专利名称：平衡滤波器结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电通信设备的谐振器结构，尤其涉及体声波滤波器结构。更具体地说，本发明提供了一种权利要求1前序部分所述的射频滤波器结构。
移动电信正朝着更小更复杂的手提设备方向发展。这种发展增加了对移动通信装置中使用的元件和结构小型化的需求。这种发展也涉及射频(RF)滤波器结构，日益提高的小型化应当能承受相当大的功率级，具有很陡的通带边沿和低损耗。
现有技术的移动电话中使用的RF滤波器通常是离散表面声波(SAW)或陶瓷滤波器。表面声波(SAW)谐振器一般具有与
图1所示相类似的结构。表面声谐振器利用固体表面的表面声振动模式，在该模式下，振动限制到固体表面，从表面向外快速衰减。SAW谐振器一般包括压电层100和两个电极122、124。例如滤波器这样的不同谐振器结构由SAW谐振器生成。SAW谐振器的优点是尺寸非常小，但却不能承受大功率级。
在半导体晶片上构建薄膜体声波谐振器是已知的，例如硅(Si)或砷化镓(GaAs)晶片。例如，K.M.Lakin和J.S.Wang在1981年2月1日在Applied Physics Letters，Vol.38，No.3，pp.125-127发表的题目为“Acoustic Bulk Wave Composite Resonators”的文章中，公开了一种体声波谐振器，它包括溅射在硅(Si)膜片上的氧化锌(ZnO)薄膜压电层。此外，Hiroaki Satoh，Yasuo Ebata，HitoshiSuzuki，和Choji Narahara在15 Proc.39th Annual Symp.Freq.Control，pp.361-366，1985发表的题目为“An Air-Gap TypePiezoelectric Composite Thin Film Resonator”文章中，公开了一种具有桥结构的体声波谐振器。
图2示出了具有桥结构的体声波谐振器的一个例子。结构包括淀积在基板200上的膜片130。谐振器还包括膜片上的底部电极110、压电层100和顶部电极120。通过腐蚀掉牺牲层在膜片和基板之间建立间隙210。间隙充当声隔离器，实质上使振动的谐振器结构与基板隔离。
体声波谐振器仍未得到广泛应用，部分是由于尚未出现将这种谐振器和其他电路合并起来的可行方式。但是，BAW谐振器与SAW谐振器相比有很多优点。例如，BAW结构可以更好地承受大功率级。
下面，首先描述某些类型的BAW谐振器。
体声波谐振器一般装配在硅(Si)、砷化镓(GaAs)、玻璃或陶瓷基板上。所用的另一陶瓷基板类型是氧化铝。BAW设备一般利用不同的薄膜制造工艺制造，例如溅射、真空蒸发或化学汽相淀积。BAW设备利用压电薄膜层产生体声波谐振器。根据设备的尺寸和材料，典型BAW设备的谐振频率是0.5GHz至5GHz，BAW谐振器显示出晶体谐振器的典型的串联和并联谐振。谐振频率主要由谐振器的材料和谐振器层的尺寸确定。
典型的BAW谐振器由三个基本元件构成-声敏压电层，-压电层两侧上的电极，以及-与基板声隔离。
压电层例如可以是能制成薄膜的ZnO，AlN，ZnS或其他压电材料。再一个例子，铁电陶瓷也可以用作压电材料。例如，使用PbTiO3和Pb(ZrxTi1-x)O3和其他所说的钛酸锆酸镧铅族。
优选地，形成电极层所用的材料为具有高声阻抗的导电材料。电极可以由任何合适金属构成，例如钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)、钛(Ti)、铌(Nb)、银(Ag)、金(Au)和铊(Ta)。基板一般由例如Si、SiO2、GaAs、玻璃或陶瓷材料构成。
声隔离可以用例如下列工艺产生-用基板通孔，-用微机械桥结构，或者-用声镜结构。
在通孔和桥结构中，声反射表面是器件上下的空气界面。桥结构-般利用牺牲层加工，将牺牲层腐蚀掉生成独立式结构。利用牺牲层能使用各种不同的基板材料，原因是基板不需作大的修改，通孔结构也是如此。桥结构还可以利用腐蚀麻点结构生成，在这种情况下，BAW谐振器下面基板或材料层内的麻点必须被腐蚀掉，以便生成独立式桥结构。
图3示出了用不同方式生成桥结构的-个例子。在BAW结构的其他层淀积之前，首先淀积和构图牺牲层135。在牺牲层135的顶部局部淀积和构图其余的BAW结构。在其余的BAW结构完成之后，牺牲层135被腐蚀掉。图3还示出了基板200、膜片层130、底部电极110、压电层100和顶部电极120。牺牲层可以用例如金属或聚合物作为材料来得以实现。
在通孔结构中，谐振器通过从BAW谐振器结构的主要部分下面腐蚀掉基板而与基板声隔离。图4示出了BAW谐振器的通孔结构。图4示出了基板200、膜片层130、底部电极110、压电层100和顶部电极120。通孔211已经被腐蚀通过整个基板。由于需要腐蚀，通孔结构通常仅用Si或GaAs基板来实现。
将BAW谐振器与基板相隔离的另一方式是利用声镜结构。声镜结构通过将声波反射到谐振器结构实现隔离。声镜一般包括在中心频率处具有一个四分之一波长厚度的若干层，交互的层具有不同声阻抗。声镜中层的数量一般为3至9的奇整数。两个连续层的声阻抗比应当大，以便为BAW谐振器送出尽可能低的声阻抗，而不是基板材料相对高的阻抗。高阻抗层的材料可以是金(Au)、钼(Mo)、钨(W)，低阻抗层的材料例如可以是硅(Si)、多晶硅(poly-Si)、二氧化硅(SiO2)、铝(Al)或者聚合物。由于在利用声镜结构的结构中，谐振器与基板隔离且基板修改不大，所以可以用各种不同的材料作为基板。聚合物层可以由具有低损耗特性和低声阻抗的任何聚合物材料构成。由于在声镜结构和其他结构的其他层淀积过程中会达到相对高的温度，因此优选地，聚合物材料能承受至少350℃的温度。聚合物层可以由例如聚酰亚胺、回旋线(cyclotene)、碳基材料、硅基材料或其他合适材料构成。
图5示出了声镜结构顶部上的BAW谐振器的例子。图5示出了基板200、底部电极110、压电层100和顶部电极120。本例中，声镜结构150包括三层150a、150b。两层的150a由第一材料形成，其间的第三层150b由第二材料形成。第一和第二材料的声阻抗与前述不同。材料的顺序可以改变。例如，高声阻抗的材料可以在中间，低声阻抗的材料可以在中间材料的两侧，反之亦然。底部电极也可以用作声镜的一个层。
图6a示出了用体声波谐振器构建的网格滤波器结构的示意性方框图。由BAW谐振器构成的网格滤波器的通常设计是使得四个谐振器中的两个即谐振器A比谐振器B具有更高的谐振频率。通常，谐振器A的串联谐振是在或接近谐振器B的并联谐振频率，该频率为滤波器的中心频率。获得谐振频率之差的方式例如可以与一般在具有梯层结构的BAW谐振器中所采取的方式相同，即通过增加B谐振器的一层的厚度或者在B谐振器的顶部上淀积附加层。附加层，有时称为调谐层，可以是金属或绝缘层。这种网格结构布局的一个例子见图6所示。通常，谐振器的尺寸由滤波器的期望阻抗级确定。阻抗级主要由谐振器的固有并联电容C0确定，即顶部和底部电极之间的电容。这种滤波器频率响应的一个例子见图7所示。与该结构有关的一个问题是通带边沿不是很陡，这可以从图7从看出。
本发明的目的是提供一种具有改善的频率特性的滤波器结构。本发明的再一目的是提供一种与现有技术网格滤波器相比在通带以外具有很陡衰减斜率的通带滤波器结构。
本发明的目的是通过构建具有网格结构的体声波滤波器结构实现的，其中两个谐振器的面积与另两个谐振器的面积不同，以便在滤波器的频率响应中建立很陡的通带边沿。优选地，滤波器结构还包括第二网格结构，用于提高滤波器结构的阻带抑制比和允许使用简单的机械结构。级联的结构允许以输入和输出端口的电极处于同一层的方式来构建滤波器结构，从而不需要在压电层上制造通孔，大大简化了制造过程。优选地，声镜结构用作声隔离，以便进一步简化滤波器结构的机械结构。
根据本发明的滤波器结构，其特征在于滤波器结构独立权利要求的特征部分。根据本发明的移动通信装置，其特征在于移动通信装置独立权利要求的特征部分。从属权利要求进一步描述了本发明实施例。
本发明的新颖性特征在所附的权利要求中特别提出。从以下结合附图对具体实施例的描述中可以更好地理解本发明所述的结构、其操作方法以及目的和优点。
下面参考附图仅以举例方式详细描述本发明实施例，附图中图1示出了现有技术的表面声波谐振器，
图2示出了现有技术的体声波谐振器，图3示出了具有桥结构的体声波谐振器结构，图4示出了具有通孔结构的体声波谐振器，图5示出了通过声镜结构与基板隔离的体声波谐振器，图6a和6b示出了利用体声波谐振器实现的现有技术网格结构，图7示出了图6a和6b中所示结构的频率响应，图8示出了本发明实施例的体声波滤波器结构，图9示出了图8的结构的频率响应的例子，图10示出了滤波器结构的频率响应，其中具有相同尺寸的谐振器的常规网格结构与图8的滤波器结构级联，图11示出了这种滤波器结构的频率响应的例子，它包括两个串联连接的现有技术网格滤波器，图12示出了根据本发明实施例的滤波器结构的结构，其中，具有不同尺寸的谐振器的两个网格结构串联连接，图13示出了本发明实施例的结构，其中四个网格结构串联连接，以及图14示出了根据本发明实施例的移动通信装置的方框图。
图1-7的说明与早些时候给出的技术状态说明相关联。图中，相同的附图标记表示相同的元件。
根据本发明，滤波器结构包括至少一个网格结构。网格结构的四个谐振器中，其中两个谐振器的面积大于另外两个的面积。面积大的谐振器是图6a中以B为标记的谐振器，或者是图6a中以A为标记的谐振器。换言之，面积较大的两个谐振器包括第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器将第一端口PORT A的第一线连接到第二端口PORT B的第一线，第二谐振器将第二端口的第二线连接到第二端口的第二线。在本说明书尤其是所附的权利要求书中，谐振器的面积这一术语指谐振器的横截面积，横截面处于基本与基板表面平行的平面内。
图8示出了根据本发明实施例所述的滤波器机械结构的一个例子。图8示出了底部电极110、顶部电极120和电极之间的压电层100。尽管在图8的例子中，四个谐振器的压电层是分离的，但在本发明的不同实施例中，谐振器的压电层形成单一的连续层。在这种实施例中，谐振器的面积主要由顶部电极和底部电极重叠处的重叠面积确定。
更具体地说，图8公开了一种滤波器结构，它具有第一信号线、第二信号线、第三信号线和第四信号线，所述结构包括-具有第一面积的第一体声波谐振器，-具有第一面积的第二体声波谐振器，-具有第二面积的第三体声波谐振器，以及-具有第二面积的第四体声波谐振器，其中，所述第一体声波谐振器连接在第一信号线和第三信号线之间，所述第二体声波谐振器连接在第二信号线和第四信号线之间，所述第三体声波谐振器连接在第一信号线和第四信号线之间，所述第四体声波谐振器连接在第二信号线和第三信号线之间，所述第一面积与所述第二面积不同。此外，滤波器结构可以包括第一信号端口和第二信号端口，第一信号端口包括第一信号线和第二信号线，第二信号端口包括第三信号线和第四信号线。
谐振器A和B的相对大小不同导致接近通带的频率响应比现有技术网格结构中的陡。如图9所示，图中示出了图8网格滤波器结构频率响应的例子，其中A谐振器面积与B谐振器面积之比为1.2。从图9可以看出，衰减增长得比图7所示现有技术情况要更快。但是，阻带抑制在进一步远离通带的频率处被减小。但这个问题可以通过将第二网格级加到滤波器结构上加以解决。
图10示出了滤波器结构的频率响应，其中具有大小基本相同的谐振器的常规网格结构与图8的滤波器结构级联。从图10可以看出，最后得到的频率响应既有很陡的通带边沿，又有良好的阻带抑制。图11示出了滤波器结构的频率响应，该结构具有两个串联的常规网格结构。从图11可见，通带边沿当然比图7所示的一个常规网格结构的情况陡，但不象图10一样陡。因此，在本发明的实施例中，组合的滤波器结构包括一个具有四个谐振器的BAW网格和一个具有大小基本相同的谐振器的BAW网格，所述四个谐振器的BAW网格中，两个谐振器面积与另两个谐振器面积不同。
更具体地说，根据本发明另一实施例的滤波器结构包括-具有第一面积的第一体声波谐振器，-具有第一面积的第二体声波谐振器，
-具有第二面积的第三体声波谐振器，以及-具有第二面积的第四体声波谐振器，-第五体声波谐振器，-第六体声波谐振器，-第七体声波谐振器，-第八体声波谐振器，其中，所述第一体声波谐振器连接在第一信号线和第三信号线之间，所述第二体声波谐振器连接在第二信号线和第四信号线之间，所述第三体声波谐振器连接在第一信号线和第四信号线之间，以及所述第四体声波谐振器连接在第二信号线和第三信号线之间，所述第五体声波谐振器连接在第三信号线和所述第五信号线之间，所述第六体声波谐振器连接在第四信号线和所述第六信号线之间，所述第七体声波谐振器连接在第三信号线和所述第六信号线之间，以及所述第八体声波谐振器连接在第四信号线和所述第五信号线之间，所述第一面积与所述第二面积不同。此外，这种滤波器结构包括第一信号端口和第二信号端口，第一信号端口包括第一信号线和第二信号线，第二信号端口包括第五信号线和第六信号线。
所述第五、第六、第七和第八体声波谐振器面积可以基本相似。但是，在本发明的另一实施例中，可以将两个具有图8结构的滤波器串联连接。这种实施例示于图12。图12示出了底部电极110和顶部电极120，以及两个信号端口PORT A、PORT B。为简明起见，图12中未示出压电层这样的其他层。在这种实施例中，所述第五体声波谐振器具有第三面积，所述第六体声波谐振器具有第三面积，所示第七体声波谐振器具有第四面积，所述第八体声波谐振器具有第四面积，所述第三面积与所述第四面积不同。
如图12所示的级联拓扑结构的主要优点在于输入和输出端口PORT A、PORT B两者都可以在顶部电极层中。由于不需进入底部电极层进行信号连接，这又使它能够脱离未构图的压电层，即允许压电层覆盖整个基板晶片。因此，减小了所需掩膜的数量，缩短了工艺时间，降低了成本。这种拓扑结构可以和本说明书中所描述的大多数基本BAW结构一起使用，但利用具有声镜隔离的BAW谐振器可以获得最简单的滤波器结构。用声镜隔离实现级联的拓扑结构导致简单的结构，所述结构具有-实现声镜结构的多层高低阻抗层，-底部电极层，-压电层，-顶部电极层，以及-造成前述谐振频移的一些谐振器上的调谐层。
但这种层结构仅有三层需要构图，即电极层和调谐层，导致掩膜数量很少以及快速廉价的生产过程。
级联结构可以用如图12所示的更多数量的网格结构来实现。图13示出了包括四个网格子结构200的级联滤波器结构的例子。从图13可以看出，级联的拓扑结构带来了结构的输入和输出端口处于同一电极层中的好处，其中存在偶数个网格子结构。
在本发明的另一实施例中，级联的拓扑结构的应用方式是输入和输出电极都在底部电极层中。
图14中，示出了根据本发明另一实施例的移动通信装置方框图。移动通信装置的接收机部分包括第一接收机滤波器组302a，对接收到的信号进行滤波；接收机放大器605，放大接收到的信号；第二接收机滤波器组302b，对接收到的信号进一步滤波；混频器610，将接收到的信号转换为基本频带；接收机块630，解调和解码信号；以及耳机650或扬声器650，产生可听的接收信号。滤波器组一般由多个滤波器和开关构成，通过移动通信装置的控制块640选择期望的滤波器与开关一起使用。每个滤波器组中滤波器的数量及其性能可以根据具体应用需要加以选择。发射机部分包括话筒656；发射机块635，对将发射的信号进行编码并执行其他必要的信号处理；调制器615，产生调制后的射频信号；第一发射机滤波器组302d；发射机放大器606；以及第二发射机滤波器组302c。移动通信装置还包括天线601，振荡器块620，控制块640，显示器652和键盘654。控制块640控制接收机块、发射机块和振荡器块的运行，通过显示器652向用户显示信息，通过键盘654从用户接收命令。滤波器组302a、302b、302c和302d都可以具有如图8a所示的结构。本说明书中所描述的其他创造性的滤波器结构也可以用于滤波器组302a、302b、302c和302d。接收机滤波器组302a、302b用于限制接收机从接收带接收的噪音和干扰信号。在发射侧，发射滤波器组302c、302d可以清除发射电路在期望的发射频率以外产生的噪音。振荡器块620也可以包括滤波器块，用于去除来自振荡器电路的输出的不想要的噪音。
与现有技术的网格BAW滤波器结构相比，根据本发明的滤波器结构具有改进的频率特性。更具体地说，本发明的结构在通带以外具有更陡的衰减斜率。使用例如结合图12所述的声镜隔离的级联滤波器结构也很容易制造，因为压电层不需被构图，这减少了所需的生产步骤数。此外，因为在该实施例中，滤波器的输入和输出端口是在同一层，无需制造穿过压电层以实现从顶部电极层到底部电极层电连接的通孔，提高了结构的可靠性。
尽管由于前述结构简单以及这种结构的制造过程简单而使得在级联的网格滤波器结构中使用声镜隔离的BAW谐振器是有利的，但本发明决不仅限于这种结构。根据本发明的不同实施例可以在网格滤器结构中使用任何基本的BAW结构，例如通孔或桥结构。
在本发明的再一实施例中，根据本发明的谐振器结构用于其他类型的小型无线电发射机和/或接收机结构中，其中需要小尺寸的设备元件。例如，根据本发明的滤波器结构可用于无绳电信系统的内建(in-building)的基站，例如蜂窝电信系统或其他类型的无绳电话系统。此外，根据本发明的滤波器结构可用于例如便携式计算机、个人数字助理和遥控设备内埋置的无线电链路元件中。
根据本发明的再一实施例，用淀积在基板上的谐振器结构作为基板，其他元件附着在基板上。例如，基板可以为其他元件提供接线，作为基板表面上的导电图案实现接线。随后将集成电路这样的元件焊接在基板上。例如，用倒装焊接工艺可以将来封装的集成电路直接焊接在基板上。当用玻璃作为基板材料时，由于玻璃基板的低成本使得允许生产相对较大的基板，因此，除了已淀积的谐振器结构以外，这种基板还能容纳其他元件，所以该实施例尤其有利。
在前述本发明不同实施例中列举的材料仅是例子，本领域的技术人员可以在本说明书所述的结构中采用其他材料。例如，声镜结构的高阻抗层可以由例如Au、Mo或W这样的金属制造。但是，高阻抗层最好由绝缘材料制造，例如ZnO、Al2O3、AlN、ZrN、Si3N4、钻石、碳氮化物、碳化硼、WC、W2C、WC(4％Co)，或者其他耐火金属碳化物、HfO2、Y2O3、ZrO2、Nb2O5、SnO2、Ta2O5、TiO2、CeO2、IrO2，或其他硬重氧化物。声镜结构的低阻抗层可以由例如Si、多晶硅、As2S3、BN、B、石墨、SiO2、NaCl、LiCl、聚酰亚胺、环氧树脂、尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、以及其他碳或硅聚合物。实施例中，例如在使用桥型BAW结构的滤波器结构中使用牺牲层，牺牲层可以用各种不同的材料形成。例如，牺牲层可以用铜(Cu)作为材料生产。聚合物优选能在其他层淀积过程中承受相对高温的聚合物。聚合物可以是例如聚四氟乙烯或其派生物，聚苯硫，多醚酮(polyetheretherketone)，聚(对亚苯基苯双中唑)(para phenylene benzobismidazole)、聚(对亚苯基苯双恶唑)(para phenylene benzobisoxazole)，聚(对亚苯基苯双中唑)(para phenylene benzobismidazole)，聚(对亚苯基苯双噻唑)(para phenylene benzobisthiazole)，聚酰亚胺、聚酰亚胺硅氧烷，乙烯醚，聚苯，聚对亚苯基二甲基-n，聚对亚苯基二甲基-f，或者苯环丁烯(benzocyclobutene)。牺牲层也可以由现有技术中使用的其他材料形成，例如氧化锌(ZnO)。但是，最好使用前述金属或聚合物。
从上面的描述来看，显然，本领域的技术人员可以在本发明范围内作出各种修改。尽管已经详细描述了本发明的最佳实施例，但可以在其上作出很多修改和变形，所有这些修改和变形都落在本发明的主题和范围内。
权利要求
1.一种滤波器结构，具有第一信号线、第二信号线、第三信号线和第四信号线，其特征在于，所述结构包括具有第一面积的第一体声波谐振器，具有第一面积的第二体声波谐振器，具有第二面积的第三体声波谐振器，以及具有第二面积的第四体声波谐振器，其中所述第一体声波谐振器连接在第一信号线和第三信号线之间，所述第二体声波谐振器连接在第二信号线和第四信号线之间，所述第三体声波谐振器连接在第一信号线和第四信号线之间，所述第四体声波谐振器连接在第二信号线和第三信号线之间，所述第一面积与所述第二面积不同。
2.根据权利要求1的滤波器结构，其特征在于，滤波器结构还包括第一信号端口和第二信号端口，第一信号端口包括第一信号线和第二信号线，第二信号端口包括第三信号线和第四信号线。
3.根据权利要求1的滤波器结构，其特征在于，滤波器结构还包括第五信号线和第六信号线，以及第五体声波谐振器，第六体声波谐振器，第七体声波谐振器，第八体声波谐振器，其中，所述第五体声波谐振器连接在第三信号线和所述第五信号线之间，所述第六体声波谐振器连接在第四信号线和所述第六信号线之间，所述第七体声波谐振器连接在第三信号线和所述第六信号线之间，以及所述第八体声波谐振器连接在第四信号线和所述第五信号线之间。
4.根据权利要求3的滤波器结构，其特征在于，滤波器结构还包括包括第一信号端口和第二信号端口，第一信号端口包括第一信号线和第二信号线，第二信号端口包括第五信号线和第六信号线。
5.根据权利要求3的滤波器结构，其特征在于，所述第五体声波谐振器具有第三面积，所述第六体声波谐振器具有第三面积，所示第七体声波谐振器具有第四面积，以及所述第八体声波谐振器具有第四面积，其中所述第三面积与所述第四面积不同。
6.根据权利要求3的滤波器结构，其特征在于，所述第五、第六、第七和第八体声波谐振器面积基本相似。
7.根据权利要求3的滤波器结构，其特征在于，滤波器结构还包括声镜结构。
8.根据权利要求3的滤波器结构，其特征在于，所述谐振器的压电层包括单一的连续材料层。
9.根据权利要求的滤波器结构，其特征在于，第一、第二、第五和第六信号线在压电层的同一侧。
10.包括滤波器的移动通信装置，所述滤波器具有第一信号线、第二信号线、第三信号线和第四信号线，其特征在于，所述滤波器还包括具有第一面积的第一体声波谐振器，具有第一面积的第二体声波谐振器，具有第二面积的第三体声波谐振器，以及具有第二面积的第四体声波谐振器，其中所述第一体声波谐振器连接在第一信号线和第三信号线之间，所述第二体声波谐振器连接在第二信号线和第四信号线之间，所述第三体声波谐振器连接在第一信号线和第四信号线之间，所述第四体声波谐振器连接在第二信号线和第三信号线之间，所述第一面积与所述第二面积不同。
全文摘要
本发明涉及无线电通信设备的谐振器结构,尤其涉及体声波滤波器结构。体声波滤波器结构用网格结构构建,其中两个滤波器的面积与另两个不同以在滤波器的频率响应中建立很陡的通带边沿。优选地,滤波器结构还包括提高滤波器结构阻带抑制比和允许使用简单机械结构的第二网格结构。级联的机构允许以输入和输出端口的电极处于同一层的方式构建滤波器结构,从而不需要在压电层上制造通孔,大大简化了制造过程。声镜结构用作声隔离以便简化滤波器结构的机械结构。
文档编号H04B1/16GK1258960SQ9912751
公开日2000年7月5日 申请日期1999年12月30日 优先权日1998年12月30日
发明者J·埃莱 申请人:诺基亚流动电话有限公司