、270的结构和材料。
在上面参考图9A-9C说明的声耦合器300的实施例中，半波声谐振电绝缘体316、326、356和366的材料是氮化铝。每个半波声谐振电绝缘体具有约2.8μm的厚度。可替换的材料包括氧化铝(Al2O3)和非压电氮化铝。
在声电隔离器10的上述示例中，输入端26、28连接到DSBAR 106的FBAR 110，输出端32、34连接到DSBAR 108的FBAR 120。在其他实施例中，输入端26、28连接到DSBAR 106和108之一的任意FBAR，输出端32、34连接到DSBAR 106和108之一的任意FBAR。
图12是示出根据本发明一种实施例用于对信息信号进行电隔离的方法190一种示例的流程图。在方框192，提供电隔离声耦合器。电隔离声耦合器包括串联的解耦堆叠体声波谐振器。在方框193，提供载波信号。在方框194，用信息信号调制载波信号以形成调制电信号。在方框195，经过电隔离声耦合器对调制电信号进行声耦合。在方框196，根据由声耦合器进行了声耦合的调制电信号恢复信息信号。
本公开采用示例性实施例对本发明进行了详细说明。但是，由权利要求限定的本发明并不限于所述的精确实施方式。
权利要求
1.一种电隔离器，包括载波信号源；调制器，所述调制器被连接成接收信息信号和所述载波信号；解调器；和连接在所述调制器与所述解调器之间的电隔离声耦合器，所述电隔离声耦合器包括串联的解耦堆叠体声波谐振器。
2.根据权利要求1所述的电隔离器，其中，所述声耦合器包括第一解耦堆叠体声波谐振器和第二解耦堆叠体声波谐振器，所述这些解耦堆叠体声波谐振器各包括第一薄膜体声波谐振器、第二薄膜体声波谐振器以及位于所述第一薄膜体声波谐振器与第二薄膜体声波谐振器之间的声解耦器；以及将所述这些解耦堆叠体声波谐振器串联连接的电路。
3.根据权利要求2所述的电隔离器，其中，所述电路还将所述第一解耦堆叠体声波谐振器的第一薄膜体声波谐振器连接到所述调制器，将所述第二解耦堆叠体声波谐振器的第一薄膜体声波谐振器连接到所述解调器。
4.根据权利要求3所述的电隔离器，其中，所述电路将所述这些解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器并联连接，从而使所述这些解耦堆叠体声波谐振器串联连接。
5.根据权利要求4所述的电隔离器，其中每个所述薄膜体声波谐振器包括成对的相对电极和位于所述电极之间的压电元件；并且所述电路包括第一电连接，位于所述第一解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器的第一电极与所述第二解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器的第一电极之间，和第二电连接，位于所述第一解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器的第二电极与所述第二解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器的第二电极之间，所述这些第二电极比所述这些第一电极更靠近所述这些解耦堆叠体声波谐振器的声解耦器。
6.根据权利要求3所述的电隔离器，其中，所述电路将所述这些解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器反并联连接，从而使所述这些解耦堆叠体声波谐振器串联连接。
7.根据权利要求6所述的电隔离器，其中每个所述薄膜体声波谐振器包括成对的相对电极和位于所述电极之间的压电元件；并且所述电路包括第一电连接，位于所述第一解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器的第一电极与所述第二解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器的第二电极之间，和第二电连接，位于所述第一解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器的第二电极与所述第二解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器的第一电极之间，所述这些第二电极比所述这些第一电极更靠近所述这些解耦堆叠体声波谐振器的声解耦器。
8.根据权利要求2所述的电隔离器，其中，每个所述解耦堆叠体声波谐振器还包括声谐振电绝缘体。
9.根据权利要求8所述的电隔离器，其中，所述声谐振电绝缘体包括电绝缘材料层，所述层与所述薄膜体声波谐振器的声阻抗相差小于一个数量级。
10.根据权利要求8所述的电隔离器，其中，所述声谐振电绝缘体包括电绝缘材料层，所述层与所述薄膜体声波谐振器的声阻抗匹配。
11.根据权利要求8所述的电隔离器，其中每个所述解耦堆叠体声波谐振器还在所述那些薄膜体声波谐振器之间包括另外的声解耦器；并且所述声谐振电绝缘体包括电绝缘材料构成的四分之一波层，所述四分之一层位于所述声解耦器与所述另外的声解耦器之间。
12.根据权利要求8所述的电隔离器，其中，每个所述解耦堆叠体声波谐振器还包括半波声谐振电绝缘体，所述半波声谐振电绝缘体插在所述声解耦器与各个所述薄膜体声波谐振器之间。
13.根据权利要求8所述的电隔离器，其中所述声谐振电绝缘体是第一半波声谐振电绝缘体；每个所述解耦堆叠体声波谐振器还包括第二半波声谐振电绝缘体；所述声解耦器位于所述第一半波声谐振电绝缘体与所述第二半波声谐振电绝缘体之间。
14.根据权利要求13所述的电隔离器，其中，所述半波声谐振电绝缘体包括电绝缘材料构成的半波层。
15.一种对信息信号进行电隔离的方法，所述方法包括下列步骤提供电隔离声耦合器，所述电隔离声耦合器包括串联的解耦堆叠体声波谐振器；提供载波信号；用所述信息信号对所述载波进行调制以形成调制电信号；经过所述电隔离声耦合器对所述调制电信号进行声耦合；以及从经过所述电隔离声耦合器声耦合的所述调制电信号恢复所述信息信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述电隔离声耦合器包括第一解耦堆叠体声波谐振器和第二解耦堆叠体声波谐振器，所述这些解耦堆叠体声波谐振器各包括第一薄膜体声波谐振器、第二薄膜体声波谐振器和位于所述这些薄膜体声波谐振器之间的声解耦器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述耦合的步骤包括向所述第一解耦堆叠体声波谐振器的第一薄膜体声波谐振器施加所述调制电信号，和从所述第二解耦堆叠体声波谐振器的第一薄膜体声波谐振器接收所述调制电信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述耦合的步骤包括将所述调制电信号转换为声信号；经过电绝缘体传送所述声信号；和将所述声信号转换回调制电信号。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，每个所述解耦堆叠体声波谐振器还在所述那些薄膜体声波谐振器之间包括声谐振电绝缘体。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述那些解耦堆叠体声波谐振器的第二薄膜体声波谐振器以反并联方式电连接，从而使所述那些解耦堆叠体声波谐振器串联连接。
全文摘要
本发明公开了一种声电隔离器及对信息信号进行电隔离的方法。声电隔离器的实施例包括载波信号源、被连接以接收信息信号和载波信号的调制器、解调器、以及连接在调制器与解调器之间的电隔离声耦合器。电隔离声耦合器包括串联的解耦堆叠体声波谐振器(DSBAR)。
文档编号H04L5/14GK1953433SQ200610140070
公开日2007年4月25日 申请日期2006年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者约翰·D·拉森三世, 伊安·哈蒂卡斯特勒 申请人:安华高科技无线Ip(新加坡)私人有限公司