WO2017125188A1 - Filterschaltung - Google Patents

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WO2017125188A1
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resonators
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    • H03H2003/0414—Resonance frequency
    • H03H2003/0471—Resonance frequency of a plurality of resonators at different frequencies

Definitions

  • the present invention relates to a filter circuit comprising a plurality of bulk acoustic wave (BAW) resonators (BAW).
  • BAW bulk acoustic wave
  • the filter circuit may have at least two parallel resonators and / or at least two series resonators.
  • filter circuits for example with a ladder-type topology or in the form of a bridge circuit, it is
  • Filter circuits which comprise BAW resonators in which the different resonance frequencies between the series resonators and the parallel resonators thereby
  • Tuning layers can be adjusted in the desired manner. Another possibility known in the prior art for
  • An optimization of the filter function of the filter circuits could in principle be achieved in that the series resonators are shifted among themselves in their resonance frequencies and / or that the parallel resonators differ slightly in their resonance frequencies.
  • An embodiment of the filter circuit in which the parallel resonators and / or the series resonators differ in their resonance frequencies from one another, however, can be achieved by the method known in the art, e.g. BAW resonators with different thicknesses
  • Piezoelectric layers can be used only with unreasonably great effort to realize.
  • Structuring be designed differently.
  • the adaptation of the lateral structuring of a SAW resonator can be carried out without additional technological manufacturing effort. Accordingly, it is at
  • the object of the present invention is to provide a
  • volume-wave resonators working, and which offers the same advantages in terms of freedom of design and the optimization of the filter function, such as a
  • a filter circuit is proposed that has a first and a second resonant bulk acoustic wave resonator, wherein the first resonator has a first piezoelectric layer structured such that the first resonator has a lower resonator
  • the first resonator and the second resonator are connected either as series resonators serially with a signal path of the filter circuit or the first resonator and the second resonator are as
  • Filter circuit interconnected, that in each case one electrode of the resonators is connected to the signal path.
  • the recesses may extend in particular in a vertical direction through the first piezoelectric layer.
  • Recesses is much easier to implement in the production than a different thickness of the
  • piezoelectric layers generated by the application of trim layers, or a different thickness of another layer, which is arranged in an acoustically active zone and determines the resonant frequency.
  • the coupling factor of an electroacoustic transducer describes the loss in the conversion between electrical energy and mechanical energy in the transducer occurs.
  • a high coupling factor allows a large bandwidth of the converter.
  • the first piezoelectric layer of the first resonator may be structured in such a way that, in the case of an electric field applied in a spatial direction, a
  • the excited vibration mode can in particular oscillations in three spatial directions
  • the coupling factor is increased.
  • a desired coupling factor can be set in a targeted manner, resulting in greater design freedoms that can be used to optimize the filter function to the respective requirements.
  • the excited vibrations can by a
  • piezoelectric tensor In an unstructured piezoelectric layer, only the diagonal elements of this tensor contribute to vibration, which is a pure vibration in the thickness direction.
  • the second resonator may comprise a second piezoelectric layer which is unstructured or which is structured by recesses formed by the second
  • the resonance frequency and the coupling factor of the second resonator can be set as desired.
  • a different structuring can be selected than for the first piezoelectric layer of the first resonator.
  • the second piezoelectric layer of the second resonator may be structured in such a way that, in the case of an electric field applied in a spatial direction, a
  • the second resonator has a high coupling factor and, accordingly, the conversion losses are kept as low as possible.
  • Piezoelectric layer may have the same thickness. Does the filter circuit resonators on whose piezoelectric layers have the same thickness, so these resonators in a common
  • the filter circuit may be a ladder-type circuit or a bridge circuit.
  • the filter circuit may be a bandpass filter or a band rejection filter. Both a bandpass filter and a bandstop filter can be formed with a ladder-type topology or the topology of a bridge circuit.
  • the first and second resonators may be a Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) or a Solid Mounted Bulk Acoustic Resonator (SMR).
  • FBAR Film Bulk Acoustic Resonator
  • SMR Solid Mounted Bulk Acoustic Resonator
  • a film bulk acoustic resonator is arranged free-swinging, wherein a cavity is located below the resonator.
  • a solid mounted resonator is on an acoustic mirror
  • the recesses can in particular by a
  • This step can be carried out as one of the last manufacturing steps in a simple manner.
  • a plurality of resonators can be provided simultaneously with mutually different recesses, so that different shifts of the respective resonance frequency in a single
  • Production step can be realized.
  • the filter circuit can be arranged on a single chip.
  • at least two parallel resonators and at least two series resonators can be arranged on the chip.
  • the filter circuit may have at least one third bulk acoustic wave resonator and a fourth bulk acoustic wave resonator.
  • the first resonator and the third resonator may be referred to as
  • Filter circuit be interconnected.
  • the second resonator and the fourth resonator can be connected as parallel resonators with the signal path of the filter circuit such that in each case one electrode of the resonators is connected to the signal path.
  • the filter circuit may comprise at least two parallel resonators and at least two
  • the third resonator may be a third piezoelectric
  • the third piezoelectric layer is structured by recesses which pass through the first piezoelectric layer.
  • all four resonators can each have a piezoelectric layer, wherein these layers are each structured in such a way that each resonator has a different one
  • the piezoelectric layers of the first resonator, the second resonator, the third resonator and the fourth resonator may further have the same thickness.
  • FIG. 1 shows a cross section through a filter chip of a BAW resonator of the type SMR.
  • FIG. 2 shows a further cross section through one
  • Figure 3 shows a filter circuit with a ladder type
  • FIG. 4 shows a filter circuit which is referred to as
  • FIG. 5 shows a diagram in which the amplitude of the
  • FIG. 6 shows a first embodiment of a
  • piezoelectric layers each in one
  • the present invention relates to a filter circuit comprising a plurality of bulk acoustic wave resonators differing in resonant frequencies from each other. These resonators may be
  • a resonator As a series resonator, a resonator is referred to here, which is connected in series in a signal path.
  • Parallel resonator is referred to here as a resonator whose one electrode is arranged with one in the signal path
  • Node is interconnected and whose other electrode is not connected to the signal path.
  • FIG. 1 shows a chip 1 which has two resonators.
  • the chip 1 has a first resonator 2 working with bulk acoustic waves and a second resonator 3 operating with bulk acoustic waves.
  • the first resonator 2 and the second resonator 3 may be
  • first parallel resonator and a second parallel resonator of a filter circuit.
  • first resonator 2 and the second resonator 3 may be a first series resonator and a second series resonator of a filter circuit.
  • the first resonator 2 operating with bulk acoustic waves has a first piezoelectric layer 4 which between an upper electrode 5 and a lower electrode 6 is arranged. Furthermore, also the second, with
  • Resonant bulk acoustic wave 3 a second piezoelectric layer 7, which is disposed between an upper electrode 8 and a lower electrode 9.
  • the lower electrodes 6, 9 are each on the one to
  • Electrodes 5, 8 are each arranged on the side of the respective piezoelectric layer 4, 7 facing away from the chip substrate 10.
  • the first and second resonators 2, 3 have a
  • the first one is identical thickness.
  • the first one is identical thickness.
  • piezoelectric layer 4 as thick as the second piezoelectric layer 7.
  • Piezoelectric layer 4, 7 may each comprise aluminum nitride or consist of aluminum nitride.
  • the first and second resonators 2, 3 are arranged on a common chip substrate 10.
  • the chip substrate has silicon.
  • an acoustic mirror 11 may be formed below the two resonators 2, 3, an acoustic mirror 11 may be formed.
  • the acoustic mirror 11 has alternately arranged first layers 12 and second layers 13, wherein the second layers 13 differ in their acoustic impedance from the first layers 12.
  • the acoustic mirror 11 consists, for example, of alternately arranged layers of SiO 2 and tungsten.
  • the first piezoelectric layer 4 is structured.
  • the piezoelectric layers 4 were in a
  • the Structuring has recesses 14 which extend through the piezoelectric layers 4.
  • Recesses 14 extend in the vertical
  • the recesses 14 are here pits.
  • the recesses 14 are
  • Recesses 14 also have holes whose cross section changes in the vertical direction and / or which do not extend through the entire thickness of the piezoelectric layers 4.
  • the z-direction denotes the direction determined by the surface normal of the electrodes 5, 6, 8, 9. This is called the vertical direction.
  • Extensions 14 extend in the z-direction.
  • the y-direction is perpendicular to the vertical direction.
  • the x-direction is perpendicular to the y-direction and perpendicular to the z-direction. Both the y-direction and the x-direction are called lateral direction.
  • FIG. 1 thus shows the chip 1 in a cross section through the x-z plane.
  • the structuring of the piezoelectric layer 4 causes the resonance frequency of the first resonator 2 to be shifted.
  • the more the first piezoelectric layer 4 is patterned the more the resonant frequency of the first resonator 2 is reduced.
  • a strong structuring is tantamount to the fact that more material of the first piezoelectric layer 4 has been removed.
  • FIG. 2 shows another chip 1, which differs from the chip 1 shown in FIG. 1 only in that in the chip 1 shown in FIG. 2, the second piezoelectric layer 7 is also structured.
  • the second piezoelectric layer 7 was here in a
  • the first and second piezoelectric layers were photolithographically patterned in a common process step.
  • the second piezoelectric layer 7 has recesses 14 extending through the second piezoelectric layer 7 in a vertical direction
  • the second piezoelectric layer 7 is less structured than the first piezoelectric layer 4, i. During structuring, more material was removed from the first piezoelectric layer 4 than from the second
  • the first resonator 2 has a lower resonance frequency than the second resonator 3.
  • the recesses 14 are unfilled both in the embodiment shown in Figure 1 and in the embodiment shown in Figure 2. In alternative
  • Fill layer to be filled.
  • Fill layer and / or the cladding layer may comprise a material that exhibits anomalous thermomechanical behavior. This material compensates for the normal
  • the material may stiffen due to the abnormal thermo-mechanical behavior when heated.
  • the filling layer and / or the cladding layer can protect the respective piezoelectric layer 4, 7 against environmental influences.
  • the filling layer and / or the cladding layer can provide a passivation.
  • four resonators can be arranged on the chip 1. These can be two parallel resonators and two series resonators, which are interconnected to form a filter circuit.
  • the four resonators can have the same thickness and in their structuring of each other
  • Figure 3 shows a first embodiment of
  • the filter circuit 100 is a ladder-type circuit. Such
  • Circuit can be used either as a bandpass filter or as a
  • the ladder-type circuit has a signal path 101 with a signal path input and a signal path output.
  • a first series resonator 102 is connected in series in the signal path 101.
  • a first parallel resonator 103 is connected such that one electrode of the parallel resonator 103 is connected to the signal path 101 and the other
  • Electrode of the parallel resonator 103 is connected via a reactance element to ground.
  • the first series resonator 102 and the first parallel resonator 103 form a ladder-type circuit base 104.
  • the first parallel resonator 103 has a lower one
  • the characteristic pass frequency of the first series resonator 102 is approximately equal to the stop frequency of the first parallel resonator 103.
  • the basic element 104 forms a bandpass filter per se.
  • the right flank of the damping characteristic of the passband is decisively determined by the specific embodiment of the first series resonator 102, while the left flank is significantly influenced by the
  • Embodiment of the first parallel resonator 103 is determined.
  • the ladder-type circuit is made up of several serial
  • Base member 104 consists essentially of a series resonator and a parallel resonator.
  • a second basic element 104 has a second series resonator 105 and a second parallel resonator 106.
  • Parallel resonator 106 differ in their
  • the first parallel resonator 103 has a first piezoelectric layer.
  • the second parallel resonator 106 has a second piezoelectric layer.
  • the first piezoelectric layer of the first parallel resonator 103 is structured differently than the second piezoelectric layer of the second parallel resonator 106.
  • the piezoelectric layers are thereby as above
  • first series resonator 102 and the second series resonator 105 may differ from each other in their resonance frequency. This can be made possible in that a first piezoelectric layer of the first series resonator 102 is structured differently than a second piezoelectric layer of the second series resonator 105. The piezoelectric layers are thereby, as above
  • the poles of the parallel resonators 103, 106 and the zeroes of the series resonators 102, 105 can be shifted relative to each other, so that the slope of the frequency characteristic of the filter circuit 100 can be optimized and the
  • the ladder type circuit may form a band rejection filter.
  • the series resonators 102, 105 have a lower resonance frequency than the parallel resonators 103, 106.
  • Parallel resonators 103, 106 each differ in their resonant frequency. These can be the piezoelectric layers of the series resonators 102, 105 and / or the parallel resonators 103, 106 to each other
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the invention
  • Filter circuit 100 In the filter circuit 100 according to the second embodiment, this is a bridge circuit.
  • the bridge circuit has a first signal path 107, which connects a first signal input to a first signal output, and a second signal path 108, which has a second signal input to a second signal output
  • Signal path 107 is a second series resonator 105 connected in series.
  • a first parallel resonator 103 is connected to a first node in the first signal path 107 between the first signal input and the first series resonator
  • a second parallel resonator 106 is connected to a third node in the first signal path 107 between the first
  • Series resonator 102 and the first signal output is arranged, and connected to a fourth node, which is arranged in the second signal path 108 between the second series resonator 105 and the second signal input.
  • Series resonator 105 are each with acoustic
  • Voluminous wave-operating resonators each having a piezoelectric layer, wherein the Piezoelectric layers are different from each other in their
  • the bridge circuit can be used as a bandpass filter or as
  • Bandsperrfilter be formed, depending on how the resonant frequencies of the resonators 102, 103, 105, 106 are selected.
  • FIG. 5 shows a diagram of the effects of
  • FIG. 5 shows first a reference curve K ref , which is the
  • piezoelectric layer described, with the respective piezoelectric layer is structured here with holes and the diameter of the holes of cam curve Ki to K 4 each increases.
  • FIG. 5 shows that the greater the pole-zero pitch of the resonators 2, the stronger
  • piezoelectric layer 4 is structured. Of the
  • Polnullstellenabstand a resonator 2 is defined as the distance from the resonant frequency and anti-resonant frequency.
  • FIG. 6 shows a plan view of the x-y plane on a piezoelectric layer 4, in which the recesses form randomly arranged holes 15 and slots 16.
  • the holes 15 and the slots 16 extend through the piezoelectric layer 4 in the vertical direction. It may be at the piezoelectric layer to the first
  • the second piezoelectric layer 7 can be either
  • Some holes 15 are covered with a cladding layer 17 having anomalous thermomechanical behavior.
  • This cladding layer 17 acts normal thermomechanical
  • the side walls of the slots 16 could be covered with the cladding layer 17.
  • some of the holes 15 and some of the slots 16 are filled with a filling layer 18 of a dielectric material having an abnormal thermo-mechanical behavior. Any material that exhibits abnormal thermo-mechanical behavior can be used for this purpose. Further, some of the holes 15 and slots 16 remain free of the cladding layer 17 and the fill layer 18.
  • FIGS. 7a to 7f show further exemplary embodiments of a structured piezoelectric layer 4.
  • FIGS. 7a to 7f show the piezoelectric layer 4 in a plan view of the xy plane. It can also be here, as in the following figures, in the
  • Recesses 14 extend in the vertical direction through the piezoelectric layers 4 shown. These recesses 14 structure the respective piezoelectric layer 4 into blocks. If the recesses 14 are designed with a sufficiently small diameter, the corners of the blocks overlap, as shown in FIGS. 7a and 7b. If the diameter of the recesses 14 is selected to be larger, the piezoelectric layer 4 is structured into blocks that are connected to one another by webs, as shown in FIGS. 7c to 7f. For some
  • Embodiments connects a web each two blocks at their corners, as shown in Figure 7d and Figure 7e.
  • the blocks are interconnected by webs at their side surfaces, as shown in Figure 7c and Figure 7f.
  • Figure 8 shows further embodiments of a
  • the piezoelectric layers 4 shown in FIG. 8 are formed by recesses 14 having a circular average
  • the recesses 14 have different diameters. The larger the diameter of the recess 14, the more the resonance frequency is reduced, and the larger becomes the pole zero pitch of the resonator 2.
  • the diameters of the recesses 14 may be, for example, between 0.2 and 6 ym.
  • Embodiments of a Structured Piezoelectric Layer 4 are also shown in Figures 9a and 9b in a plan view of the x-y plane.
  • the piezoelectric layers 4 are each structured by recesses 14 having a circular cross-section.
  • the piezoelectric layers 4 are each structured such that a phononic bandgap structure is formed.
  • the phononic bandgap structure provides
  • the recesses 14 are arranged in columns and rows, wherein the columns extend in the y-direction.
  • the recesses 14 of two adjacent columns are offset from each other.
  • the recesses are arranged so periodically to columns that the arrangement of the recesses 14 of two Columns between which exactly one more column is arranged, is identical.
  • d2 is the distance of the
  • 2di denotes the distance between the centers 21, 22 of two recesses 14, wherein the first recess 14 is arranged in a first column and the other recess 14 in the
  • a phononic bandgap structure can also be simpler or
  • FIG. 9b An example of this is shown in FIG. 9b.
  • 2di and 2d 2 are defined as shown in FIG. 9b.
  • a phononic bandgap structure results when di and d 2 satisfy the following condition:
  • FIG. 10 shows further exemplary embodiments of FIG
  • hexagonal or dodecagonal base surfaces are structured. In some of the embodiments shown, these blocks merge into one another, in others
  • Figure 11 shows a further embodiment of a
  • piezoelectric layer is to blocks with a
  • the side surfaces of the blocks are interconnected by webs, the webs having a width corresponding to the side length of the blocks.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterschaltung (100), die einen ersten und einen zweiten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator (2, 3) aufweist, wobei der erste Resonator (2) eine erste piezoelektrische Schicht (4) aufweist, die derart strukturiert ist, dass der erste Resonator (2) eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der zweite Resonator (3), wobei die erste piezoelektrische Schicht (4) durch Ausnehmungen (14) strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische Schicht (4) hindurchlaufen, wobei der erste Resonator (2) und der zweite Resonator (3) als Serienresonatoren (102, 105) seriell mit einem Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind oder wobei der erste Resonator (2) und der zweite Resonator (3) als Parallelresonatoren (103, 106) derart mit dem Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist.

Description

Beschreibung FilterSchaltung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterschaltung, die mehrere mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren (BAW-Resonatoren; BAW = Bulk Acoustic Wave) aufweist. Die Filterschaltung kann zumindest zwei Parallelresonatoren und/oder zumindest zwei Serienresonatoren aufweisen.
Bei Filterschaltungen, beispielsweise mit einer Ladder-Type Topologie oder in Form einer Brückenschaltung, ist es
erforderlich, dass die Serienresonatoren und die
Parallelresonatoren sich in ihren Resonanzfrequenzen
voneinander unterscheiden. Im Stand der Technik sind
Filterschaltungen bekannt, die BAW-Resonatoren aufweisen, bei denen die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen zwischen den Serienresonatoren und den Parallelresonatoren dadurch
realisiert werden, dass sich die Serienresonatoren und die Parallelresonatoren in der Dicke ihrer piezoelektrischen Schichten voneinander unterscheiden. Dabei müssen die
verschiedenen Schichtdicken genau aufeinander abgestimmt werden. Das Verfahren zur Herstellung der Resonatoren für solche Filterschaltungen ist sehr aufwändig und erfordert mehrere zusätzliche Schritte, in denen die jeweiligen
Schichtdicken durch das Auftragen von sogenannten
Tuningschichten in gewünschter Weise eingestellt werden. Eine andere im Stand der Technik bekannte Möglichkeit zur
Einstellung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen besteht darin, dass die Serienresonatoren und die Parallelresonatoren sich in der Dicke einer anderen Schicht unterscheiden, wobei diese andere Schicht in einer akustisch aktiven Zone angeordnet ist. Es kann sich bei der anderen Schicht
beispielsweise um eine Metallelektrode handeln.
Eine Optimierung der Filterfunktion der Filterschaltungen könnte prinzipiell dadurch erreicht werden, dass auch die Serienresonatoren untereinander in ihren Resonanzfrequenzen verschoben werden und/oder dass auch die Parallelresonatoren sich in ihren Resonanzfrequenzen geringfügig unterscheiden. Eine Ausgestaltung der Filterschaltung, bei der sich die Parallelresonatoren und/oder die Serienresonatoren in ihren Resonanzfrequenzen voneinander unterscheiden, lässt sich jedoch mit dem im Stand der Technik bekannten Verfahren, bei dem z.B. BAW-Resonatoren mit unterschiedlich dicken
piezoelektrischen Schichten verwendet werden, nur mit unvertretbar großem Aufwand realisieren.
Im Gegensatz dazu ist es bei Schaltungen, die mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Resonatoren (SAW-Resonatoren; SAW = Surface Acoustic Wave) aufweisen, mit deutlich
geringerem Aufwand möglich, diese Resonatoren in ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen unterschiedlich zu fertigen. Dazu können die SAW-Resonatoren in ihren lateralen
Strukturierungen unterschiedlich ausgestaltet werden. Die Anpassung der lateralen Strukturierung eines SAW-Resonators kann ohne zusätzlichen technologischen Fertigungsaufwand durchgeführt werden. Dementsprechend ist es bei
Filterschaltungen mit SAW-Resonatoren ohne zusätzlichen technologischen Aufwand möglich, auch die Serienresonatoren zueinander und/oder die Parallelresonatoren zueinander in unterschiedlicher Resonanzfrequenz zu fertigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Filterschaltung anzugeben, die Resonatoren aufweist, die mit akustischen Volumenwellen arbeiten, wobei eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren und/oder eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen der Parallelresonatoren zueinander ermöglicht wird. Auf diese Weise kann eine
Filterschaltung konstruiert werden, die mit akustischen
Volumenwellen arbeitende Resonatoren aufweist, und die die gleichen Vorteile hinsichtlich der Designfreiheit und der Optimierung der Filterfunktion bietet, wie eine
Filterschaltung mit SAW-Resonatoren .
Diese Aufgabe wird durch die Filterschaltung gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche offenbaren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es wird eine Filterschaltung vorgeschlagen, die einen ersten und einen zweiten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator aufweist, wobei der erste Resonator eine erste piezoelektrische Schicht aufweist, die derart strukturiert ist, dass der erste Resonator eine niedrigere
Resonanzfrequenz aufweist als der zweite Resonator, wobei die erste piezoelektrische Schicht durch Ausnehmungen
strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische
Schicht hindurchlaufen. Der erste Resonator und der zweite Resonator sind entweder als Serienresonatoren seriell mit einem Signalpfad der Filterschaltung verschaltet oder der erste Resonator und der zweite Resonator sind als
Parallelresonatoren derart mit dem Signalpfad der
Filterschaltung verschaltet, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist.
Die Ausnehmungen können sich insbesondere in einer vertikalen Richtung durch die erste piezoelektrische Schicht erstrecken. Durch die Strukturierung der piezoelektrischen Schicht des ersten Resonators mittels Ausnehmungen in der
piezoelektrischen Schicht wird es ermöglicht, eine
Filterschalung zu konstruieren, bei der eine Anpassung der Resonanzfrequenz eines mit akustischen Volumenwellen
arbeitenden Resonators mit geringem Fertigungsaufwand
vorgenommen werden kann. Insbesondere kann die
Filterschaltung zwei Parallelresonatoren mit voneinander abweichender Resonanzfrequenz und/oder zwei Serienresonatoren mit voneinander abweichender Resonanzfrequenz aufweisen. Die Strukturierung der piezoelektrischen Schichten durch
Ausnehmungen ist in der Herstellung deutlich einfacher umzusetzen als eine unterschiedliche Dicke der
piezoelektrischen Schichten, die durch das Auftragen von Trimmschichten erzeugt wird, oder eine unterschiedliche Dicke einer anderen Schicht, die in einer akustisch aktiven Zone angeordnet ist und die Resonanzfrequenz mitbestimmt.
Dementsprechend wird es nunmehr möglich, auch mit mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonatoren
Filterschaltung mit den gleichen Designfreiheitsgraden und einer optimierten Filterfunktion zu fertigen, wie dies bereits für Resonatoren auf Basis von akustischen
Oberflächenwellen bekannt ist.
Darüber hinaus kann neben einer Verschiebung der
Resonanzfrequenz auch der Kopplungsfaktor eines mit
akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators erhöht werden, wenn der Resonator durch Ausnehmungen strukturiert wird. Der Kopplungsfaktor eines elektroakustischen Wandlers beschreibt den Verlust, der bei der Umwandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie in dem Wandler auftritt. Ein hoher Kopplungsfaktor ermöglicht eine große Bandbreite des Wandlers.
Bei der Verschiebung des Kopplungsfaktors spielen die
Geometrie und die Anordnung der Ausnehmungen eine
entscheidende Rolle, die den Kopplungsfaktor beeinflussen.
Insbesondere kann die erste piezoelektrische Schicht des ersten Resonators derart strukturiert sein, dass bei einem in einer Raumrichtung angelegten elektrischen Feld eine
Schwingungsmode mit Schwingungen in zumindest zwei
Raumrichtungen angeregt wird. Die angeregte Schwingungsmode kann insbesondere Schwingungen in drei Raumrichtungen
aufweisen .
Durch das Anregen von Schwingungsmoden mit Schwingungen in zumindest zwei Raumrichtungen wird der Kopplungsfaktor erhöht. Wie oben beschrieben kann durch die Strukturierung der jeweiligen piezoelektrischen Schicht ein gewünschter Kopplungsfaktor gezielt eingestellt werden, so dass sich größere Designfreiheiten ergeben, die dazu genutzt werden können, die Filterfunktion an die jeweiligen Anforderungen zu optimieren. Durch die Strukturierung der mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonatoren und die damit
verbundene Erhöhung des jeweiligen Kopplungsfaktors wird es möglich, sowohl die Resonanzfrequenz als auch den Pol- Nullstellenabstand des Resonators unabhängig voneinander einzustellen. Dieses ist sowohl für die Parallel- als auch für die Serienresonatoren der Filterschaltung möglich. Eine solche unabhängige Wahl von Resonanzfrequenz und Pol-
Nullstellenabstand ist dagegen bei SAW-Resonatoren nicht möglich . Die angeregten Schwingungen können durch einen
piezoelektrischen Tensor beschrieben werden. Bei einer unstrukturierten piezoelektrischen Schicht tragen nur die Diagonalelemente dieses Tensors zu einer Schwingung bei, bei der es sich um eine reine Schwingung in Dickenrichtung handelt. Durch die Strukturierung der piezoelektrischen
Schicht mit Ausnehmungen werden auch die Nicht-Diagonal- Elemente des Tensors gefüllt, so dass auch Schwingungsmoden in andere Raumrichtungen ermöglicht werden.
Ferner kann der zweite Resonator eine zweite piezoelektrische Schicht aufweisen, die unstrukturiert ist oder die durch Ausnehmungen strukturiert ist, die durch die zweite
piezoelektrische Schicht hindurchlaufen. Durch die
Strukturierung der zweiten piezoelektrischen Schicht können die Resonanzfrequenz und der Kopplungsfaktor des zweiten Resonators in gewünschter Weise eingestellt werden. Für die zweite piezoelektrische Schicht des zweiten Resonators kann dabei eine andere Strukturierung gewählt werden als für die erste piezoelektrische Schicht des ersten Resonators.
Insbesondere kann die zweite piezoelektrische Schicht des zweiten Resonators derart strukturiert sein, dass bei einem in einer Raumrichtung angelegten elektrischen Feld eine
Schwingungsmode mit Schwingungen in zumindest zwei
Raumrichtungen angeregt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass der zweite Resonator einen hohen Kopplungsfaktor aufweist und dementsprechend die Wandlungsverluste möglichst gering gehalten werden.
Die erste piezoelektrische Schicht und die zweite
piezoelektrische Schicht können die gleiche Dicke aufweisen. Weist die Filterschaltung Resonatoren auf, deren piezoelektrische Schichten die gleiche Dicke aufweisen, so können diese Resonatoren in einem gemeinsamen
Herstellungsverfahren gleichzeitig gefertigt werden.
Insbesondere kann auf Trimmschichten, die die Dicke der
Resonatoren nachträglich anpassen sollen, verzichtet werden und das Herstellungsverfahren wird erheblich vereinfacht. Statt bestimmt Eigenschaften durch unterschiedliche Dicken der Resonatoren herbeizuführen, wird hier vorgeschlagen, die piezoelektrische Schichten der Resonatoren zueinander
unterschiedlich zu strukturieren und so die gewünschten
Eigenschaften, wie unterschiedliche Resonanzfrequenzen zweier Parallelresonatoren zueinander und/oder zweier
Serienresonatoren zueinander sowie bestimmte
Kopplungsfaktoren, zu realisieren.
Die Filterschaltung kann eine Ladder-Type-Schaltung oder eine Brückenschaltung sein. Bei der Filterschaltung kann es sich um einen Bandpassfilter oder einen Bandsperrfilter handeln. Sowohl ein Bandpassfilter als auch ein Bandsperrfilter können mit einer Ladder-Type-Topologie oder der Topologie einer Brückenschaltung gebildet werden.
Bei dem ersten und bei dem zweiten Resonator kann es sich um einen Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) oder um ein Solid Mounted Bulk Acoustic Resonator (SMR) handeln. Ein Film Bulk Acoustic Resonator ist freischwingend angeordnet, wobei sich unterhalb des Resonators eine Kavität befindet. Ein Solid Mounted Resonator ist auf einem akustischen Spiegel
angeordnet .
Die Ausnehmungen können insbesondere durch ein
fotolithografisches Strukturieren der jeweiligen
piezoelektrischen Schicht gebildet werden. Dieser Schritt kann als einer der letzten Fertigungsschritte in einfacher Weise durchgeführt werden. Dabei können mehrere Resonatoren gleichzeitig mit voneinander unterschiedlichen Ausnehmungen versehen werden, so dass verschiedene Verschiebungen der jeweiligen Resonanzfrequenz in einem einzigen
Fertigungsschritt realisiert werden kann.
Ferner kann die Filterschaltung auf einem einzigen Chip angeordnet sein. Auf dem Chip können insbesondere zumindest zwei Parallelresonatoren und zumindest zwei Serienresonatoren angeordnet sein.
Ferner kann die Filterschaltung zumindest einen dritten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator und einen vierten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator aufweisen .
Der erste Resonator und der dritte Resonator können als
Serienresonatoren seriell mit dem Signalpfad der
Filterschaltung verschaltet sein. Der zweite Resonator und der vierte Resonator können als Parallelresonatoren derart mit dem Signalpfad der Filterschaltung verschaltet sind, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist. Dementsprechend kann die Filterschaltung zumindest zwei Parallelresonatoren und zumindest zwei
Serienresonatoren aufweisen.
Der dritte Resonator kann eine dritte piezoelektrische
Schicht aufweisen, die derart strukturiert ist, dass der dritte Resonator eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der vierte Resonator, wobei die dritte piezoelektrische Schicht durch Ausnehmungen strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische Schicht hindurchlaufen. Insbesondere können alle vier Resonatoren jeweils eine piezoelektrische Schicht aufweisen, wobei diese Schichten jeweils derart strukturiert sind, dass jeder Resonator eine andere
Resonanzfrequenz aufweist.
Die piezoelektrischen Schichten des ersten Resonators, des zweiten Resonators, des dritten Resonators und des vierten Resonators können ferner die gleiche Dicke aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Filterchip eines BAW-Resonators des Typs SMR.
Figur 2 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen
Filterchip eines BAW-Resonators des Typs SMR.
Figur 3 zeigt eine Filterschaltung mit einer Ladder-Type
Topologie .
Figur 4 zeigt eine Filterschaltung, die als
Brückenschaltung aufgebaut ist.
Figur 5 zeigt ein Diagramm, bei dem die Amplitude der
Admittanz für verschiedene Resonatoren in
logarithmischem Maßstab aufgetragen ist.
Figur 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer
strukturierten piezoelektrischen Schicht in einer Draufsicht auf die xy-Ebene . Figuren 7a bis 7f, 8, 9a, 9b, 10 und 11 zeigen weitere
Ausführungsbeispiele von strukturierten
piezoelektrischen Schichten, jeweils in einer
Draufsicht auf die xy-Ebene .
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterschaltung, die mehrere mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren aufweist, die sich in ihren Resonanzfrequenzen voneinander unterscheiden. Bei diesen Resonatoren kann es sich um
zumindest zwei Parallelresonatoren, die sich in ihrer
Resonanzfrequenz unterscheiden, und/oder um zumindest zwei Serienresonatoren handeln, die sich in ihrer Resonanzfrequenz unterscheiden .
Als Serienresonator wird hier ein Resonator bezeichnet, der in einem Signalpfad seriell verschaltet ist. Als
Parallelresonator wird hier ein Resonator bezeichnet, dessen eine Elektrode mit einem in dem Signalpfad angeordneten
Knoten verschaltet ist und dessen andere Elektrode nicht mit dem Signalpfad verschaltet ist.
Figur 1 zeigt einen Chip 1, der zwei Resonatoren aufweist. Der Chip 1 weist einen ersten, mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator 2 und einen zweiten, mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator 3 auf. Bei dem ersten Resonator 2 und dem zweiten Resonator 3 kann es sich
beispielsweise um einen ersten Parallelresonator und einen zweiten Parallelresonator einer Filterschaltung handeln.
Alternativ kann es sich dem ersten Resonator 2 und dem zweiten Resonator 3 um einen ersten Serienresonator und einen zweiten Serienresonator einer Filterschaltung handeln.
Der erste, mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonator 2 weist eine erste piezoelektrische Schicht 4 auf, die zwischen einer oberen Elektrode 5 und einer unteren Elektrode 6 angeordnet ist. Ferner weist auch der zweite, mit
akustischen Volumenwellen arbeitende Resonator 3 eine zweite piezoelektrische Schicht 7 auf, die zwischen einer oberen Elektrode 8 und einer unteren Elektrode 9 angeordnet ist. Die unteren Elektroden 6, 9 sind jeweils auf der zu einem
Chipsubstrat 10 hinweisenden Seite der jeweiligen
piezoelektrischen Schicht 4, 7 angeordnet. Die oberen
Elektroden 5, 8 sind jeweils auf der von dem Chipsubstrat 10 wegweisenden Seite der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 4, 7 angeordnet.
Der erste und der zweite Resonator 2, 3 weisen eine
identische Dicke auf. Insbesondere ist die erste
piezoelektrische Schicht 4 genauso dick wie die zweite piezoelektrische Schicht 7. Die erste und die zweite
piezoelektrische Schicht 4, 7 können jeweils Aluminiumnitrid aufweisen oder aus Aluminiumnitrid bestehen. Der erste und der zweite Resonator 2, 3 sind auf einem gemeinsamen Chipsubstrat 10 angeordnet. Das Chipsubstrat weist Silizium auf. Unterhalb der beiden Resonatoren 2, 3 kann ein akustischer Spiegel 11 ausgebildet sein. Der akustische Spiegel 11 weist abwechselnd angeordnete erste Schichten 12 und zweite Schichten 13 auf, wobei die zweiten Schichten 13 sich in ihrer akustischen Impedanz von den ersten Schichten 12 unterscheiden. Der akustische Spiegel 11 besteht beispielsweise aus abwechselnd angeordneten Schichten aus S1O2 und Wolfram.
Die erste piezoelektrische Schicht 4 ist strukturiert. Die piezoelektrischen Schichten 4 wurden in einem
fotolithografischen Verfahren strukturiert. Die Strukturierung weist Ausnehmungen 14 auf, die durch die piezoelektrische Schichten 4 hindurch verlaufen. Die
Ausnehmungen 14 erstrecken sich dabei in der vertikalen
Richtung. Bei den Ausnehmungen 14 handelt es sich hier um Gruben. Bei den Ausnehmungen 14 handelt es sich um
röhrenförmige Ausnehmungen mit einem kreisförmigen
Durchschnitt. Alternativ oder ergänzend dazu können die
Ausnehmungen 14 auch Löcher aufweisen, deren Querschnitt sich in vertikaler Richtung verändert und/oder die sich nicht durch die gesamte Dicke der piezoelektrischen Schichten 4 erstrecken .
In Figur 1 bezeichnet die z-Richtung die Richtung, die durch die Flächennormale der Elektroden 5, 6, 8, 9 bestimmt ist. Diese wird als vertikale Richtung bezeichnet. Die
Ausdehnungen 14 erstrecken sich in z-Richtung. Die y-Richtung ist senkrecht zur vertikalen Richtung. Die x-Richtung ist senkrecht zur y-Richtung und senkrecht zur z-Richtung. Sowohl die y-Richtung als auch die x-Richtung werden als laterale Richtung bezeichnet. Figur 1 zeigt den Chip 1 somit in einem Querschnitt durch die x-z-Ebene.
Die Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 4 führt dazu, dass die Resonanzfrequenz des ersten Resonators 2 verschoben wird. Insbesondere wird die Resonanzfrequenz des ersten Resonators 2 umso mehr verringert, desto stärker die erste piezoelektrische Schicht 4 strukturiert ist. Eine stärke Strukturierung ist dabei gleichbedeutend damit, dass mehr Material der ersten piezoelektrischen Schicht 4 entfernt wurde. Durch die Strukturierung der ersten piezoelektrischen Schicht 4 des ersten Resonators 2 weist dieser eine
niedrigere Resonanzfrequenz als der zweite Resonator 4 auf. Figur 2 zeigt einen weiteren Chip 1, der sich von dem in Figur 1 gezeigten Chip 1 lediglich dahingehend unterscheidet, dass bei dem in Figur 2 gezeigten Chip 1 auch die zweite piezoelektrische Schicht 7 strukturiert ist. Die zweite piezoelektrische Schicht 7 wurde hier in einem
fotolithographischen Verfahren strukturiert. Insbesondere wurden die erste und die zweite piezoelektrische Schicht in einem gemeinsamen Verfahrensschritt fotolithographisch strukturiert. Auch die zweite piezoelektrische Schicht 7 weist Ausnehmungen 14 auf, die sich in vertikaler Richtung durch die zweite piezoelektrische Schicht 7 hindurch
erstrecken .
Die zweite piezoelektrische Schicht 7 ist weniger stark strukturiert als die erste piezoelektrische Schicht 4, d.h. bei der Strukturierung wurde aus der ersten piezoelektrischen Schicht 4 mehr Material entfernt als aus der zweiten
piezoelektrischen Schicht 7. Aus diesem Grund weist der erste Resonator 2 eine niedrigere Resonanzfrequenz auf als der zweite Resonator 3.
Die Ausnehmungen 14 sind sowohl in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als auch in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ungefüllt. In alternativen
Ausführungsbeispielen können sie vollständig mit einer
Füllschicht gefüllt sein. Alternativ kann lediglich ihre Innenseite mit einer Mantelschicht bedeckt sein. Die
Füllschicht und/oder die Mantelschicht können ein Material aufweisen, das ein anomales thermomechanisches Verhalten aufweist. Dieses Material kompensiert das normale
thermomechanische Verhalten der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 4, 7. Insbesondere kann sich das Material auf Grund des anormalen thermomechanischen Verhaltens bei Erwärmung versteifen . Ferner können die Füllschicht und/oder die Mantelschicht die jeweilige piezoelektrische Schicht 4, 7 gegen Umwelteinflüsse schützen. Beispielsweise können die Füllschicht und/oder die Mantelschicht für eine Passivierung sorgen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können auf dem Chip 1 vier Resonatoren angeordnet sein. Dabei kann es sich um zwei Parallelresonatoren und um zwei Serienresonatoren handeln, die zu einer Filterschaltung miteinander verschaltet sind. Die vier Resonatoren können die gleiche Dicke aufweisen und sich in ihrer Strukturierung jeweils voneinander
unterscheiden. Dementsprechend können sie sich in ihren
Resonanzfrequenzen voneinander unterscheiden. Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der
Filterschaltung 100. Bei der Filterschaltung 100 handelt es sich dabei um eine Ladder-Type Schaltung. Eine solche
Schaltung kann entweder als Bandpassfilter oder als
Bandsperrfilter konstruiert werden. Zunächst wird eine
Ladder-Type Schaltung betrachtet, die ein Bandpassfilter bildet .
Die Ladder-Type Schaltung weist einen Signalpfad 101 mit einem Signalpfadeingang und einem Signalpfadausgang auf. Ein erster Serienresonator 102 ist seriell in dem Signalpfad 101 verschaltet. Ein erster Parallelresonator 103 ist derart verschaltet, dass eine Elektrode des Parallelresonators 103 mit dem Signalpfad 101 verschaltet ist und die andere
Elektrode des Parallelresonators 103 über ein Reaktanzelement mit Masse verbunden ist. Der erste Serienresonator 102 und der erste Parallelresonator 103 bilden ein Grundglied 104 der Ladder-Type Schaltung. Der erste Parallelresonator 103 weist eine niedrigere
Resonanzfrequenz auf als der erste Serienresonator 102.
Ferner stimmt die charakteristische Durchlassfrequenz des ersten Serienresonators 102 ungefähr mit der Sperrfrequenz des ersten Parallelresonators 103 überein. Damit bildet das Grundglied 104 für sich ein Bandpassfilter. Die rechte Flanke der Dämpfungscharakteristik des Passbands wird maßgeblich von der konkreten Ausgestaltung des ersten Serienresonators 102 bestimmt, während die linke Flanke maßgeblich von der
Ausgestaltung des ersten Parallelresonators 103 bestimmt wird .
Die Ladder-Type Schaltung ist aus mehreren seriell
verschalteten Grundgliedern 104 aufgebaut, wobei jedes
Grundglied 104 im Wesentlichen aus einem Serienresonator und einem Parallelresonator besteht. Beispielsweise weist ein zweites Grundglied 104 einen zweiten Serienresonator 105 und einen zweiten Parallelresonator 106 auf.
Der erste Parallelresonator 103 und der zweite
Parallelresonator 106 unterscheiden sich in ihrer
Resonanzfrequenz voneinander. Der erste Parallelresonator 103 weist eine erste piezoelektrische Schicht auf. Der zweite Parallelresonator 106 weist eine zweite piezoelektrische Schicht auf. Die erste piezoelektrische Schicht des ersten Parallelresonators 103 ist anders strukturiert als die zweite piezoelektrische Schicht des zweiten Parallelresonators 106. Die piezoelektrischen Schichten sind dabei, wie oben
beschrieben, mit Ausnehmungen 14 strukturiert, die sich durch die jeweiligen piezoelektrischen Schichten hindurch
erstrecken. Durch die unterschiedliche Strukturierung ergeben sich unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Auch der erste Serienresonator 102 und der zweite Serienresonator 105 können sich in ihrer Resonanzfrequenz voneinander unterscheiden. Dieses kann dadurch ermöglicht werden, dass eine erste piezoelektrische Schicht des ersten Serienresonators 102 anders strukturiert ist als eine zweite piezoelektrische Schicht des zweiten Serienresonators 105. Die piezoelektrischen Schichten sind dabei, wie oben
beschrieben, mit Ausnehmungen 14 strukturiert, die sich durch die jeweiligen piezoelektrischen Schichten hindurch
erstrecken.
Erst die hier beschriebene Verschiebung der Resonanzfrequenz durch das Strukturieren der piezoelektrischen Schichten ermöglicht es, bei einer Filterschaltung 100, die mit
akustischen Volumenwellen arbeitende Filter aufweist, die Resonanzfrequenzen der Parallel- und/oder Serienresonatoren 102, 103, 105, 106 in einfacher Weise zueinander zu
verschieben. Damit wird es ermöglicht, die Filterfunktion der Filterschaltung 100 zu optimieren. Beispielsweise können die Pole der Parallelresonatoren 103, 106 und die Nullstellen der Serienresonatoren 102, 105 zueinander verschoben werden, so dass die Flankensteilheit der Frequenzcharakteristik der Filterschaltung 100 optimiert werden kann und die
Unterdrückung von Signalen, deren Frequenz außerhalb des Passbandes liegt, verbessert wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Ladder-Type Schaltung ein Bandsperrfilter ausbilden. Dabei weisen die Serienresonatoren 102, 105 eine niedrigere Resonanzfrequenz auf als die Parallelresonatoren 103, 106. Auch hier können sich die Serienresonatoren 102, 105 und/oder die
Parallelresonatoren 103, 106 jeweils untereinander in ihrer Resonanzfrequenz unterscheiden. Dazu können die piezoelektrischen Schichten der Serienresonatoren 102, 105 und/oder der Parallelresonatoren 103, 106 zueinander
unterschiedlich strukturiert sein. Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
Filterschaltung 100. Bei der Filterschaltung 100 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine BrückenSchaltung .
Die Brückenschaltung weist einen ersten Signalpfad 107, der einen ersten Signaleingang mit einem ersten Signalausgang verbindet, und einen zweiten Signalpfad 108 auf, der einen zweiten Signaleingang mit einem zweiten Signalausgang
verbindet auf. In dem ersten Signalpfad 107 ist ein erster Serienresonator 102 seriell verschaltet. In dem zweiten
Signalpfad 107 ist ein zweiter Serienresonator 105 seriell verschaltet. Ein erster Parallelresonator 103 ist mit einem ersten Knoten, der im ersten Signalpfad 107 zwischen dem ersten Signaleingang und dem ersten Serienresonator
angeordnet ist, und mit einem zweiten Knoten verbunden, der im zweiten Signalpfad 108 zwischen dem zweiten Signalausgang und dem zweiten Serienresonator 105 angeordnet ist. Ein zweiter Parallelresonator 106 ist mit einem dritten Knoten, der im ersten Signalpfad 107 zwischen dem ersten
Serienresonator 102 und dem ersten Signalausgang angeordnet ist, und mit einem vierten Knoten verbunden, der im zweiten Signalpfad 108 zwischen dem zweiten Serienresonator 105 und dem zweiten Signaleingang angeordnet ist.
Der erste Parallelresonator 103, der zweite Parallelresonator 106, der erste Serienresonator 102 und der zweite
Serienresonator 105 sind jeweils mit akustischen
Volumenwellen arbeitende Resonatoren, die jeweils eine piezoelektrische Schicht aufweisen, wobei die piezoelektrischen Schichten sich voneinander in ihrer
Strukturierung und somit auch in ihren Resonanzfrequenzen unterscheiden . Die Brückenschaltung kann als Bandpassfilter oder als
Bandsperrfilter ausgebildet sein, abhängig davon wie die Resonanzfrequenzen der Resonatoren 102, 103, 105, 106 gewählt werden .
Figur 5 zeigt in einem Diagramm die Auswirkungen der
Strukturierung auf das Frequenzverhalten eines Resonators 2, 102, 103, 105, 106. Auf der Abszissenachse ist dabei die Frequenz in MHz aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist die Amplitude der Admittanz in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen .
Figur 5 zeigt zunächst eine Referenzkurve Kref, die das
Frequenzverhalten eines Resonators mit unstrukturierter piezoelektrischer Schicht zeigt. Ferner sind in Figur 5 die Kurven Ki , K2 , K3 und K4 aufgetragen, die jeweils das
Frequenzverhalten eines Resonators mit strukturierter
piezoelektrischer Schicht beschreiben, wobei die jeweilige piezoelektrische Schicht hier mit Löchern strukturiert ist und der Durchmesser der Löcher von Kurve Ki zu Kurve K4 jeweils zunimmt.
Es ist Figur 5 zu entnehmen, dass die Resonanzfrequenz und die Antiresonanzfrequenz der Resonatoren 2 durch ein
Strukturieren der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 4 nach unten verschoben werden. Dabei ist diese Verschiebung umso größer, je stärker die piezoelektrische Schicht 4
strukturiert ist, d. h. je mehr Material aus der
piezoelektrischen Schicht 4 entfernt wurde. Ferner zeigt Figur 5, dass der Polnullstellenabstand der Resonatoren 2 umso größer wird, je stärker die
piezoelektrische Schicht 4 strukturiert ist. Der
Polnullstellenabstand eines Resonators 2 ist definiert als Abstand von Resonanzfrequenz und Antiresonanzfrequenz .
Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf die x-y-Ebene auf eine piezoelektrische Schicht 4, bei der die Ausnehmungen zufällig angeordneten Löcher 15 und Schlitze 16 bilden. Die Löcher 15 und die Schlitze 16 erstrecken sich in vertikaler Richtung durch die piezoelektrische Schicht 4 hindurch. Es kann sich bei der piezoelektrischen Schicht um die erste
piezoelektrische Schicht 4 handeln. Wie oben beschrieben, kann die zweite piezoelektrische Schicht 7 entweder
unstrukturiert bleiben oder auf ähnliche Weise, aber in geringerem Maße, wie der erste piezoelektrische Schicht 4 strukturiert sein.
Einige Löcher 15 sind mit einer Mantelschicht 17 bedeckt, die ein anomales thermomechanisches Verhalten aufweist. Diese Mantelschicht 17 wirkt dem normalen thermomechanischen
Verhalten der piezoelektrischen Schicht 4 entgegen. Hierdurch ist eine teilweise Kompensation, eine vollständige
Kompensation oder eine Überkompensation möglich. Auch die Seitenwände der Schlitze 16 könnten mit der Mantelschicht 17 bedeckt werden.
Ferner sind einige der Löcher 15 und einige der Schlitze 16 mit einer Füllschicht 18 aus einem dielektrischen Material, das ein anormales thermomechanisches Verhalten aufweist, gefüllt. Es kann hierzu jedes Material, das ein anormales thermomechanisches Verhalten aufweist, verwendet werden. Ferner bleiben einige der Löcher 15 und Schlitze 16 frei von der Mantelschicht 17 und der Füllschicht 18.
Die Figuren 7a bis 7f zeigen weitere Ausführungsbeispiele einer strukturierten piezoelektrischen Schicht 4. Die Figuren 7a bis 7f zeigen die piezoelektrische Schicht 4 dabei in einer Draufsicht auf die x-y-Ebene. Es kann sich auch hier, genauso wie bei den nachfolgenden Figuren, bei der
piezoelektrischen Schicht um die erste oder die zweite piezoelektrische Schicht 4, 7 handeln.
Durch die gezeigten piezoelektrischen Schichten 4 erstrecken sich dabei in vertikaler Richtung Ausnehmungen 14. Durch diese Ausnehmungen 14 wird die jeweilige piezoelektrische Schicht 4 zu Blöcken strukturiert. Sind die Ausnehmungen 14 mit einem hinreichend kleinen Durchmesser ausgestaltet, so überlappen sich die Ecken der Blöcke, wie in Figur 7a und Figur 7b gezeigt. Wird der Durchmesser der Ausnehmungen 14 größer gewählt, so ist die piezoelektrische Schicht 4 zu Blöcken strukturiert, die durch Stege miteinander verbunden sind, wie in den Figuren 7c bis 7f gezeigt. Bei einigen
Ausführungsbeispielen verbindet ein Steg je zwei Blöcke an ihren Ecken, wie in Figur 7d und Figur 7e gezeigt. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Blöcke durch Stege an ihren Seitenflächen miteinander verbunden sind, wie in Figur 7c und Figur 7f gezeigt.
Figur 8 zeigt weitere Ausführungsbeispiele einer
strukturierten piezoelektrischen Schicht 4, die auch hier in einer Draufsicht auf die x-y-Ebene dargestellt ist. Die in Figur 8 gezeigten piezoelektrischen Schichten 4 sind durch Ausnehmungen 14 mit einem kreisförmigen Durchschnitt
strukturiert. In den verschiedenen Abbildungen der Figur 8 weisen die Ausnehmungen 14 unterschiedliche Durchmesser auf. Je größer der Durchmesser der Ausnehmung 14 ist, umso stärker wird die Resonanzfrequenz verringert und umso größer wird der Polnullstellenabstand des Resonators 2.
Die Durchmesser der Ausnehmungen 14 können beispielsweise zwischen 0,2 und 6 ym liegen.
Figur 9a und Figur 9b zeigen zwei weitere
Ausführungsbeispiele einer strukturierten piezoelektrischen Schicht 4. Die piezoelektrischen Schichten 4 sind in den Figuren 9a und 9b ebenfalls in einer Draufsicht auf die x-y- Ebene gezeigt. Die piezoelektrischen Schichten 4 sind jeweils durch Ausnehmungen 14 mit einem kreisförmigen Querschnitt strukturiert. Die piezoelektrischen Schichten 4 sind jeweils derart strukturiert, dass eine Phononic Bandgap Struktur ausgebildet wird. Die Phononic Bandgap Struktur sorgt
insbesondere dafür, dass Abstrahlverluste in lateraler
Richtung minimiert werden können.
In vertikaler Richtung (z-Richtung) sorgt bei SMR Resonatoren der akustische Spiegel und bei FBAR Resonatoren die freie Randbedingung für Reflexionen der akustischen Welle und sorgt so für eine Verlustminimierung . Ist ferner eine
zweidimensionale Phononic Bandgap Struktur ausgebildet, so minimiert diese die Abstrahlverlust in lateraler Richtung.
Die Ausnehmungen 14 sind in Spalten und Zeilen angeordnet, wobei die Spalten in y-Richtung verlaufen. Die Ausnehmungen 14 zweier benachbarter Spalten sind dabei gegeneinander versetzt. Die Ausnehmungen sind derart periodisch zu Spalten angeordnet, dass die Anordnung der Ausnehmungen 14 zweier Spalten, zwischen denen genau eine weitere Spalte angeordnet ist, identisch ist.
Wie in Figur 9a gezeigt, wird mit d2 der Abstand der
Mittelpunkte 19, 20 von zwei Ausnehmungen 14 bezeichnet, wobei die erste Ausnehmung 14 in einer ersten Spalte
angeordnet ist und die andere Ausnehmung 14 in der
unmittelbar benachbarten Spalte angeordnet ist und am
nächsten zu der ersten Ausnehmung 14 liegt. Ferner bezeichnet 2di den Abstand der Mittelpunkte 21, 22 von zwei Ausnehmungen 14, wobei die erste Ausnehmung 14 in einer ersten Spalte angeordnet ist und die andere Ausnehmung 14 in der
nächstgelegenen Spalte mit identischer Ausnehmung-Anordnung liegt und in dieser Spalte am nächsten zu der ersten
Ausnehmung liegt. Eine Phononic Bandgap Struktur wird
ausgebildet, wenn di und d2 folgende Bedingung erfüllen:
Figure imgf000024_0001
Eine Phononic Bandgap Struktur kann auch einfacher bzw.
besser mittels anderer Konstruktionsvorschriften erlangt werden. Ein Beispiel dafür ist in der Figur 9b dargestellt.
Dabei sind 2di und 2d2 wie in der Figur 9b gezeigt definiert.
Eine Phononic Bandgap Struktur ergibt sich, wenn di und d2 folgende Bedingung erfüllen:
Figure imgf000024_0002
In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer hexagonalen Anordnung.
Figur 10 zeigt weitere Ausführungsbeispiele von
strukturierten piezoelektrischen Schichten 4, wobei die piezoelektrischen Schichten 4 jeweils zu Blöcken mit
hexagonalen oder dodekagonalen Grundflächen strukturiert sind. In einigen der gezeigten Ausführungsbeispiele gehen diese Blöcke ineinander über, in anderen
Ausführungsbeispielen sind sie über Stege miteinander
verbunden .
Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
strukturierten piezoelektrischen Schicht 4. Die
piezoelektrische Schicht ist zu Blöcken mit einer
quadratischen Grundfläche strukturiert. Die Seitenflächen der Blöcke sind über Stege miteinander verbunden, wobei die Stege eine Breite haben, die der Seitenlänge der Blöcke entspricht.
Bezugs zeichenliste
1 Chip
2 erster Resonator
3 zweiter Resonator
4 erste piezoelektrische Schicht
5 obere Elektrode
6 untere Elektrode
7 zweite piezoelektrische Schicht
8 obere Elektrode
9 untere Elektrode
10 Chipsubstrat
11 akustischer Spiegel
12 erste Schicht des akustischen Spiegels
13 zweite Schicht des akustischen Spiegels
14 Ausnehmung
15 Loch
16 Schlitz
17 MantelSchicht
18 Füllschicht
19 Mittelpunkt
20 Mittelpunkt
21 Mittelpunkt
22 Mittelpunkt
100 FilterSchaltung
101 Signalpfad
102 erster Serienresonator
103 erster Parallelresonator
104 Grundglied
105 zweiter Serienresonator
106 zweiter Parallelresonator
107 erster Signalpfad
108 zweiter Signalpfad

Claims

Filterschaltung (100),
aufweisend einen ersten und einen zweiten mit
akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator (2, 3), wobei der erste Resonator (2) eine erste
piezoelektrische Schicht (4) aufweist, die derart strukturiert ist, dass der erste Resonator (2) eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der zweite Resonator (3) , wobei die erste piezoelektrische Schicht
(4) durch Ausnehmungen (14) strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische Schicht (4) hindurchlaufen, wobei der erste Resonator (2) und der zweite Resonator
(3) als Serienresonatoren (102, 105) seriell mit einem Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind oder
wobei der erste Resonator (2) und der zweite Resonator (3) als Parallelresonatoren (103, 106) derart mit dem Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist.
Filterschaltung (100) gemäß Anspruch 1,
wobei die erste piezoelektrische Schicht (4) des ersten Resonators (2) derart strukturiert ist, dass bei einem in einer Raumrichtung angelegten elektrischen Feld eine Schwingungsmode mit Schwingungen in zumindest zwei Raumrichtungen angeregt wird.
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei der zweite Resonator (3) eine zweite
piezoelektrische Schicht (7) aufweist, die unstrukturiert ist oder die durch Ausnehmungen (14) strukturiert ist, die durch die zweite piezoelektrische Schicht (7) hindurchlaufen.
Filterschaltung (100) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die zweite piezoelektrische Schicht (7) des zweiten Resonators (3) derart strukturiert ist, dass bei einem in einer Raumrichtung angelegten elektrischen Feld eine Schwingungsmode mit Schwingungen in zumindest zwei Raumrichtungen angeregt wird.
Filterschaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4,
wobei die erste piezoelektrische Schicht (4) und die zweite piezoelektrische Schicht (7) die gleiche Dicke aufweisen .
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei es sich bei der Filterschaltung (100) um eine Ladder-Type-Schaltung oder eine Brückenschaltung
handelt .
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei es sich bei der Filterschaltung (100) um ein
Bandpassfilter oder ein Bandsperrfilter handelt.
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei der erste und der zweite Resonator (2, 3) ein FBAR Resonator oder ein SMR Resonator sind. Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei die Ausnehmungen (14) durch fotolithographisches Strukturieren der jeweiligen piezoelektrischen Schicht gebildet sind.
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
wobei die Filterschaltung (100) auf einem Chip
angeordnet ist.
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche,
aufweisend zumindest einen dritten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator und einen vierten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator, wobei der erste Resonator (2) und der dritte Resonator als Serienresonatoren (102, 105) seriell mit dem
Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind, wobei der zweite Resonator (3) und der vierte Resonator als Parallelresonatoren (103, 106) derart mit dem
Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist,
wobei der dritte Resonator eine dritte piezoelektrische Schicht aufweist, die derart strukturiert ist, dass der dritte Resonator eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der vierte Resonator, wobei die dritte piezoelektrische Schicht durch Ausnehmungen (14) strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische Schicht hindurchlaufen. Filterschaltung (100) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die piezoelektrischen Schichten (4, 7) des ersten Resonators (2), des zweiten Resonators (3), des dritten Resonators und des vierten Resonators die gleiche Dicke aufweisen .
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