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Dokumentenidentifikation DE102005057762A1 06.06.2007
Titel Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator
Anmelder EPCOS AG, 81669 München, DE
Erfinder Heinze, Habbo, Dr., 81539 München, DE;
Schmidhammer, Edgar, Dr., 83371 Stein, DE;
Tikka, Pasi, 82008 Unterhaching, DE
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 02.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005057762
Offenlegungstag 06.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.06.2007
IPC-Hauptklasse H03H 9/15(2006.01)A, F, I, 20051202, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Filter, umfassend mindestens einen ersten Resonator und mindestens einen zweiten Resonator. In den Resonatoren ist eine longitudinale akustische Mode ausbreitungsfähig, für die durch die Auswahl des Materials und der relativen Schichtdicken im ersten Resonator die normale Dispersion und im zweiten Resonator die anomale Dispersion eingestellt ist. Somit kann insbesondere die Leistungsverträglichkeit des Filters am höherfrequenten Rand seines Durchlassbereiches verbessert werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator (BAW-Resonator, BAW = Bulk Acoustic Wave). BAW-Resonatoren werden z. B. in Bandpass-Hochfrequenzfilter eingesetzt.

Ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator, der auch Dünnschichtresonator oder FBAR (FBAR = Thin Film BAW Resonator) genannt wird, weist eine piezoelektrische Schicht auf, die zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet ist. Aus der Druckschrift US 6262637 B1 sind Dünnschichtresonatoren des Membrantyps bekannt, die über einem – in einem Trägersubstrat ausgebildeten – Hohlraum angeordnet sind. Ferner sind z. B. aus der Druckschrift WO 01/06646, US 2004/0140869 und DE 10241425 A1 Dünnschichtresonatoren bekannt, die auf einem akustischen Spiegel angeordnet sind. Die Schichten werden auf einem Substrat aufeinanderfolgend abgeschieden und zu Resonatoren strukturiert, welche elektrisch miteinander verbunden sind und zusammen z. B. eine Filterschaltung realisieren können.

Bei der Erwärmung eines Filters, das Dünnschichtresonatoren umfasst, wandert seine Kennlinie ggf. zu niedrigeren Frequenzen. Dabei erhöht sich die Einfügedämpfung am rechten Rand des Durchlassbereichs, was eine noch höhere Erwärmung der Resonatoren in diesem Frequenzbereich zur Folge hat. Sobald die Grenze der Leistungsverträglichkeit überschritten wird, wird die akustische Komponente zerstört.

Eine zu lösende Aufgabe ist es, ein mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Filter anzugeben, in dem dieses Problem behoben ist.

Es wurde erkannt, dass ein Teil der Selbsterwärmung der BAW-Resonatoren auf verstärkte akustische Schwingungen bei der entsprechenden Frequenz zurückzuführen ist. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Leistungsverträglichkeit eines BAW-Filters in einem bestimmten Frequenzbereich, insbesondere an der oberen Grenze seines Passbandes, zu verbessern.

Es wird ein Filter angegeben, das mindestens einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden ersten Resonator und mindestens einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden zweiten Resonator umfasst. In den Resonatoren ist eine longitudinale akustische Mode (Hauptmode) ausbreitungsfähig. Für diese Mode ist im ersten Resonator ein normales Dispersionsverhalten und im zweiten Resonator ein anomales Dispersionsverhalten dieser Mode eingestellt. Die Einstellung des Dispersionsverhaltens ist durch die Auswahl des Materials und der relativen Schichtdicken möglich.

Der Typ des Dispersionsverhaltens kann durch die Auswahl der Schichtenfolge, des Materials und der Schichtdicken eines Resonatorstapels einstellbar.

Der erste Resonator ist vorzugsweise ein in einem Querzweig geschalteter Parallelresonator und der zweite Resonator ein in einem Signalpfad in Serie geschalteter Serienresonator. Vorteilhaft ist eine Laddertype-Anordnung, bei der alle Serienresonatoren zweite Resonatoren und alle Parallelresonatoren erste Resonatoren sind.

Es wurde festgestellt, dass ein Resonator, in dem ein anomales Dispersionsverhalten eingestellt ist, verglichen mit einem Resonator mit normaler Dispersion relativ geringe akustische Schwingungen oberhalb seiner Resonanzfrequenz aufweist. Durch die Verwendung von solchen Resonatoren gelingt es insbesondere, die Selbsterwärmung der Resonatoren bei den Frequenzen zu reduzieren, die im Bereich der höherfrequenten Flanke des Durchlassbereichs des Filters liegen. Das angegebene Filter ist dadurch charakterisiert, dass durch die Verwendung von zweiten Resonatoren die akustische Anregung im kritischen Bereich seiner Übertragungsfunktion gezielt gedämpft wird.

Die durch die Elektroden definierte Resonatorfläche bzw. der zwischen den Elektroden liegende Volumenbereich des Resonators wird auch aktiver Bereich genannt. Eine Richtung parallel zu den Schichtoberflächen wird im Folgenden als laterale Richtung bezeichnet, die dazu senkrechte Richtung dagegen als vertikale bzw. longitudinale Richtung (z-Achse).

Die Dicke der piezoelektrischen Schicht bestimmt die Resonanzfrequenz fr der akustischen Hauptmode, welche die erste Harmonische der (vertikalen) longitudinalen akustischen Volumenwelle ist. Auch die Dicke der weiteren Schichten des Resonatorstapels hat einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz des Resonators.

Die akustische Volumenwelle ist eine dreidimensionale Welle, die durch einen Wellenvektor mit drei Komponenten (kx, ky, kz), die Wellenzahlen genannt werden, charakterisiert wird. Die lateralen akustischen Moden werden durch die lateralen Wellenzahlen kx, ky charakterisiert. Die longitudinale akustische Mode wird durch die (vertikale oder longitudinale) Wellenzahl kz charakterisiert. Die Wellenzahl gibt die Anzahl der Wellenlängen pro Längeneinheit in der entsprechenden Richtung an. Im Idealfall eines unendlich ausgedehnten Resonators werden durch das elektrische Feld hauptsächlich longitudinale akustische Wellen entlang der Feldrichtung (z-Achse) angeregt, wobei kz ≠ 0 gilt.

Die Wellenzahl einer akustischen Mode ergibt sich aus der Lösung einer Wellengleichung mit vorgegebenen Randbedingungen. Die Wellenzahl kann rein reell, rein imaginär oder komplex sein. Die akustischen Moden mit einer imaginären Wellenzahl klingen exponentiell ab und sind daher nicht schwingfähig. Aus diesem Grund können im Resonator grundsätzlich nur Moden mit einer reellen Wellenzahl angeregt werden.

Zur Beschreibung der in einem akustischen Dünnschichtresonator ausbreitungsfähigen Moden werden Dispersionsdiagramme verwendet. Ein akustisches System wie z. B. eine in lateraler Ebene unendlich ausgedehnte, frei schwingende Platte kann durch Eigenfrequenzen der Moden beschrieben werden, die in einem 2D kartesischen Koordinatensystem als Ordinate aufgetragen werden. Als Abszisse werden links vom Ordinatennullpunkt die Imaginäranteile einer lateralen Wellenzahlkomponente, für Werte rechts davon die Realanteile derselben lateralen Wellenzahlkomponente aufgetragen. Aus Symmetriegründen reicht es für die Beschreibung des Gesamtsystems, nur eine der beiden lateralen Komponenten kx, ky zu verwenden. Im Weiteren wird daher ohne Einschränkung der Allgemeinheit kx verwendet.

Der für den Betrieb eines akustischen Dünnschichtresonators relevante Wellentyp ist eine in der Dickenrichtung des Resonators schwingende Longitudinalwelle mit verschwindender lateraler Wellenzahl kx, ky = 0 (Grundmode). Für diesen Wellentyp kann es allerdings neben der nützlichen Grundmode weitere Moden mit lateraler Wellenzahl ungleich Null geben. Die mechanische Hauptresonanz entsteht bei einer Grenzfrequenz (auf Englisch cut-off frequency) fcL(kx = 0). Haben in einem Resonator Longitudinalmoden mit einer Wellenzahl ungleich Null eine Eigenfrequenz, die größer ist als diese Grenzfrequenz, so wird das Verhalten der Longitudinalwelle als normale Dispersion bezeichnet. Falls die Eigenfrequenzen solcher Longitudinalmoden kleiner sind als fcL(kx = 0), wird ihr Verhalten als anomale Dispersion bezeichnet.

Außerdem ist in einem Resonator eine Scherwelle ausbreitungsfähig. Die Resonanzfrequenz der Scherwelle liegt bei einer deutlich niedrigeren Frequenz als die Resonanzfrequenz fcL der Longitudinalmode. Allerdings kann die Resonanzfrequenz fcS(kx = 0) einer höheren (z. B. ersten oder zweiten) Harmonischen der Scherwelle in der Nähe von fcL liegen.

Das Dispersionsverhalten der Longitudinalwelle einer in lateraler Ebene unendlich ausgedehnten, frei schwingenden Platte wird hauptsächlich durch elastische Eigenschaften dieser Platte bestimmt.

Die Scherwelle ist immer langsamer als die Longitudinalwelle. Das Dispersionsverhalten des Resonators ist durch das Verhältnis der Geschwindigkeit vS der Scherwelle zur Geschwindigkeit vL der Longitudinalwelle (in der piezoelektrischen Schicht, in der sich die Welle ausbreitet) bestimmt. Bei der normalen Dispersion gilt vS/vL < 0,5, bei der anomalen Dispersion gilt vS/vL > 0,5. Dies trifft z. B. bei Dünnschichtresonatoren des Membrantyps zu.

In einem System aus mehreren gestapelten Schichten ist das Dispersionsverhalten der Longitudinalwelle nicht nur durch die elastischen Eigenschaften, sondern auch durch die relativen Schichtdicken bestimmt. Bei einem Dünnschichtresonator mit einem akustischen Spiegel haben neben der piezoelektrischen Schicht des Resonators die Spiegellagen, insbesondere die zum Resonatorbereich am nächsten liegenden Schichten, einen großen Einfluss auf das Dispersionsverhalten des gesamten Schichtaufbaus des Resonators. Aber auch bei solchen kompliziert aufgebauten Systemen dient das Verhältnis vS/vL als Kriterium für das Dispersionsverhalten des Resonators.

Die elektrischen Eigenschaften eines Filters werden durch eine Übertragungsfunktion (bzw. Streuparameter S21) beschrieben. In 1A ist die Übertragungsfunktion eines bekannten Filters in Ladder-Type-Bauweise gezeigt. Die Übertragungseigenschaften eines Resonators werden durch seine Admittanzkurve Y11 beschrieben. In 1B ist die Admittanzkurve des zugehörigen Serienresonators gezeigt. Dabei ist fr,s die Resonanzfrequenz und fa,s die Antiresonanzfrequenz des Serienresonators. Die Resonanzfrequenz fr,s liegt in der Mitte des Passbandes und fa,s an seiner rechten Flanke. Die Resonanzfrequenz des zugehörigen Parallelresonators bestimmt die linke Flanke des Passbandes. Die Antiresonanzfrequenz des Parallelresonators stimmt mit fr,s im Wesentlichen überein.

Es wurde festgestellt, siehe z. B. die Druckschrift US 6587212 B1, dass im Frequenzbereich, der den Flanken der Übertragungsfunktion entspricht, eine hohe Energieabsorption infolge einer hohen akustischen Aktivität im Resonator auftritt, was insbesondere in einem Duplexer-Filter bei einem hohen Betriebsleistungspegel von z. B. 30 dBm zu einer Erwärmung der Resonatoren bis ca. 200°C, zu mechanischen Schäden und daher zu einer niedrigen Lebensdauer der Resonatoren führt.

In dieser Hinsicht ist bei den bekannten Filtern auf der Basis von BAW-Resonatoren insbesondere der Frequenzbereich betroffen, welcher der rechten Flanke des Durchlassbereichs des Filters entspricht, d. h. bei einem Filter in Ladder-Type-Bauweise oberhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonators liegt. Der kritische Frequenzbereich ist in 1A, 1B eingekreist. Eine Frequenz aus dem kritischen Frequenzbereich, die der Mitte dieses Bereichs entspricht, ist mit fc gekennzeichnet.

Die Erfinder haben erkannt, dass solche Probleme speziell bei Resonatoren mit einem normalen Dispersionsverhalten f(kx) der akustischen Mode auftreten.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit und daher das Dispersionsverhalten der akustischen Mode in einem Schichtsystem ist vom Schichtaufbau, insbesondere von der Zusammensetzung der einzelnen Schichten und deren relativen Dicke abhängig. Daher wird das Schichtsystem des zweiten Resonators so aufgebaut, dass er eine anomale Dispersion der akustischen Longitudinalwelle mit der Wellenzahl kx aufweist.

In 3 ist eine Dispersionskurve s eines Serienresonators und eine Dispersionskurve p eines Parallelresonators gezeigt, wobei beide Resonatoren eine normale Dispersion der akustischen Mode (Longitudinalwelle) aufweisen. fr,s ist die Resonanzfrequenz des Serienresonators, fr,p ist die Resonanzfrequenz des Parallelresonators.

Üblicherweise ist die Resonanzfrequenz des Resonators die Frequenz, bei der sich das Verhalten der Dispersionskurve f(kx) von imaginären Im{kx} zu reellen Zahlen Re{kx} ändert.

Bei der normalen Dispersion ist die Wellenzahl kx bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz, insbesondere bei einer – der rechten Flanke des Durchlassbereiches entsprechenden – Frequenz fc > fr,s reell, d. h. die Longitudinalwelle ist im Serienresonator ausbreitungsfähig. Bei Frequenzen unterhalb von fr,s ist kx dagegen imaginär, wobei die Longitudinalwelle im Serienresonator gedämpft wird.

Ein Resonator mit einer normalen Dispersion weist dementsprechend eine große Amplitude der akustischen Schwingungen oberhalb der Resonanzfrequenz fr auf, siehe 1C. Speziell bei der kritischen Frequenz fc, die der rechten Flanke der Übertragungsfunktion entspricht, ist die Intensität der akustischen Schwingungen sehr groß.

Die Resonatoren mit einem normalen Dispersionsverhalten der longitudinalen Grundmode haben den Vorteil, dass sie zur Beseitigung von akustischen Verlusten besonders gut geeignet sind. Bei solchen Resonatoren ist es beispielsweise möglich, ihre Randbereiche derart zu modifizieren, dass die Ausbreitung einer ungewünschten lateralen akustischen Mode mit kx ungleich Null unterbunden wird. Beispielsweise ist es möglich, auf einem Resonatorstapel über seinem als Randbereich des Resonators vorgesehenen Bereich, der den akustisch aktiven Bereich des Resonators allseitig umgibt, einen Rahmen anzuordnen. Der Rahmen ist derart ausgebildet und positioniert, dass die akustische Welle im Randbereich des Resonators eine im Wesentlichen rein reelle laterale Wellenzahl kx aufweist, wobei im aktiven Bereich dieses Resonators kx = 0 erzielt ist, und wobei außerhalb des aktiven Bereichs und des Randbereichs des Resonators eine im Wesentlichen rein imaginäre Wellenzahl kx erzielt ist.

In einer vorteilhaften Variante weist der erste bzw. zweite Resonator jeweils einen Resonatorstapel mit einem Resonatorbereich und einem akustischen Spiegel auf.

Unter einem isolierten Resonatorbereich versteht man einen Resonatorbereich, der oben und unten an die Luft grenzt. In einem Ausführungsbeispiel ist bei zumindest einem ersten oder zweiten Resonator der akustische Spiegel derart ausgebildet, dass das Dispersionsverhalten des gesamten Resonatorstapels vom Dispersionsverhalten des isolierten Resonatorbereichs dieses Resonators abweicht.

Der Resonatorstapel des zweiten Resonators ist so ausgebildet, dass die Longitudinalwelle bei einer Frequenz fc, die oberhalb der Resonanzfrequenz fr des Resonatorstapels liegt, nicht schwingfähig ist. Dabei ist die laterale Wellenzahl kx der Longitudinalwelle bei dieser Frequenz rein imaginär, was einem anomalen Dispersionsverhalten der akustischen Mode entspricht. Der Resonator mit anomaler Dispersion erwärmt sich bei der gleichen Betriebsleistung deutlich weniger als der Resonator mit normaler Dispersion. Daher bleiben die elektrischen Eigenschaften des Resonators mit anomaler Dispersion im Betrieb stabil und er weist eine höhere Leistungsverträglichkeit auf.

Der erste bzw. zweite Resonator weist zwei Elektrodenschichten und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht auf. Der akustische Spiegel weist abwechselnd angeordnete Schichten mit einer niedrigen und einer hohen akustischen Impedanz auf, deren Dicke vorzugsweise eine Viertelwellenlänge (bei der Resonanzfrequenz des Resonatorstapels) beträgt.

Im Resonatorstapel mit einem anomalen Dispersionsverhalten der akustischen Mode werden unerwünschte akustische Schwingungen gedämpft, die zur Erwärmung des Resonators führen. Somit kann insbesondere die Leistungsverträglichkeit des Filters am höherfrequenten Rand seines Durchlassbereiches verbessert werden. Das angegebene Filter kann insbesondere in den einer hohen Leistung ausgesetzten Duplexer-Filtern eingesetzt werden.

Der Resonatorstapel ist durch seine Resonanzfrequenz fr und Antiresonanzfrequenz fa charakterisiert. Im zweiten Resonator gilt: Die laterale Wellenzahl kx der longitudinalen Mode ist im Frequenzbereich oberhalb der Resonanzfrequenz, insbesondere zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz, imaginär.

Das Verhältnis der Geschwindigkeit vS der Scherwelle zur Geschwindigkeit vL der Longitudinalwelle in der piezoelektrischen Schicht ist durch die Auswahl des Materials und die relativen Dicken der Schichten des Resonatorstapels des zweiten Resonators so eingestellt, dass vS/vL > 0,5 gilt.

Die Elektrodenschichten können aus Al, AlCu, Mo, W oder Pt bestehen. Die Elektrodenschichten können auch mehrere Teilschichten aufweisen und z. B. mindestens eine Teilschicht aus Al, AlCu, Mo, W oder Pt umfassen.

Der Resonatorstapel des zweiten und ggf. auch des ersten Resonators kann mindestens eine – in einer Variante elektrisch isolierende – Anpassungsschicht aufweisen, die mit der unteren oder oberen Elektrodenschicht einen Verbund bildet. Die Anpassungsschicht ist vorzugsweise auf der oberen Elektrodenschicht angeordnet. Die Anpassungsschicht kann z. B. aus SiO2, SiN oder Al bestehen oder zumindest eine solche Teilschicht aufweisen.

In einer vorteilhaften Variante sind die zweiten Resonatoren des Filters mit einer Anpassungsschicht versehen, während die ersten Resonatoren dieses Filter eine solche Schicht nicht aufweisen. Möglich ist aber auch, dass sowohl die ersten als auch die zweiten Resonatoren eine Anpassungsschicht umfassen, wobei vorteilhaft ist, wenn die Dicken der Anpassungsschicht für erste und zweite Resonatoren voneinander unterschiedlich sind. Die Anpassungsschicht ist auch als Passivierungsschicht aus einem elektrisch isolierenden, vorzugsweise dielektrischen Material z. B. für die obere Elektrodenschicht des Resonatorstapels geeignet.

Die piezoelektrische Schicht kann aus mehreren piezoelektrischen Teilschichten bestehen, wobei mindestens eine Teilschicht eine AlN-Schicht sein kann.

In einer bevorzugten Variante ist das Material der piezoelektrischen Schicht ein Material, das eine anomale Dispersion der akustischen Mode aufweist, z. B. AlN. Bei Elektrodenschichten aus Mo oder bei ausreichend dünnen Elektrodenschichten z. B. aus Al, W ist die Dispersion des Gesamtaufbaus immer noch anomal.

Ab einer bestimmten Dicke der Elektrodenschichten erfolgt die Konversion des Dispersionsverhalten zu der normalen Dispersion. Daher ist es möglich, in einem Filter mit Serien- und Parallelresonatoren z. B. die Serienresonatoren als Schichtaufbauten mit einem anomalen Dispersionsverhalten und die Parallelresonatoren als Schichtaufbauten mit einer zusätzlichen Anpassungsschicht z. B. aus Aluminium und einem normalen Dispersionsverhalten auszubilden. Die Anpassungsschicht sorgt in diesem Fall (bei den Parallelresonatoren) für die Konversion der anomalen Dispersion zu einer normalen Dispersion. Die Longitudinalwelle ist im Parallelresonator bei der kritischen Frequenz fc zwar schwingfähig. Aber der Parallelresonator schwingt in diesem Fall weit von seiner Resonanzfrequenz und daher ist die Amplitude der Schwingungen gering.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch

1A die Übertragungsfunktion eines bekannten Reaktanzfilters

1B die Admittanzkurve eines Serienresonators in einem bekannten Reaktanzfilter

1C die Frequenzabhängigkeit der Amplitude der akustischen Schwingungen im Serienresonator in einem bekannten Filter

2A die Übertragungsfunktion eines Filters mit als Parallelresonatoren verwendeten ersten Resonatoren und als Serienresonatoren verwendeten zweiten Resonatoren

2B die Admittanzkurve eines Serienresonators des Filters mit als Parallelresonatoren verwendeten ersten Resonatoren und als Serienresonatoren verwendeten zweiten Resonatoren

2C die Frequenzabhängigkeit der Amplitude der akustischen Schwingungen im Serienresonator (im Filter mit als Parallelresonatoren verwendeten ersten Resonatoren und als Serienresonatoren verwendeten zweiten Resonatoren)

3 die Dispersionskurven im Serienresonator und im Parallelresonator mit einem normalen Dispersionsverhalten

4 die Dispersionskurve im Serienresonator mit einem anomalen Dispersionsverhalten und im Parallelresonator mit einem normalen Dispersionsverhalten

5 die Dispersionskurve im Serienresonator und im Parallelresonator mit einem anomalen Dispersionsverhalten

6 den Schichtaufbau eines Resonatorstapels mit einem akustischen Spiegel und einer Anpassungsschicht im Querschnitt

7 ein Filter in Ladder-Type-Bauweise

8 ein Filter in Lattice-Type-Bauweise

9 den Schichtaufbau eines Resonatorstapels, der eine Struktur zur Dämpfung lateraler akustischer Wellenkomponenten aufweist.

2A zeigt die Übertragungsfunktion eines Reaktanzfilters gemäß Erfindung. 2B zeigt die Admittanzkurve des zugehörigen Serienresonators. Der bezüglich der Leistungsverträglichkeit kritische Frequenzbereich bei der rechten Flanke des Durchlassbereiches ist mit einem Kreis gekennzeichnet. Die zwischen der Resonanzfrequenz fr,s und der Antiresonanzfrequenz fa,s des Serienresonators liegende Frequenz fc entspricht der rechten Flanke des Durchlassbereiches.

Die Frequenzabhängigkeit der Intensität der akustischen Schwingungen, die z. B. mittels eines Laser-Interferometers aufgenommen werden kann, ist in 2C gezeigt. Die Amplitude der akustischen Schwingungen im Serienresonator bei der kritischen Frequenz fc mit fr,s < fc < fa,s ist gering, d. h. die akustischen Schwingungen sind bei dieser Frequenz im Wesentlichen gedämpft. Die Amplitude der akustischen Schwingungen in 1C, 2C ist in willkürlichen Einheiten angegeben.

3 zeigt die Dispersionskurve s im Serienresonator und die Dispersionskurve p im Parallelresonator, wobei beide Resonatoren ein normales Dispersionsverhalten aufweisen. Bei der Frequenz fc > fr,s können sich in den beiden Resonatoren akustische Schwingungen ausbreiten.

4 zeigt die Dispersionskurve s im Serienresonator und die Dispersionskurve p im Parallelresonator, wobei der Serienresonator ein anomales und der Parallelresonator ein normales Dispersionsverhalten aufweist. Bei der Frequenz fc > fr,s sind akustische Schwingungen im Serienresonator nicht ausbreitungsfähig. Im Parallelresonator sind akustische Schwingungen bei dieser Frequenz ausbreitungsfähig.

Je nach Variante gilt fc = fcL (akustische Hauptmode entspricht einer longitudinalen Welle) oder fc = fcS (Hauptmode entspricht einer Scherwelle).

5 zeigt die Dispersionskurve s im Serienresonator und die Dispersionskurve p im Parallelresonator mit einem anomalen Dispersionsverhalten. Bei der Frequenz fc > fr,s können sich in den beiden Resonatoren keine akustischen Schwingungen ausbreiten.

6 zeigt den Aufbau des Resonatorstapels RS des ersten oder zweiten Resonators im schematischen Querschnitt quer zur Oberfläche der Schichten. Der Resonatorstapel RS ist auf einem Trägersubstrat TS angeordnet. Der Resonatorstapel RS weist einen ersten Schichtaufbau (den Resonatorbereich RE) und einen zweiten Schichtaufbau (den akustischen Spiegel AS) auf.

Der Resonatorbereich RE weist eine piezoelektrische Schicht PS auf, die zwischen einer unteren Elektrodenschicht E1 und einer oberen Elektrodenschicht E2 angeordnet ist. Der akustische Spiegel AS weist eine erste und zweite Schicht LZ1, LZ2 mit einer niedrigen und eine erste und zweite Schicht HZ1, HZ2 mit einer hohen akustischen Impedanz. Der akustische Spiegel kann auch mehrere Schichten mit einer niedrigen bzw. hohen akustischen Impedanz aufweisen. Die Schichten mit einer hohen und einer niedrigen akustischen Impedanz sind abwechselnd angeordnet.

Im Resonatorstapel RS kann ferner eine Anpassungsschicht AN vorgesehen sein, mit der die Frequenz des Resonators zu niedrigeren Frequenzen verschoben werden kann. Die Anpassungsschicht AN ist auf der oberen Elektrodenschicht E2 angeordnet. Mit der Anpassungsschicht AN gelingt es, das Dispersionsverhalten des Resonators mit einem bestimmten Dispersionstyp zu einem anderen Dispersionstyp (z. B. von einer normalen zu einer anomalen Dispersion oder umgekehrt) zu konvertieren.

Der Resonatorbereich RE bildet einen akustischen Schwinger, in dem eine longitudinale akustische Mode ausbreitungsfähig ist. Die Resonanzfrequenz und das Dispersionsverhalten des Resonators (bezogen auf die longitudinale akustische Mode) ist von der Beschaffenheit und der Dimensionen aller Schichten des jeweiligen Resonatorstapels abhängig. Der Dispersionstyp des Resonators kann z. B. durch die entsprechende Auswahl der Materialien und der Schichtdicken beim Aufbau des akustischen Spiegels in Abhängigkeit von der gegebenen Konfiguration (Material, Schichtdicke) der Elektrodenschichten eingestellt werden. Im Resonator ist gemäß der Erfindung durch die Auswahl des Materials und der relativen Dicken der Schichten HZ1, LZ1, HZ2, LZ2, E1, PS, E2, AN die anomale Dispersion eingestellt.

Ein folgender Schichtaufbau weist beispielsweise eine normale Dispersion auf. Als Trägersubstrat TS wird ein Si-Substrat verwendet. Der akustische Spiegel AS weist von unten nach oben in der angegebenen Reihenfolge eine erste W-Schicht HZ1 der Dicke 500 nm, eine erste SiO2-Schicht LZ1 der Dicke 650 nm, eine zweite W-Schicht HZ2 der Dicke 500 nm und eine zweite SiO2-Schicht LZ2 der Dicke 650 nm auf. Auf der zweite SiO2-Schicht ist die untere Elektrodenschicht E1 aus Molibdän der Dicke 250 nm angeordnet. Zwischen der unteren Elektrodenschicht E1 und der oberen Elektrodenschicht E2 der Dicke 250 nm ist eine piezoelektrische Schicht PS aus AlN der Dicke 1610 nm angeordnet. Der angegebene Schichtaufbau ist für den ersten Resonator geeignet. Die Resonanzfrequenz eines Resonators mit dem hier angegebenen Schichtaufbau liegt bei 1900 MHz.

Falls in diesem Schichtaufbau die Dicke der Schicht LZ1 600 nm, die Dicke der Schicht LZ2 500 nm eingestellt und auf der oberen Elektrodenschicht E2 eine Anpassungsschicht AN aus SiO2 der Dicke 140 nm angeordnet wird, wird das Dispersionsverhalten bei der gleichen Resonanzfrequenz anomal. Ein solcher Schichtaufbau ist daher für den zweiten Resonator geeignet. Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz des zweiten Resonators – beispielsweise durch eine geringere Dicke der Anpassungsschicht AN, der Elektrodenschichten E1, E2 und/oder zumindest einer der Schichten des akustischen Spiegels – höher einzustellen als diejenige des ersten Resonators.

In 7 ist ein Filter mit einem Signalpfad SP1 und gegen Bezugspotential geschalteten Querzweigen gezeigt. Im Signalpfad SP1 sind Serienresonatoren SR1 bis SR3 angeordnet. In den Querzweigen ist jeweils ein Parallelresonator angeordnet.

In 8 ist ein Filter mit zwei Signalpfaden SP1, SP2 und zwischen den Signalpfaden geschalteten Querzweigen gezeigt. In jedem Signalpfad SP1, SP2 ist ein Serienresonator SR1, SR2 und in jedem Querzweig ein Parallelresonator PR1, PR2 angeordnet.

Die Parallelresonatoren sind jeweils durch eine Resonanzfrequenz fr,p und eine Antiresonanzfrequenz fa,p charakterisiert. Die Serienresonatoren sind durch eine Resonanzfrequenz fr,s und eine Antiresonanzfrequenz fa,s charakterisiert.

Alle Resonatoren in 7, 8 sind Dünnschichtresonatoren mit einem akustischen Spiegel. Alle Serienresonatoren in 7, 8 weisen eine anomale Dispersion der longitudinalen akustischen Mode auf, d. h. bei allen Serienresonatoren ist die Wellenzahl kz der longitudinalen Mode im Frequenzbereich zwischen der Resonanzfrequenz fr,s und der Antiresonanzfrequenz fa,s imaginär.

Die Parallelresonatoren können je nach Ausführung eine normale oder eine anomale Dispersion aufweisen. Vorzugsweise ist bei allen in den Querzweigen angeordneten Parallelresonatoren die Wellenzahl kz der longitudinalen Mode im Frequenzbereich zwischen der Resonanzfrequenz fr,p und der Antiresonanzfrequenz fa,p imaginär.

Die Erfindung ist auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele, bestimmte Materialien, die Art des Filters und die Anzahl oder spezielle Anordnung der dargestellten Elemente nicht beschränkt. In einem Resonatorstapel gemäß Erfindung ist es möglich, laterale akustische Moden durch besondere Maßnahmen wie z. B. die Strukturierung der Elektroden abweichend von der rechteckigen Form zu dämpfen. In der Druckschrift DE 102 41 425 A1, auf die hier ein vollinhaltlicher Bezug genommen wird, sind weitere Maßnahmen zur Unterdrückung von lateralen Moden sowie Maßnahmen zur Beeinflussung der Dispersionskurve f(k) im Resonator, beschrieben.

9 zeigt den Schichtaufbau des Resonatorstapels eines Resonators, der ein normales Dispersionsverhalten der longitudinalen akustischen Mode aufweist. Der Resonator weist einen Randbereich RB auf, dessen Projektion auf eine laterale Ebene rahmenförmig ist. Der Randbereich RB umgibt allseitig einen aktiven Bereich AB. Über dem Randbereich RB ist eine rahmenförmige Struktur RA angeordnet, die zur Dämpfung lateraler akustischer Wellenkomponenten geeignet ist.

Im aktiven Bereich AB dieses Resonators ist die laterale Wellenzahl kx akustischer Wellen gleich Null. Im Randereich RB ist die laterale Wellenzahl kx im Wesentlichen rein reell und außerhalb des aktiven Bereichs AB und des Randbereichs RB im Wesentlichen rein imaginär.

AB
aktiver Bereich
AN
Anpassungsschicht
AS
akustischer Spiegel
E1, E2
Elektrodenschichten
f
Frequenz
fr,p
Resonanzfrequenz eines Parallelresonators
fa,p
Antiresonanzfrequenz eines Parallelresonators
fr,s
Resonanzfrequenz eines Serienresonators
fa,s
Antiresonanzfrequenz eines Serienresonators
fc
Grenzfrequenz
HZ1, HZ2
Spiegelchichten mit einer hohen akustischen
Impedanz
LZ1, LZ2
Spiegelchichten mit einer niedrigen akustischen Impedanz
PR1, PR2
Parallelresonatoren
PS
piezoelektrische Schicht
RB
Randbereich
RE
Resonatorbereich
RS
Resonatorstapel
SP1, SP1
Signalpfad
SR1, SR2, SR3
Serienresonatoren
TS
Trägersubstrat
s
Dispersionskurve eines Serienresonators
p
Dispersionskurve eines Parallelresonators


Anspruch[de]
Mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Filter,

– umfassend mindestens einen ersten Resonator und mindestens einen zweiten Resonator,

– wobei der mindestens eine erste Resonator mit dem mindestens einen zweiten Resonator elektrisch verbunden ist,

– wobei in dem mindestens einen ersten und zweiten Resonator jeweils eine longitudinale akustische Mode ausbreitungsfähig ist, für die durch die Auswahl des Materials und der relativen Schichtdicken im ersten Resonator die normale Dispersion und im zweiten Resonator die anomale Dispersion eingestellt ist.
Filter nach Anspruch 1,

– umfassend ein Trägersubstrat (TS),

– wobei der mindestens eine erste Resonator und der mindestens eine zweite Resonator jeweils einen Resonatorbereich (RE) und einen zwischen diesem und dem Trägersubstrat (TS) angeordneten akustischen Spiegel (AS) umfassen.
Filter nach Anspruch 2,

– wobei der mindestens eine zweite Resonator eine Anpassungsschicht (AN) umfasst,

– wobei der Resonatorbereich (RE) zwischen der Anpassungsschicht (AN) und dem akustischen Spiegel (AS) angeordnet ist.
Filter nach Anspruch 3, bei dem der mindestens eine zweite Resonator zumindest eine Teilschicht aus W und/oder Mo aufweist. Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei bei zumindest einem Resonator das Dispersionsverhalten des gesamten Resonatorstapels vom Dispersionsverhalten des isolierten Resonatorbereichs (RE) dieses Resonators abweicht. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine erste Resonator ein Parallelresonator (PR1, PR2) ist. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der mindestens eine zweite Resonator ein Serienresonator (SR1, SR2, SR3) ist. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

– in Ladder-Type-Bauweise mit einem Signalpfad (SP1) und zumindest einem gegen Bezugspotential geschalteten Querzweig,

– wobei der mindestens eine zweite Resonator im Signalpfad (SP1) und der mindestens eine erste Resonator im mindestens einen Querzweig angeordnet ist.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

– in Lattice-Type-Bauweise mit zwei Signalpfaden (SP1, SP2) und mindestens einem diese verbindenden Querzweig,

– umfassend mindestens zwei zweite Resonatoren, wobei im jeweiligen Signalpfad (SP1, SP2) mindestens ein zweiter Resonator angeordnet ist,

– wobei der mindestens eine erste Resonator in dem mindestens einen Querzweig angeordnet ist.
Filter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem alle Parallelresonatoren als erste Resonatoren und alle Serienresonatoren als zweite Resonatoren ausgebildet sind. Filter nach einem der Ansprüche 8 bis 10,

– mit mehreren Serien- und Parallelresonatoren,

– wobei der jeweilige Parallelresonator durch eine Resonanzfrequenz fr,p und eine Antiresonanzfrequenz fa,p charakterisiert ist,

– wobei der jeweilige Serienresonator durch eine Resonanzfrequenz fr,s und eine Antiresonanzfrequenz fa,s charakterisiert ist,

– wobei bei allen Parallelresonatoren die Wellenzahl kx im Frequenzbereich zwischen fr,p und fa,p reell ist,

– wobei bei allen Serienresonatoren die Wellenzahl kx im Frequenzbereich zwischen fr,s und fa,s imaginär ist.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

– wobei über einem als Randbereich (RB) vorgesehenen Bereich des ersten Resonators, der einen akustisch aktiven Bereich (AB) dieses Resonators allseitig umgibt, ein Rahmen (RA) angeordnet ist,

– wobei im aktiven Bereich (AB) dieses Resonators gilt kx = 0,

– wobei akustische Wellen im Randereich (RB) eine im Wesentlichen rein reelle laterale Wellenzahl kx aufweisen, und

– wobei außerhalb des aktiven Bereichs (AB) und des Randbereichs (RB) des Resonators die laterale Wellenzahl kx im Wesentlichen rein imaginär ist.






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