DE102009031133B4

DE102009031133B4 - Bulkakustikwellenfiltervorrichtungen und Verfahren zum Herstellen und Optimieren selbiger

Info

Publication number: DE102009031133B4
Application number: DE102009031133.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Timme
Original assignee: Contria San LLC
Current assignee: CONTRIA SAN LIMITED LIABILITY COMPANY, US; CONTRIA SAN LIMITED LIABILITY COMPANY, WILMING, US
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: US20100001813A1; DE102009031133A1; US7834720B2

Abstract

Eine Bulkakustikwellen-(BAW)Filtervorrichtung, aufweisend: zumindest einen ersten seriellen BAW-Resonator (112); zumindest einen ersten Shunt-BAW-Resonator (113); zumindest einen zweiten seriellen BAW-Resonator (114) oder zumindest einen zweiten Shunt-BAW-Resonator (115), wobei die Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten seriellen BAW-Resonatoren (112, 114) oder die Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten Shunt-BAW-Resonatoren (113, 115) in Bezug aufeinander verstimmt sind.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Feld von Bulkakustikwellenfiltern (Bulk Acoustic Wave = BAW) bzw. Substratakustikwellenfilter und speziell auf eine Verbesserung des Roll-Off-Verhaltens von BAW-Bandpassfiltern.
DE 101 24 349 A1 offenbart eine piezoelektrische Resonatorvorrichtung mit einer Verstimmungsschichtfolge. Die Resonatorvorrichtung umfasst einen piezoelektrischen Resonator mit einer Verstimmungsschichtfolge, die an dem piezoelektrischen Resonator angeordnet ist. Die Verstimmungsschichtfolge umfasst zumindest eine erste Schicht mit einer hohen akustischen Impedanz und eine zweite Schicht mit einer niedrigen akustischen Impedanz.
US 2002/0118079 A1 offenbart einen elektrischen Filter, der eine Mehrzahl an Dünnschicht-Bulk-Akustik Resonatoren aufweist, die in Reihe und Parallel angeordnet sind, und welche verschiedene Dicken von einem oder mehreren piezoelektrischen Schichten haben, beispielsweise der oberen Elektrode.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine BAW-Filtervorrichtung, die zumindest einen ersten seriellen BAW-Resonator, zumindest einen ersten Shunt- bzw. Nebenschlusswiderstands-BAW-Resonator, zumindest einen zweiten seriellen BAW-Resonator oder zumindest einen zweiten Shunt-BAW-Resonator aufweist. Die Resonanzfrequenzen des ersten und des zweiten seriellen BAW-Resonators oder die Resonanzfrequenzen des ersten und des zweiten Shunt-BAW-Resonators werden mit Bezug aufeinander verstimmt.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Bulkakustikwellenfiltervorrichtung, die eine erste und zweite Anschlussvorrichtung bzw. Port aufweist, wobei jede Anschlussvorrichtung bzw. jeder Port einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei ein erster Strompfad den ersten Anschluss der ersten Anschlussvorrichtung mit dem ersten Anschluss der zweiten Anschlussvorrichtung verbindet, und wobei ein zweiter Strompfad den zweiten Anschluss der ersten Anschlussvorrichtung mit dem zweiten Anschluss der zweiten Anschlussvorrichtung verbindet. Die BAW-Filtervorrichtung weist weiterhin einen ersten BAW-Resonator und einen zweiten BAW-Resonator, die elektrisch in Serie entlang des ersten Strompfades verbunden sind, und einen dritten BAW-Resonator auf, der den ersten Strompfad zwischen den ersten und zweiten BAW-Resonatoren mit dem zweiten Strompfad verbindet. Die ersten und zweiten BAW-Resonatoren weisen Resonanzfrequenzen auf, die sich um einen Betrag über einer Herstellungstoleranz unterscheiden. Entsprechende BAW-Filtervorrichtungen werden durch die Gegenstände nach den Ansprüchen 1, 9, 12 und 16 beschrieben. Ein Herstellungs- sowie Optimierungsverfahren definieren die Ansprüche 17 und 18.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden bereitwilliger gewürdigt und besser verstanden mit Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, die mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen betrachtet werden sollte, in denen:
1 eine konventionelle BAW-Vorrichtung (Querschnitt eines BAW-Resonators, der fest auf einer akustischen Spiegelstruktur angebracht ist) zeigt,
2A und 2B jeweils einen Leiter- und einen Gittertypfilterabschnitt (Filterstufe) zeigen,
3 einen Leitertypfilter (Abschnitt) mit zwei seriellen und einem Shunt-Resonator, der 1 1/2 Filterstufen entspricht, zeigt,
4 einen Leitertypfilter (Abschnitt) mit zwei Shunt- und einem seriellen Resonator, der 1 1/2 Filterstufen entspricht, zeigt,
5a bis d Kombinationen von verschiedenen Filterabschnitten zeigen, und
6a bis f eine Leistungsverbesserung eines typischen BAW-Filters gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigen.
Bevor Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in größerem Detail und mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, wird angemerkt, dass gleiche Elemente, die in einer gleichen Weise arbeiten, mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen in den Figuren versehen sind, und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente ausgelassen wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Mobilkommunikationsstandards benötigen hohe selektive Frequenzfilter. Entsprechende Anforderungen sind besonders stark für PCS-Duplexer, die zum Beispiel in UMTS Band II und CDMA PCS Mobiltelefonen (UMTS = Universal Mobile Telecommunication Service, CDMA = Code Division Multiple Access, PCS = Personal Communications System) verwendet werden. Übertragungs(TX) und Empfangs-(RX)Bänder eines PCS-Duplexers weisen einen Frequenzabstand von nur 20 MHz auf. Beispielsweise deckt das PCS TX Band einen Bereich zwischen 1850 und 1910 MHz ab, und das PCS RX Band weist den Frequenzbereich von 1930 bis 1990 MHz auf. Das TX und das RX Band haben eine Bandbreite von 60 MHz und sind durch ein Schutzband von 1930 MHz – 1910 MHz = 20 MHz getrennt. Als eine Konsequenz sollte der Übertragungs-(TX)Filter einen sehr kleinen Roll-Off (das heißt steilen Rand) an der oberen TX Durchlassbereichfrequenzkante haben, wohingegen der Empfangs-(RX)Filter einen sehr schmalen Roll-Off (steilen Rand) an der unteren RX Durchlassbereichfrequenzkante haben sollte.
Das Filter-Roll-Off-Verhalten (Roll-Off-Leistung) kann als ein Frequenzabstand zwischen beispielsweise spezifischen Dämpfungswerten für die Einfügedämpfung gemessen werden – beispielsweise jeweils zwischen den 30 dB und den 3 dB Dämpfungswerten des unteren oder oberen Filterrands.
Bulkakustikwellenfilter werden häufig für PCS-Duplexer aus den folgenden Gründen verwendet:

(1) BAW-Resonatoren bieten einen höheren Qualitätsfaktor Q, und
(2)BAW-Resonatoren bieten einen kleineren Temperaturkoeffizienten der Frequenz (TCF).

Andere konventionelle Filter basierend auf SAW-Resonatoren (SAW = Surface Acoustic Wave bzw. Oberflächenwelle) sind als SAW-Filter bekannt. Im Vergleich zu BAW-Resonatoren bieten SAW-Resonatoren einen ähnlichen Qualitätsfaktor Q, aber weisen einen höheren TCF (typischerweise 2-mal so groß) auf. Die entsprechenden BAW-Filter und SAW-Filter teilen jeweils die Temperaturkoeffizienten der Frequenz deren BAW- und SAW-Resonatoren. In der BAW-Technologie können gute TX Leiterfilter eine Roll-Off-Leistung an der oberen Durchlassbereichfrequenz von 9 MHz (mit Bezugnahme auf den Dämpfungsabfall von 3 dB runter auf 30 dB) bieten. Höhere Roll-Off-Parameter beeinflussen empfindlich die Übereinstimmung des Duplexers zur Spezifikation und daher den Produktionsgewinn, der null wird für Roll-Off-Werte um 12 MHz beispielsweise.
Daher gibt es ein Bedürfnis, das Roll-Off-Verhalten von BAW-Filtern weiter zu verbessern, um die Duplexerleistung zu verbessern und zur selben Zeit den BAW-Filterproduktionsgewinn. Das bedeutet, die kritischen Roll-Off-Parameter weiter zu reduzieren.
Die Roll-Offs von BAW-Filtern werden wesentlich durch die Filtertopologie und das Design, die Resonatorleistung (das heißt Qualitätsfaktor), und elektrische Parasitäre wie Elektrode und Konnektorwiderstände, parasitäre Induktivitäten, parasitäre Kapazitäten sowie durch Substratwiderstandsgröße beeinflusst. Alle diese Parameter, die für die Roll-Off-Leistung relevant sind, wurden heutzutage optimiert (innerhalb der Rahmen der jeweiligen zugrunde liegenden BAW-Technologien). Es gibt jedoch einige Beschränkungen:

(a) Im allgemeinen wird das Filter-Roll-Off-Verhalten mit der Anzahl von Filterstufen in einem Leiterfilter besser, wohingegen die Einfügedämpfung steigt. Dieses Ansteigen der Einfügedämpfung begrenzt die maximale Anzahl von Stufen. Ein typischer Leiterfilter weist zum Beispiel 3, 3 1/2 oder 4 Stufen auf, wobei jede Stufe einen Serien- und einen Shunt-Resonator aufweist (und eine „Halb”-Stufe bezieht sich beispielsweise entweder auf einen Shunt- oder einen Serienresonator in einer Leiterfiltertopologie).
(b) Resonatorqualitätsfaktoren Q sind durch elektrische und akustische Verluste begrenzt.
(c) Die Filtergestaltungen einschließlich Topologie müssen – basierend auf einer verfügbaren Resonatorleistung – mehrere Probleme simultan angehen. Diese Probleme weisen beispielsweise die Einfügedämpfung, den Reflexionsverlust und die Welligkeit in dem Filterdurchlassbereich, sowie die Stoppband- und Breitbanddämpfung auf. Insbesondere bedeutet das, dass das Roll-Off-Verhalten nicht unabhängig von anderen Filterparametern optimiert werden kann. Für die meisten Anwendungen ist es wichtig, die Kontrolle über die meisten dieser Parameter zur selben Zeit zu behalten.
(d) Die Verfügbarkeit von verlustarmen Substraten wie idealerweise Insulatoren oder Semiinsulatoren oder zumindest hochohmische Silikonwafern kann begrenzt sein (abhängig von verwendeten Verarbeitungstechnologien).
(e) Der Temperaturkoeffizient der Frequenz (TCF) der BAW-Resonatoren überführt in einen ähnlichen TCF des BAW-Filters zusammengesetzt aus solchen Resonatoren. Als Konsequenz wird eine Frequenzspanne benötigt, um eine TCF verursachte Temperaturverschiebung der Filterdurchlassbereichfrequenz zu erlauben. Diese TCF Spanne ist für Filter-Roll-Off nicht verfügbar. In anderen Worten, je kleiner der Resonator- oder Filter TCF, desto kleiner sollte die TCF Spanne und desto größer die übrig bleibende Toleranz für Roll-Off-Leistung sein.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung behandeln diese und andere Probleme dadurch, dass eine Vorrichtung vorgeschlagen wird, die eine Mehrzahl von BAW-Resonatoren aufweist, wobei die BAW-Resonatoren individuell verstimmt werden, beispielsweise durch Verschieben (oder Anpassen) ihrer Resonanzfrequenzen in einer Weise, dass der kritische Filter-Roll-Off minimiert ist. Diese Minimierung des Roll-Offs wird an der niedrigeren oder höheren Filterdurchlassbereichkante erreicht, wie beispielsweise jeweils für den RX Filter und den TX Filter nötig.
Hierfür beziehen sich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf eine BAW-Filtervorrichtung, die eine erste und zweite Anschlussvorrichtung bzw. Port aufweist, wobei jede Anschlussvorrichtung einen ersten und zweiten Anschluss aufweist und ein erster Strom- oder Signalpfad die ersten Anschlüsse verbindet und ein zweiter Strom- oder Signalpfad die zweiten Anschlüsse der ersten und zweiten Anschlussvorrichtungen bzw. Ports verbindet (wobei ein Signalpfad eine übliche Erdung bzw. Masse aufweisen kann). Die BAW-Vorrichtung weist ferner erste und zweite BAW-Resonatoren auf, die elektrisch in Serie entlang des ersten Strompfades verbunden sind. Zusätzlich verbindet ein dritter BAW-Resonator den zweiten Strompfad mit dem ersten Strompfad zwischen den ersten und zweiten BAW-Resonatoren. Gemäß Ausführungsbeispielen werden die ersten und zweiten BAW-Resonatoren so verstimmt, dass sich ihre Resonanzfrequenzen durch einen Betrag über der Herstellungstoleranz unterscheiden.
In weiteren Ausführungsbeispielen sind die verstimmten ersten und zweiten BAW-Resonatoren beide Shunt-Resonatoren bzw. Nebenschlusswiderstandsresonatoren, so dass der erste BAW-Resonator die ersten und zweiten Anschlüsse der ersten Anschlussvorrichtung verbindet, und der zweite BAW-Resonator die ersten und zweiten Anschlüsse der zweiten Anschlussvorrichtung verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der dritte BAW-Resonator ein Serienresonator entlang des ersten Strompfads (beispielsweise zwischen den ersten Anschlüssen der ersten und zweiten Anschlussvorrichtungen).
Hochfrequenz-BAW-Filter sind beispielsweise aus sogenannten Serien- und Shuntresonatoren zusammengesetzt, die in Leiter- und/oder Gittertopologien verwendet werden. Die Shuntresonatoren sind in einer ähnlichen Weise wie die Serienresonatoren konstruiert, aber in ihren Resonanzfrequenzen nach unten verschoben. Diese Frequenzverschiebung (oder Verstimmung) korrespondiert typischerweise zu der Resonatorbandbreite (ungefähr) und ist wesentlich für das Erzeugen des Filterdurchlassbereichs. Solche Frequenzverschiebungen werden erreicht, wenn eine oder mehrere Schichten der Resonatorschichtstapel zwischen Serien- und Shuntresonatortypen (beispielsweise mit Bezug auf Dicke oder Material) differieren. Im Prinzip können individuelle Schichtstapel und somit individuelle Resonanzfrequenzen jedem Resonator, der in einem BAW-Filter verwendet wird, zugeteilt werden. Um den Design- und Verarbeitungsaufwand niedrig zu halten, weist eine typische Realisierung nur zwei Resonatortypen auf, nämlich einen verwendet für Serienresonatoren und den anderen verwendet für Shuntresonatoren.
Die Form des Filterdurchlassbereichs hängt von der Schaltkreistopologie, der Anzahl von Filterstufen, der Größe der individuellen Resonatorbereiche, und den Qualitätsfaktoren der Resonatoren ab. Zusätzlich beeinflussen elektrische und akustische Parasitäre die Filterleistung.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung kann also in der Weise anders ausgedrückt werden, dass die Resonanzfrequenzen in einem BAW-Filter in einer Weise verschoben und/oder individuell angepasst werden, dass die resultierenden Bandpassfilter einen minimierten Roll-Off (steilen Filterrand) an der niedrigeren oder höheren Durchlassbereichsfrequenzkante bieten. Eine mögliche Richtlinie für ein entsprechendes Filterdesign sollte es sein, einen Filter-Roll-Off durch Verwendung von zumindest zwei verschiedenen Serienresonatorstapeln oder zumindest zwei verschiedenen Shuntresonatorschichtstapeln zu minimieren. Daher sollte zumindest ein Serien-(oder ein Shunt-)Resonator um einen relativen Frequenzbetrag (Größe von ungefähr 0,2% oder größer) verschoben werden (relativ in Bezug auf die Resonanzfrequenz oder die Zentraldurchlassbereichsfrequenz des resultierenden Filters). Dies entspricht beispielsweise einer Verschiebung von ungefähr 4 MHz oder größer für einen Serien-(oder Shunt-)Resonator eines beispielhaften PCS TX Bandpassfilters. Diese Verschiebung kommt obendrauf auf die relative Verschiebung zwischen den Resonanzfrequenzen der Serien- und Shuntresonatoren, die verwendet werden, um beispielsweise die vorhin erwähnten Filterbandbreiten anzupassen.
Somit, um den kritischen Roll-Off zu minimieren, wird zumindest ein Resonator (in Serie oder in Shuntkonfiguration) in der Frequenz mit Bezug auf die anderen (Serien- oder Shunt-)Resonatoren um einen gewissen Betrag (mit Größe 0,2% oder größer) in der Frequenz verschoben. In weiteren Ausführungsbeispielen werden alle Shunt- und Serien-BAW-Resonatoren individuell mit Bezug auf ihre Resonanzfrequenzen verstimmt. Auf diese Weise werden unter Verwendung von individuellen Resonanzfrequenzen zusätzliche Freiheitsgrade für die Roll-Off-Optimierung frei, was speziell in einer gegebenen BAW-Technologie geeignet ist. Das Realisieren solcher Frequenzverschiebungen durch Modifizieren gewisser Schichtdicken von individuellen BAW-Resonatoren hat – obwohl zusätzliche lithographische Schritte benötigt werden können – den Vorteil, dass die Resonatorleistung nicht beeinflusst wird, und dass keine zusätzlichen passiven Komponenten wie Spulen oder Kondensatoren in den Prozess eingeführt werden müssen, und in ihren parasitären Effekten auf die Filterleistung verrechnet werden müssen.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines BAW-Resonators, der entweder als ein Serien-BAW-Resonator 112 verwendet werden kann oder als ein Shunt-BAW-Resonator 113. Der BAW-Resonator weist eine piezoelektrische Schicht 212 auf, die zwischen einer ersten Elektrode 214 und einer zweiten Elektrode 216 gesandwicht bzw. eingelegt ist. Die piezoelektrische Schicht 212 weist eine erste Dicke d0 auf, und die zweite Elektrode 216 weist eine zweite Dicke d1 auf. Die erste Elektrode 214 ist auf einem Substrat 220 mit einem akustischen Spiegel 230 gebildet, wobei der akustische Spiegel 230 einen Schichtstapel von Schichten (Materialien) mit alternierenden niedrigen und hohen akustischen Impedanzen aufweist. Beispielsweise weist der akustische Spiegel 230 ein Material mit niedriger akustischer Impedanz 232 auf, das auf dem Substrat 220 angeordnet ist, und in dem drei Schichten mit hoher akustischer Impedanz 234 angeordnet sind und voneinander durch eine Distanz 1 beabstandet sind. Im allgemeinen können verschiedene Materialien für die individuellen niedrigen akustischen Impedanzschichten verwendet werden, und verschiedene Materialien können für die individuellen hohen akustischen Impedanzschichten verwendet werden. Die Dicke von allen individuellen Schichten kann unterschiedlich sein.
Beide Elektroden, die ersten und zweiten Elektroden 214, 216, sind üblicherweise als Schichten gestaltet, die eine gewisse Oberflächenregion der piezoelektrischen Schicht 212 bedecken. Ein Resonatorbereich oder eine Resonatorregion A ist daher durch die Region gegeben, entlang der die piezoelektrische Schicht 212 zwischen den ersten und zweiten Elektroden 214 und 216 gesandwicht ist. Die erste Elektrode 214 sowie die piezoelektrische Schicht 212 erstreckt sich in dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, außerhalb der Resonatorregion A, und der akustische Spiegel 230 ist zwischen dem Substrat 220 und der ersten Elektrode 214 entlang der Resonatorregion A angeordnet. Die erste Elektrode 214 wird auch als die untere Elektrode und die zweite Elektrode 216 als die obere Elektrode bezeichnet, wobei sich obere/untere auf die Distanz zu dem darunterliegenden Substrat 220 bezieht. Die obere Elektrode wird üblicherweise für Frequenztrimmungs- oder Verstimmungsprozesse verwendet, die auf gemessenen Resonanzfrequenzen basieren, (und ist leicht zugänglich). Das Frequenztrimmen oder Verstimmen kann natürlich auch durch Anpassen der Dicke von anderen Schichten in dem Resonatorstapel durchgeführt werden, aber solche Trimmungen oder Anpassungen sollten dann beispielsweise auf Schichtdickenmessungen basieren.
Der BAW-Resonator weist eine Resonanzfrequenz auf, die von dem kompletten Schichtstapel des BAW-Resonators abhängt. Genauer gesagt bietet jeder Resonator zwei grundlegende Resonanzen, nämlich eine sogenannte Serienresonanz und eine sogenannte Parallelresonanz. Beide grundlegende Resonanzfrequenzen sind durch die Resonatorbandbreite geteilt, die im Wesentlichen durch die Verbindungsstärke der piezoelektrischen Schicht bestimmt ist, aber auch von anderen Schichten des Schichtstapels sowie von Parasitären abhängt. Für die Einfachheit unserer Argumente werden wir uns einfach auf „die Resonanzfrequenz” beziehen, wann immer die beiden eng korrelierten grundlegenden Resonanzfrequenzen gemeint sind. Stimmen oder Trimmen eines individuellen BAW-Resonators wird immer beide grundlegenden Resonanzfrequenzen in (ziemlich genau) derselben Weise beeinflussen. Der Schichtstapel weist eine Sequenz von unterschiedlichen (individuellen) Materialien auf, jedes mit gewissen Materialeigenschaften und Dicke. Beispielsweise angenommen einen Schichtstapel mit gegebenen (ausgewählten) Materialien, hängt die Resonanzfrequenz insbesondere von der Dicke d0 der piezoelektrischen Schicht 212 sowie von der Dicke d1 der zweiten Elektrode 216 sowie von der Dicke der ersten Elektrode 214 ab. Zusätzlich hängt die Resonanzfrequenz von dem Material und der Dicke der piezoelektrischen Schicht 212 ab, aber auch von dem Material der ersten und zweiten Elektroden 214, 216. Abgesehen von diesen Designmaßnahmen ist die Resonanzfrequenz temperaturabhängig, wobei die Temperaturabhängigkeit üblicherweise durch den TCF Parameter ausgedrückt wird. Der Zweck des akustischen Spiegels 230 ist es, den BAW-Resonator von dem darunterliegenden Substrat 220 akustisch zu entkoppeln, um den Energie(Ableitungs-)Verlust zu beschränken, indem akustische Wellen sich in das Substrat 220 ausbreiten und entweichen.
Die Querschnittsansicht von 1 zeigt ein Beispiel eines sogenannten SMR BAW-Resonators (SMR = Solidly Mounted Resonator bzw. fest angebrachter Resonator), wobei der Resonator, einschließlich einer unteren Elektrode (erste Elektrode 214), der piezoelektrischen Schicht 212, und einer oberen Elektrode (der zweiten Elektrode 216) oben auf einem sogenannten akustischen Spiegel 230 angebracht ist. Der vorhin erwähnte akustische Spiegel 230 weist eine Sequenz von Schichten mit alternierenden niedrigen und hohen akustischen Impedanzen auf. Jede individuelle Spiegelschicht kann beispielsweise eine Dicke von λ/4 unterstützen, wobei λ (Lambda) die akustischen Wellenlängen der longitudinalen Welle innerhalb der Schicht bezeichnet (was bedeutet, dass beispielsweise L = λ/4). Es muss beachtet werden, dass – für eine gegebene Frequenz – die Wellenlänge λ von dem Schichtmaterial abhängt, und dass der akustische Spiegel 230 den Resonator von dem unterstützenden Substrat 220 akustisch entkoppelt. Wie oben erwähnt, hängen die Resonanzfrequenzen eines solchen BAW-Resonators von den Dicken von allen Schichten ab, wobei die Dicke d0 der piezoelektrischen Schicht 212 den größten Einfluss aufweist, gefolgt durch die Dicke der Elektrodenschichten.
Frequenzanpassungen für einen individuellen Resonator eines BAW-Filters können durch Modifizieren von einer oder mehreren Schichten des Schichtstapels des Resonators erreicht werden. Diese Anpassung kann das Anwenden eines Lithographieschrittes und/oder das selektive Wegätzen mancher Schichtdicke von einem oder mehreren individuellen Resonatoren aufweisen. Alternativ kann zusätzliches Schichtmaterial beispielsweise auf die zweite Elektrode 216 hinzugefügt werden, um die Resonanzfrequenz des entsprechenden BAW-Resonators zu verändern.
Da ein hergestellter BAW-Resonator eine Resonanzfrequenz nur innerhalb einer gewissen Herstellungstoleranz (beispielsweise +/–100 kHz) aufweist, wird das Trimmen der Frequenz am Ende durchgeführt, wenn die zweite Elektrodenschicht 216 auf der piezoelektrischen Schicht 212 gebildet wurde. Das Frequenzstimmen weist daher optional als einen ersten Schritt eine Messung auf, um die aktuelle Resonanzfrequenz (die nicht bekannt ist oder nicht präzise genug aufgrund der Herstellungstoleranz bekannt ist) zu bestimmen. Wenn die aktuelle Resonanzfrequenz bekannt ist, kann die Schichtdicke der zweiten Elektrode 216 beispielsweise angepasst werden, entweder durch Hinzufügen von zusätzlichem Schichtmaterial oder durch Wegätzen von manchem Material, so dass die zweite Elektrodenschicht 216 entweder gestärkt oder verdünnt wird, und dadurch die Resonanzfrequenz des BAW-Resonators verändert. Dies ist eine konventionelle Möglichkeit, die Resonanzfrequenz des BAW-Resonators zu trimmen. Andere Verfahren weisen beispielsweise das Einfügen einer zusätzlichen Kapazität oder Induktivität auf, so dass die Resonanzfrequenz zu einem anderen Wert verschoben wird.
Die Herstellungstoleranz, innerhalb der ein BAW-Resonator hergestellt werden kann, hängt von der neuesten Technologie und den Trimmungsfähigkeiten ab. Beispielsweise weist die Herstellungstoleranz eine Unsicherheit von +/–50 kHz, oder +/–100 kHz, oder +/–500 kHz in Bezug auf einen Zielwert für die Resonanzfrequenz auf, der beispielsweise einen Wert zwischen ungefähr 500 MHz und ungefähr 6 GHz, oder zwischen ungefähr 1,7 GHz und ungefähr 2,2 GHz oder um 1,9 GHz aufweisen kann. Alternativ resultiert die Herstellungstoleranz in einer Unsicherheit in der Resonanzfrequenz innerhalb eines Bereichs von +/–0,1% oder +/–0,2% oder +/–0,5% der Zielresonanzfrequenz.
2a und 2b zeigen einfache Beispiele für Filterstufen. Eine sogenannte single-ended bzw. eins-beendete (oder single-to-single bzw. eins-zu-eins) Filtertopologiestufe ist in 2a gezeigt, aufweisend eine erste Anschlussvorrichtung bzw. Port (Port 1) und eine zweite Anschlussvorrichtung bzw. Port (Port 2); wobei die ersten Anschlussvorrichtung einen ersten Anschluss 101 und einen Masseanschluss 102 aufweist, und wobei die zweite Anschlussvorrichtung einen ersten Anschluss 201 und einen Masseanschluss 102' aufweist.
2a zeigt als ein Beispiel eine Stufe eines Leitertypfilters, der zwei BAW-Resonatoren, einen Serien-BAW-Resonator 112 und einen Shunt-BAW-Resonator 113 aufweist. Der Serien-BAW-Resonator 112 ist in Serie zwischen dem Anschluss 101 der ersten Anschlussvorrichtung und dem Anschluss 201 der zweiten Anschlussvorrichtung verbunden. Der Shunt-BAW-Resonator 113 verbindet den Anschluss 101 der ersten Anschlussvorrichtung mit Masse (gemeinsame Masse für beide Anschlussvorrichtungen).
2b zeigt einen Gittertypfilter, der ein Beispiel für eine balanced-to-balanced bzw. ausgeglichen-zu-ausgeglichen Filtervorrichtung ist, und vier BAW-Resonatoren in einer einzelnen Stufe aufweist; einen ersten Serien-BAW-Resonator 112 und einen zweiten Serien-BAW-Resonator 114, und einen ersten Shunt-BAW-Resonator 113 und einen zweiten Shunt-BAW-Resonator 115. Dieser Filter (Stufe) ist eine 4-Port-Vorrichtung, die typischerweise in differentiellen Schaltungskreisen verwendet wird. Der erste Serien-BAW-Resonator 112 verbindet den Anschluss 101 des Port 1 mit dem Anschluss 201 des Port 3, und der zweite Serien-BAW-Resonator 114 verbindet den Anschluss 102 des Port 2 mit dem Anschluss 202 des Port 4. Der erste Shuntresonator 113 verbindet den Anschluss 101 des ersten Port mit dem Anschluss 202 des Port 4. Der zweite Shuntresonator 115 verbindet den Anschluss 102 des zweiten Port mit dem Anschluss 201 des Port 3.
Die Filter, die in den 2a und 2b gezeigt sind, sind nur einfache Beispiele und können kombiniert oder erweitert werden durch Kombinieren von zwei oder mehreren dieser Filter zu einem Mehrstufenfilter. Im Allgemeinen kann eine erste Mehrzahl von Serien-BAW-Resonatoren und eine zweite Mehrzahl von Shunt-BAW-Resonatoren zwischen der ersten und zweiten Anschlussvorrichtung bzw. Ports verbunden werden.
3 zeigt einen Leitertypfilter, der einen ersten Serien-BAW-Resonator 112a und einen zweiten BAW-Resonator 112b aufweist, die in Serie zwischen dem ersten Anschluss 101 der ersten Anschlussvorrichtung und dem ersten Anschluss 201 der zweiten Anschlussvorrichtung verbunden sind. Der Leitertypfilter weist des Weiteren den Shunt-BAW-Resonator 113 auf, der den gemeinsamen Knoten des ersten und zweiten Serien-BAW-Resonators 112a, 112b mit dem Masseanschluss 102 der ersten Anschlussvorrichtung und dem Masseanschluss 202 der zweiten Anschlussvorrichtung verbindet. Der Leitertypfilter in 3 ist daher ein Beispiel für einen 1 1/2 Stufenleiterfilter, wobei die „1/2” Stufe zu dem Zusatz-Serien-BAW-Resonator (beispielsweise dem zweiten Serien-BAW-Resonator 112b) korrespondiert, der nicht von einem Shuntresonator begleitet ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Serien-BAW-Resonatoren 112a und 112b um einen Betrag, der über einer Herstellungstoleranz ist. Der Betrag ist angepasst, so dass der Leitertypfilter ein Roll-Off-Verhalten innerhalb einer Zielspezifikation aufweist. Die Zielspezifikation kann zum Beispiel aufweisen, dass die Dämpfung eines Einfügedämpfungs- oder Reflexionsverlustsignals von dem 3 dB bis zu dem 30 dB Frequenzpunkt innerhalb eines Zielfrequenzbereichs ist (so dass sie so tief wie möglich ist). Die Zielspezifikation hängt von der Zielanwendung für den Filter ab (zum Beispiel die Lücke zwischen benachbarten Durchlassbereichen). Mögliche Zielwerte für den Frequenzbereich (zwischen dem 30 und 3 dB Punkt) können unter 18 MHz oder unter 12 MHz oder unter 9 MHz oder unter 6 MHz oder unter 3 MHz sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weichen die Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Serien-BAW-Resonatoren 112a und 112b um einen Betrag über der Herstellungstoleranz ab, so dass die ersten und zweiten Serien-BAW-Resonatoren 112a und 112b resonanzfrequenzverstimmt mit Bezug aufeinander sind. Die Resonanzfrequenz des Shunt-BAW-Resonators 113 kann in einer Weise eingerichtet sein, dass der Leitertypfilter beispielsweise einen Zielwert für die Bandbreite des Durchlassbereichs aufweist. Hier weisen die drei BAW-Resonatoren eine absichtlich verstimmte Resonanzfrequenz mit Bezug aufeinander auf.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, aufweisend einen ersten Shunt-BAW-Resonator 113a und einen zweiten BAW-Shuntresonator 113b, und zusätzlich einen Serien-BAW-Resonator 112. Der Serien-BAW-Resonator 112 verbindet den ersten Anschluss 101 des ersten Port zu dem ersten Anschluss 201 des zweiten Port. Der erste Shunt-BAW-Resonator 113a verbindet den ersten Anschluss 101 mit dem Masseanschluss 102 des ersten Port und schließlich verbindet der zweite Shunt-BAW-Resonator 113b den ersten Port 201 des zweiten Port mit dem Masseanschluss 202 des zweiten Port. Wie in 3 gibt auch dieses Ausführungsbeispiel einen 1 1/2 Stufenleiterfilter, wobei jetzt die „1/2” Stufe zu den zusätzlichen Shunt-BAW-Resonator (zum Beispiel den zweiten Shunt-BAW-Resonator 113b) korrespondiert, der nicht von einem Serien-BAW-Resonator begleitet ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weichen die Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Shunt-BAW-Resonatoren 113a und 113b um einen Betrag von der Herstellungstoleranz ab, so dass die ersten und zweiten Shunt-BAW-Resonatoren 113a und 113b resonanzfrequenzverstimmt mit Bezug aufeinander sind. Die Resonanzfrequenz der Serien-BAW-Resonatoren 112 kann zum Beispiel in einer Weise angepasst sein, dass der resultierende Leitertypfilter eine Zielcharakteristik aufweist und insbesondere, dass der Leitertypfilter einen Zielwert beispielsweise für die Bandbreite des Durchlassbereichs aufweist. Wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt in 3 weisen die drei BAW-Resonatoren eine absichtlich verstimmte Resonanzfrequenz mit Bezug aufeinander auf.
5 zeigt eine Kombination der zwei Leitertypfilterabschnitte, wie in 3 und 4 gezeigt, zusammen mit einem zusätzlichen Serien-BAW-Resonator 112d. Dieser 3 1/2 Stufenleiterfilter weist somit einen ersten Serien-BAW-Resonator 112a, einen zweiten Serien-BAW-Resonator 112b, einen dritten Serien-BAW-Resonator 112c und einen vierten Serien-BAW-Resonator 112d auf. Diese vier Serien-BAW-Resonatoren 112a–d sind mit einem ersten Shunt-BAW-Resonator 113a, einem zweiten Shunt-BAW-Resonator 113b, und einem dritten Shunt-BAW-Resonator 113c kombiniert. Jeder Shuntresonator verbindet Masse mit einem Knoten zwischen zwei benachbarten Serienresonatoren oder mit einem Knoten eines einzelnen Serienresonators.
In weiteren Ausführungsbeispielen können auch die Gittertypfilter, wie in 2b gezeigt, miteinander oder mit Leitertypfiltern, wie in 2a gezeigt, kombiniert werden. Für solche kombinierten Hybridfilter werden die Serien-BAW-Resonatoren mit Bezug aufeinander verstimmt und/oder die Shunt-BAW-Resonatoren werden mit Bezug aufeinander verstimmt, in einer Weise, um eine Verbesserung des Roll-Off-Verhaltens des Filters zu erreichen.
Die Topologie der Ausführungsbeispiele wie in 5 gezeigt, weist einen 3 1/2 Stufenleiterfilter mit vier Serienresonatoren 112a–d und drei Shuntresonatoren 113a–c auf. In einem typischen konventionellen Leitertypfilter weisen alle Serienresonatoren dieselbe Resonanzfrequenz auf, und alle Shuntresonatoren 113 weisen dieselbe Resonanzfrequenz auf. Serien- und Shuntresonatoren sind jedoch in ihren Resonanzfrequenzen um einen gewissen Betrag verstimmt, der ungefähr der Bandbreite des Resonators entspricht. Die Resonanzfrequenzen der Shuntresonatoren 113a–c sind niedriger als die Resonanzfrequenzen der Serien-BAW-Resonatoren 112a–d.
Gemäß Ausführungsbeispielen unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen der von zumindest zwei von den vier Serien-BAW-Resonatoren um mehr als ihre Herstellungstoleranz, was bedeutet, dass zumindest einer der Serien-BAW-Resonatoren 112a–d absichtlich um einen Wert verstimmt ist, der das Roll-Off Verhalten verbessert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen von zumindest zwei der drei Shunt-BAW-Resonatoren 113a–c um einen Betrag, der über ihrer Herstellungstoleranz ist. Der Betrag kann wiederum in einer Weise angepasst sein, dass das Roll-Off-Verhalten oder der resultierende Leitertypfilter verbessert ist. Das Verstimmen der Resonanzfrequenzen der Serien- und/oder Shunt-BAW-Resonatoren kann zur selben Zeit durchgeführt werden, was bedeutet, dass zumindest einer der Serien-BAW-Resonatoren 112a–d oder zumindest einer der Shunt-BAW-Resonatoren 113a–c mit Bezug auf jeweils alle anderen Serien- oder Shunt-BAW-Resonatoren verstimmt ist, so dass die Filtercharakteristik ein verbessertes Roll-Off-Verhalten aufweist.
In einem anderen Ausführungsbeispiel können On-Chip-Induktivitäten in den Shuntzweigen des Leiterfilters, wie in 5b gezeigt, aufgewiesen sein.
Alternativ können zusätzliche oder parasitäre Induktivitäten beispielsweise in dem Filter oder Duplexerpaket aufgewiesen sein, siehe 5c. In einem solchen Fall ist die On-Chip-Schaltung nicht mehr länger eine einfache Zwei-Port-Vorrichtung, sondern bietet zusätzliche Ports, die innerhalb des Filters oder Duplexerpakets mit Masse verbunden sind. Solche Verbindungen können Induktoren oder parasitäre Induktivitäten aufweisen, wie durch Bonddrähte oder durch Kontaktierung bzw. Wires bereitgestellt.
Im Detail zeigt 5b eine Kombination von zwei Leitertypfilterabschnitten, wie in den 3 und 4 gezeigt. Die Kombination weist einen ersten Serien-BAW-Resonator 112a, einen zweiten seriellen BAW-Resonator 112b und einen dritten Serien-BAW-Resonator 112c auf, die in Serie zwischen einem Signal-Ein- und einem Signal-Aus-Port verbunden sind. Die übrigen zwei Ports weisen einen Masseanschluss auf. Wie in 5a sind diese drei Serien-BAW-Resonatoren mit einem ersten Shunt-BAW-Resonator 113a, einem zweiten Shunt-BAW-Resonator 113b und einem dritten Shunt-BAW-Resonator 113c kombiniert. Zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel, wie in 5a gezeigt, weist das Ausführungsbeispiel von 5b einen ersten Induktor bzw. Spule 213a auf, die in Serie mit dem ersten Shunt-BAW-Resonator verbunden ist. Ein zweiter Induktor 213b ist in Serie mit dem zweiten Shunt-BAW-Resonator 113b verbunden und ein dritter Induktor 213c ist in Serie mit dem dritten Shunt-BAW-Resonator 113c verbunden (erinnere, dass die Induktoren zusätzliche oder parasitäre Induktivitäten aufweisen können). Daher ist im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel, wie in 5a gezeigt, jeder Shunt-BAW-Resonator 113a, b, c durch eine Serienverbindung eines BAW-Shuntresonators und einen Induktor ersetzt, so dass jeder Induktor den Shunt-BAW-Resonator mit dem Masseanschluss verbindet.
5c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das fünf Ports aufweist, einen Port 1, einen Port 2, einen Port 3, einen Port 4 und einen Port 5. Port 1 weist beispielsweise einen Signaleingang (Signal Ein) auf und Port 2 weist beispielsweise einen Signalausgang (Signal Aus) auf. Fünf Serien-BAW-Resonatoren (der ersten Serien-BAW-Resonator 112a, ..., einen fünften Serien-BAW-Resonator 112e) sind in Serie zwischen Port 1 und Port 2 verbunden. Der erste Shunt-BAW-Resonator 113a ist zwischen Port 3 und einem Knoten zwischen dem ersten Serien-BAW-Resonator 112a und dem zweiten Serien-BAW-Resonator 112b verbunden. Der zweite Shunt-BAW-Resonator 113b ist zwischen Port 4 und einem Knoten zwischen dem zweiten Serien-BAW-Resonator 112b und dem dritten BAW-Resonator 112c verbunden. Der dritte Shunt-BAW-Resonator 113c ist zwischen Port 5 und einem Knoten zwischen dem vierten Serien-BAW-Resonator 112d und dem fünften Serien-BAW-Resonator 112e verbunden. In weiteren Ausführungsbeispielen sind die ersten, zweiten und dritten Shunt-BAW-Resonatoren mit verschiedenen Knoten zwischen benachbarten Serien-BAW-Resonatoren verbunden. Zum Beispiel kann der zweite Shunt-BAW-Resonator auch mit einem Knoten zwischen den dritten und vierten Serien-BAW-Resonatoren 112c, d verbunden sein. In ähnlicher Weise können die ersten und dritten Shunt-BAW-Resonatoren 113a, c mit verschiedenen Knoten zwischen verschiedenen benachbarten Serien-BAW-Resonatoren verbunden sein. Eine Struktur, wie die in 5c gezeigte, kann beispielsweise als ein BAW-Filterchip realisiert sein. Die Ports 3, 4 und 5 können dann mit Masse mit Hilfe von Kabelkontaktierung oder Flip-Chip-Kontaktierung innerhalb einer Gerätebaugruppe verbunden sein. Auf diese Weise werden Schaltkreistopologien, wie in 5c gezeigt, in single-to-single bzw. eins-zu-eins-Leitertyp BAW-Filtertopologien wie in 5b beispielsweise konvertiert.
5d zeigt ein Ausführungsbeispiel eines single-to-balance bzw. eins-zu-symmetrisch-Filterabschnitts, der einen Filterschaltkreis 300 mit einem unbalanced bzw. unsymmetrischen Anschluss 302 und einem balanced bzw. symmetrischen Anschluss 304 mit den zwei symmetrischen Ports 304a und 304b aufweist. Eine Serienschaltung, die eine Leitertyp-Filterstufe 306 und einen Balun 308 aufweist, ist zwischen dem unsymmetrischen bzw. asymmetrischen Anschluss 302 und dem symmetrischen Anschluss 304 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel dargestellt in 5d ist die Filterstufe 306 eine asymmetrische Filterstufe in der Form eines Leiterfilters, wie es beispielhaft mit Bezug auf die 3 bis 5a beschrieben wurde. Die Filterstufe 306 weist zwei Serienresonatoren 112a und 112b sowie zwei Shuntresonatoren 113a und 113b auf.
Der asymmetrische Anschluss 302 weist einen ersten Knoten 310 und einen zweiten Knoten 312 auf. Der zweite Knoten 312 ist mit einem Referenzpotential bzw. Bezugspotential 314, zum Beispiel Masse bzw. Erde, verbunden. Die Filterstufe 306 weist eine Serienschaltung auf, die die zwei Serienresonatoren 112a und 112b aufweist, die zwischen dem ersten Knoten 310 und einem dritten Knoten 316 verbunden sind. Der erste parallele Resonator 113a ist zwischen dem Bezugspotential 314 und einem Knoten 318 zwischen dem ersten Serienresonator 112a und dem zweiten Serienresonator 112b verbunden. Der zweite parallele Resonator 113b ist zwischen dem dritten Knoten 316 und dem Bezugspotential 314 verbunden.
Der Balun 308 wird beispielsweise durch zwei gekoppelte Spulen bzw. Windungen 320a und 322a gebildet, wobei ein erster Anschluss 320b der ersten Spule bzw. Windung 320a mit dem dritten Knoten 316 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss 320c der ersten Spule bzw. Windung 320a ist mit dem Bezugspotential 314 verbunden.
Der erste Port 304a des symmetrischen Anschluss 304 weist einen ersten Knoten 324 sowie einen zweiten (Bezugs-)Knoten 326 verbunden mit dem Bezugspotential 314 auf. Auch der zweite Port 304b weist einen ersten Anschluss 328 und auch den (Bezugs-)Knoten 326 auf, der mit dem ersten Port 304 geteilt wird. Die symmetrischen Signale werden jeweils zwischen den Knoten 324 und 326 und den Knoten 328 und 326 angeklemmt bzw. abgegriffen und empfangen.
Ein erster Anschluss 322b der zweiten Spule bzw. Windung 322a des Balun 308 ist mit dem ersten Knoten 324 des ersten symmetrischen Ports 304a verbunden. Ein zweiter Anschluss 322c der zweiten Spule 322a ist mit dem ersten Knoten des zweiten symmetrischen Ports 304b verbunden.
Somit zeigt 5d eine Topologie eines Leiterfilters kombiniert mit einem Balun. Der Filter selbst hat eine Leiterstruktur und kann mehr als die zwei dort gezeigten Stufen aufweisen, um die Empfindlichkeit bzw. Selektivität zu verbessern.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist ein Gittertypfilterabschnitt (zum Beispiel wie in 2b gezeigt) mit dem symmetrischen Anschluss 304 verbunden. Zusätzlich kann der Balun 308 optional durch einen akustisch gekoppelten Resonatorfilter oder einen anderen eins-zu-symmetrischen Signaltransformators ersetzt werden, der eine eins-zu-symmetrische Signalumwandlung bereitstellt (und andersherum).
Auch für den eins-zu-symmetrischen Filter werden Resonanzfrequenzen von zumindest zwei der Serien- und/oder Shunt-BAW-Resonatoren gemäß Ausführungsbeispielen verstimmt, so dass die Filtercharakteristik ein verbessertes Roll-Off-Verhalten aufweist.
6a bis f zeigen die Leistungsverbesserung eines typischen BAW-Filters, die durch die vorgeschlagenen individuellen Resonanzfrequenzanpassungen erreicht wird. Das Roll-Off-Verhalten an dem linken Filterrand eines beispielhaften PCS TX Bands wird um ungefähr 1,7 MHz verbessert, wohingegen der Roll-Off an dem rechten Filterrand um ungefähr 2 MHz verbessert wird, wobei die Verbesserungen durch die Differenz zwischen den 30 dB und 3 dB Frequenzpunkten gegeben sind. Zur selben Zeit verbessert sich die Einfügedämpfung an der oberen Durchlassbereichskante um ungefähr 1 dB (oder besser). Dies erzeugt eine Leistungs- und Gewinnspanne an der oberen Durchlassbereichsfrequenzkante. Die Frequenzverschiebung zwischen den Serienresonatoren mit der höchsten Frequenz (zum Beispiel dem ersten Serien-BAW-Resonator 112a und dem vierten Serien-BAW-Resonator 112d) und dem Serienresonator mit der niedrigsten Frequenz (der zum Beispiel der zweite Serien-BAW-Resonator 112b ist) ist ungefähr 4,9 MHz (in diesem Beispiel). Die Frequenzverschiebung zwischen dem Shuntresonator mit der höchsten Frequenz (zum Beispiel dem zweiten Serien-BAW-Resonator 113b) und dem Shuntresonator mit der niedrigsten Frequenz (zum Beispiel dem ersten Shunt-BAW-Resonator 113a) weist ungefähr 9 MHz auf (in diesem Beispiel). Gemäß Ausführungsbeispielen sind diese Frequenzverschiebungen über der Herstellungstoleranz von ungefähr 100 kHz oder 500 kHz. Herstellungstoleranzen weisen geeignete Trimmungsprozeduren für die BAW-Resonatoren auf. Die erreichten Verbesserungen beeinflussen das Stoppband- oder Breitband-Dämpfungsverhalten des Filters nicht.
6a zeigt Einfügedämpfungs- und Reflexionsverlustsignale eines BAW-Filters, wobei der BAW-Filter zum Beispiel ein Leitertypfilter, wie in 5 gezeigt, ist, der vier Serienresonatoren und drei Shuntresonatoren aufweist. Die Einfügedämpfungs- und Reflexionsverlustsignale sind in dB gemessen und als Funktion der Frequenz innerhalb eines Frequenzbereichs von 1,82 bis 1,94 GHz gezeigt. Als ein Beispiel ist ein PCS TX Bandfilter gezeigt. Die Bereiche 641 und 642 repräsentieren die Stoppbanddämpfungsspezifikation und der Bereich 643 repräsentiert die Durchlassbereichsspeziflkationen für Einfügedämpfung (obere Linie) und Reflexionsverlust (untere Linie). Die Spezifikationen sind für einen individuellen Chip gezeichnet, wobei Effekte und Frequenzverschiebungen von späteren Verpackungen berücksichtigt sind.
Im Detail zeigt 6a die Einfügedämpfungssignale |S21|, ein erstes Reflexionsverlustsignal |S11| (korrespondierend zu Port 1) und ein zweites Reflexionsverlustsignal |S22| (korrespondierend zu Port 2). Für jedes Signal sind zwei Graphen gezeigt, wobei ein Graph die Filtercharakteristik korrespondierend zu einem Standard (Stand der Technik) Entwurfsverfahren (gezeichnet durch eine durchgezogene Kurve) zeigt und ein Graph das optimierte Design gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung (gezeichnet durch eine gestrichelte Kurve) zeigt. Folglich sind die folgenden Graphen gezeigt: Ein konventionelles Einfügedämpfungssignal 620a und ein korrespondierendes erstes Reflexionsverlustsignal 620b für das Roll-Offoptimierte Design, ein konventionelles zweites Reflexionsverlustsignal 630a und ein korrespondierendes zweites Reflexionsverlustsignal 630b für das Roll-Off-optimierte Design.
6b zeigt den verbesserten Roll-Off des Einfügedämpfungssignals |S21| als Funktion der Frequenz für den Durchlassbereich 643. Das erste Einfügedämpfungssignal 610a ist mit einer durchgezogenen Linie gezeichnet und korrespondiert zu einem Standarddesignfilter, wohingegen das optimierte Einfügedämpfungssignal 610b mit einer gestrichelten Linie gezeichnet ist und einem optimierten Design entspricht, das sich auf eine Verstimmung von zumindest einem Serien- und/oder zumindest einem Shuntresonator bezieht. Innerhalb des Durchlassbereichs 643 weichen beide Graphen voneinander ab, aber auf der rechten Seite (rechter Filterrand) und auf der linken Seite (linker Filterrand) zeigt das optimierte Einfügedämpfungssignal 610b bezogen auf Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Roll-Off-Verhalten in dem Sinne, dass der Graph steiler ist als das konventionelle Einfügedämpfungssignal 610a.
In dem Filterdesign ist es wichtig, dass das Einfügedämpfungssignal beinahe flach in dem Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 mit sehr kleiner Dämpfung ist und schnell genug außerhalb des Durchlassbereichsfrequenzbereichs 643 abfällt, so dass das Einfügesignal keine Stoppband (verbotene) Region 641 oder 642 verletzt. Das bedeutet, dass das Einfügedämpfungssignal insbesondere auf der rechten Seite des Durchlassbereichs 643 schnell genug abrollen bzw. einen Roll-Off bzw. Flankenabfall haben sollte, um innerhalb des Korridors zwischen der Stoppbandregion 642 und dem Durchlassbereichsfrequenzbereichs 643 zu bleiben. Wie die Graphen in 6b zeigen, passt der konventionelle Filter (gezeigt durch die durchgezogene Linie 610a) selten in den Korridor zwischen dem Stoppbandbereich 642 und dem Durchlassbereich 643.
6c zeigt im Detail, wie Ausführungsbeispiele das Roll-Off Verhalten bzw. den Flankenabfallsverhalten an dem rechten und linken Filterrand verbessern. An den rechten Filterrand wird eine Roll-Off Verbesserung durch eine Frequenzverschiebung d2, gezeigt in der Region 651, erreicht, so dass das optimierte Einfügedämpfungssignal 610b eine Frequenzlücke zu dem Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 aufweist. Diese Frequenzlücke weist ungefähr 2 MHz auf, so dass das optimierte Einfügedämpfungssignal 610b den Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 nicht berührt oder gut außerhalb des Durchlassbereichsfrequenzbereichs 643 bleibt, was nicht der Fall für den konventionellen Filter (bezogen auf das konventionelle Einfügedämpfungssignal 610a) war. Zur selben Zeit weichen beide Einfügedämpfungssignale nicht voneinander nahe der Stoppbandzone 642 ab, so dass dort immer noch eine Frequenzlücke wie in dem Bereich 652 gezeigt ist. Daher wird insbesondere der rechte Filterrand verbessert, was von großem Vorteil ist, da es den Herstellungsgewinn signifikant verbessert.
Auf der anderen Seite weist das optimierte Filter an dem linken Filterrand ein optimiertes Einfügedämpfungssignal 610b auf, was auch schneller abfällt als das konventionelle Einfügedämpfungssignal 610a. Diese Verbesserung, beispielsweise als Frequenzverschiebung d1 des Signals zwischen den 3 dB und 30 dB Punkten gemessen, weist für dieses Beispiel einen Wert von ungefähr 1,7 MHz auf. Es ist zu beachten, dass eine Verschiebung der zentralen Frequenz des Durchlassbereichs zu höheren Frequenzen das Problem nicht lösen würde, dass das konventionelle Einfügesignal 610a den Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 trifft, da die Verschiebung das Stoppband 642 in der Region 652 verletzen würde und somit ein neues Problem erzeugen würde. Daher ist eine Verschiebung des gesamten Durchlassbereichs keine erlaubte Maßnahme, um die Durchlassbereichsqualität innerhalb des Durchlassbereichsfrequenzbereichs 643 zu verbessern. Im Gegensatz dazu lösen Ausführungsbeispiele dieses Problem durch ein schnelleres Roll-Off-Verhalten des Einfügedämpfungssignals |S21| ohne ein neues Problem zu erzeugen.
6d zeigt das erste Reflexionsverlustsignal |S11| für den Filtereingang (Port 1) und das zweite Reflexionsverlustsignal |S22| für den Filterausgang (Port 2). Beide Signale unterscheiden sich wiederum in dem Roll-Off-optimierten Design (Graphen in gestrichelten Linien) von den korrespondierenden Reflexionsverlustsignalen in den konventionellen Designs (Graphen in durchgezogene Linien), aber weisen dieselbe Leistung über die ganze Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 auf. Es ist wichtig, zu erkennen, dass Ausführungsbeispiele eine signifikante Verbesserung in dem Roll-Off-Verhalten (insbesondere an der oberen Durchlassbereichsfrequenzkante) und der Filterbandbreite erlauben, ohne das Reflexionsverhalten (wie durch Reflexionsverlustsignale gezeigt) herabzusetzen.
Wiederum ist der Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 durch ein Rechteck angezeigt, das nicht durch die Reflexionsverlustsignale |S11| und |S22| verletzt werden sollte, um eine passende Übereinstimmung der beiden Eingangs- und Ausgangsports sicherzustellen. Die Reflexionsverlustsignale sind wiederum als Graphen gezeichnet, die ein konventionelles Filterdesign und ein optimiertes Filterdesign gemäß Ausführungsbeispielen zeigen.
6e zeigt das erste Reflexionsverlustsignal |S11|, ein konventionelles erstes Reflexionsverlustsignal 620a und das erste Reflexionsverlustsignal 620b von dem Roll-Off-optimierten Design, wobei die ersten Reflexionsverlustsignale mit Bezug auf den Eingangsport oder Port 1 gemessen sind.
Wie zuvor weist auch das erste Reflexionsverlustsignal |S11| ein verbessertes Verhalten an dem rechten und linken Filterrand auf, so dass das optimierte erste Reflexionsverlustsignal 620b eine größere Frequenzlücke zu dem Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 aufweist, wenn verglichen mit dem konventionellen ersten Reflexionsverlustsignal 620a. Außerhalb des Durchlassbereichs (unter 1,83 GHz und über 1,93 GHz) weichen beide ersten Reflexionsverlustsignale selten voneinander ab und die Hauptverbesserungen sind innerhalb der Durchgangsbereiche, das bedeutet zwischen dem Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 und den ersten und zweiten verbotenen Zonen 641 und 642.
6f zeigt die zweiten Reflexionsverlustsignale |S22| bezogen auf den Ausgangsport oder Port 2, so dass dieses Signal das reflektierte Signal an dem zweiten Port misst. Das konventionelle zweite Reflexionsverlustsignal 630a bezieht sich wiederum auf ein Standarddesign, wohingegen das optimierte zweite Reflexionsverlustsignal 630b (in gestrichelten Linien) sich auf ein Roll-Off-optimiertes Design entsprechend Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bezieht. Wie für die ersten Reflexionsverlustsignale |S11|, gezeigt in 6e, weichen auch für das zweite Reflexionsverlustsignal |S22| beide Graphen nicht außerhalb des Durchlassbereichsfrequenzbereichs 643 ab, aber zeigen signifikante Verbesserungen innerhalb der Durchgangsbereiche. Die lokalen Maxima innerhalb des Durchlassbereichsfrequenzbereichs 643 für das konventionelle und optimierte zweite Reflexionsverlustsignal 630a, b haben dasselbe Level und daher verschlechtert die Verbesserung mit Bezug auf den schnelleren Roll-Off an den Filterrändern nicht das Filterverhalten innerhalb des Durchlassbereichsfrequenzbereichs 643. Die ersten und zweiten Reflexionsverlustsignale sollten beispielsweise über dem Durchlassbereichsfrequenzbereich 643 unter 8 dB oder unter 10 dB oder besser unter 12 dB sein, was der Fall ist in dem Ausführungsbeispiel, gezeigt in den 6d–f, ist.
Diese Graphen veranschaulichen die Leistung des vorgeschlagenen Verfahrens an einem PCS TX Leiterfilter. Die gegenwärtige Technologie sowie das gegenwärtige Design bietet einen oberen Durchlassbereichskanten-Roll-Off von 9 MHz +/–0,1 MHz. Diese Roll-Off-Leistung kann als untere Grenze angesehen werden, da Verarbeitungsparametervariationen den Roll-Off einfach erhöhen. Für diesen Filter ist der Roll-Off-Parameter der kritischste Parameter und limitiert momentan den Produktionsgewinn. 5 zeigte ein Beispiel eines PCS TX Filters basierend auf einer 3 1/2 Stufenleitertopologie, und 6a–e zeigten die entsprechenden Verbesserungen. Für diesen Filter ist der Roll-Off an der oberen Durchlassbereichkante wesentlich, der den Gewinn bestimmt. Aber für andere Filter kann auch die untere Durchlassbereichkante den Gewinn bestimmen, so dass für andere Ausführungsbeispiele das Roll-Off-Verhalten insbesondere für die untere Durchlassbereichkante optimiert werden sollte.
Als Teil der Spezifikation eines BAW-Filters sollte das Reflexionsverlustsignal (die Dämpfung eines reflektierten Signals) einen Minimalwert aufweisen, das bedeutet, dass die Dämpfung beispielsweise besser als –12 dB oder besser als –8 dB über den gesamten Durchlassbereich sein sollte.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird das Verstimmen von BAW-Resonatoren mit Bezug auf die Stufen von Leitertypfiltern durchgeführt, was bedeutet, dass BAW-Resonatoren für eine zweite Stufe in ihrer Resonanzfrequenz von den BAW-Resonatoren aufweisend eine erste Stufe abweichen.
In weiteren Ausführungsbeispielen weisen zumindest einer der ersten und zweiten Elektroden eine Anordnung von Schichten mit Materialien von verschiedenen akustischen Impedanzen und verschiedenen elektrischen Leitfähigkeiten auf, wie zum Beispiel Aluminium (Al), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Palladium (Pa). Insbesondere Al und Mo weisen hohe Leitfähigkeiten auf und Mo und W weisen hohe akustische Impedanzen auf. Ein grundsätzlicher Gewinn des Konstruierens von Elektroden, die eine Mehrzahl von Schichten aufweisen, ist es, geeignete akustische und elektrische Leitfähigkeitseigenschaften zugunsten eines höheren effektiven elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten des resultierenden Resonators zu kombinieren. Eine erhöhte effektive elektromechanische Kopplung resultiert in größeren Resonatorbandbreiten, und somit Ermöglichen von größeren Filterbandbreiten.
Im Allgemeinen können piezoelektrische Schichten eine oder mehrere verschiedene Schichten aufweisen, von denen zumindest eine eine piezoelektrische Aktivität aufweist. Die anderen Schichten zwischen der oberen und unteren Elektrode, die die piezoelektrische Schicht sandwichen bzw. umgeben, können ein nicht-piezoelektrisches aktives Dielektrikum oder andere Schichten sein, um spezielle Leistungseffekte wie Temperaturkoeffizienzkompensation zu erreichen oder die Herstellung wie Adhäsionsschichten zu erleichtern. Zusätzlich sind andere Schichten typischerweise dünn im Vergleich zu der piezoelektrischen Schicht.
Zum Schluss weisen mögliche Materialien für Schichten mit hohen akustischen Impedanzen zum Beispiel auf: W, Mo, Pt, Ta, TiW, TiN, Ir, WSi, Au, Al₂O₃, SiN, Ta₂O₅ und Zirkonoxide, wobei die letzten vier dielektrische Materialien sind. Mögliche Materialien für die piezoelektrischen Schichten sind zum Beispiel AlN, ZnO, PZT und LiNbO₃. Ein Material für eine niedrige akustische Impedanz ist zum Beispiel Aluminium.

Claims

Eine Bulkakustikwellen-(BAW)Filtervorrichtung, aufweisend: zumindest einen ersten seriellen BAW-Resonator (112); zumindest einen ersten Shunt-BAW-Resonator (113); zumindest einen zweiten seriellen BAW-Resonator (114) oder zumindest einen zweiten Shunt-BAW-Resonator (115), wobei die Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten seriellen BAW-Resonatoren (112, 114) oder die Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten Shunt-BAW-Resonatoren (113, 115) in Bezug aufeinander verstimmt sind.
Die BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Resonanzfrequenzen über eine Verstimmung, erhalten aufgrund von Herstellungstoleranzen, hinaus verstimmt sind.
Die BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Resonanzfrequenzen um 0,1% bis 0,2% oder um mehr als 0,2% einer mittleren Resonanzfrequenz der jeweiligen BAW-Resonatoren (112, 113, 114, 115) verstimmt sind.
Die BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Resonanzfrequenzen um 1 MHz bis 4 MHz oder um mehr als 4 MHz verstimmt sind.
Die BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Shunt-BAW-Resonatoren (113, 115) mit einem Bezugsanschluss (102, 202) verbunden sind.
Die BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Shunt-BAW-Resonatoren (113, 115) direkt mit dem Bezugsanschluss (102, 202) verbunden sind oder mit dem Bezugsanschluss (102, 202) über eine oder mehrere weitere Schaltkreiselemente verbunden sind.
Die BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Bezugsanschluss (102, 202) der Masseanschluss ist.
Die BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend: den zumindest einen ersten seriellen BAW-Resonator (112) verbunden zwischen einem ersten Anschluss (101) und einem zweiten Anschluss (201); den zumindest einen ersten Shunt-BAW-Resonator (113) gekoppelt zwischen dem ersten Anschluss (101) und einem Bezugsanschluss (102, 202); und den zumindest einen zweiten Shunt-BAW-Resonator (115) gekoppelt zwischen dem zweiten Anschluss (201) und dem Bezugsanschluss (102, 202).
Eine eins-zu-eins-Typ BAW-Filtervorrichtung, aufweisend: eine Mehrzahl von Filterstufen, wobei jede Filterstufe einen seriellen BAW-Resonator (112) und einen Shunt-BAW-Resonator (113) aufweist, wobei die Shunt-BAW-Resonatoren (113) der Mehrzahl von Filterstufen mit einem Bezugsanschluss (102) gekoppelt sind, und wobei in zumindest zwei Filterstufen BAW-Resonatoren (112, 113) desselben Typs mit Bezug aufeinander verstimmt sind.
Die eins-zu-eins-Typ BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 9, aufweisend: eine erste Filterstufe, aufweisend einen ersten seriellen BAW-Resonator (112a) und einen ersten Shunt-BAW-Resonator (113a); eine zweite Filterstufe aufweisend einen zweiten seriellen BAW-Resonator (112b) und einen zweiten Shunt-BAW-Resonator (113b); und eine dritte Filterstufe aufweisend einen dritten seriellen BAW-Resonator (112c) und einen dritten Shunt-BAW-Resonator (113c), wobei zumindest die ersten und dritten seriellen BAW-Resonatoren (112a, 112c) oder die ersten und dritten Shunt-BAW-Resonatoren (113a, 113c) verstimmt sind.
Die eins-zu-eins-Typ BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 10, aufweisend einen weiteren seriellen BAW-Resonator (112d), der eine 1/2 Stufe bildet, oder einen weiteren Shunt-BAW-Resonator, der eine 1/2 Stufe bildet, gekoppelt zu einer der Filterstufen.
Eine symmetrisch-zu-symmetrisch BAW-Filtervorrichtung aufweisend: eine Gitterfilterstufe aufweisend: einen ersten Eingangsport (Port 1) aufweisend einen ersten Anschluss (101); einen zweiten Eingangsport (Port 2) aufweisend einen ersten Anschluss (102); einen ersten Ausgangsport (Port 3) aufweisend einen ersten Anschluss (201); einen zweiten Ausgangsport (Port 4) aufweisend einen ersten Anschluss (202); zumindest einen ersten seriellen BAW-Resonator (112) verbunden zwischen dem ersten Anschluss (101) des ersten Eingangsports (Port 1) und dem ersten Anschluss (201) des ersten Ausgangsports (Port 3); zumindest einen zweiten seriellen BAW-Resonator (114) verbunden zwischen dem ersten Anschluss (102) des zweiten Eingangsports (Port 2) und dem ersten Anschluss (202) des zweiten Ausgangsports (Port 4); zumindest einen ersten Shunt-BAW-Resonator (113) verbunden zwischen dem ersten Anschluss (101) des ersten Eingangsports (Port 1) und dem ersten Anschluss (202) des zweiten Ausgangsports (Port 4); und zumindest einen zweiten Shunt-BAW-Resonator (115) verbunden zwischen dem ersten Anschluss (102) des zweiten Eingangsports (Port 2) und dem ersten Anschluss (201) des ersten Ausgangsports (Port 3), wobei die ersten und zweiten seriellen BAW-Resonatoren (112, 114) oder die ersten und zweiten Shunt-BAW-Resonatoren (113, 115) mit Bezug aufeinander verstimmt sind.
Die symmetrisch-zu-symmetrisch BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 12, aufweisend eine Mehrzahl von Filterstufen, die in Serie verbunden sind.
Die symmetrisch-zu-symmetrisch BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 13, wobei Serien-BAW-Resonatoren (112a, 112b, 112c, 112d, 112e) von verschiedenen Filterstufen mit Bezug aufeinander verstimmt sind und/oder wobei Shunt-BAW-Resonatoren (113a, 113b, 113c) von verschiedenen Filterstufen mit Bezug aufeinander verstimmt sind, wobei das Verstimmen so ist, dass zumindest zwei Serien-BAW-Resonatoren (112a, 112b, 112c, 112d, 112e) oder zumindest zwei Shunt-BAW-Resonatoren (113a, 113b, 113c) Resonanzfrequenzen aufweisen, die um einen Betrag über die Herstellungstoleranzen hinaus differieren.
Die symmetrisch-zu-symmetrisch BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 12, aufweisend Leitertypfilterstufen, die in Serie zu den ersten und zweiten Eingangsports (Port 1, Port 3) oder zu den ersten und zweiten Ausgangsports (Port 2, Port 4) der Gittertypfilterstufe verbunden sind, wobei jede Leitertypfilterstufe zumindest einen seriellen BAW-Resonator (112) und zumindest einen Shunt-BAW-Resonator (113) aufweist.
Eine eins-zu-symmetrisch BAW-Filtervorrichtung aufweisend: einen eins-zu-symmetrisch Signaltransformator aufweisend einen asymmetrischen Port (302) und einen symmetrischen Port (304); die eins-zu-eins-Typ BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 9 verbunden mit dem asymmetrischen Port (302); oder die symmetrisch-zu-symmetrisch-Typ BAW-Filtervorrichtung nach Anspruch 12 verbunden mit dem symmetrischen Port (304).
Ein Verfahren zum Herstellen einer Bulkakustikwellen-(BAW)Filtervorrichtung, aufweisend ein optimiertes Roll-Off-Verhalten, das Verfahren aufweisend: Bilden eines ersten seriellen BAW-Resonators (112); Bilden eines ersten Shunt-BAW-Resonators (113); Bilden eines zweiten seriellen BAW-Resonators (114) oder eines zweiten Shunt-BAW-Resonators (115); und Verstimmen der Resonanzfrequenzen des ersten und des zweiten seriellen BAW-Resonators (112, 114) oder der Resonanzfrequenzen des ersten und des zweiten Shunt-BAW-Resonators (113, 115) mit Bezug aufeinander.
Ein Verfahren zum Optimieren des Roll-Off-Verhaltens einer BAW-Filtervorrichtung, wobei die BAW-Filtervorrichtung zumindest einen ersten seriellen BAW-Resonator (112, 112a), zumindest einen ersten Shunt-BAW-Resonator (113, 113a) und zumindest einen zweiten BAW-Resonator (112b, 113b) aufweist, wobei der zweite BAW-Resonator (112b, 113b) ein weiterer serieller (112b) oder ein weiterer Shunt-BAW-Resonator (113b) ist, das Verfahren aufweisend: Verstimmen der Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten seriellen BAW-Resonatoren (112, 114) oder der Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten Shunt-BAW-Resonatoren (113, 115) in Bezug aufeinander.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verstimmen der Resonanzfrequenz das aktive Verstimmen der Resonanzfrequenz über ein Verstimmen, erhalten durch Herstellungstoleranzen, hinaus aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verstimmen so durchgeführt ist, dass ein Roll-Off an einer Durchlassbereichsfrequenzkante kleiner wird, wenn verglichen mit dem Roll-Off vor dem Verstimmen.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Verstimmen so durchgeführt ist, dass die Einfügedämpfungs- und die Reflexionsverlust-Leistungslevel innerhalb des Durchlassbereichs unverändert bleiben oder verbessert sind.