CN111279613A - 用于体声波谐振器的椭圆结构 - Google Patents
用于体声波谐振器的椭圆结构 Download PDFInfo
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Abstract
一种椭圆形谐振器设备。该设备具有底部金属板、覆盖底部金属板的压电层和覆盖压电层的顶部金属板。顶部金属板、压电层和底部金属板的特征在于具有水平直径(dx)和竖直直径(dy)的椭圆形形状，该椭圆形形状能够表示为椭圆比率R＝dx/dy。与传统的多边形谐振器相比，使用椭圆结构，所得的体声波谐振器(BAWR)可以表现出等效的或改进的***损耗、更高的耦合系数和更高的品质因数。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求以下临时专利申请的优先权并且出于所有目的通过引用将其并入：2017年8月3日提交的题为“ELLIPTICAL RESONATOR(椭圆谐振器)”的美国临时申请No.62/541,028。
技术领域
本发明总体上涉及电子设备，并且更具体地涉及基于压电外延膜和大体单晶膜的谐振器。
背景技术
移动电信设备已在全球成功部署。一年中，包括手机和智能手机在内的移动设备的生产量已超过十亿，并且单位销量持续逐年增长。随着4G/LTE在2012年左右的提升以及移动数据流量的激增，数据丰富的内容正在推动智能手机市场的增长——预计在未来几年中，该增长将达到每年2B。新标准与旧标准的共存以及对更高数据速率需求的渴望正在推动智能手机的RF复杂性。遗憾的是，传统的RF技术存在局限性，这是有问题的并且在未来可能导致弊端。
由上可见，非常期望用于改进电子设备的技术。
发明内容
本发明总体上涉及电子设备，并且更具体地涉及基于压电外延膜和大体单晶膜的谐振器。
在一个示例中，本发明提供了一种椭圆形谐振器设备。该设备包括底部金属板、覆盖底部金属板的压电层和覆盖压电层的顶部金属板。顶部金属板、压电层和底部金属板的特征在于具有水平直径(dx)和竖直直径(dy)的椭圆形形状，该椭圆形形状能够表示为椭圆比率R＝dx/dy。在特定的示例中，椭圆比率R在约1.20至约2.00的范围内。
可以在RF滤波器电路设备内配置多个这些椭圆形谐振器设备。多个微通孔可以配置为将某些谐振器彼此耦合或者将谐振器耦合至互连金属或接合盘。在特定的示例中，本发明提供了使用11个椭圆形谐振器设备的RF滤波器配置，其中，七个这样的谐振器串联耦合，并且四个这样的谐振器耦合在谐振器串联链的接点与地之间。本领域的普通技术人员将认识到其他的变型、修改和替代。
使用本发明获得了超过现有技术的一个或多个益处。特别地，本设备可以以相对简单且成本有效的方式同时使用根据本领域的普通技术人员的传统材料和/或方法来制造。使用本方法可以创建一种改进的体声波谐振器(bulk acoustic wave resonator，BAWR)，与传统的多边形谐振器相比，该体声波谐振器具有等效的或改进的***损耗。这样的滤波器或谐振器可以在RF滤波器设备、RF滤波器***等中实现。根据实施例，可以获得这些益处中的一个或多个。当然，可以有其他的变型、修改和替代。
通过参考说明书的后面的部分和附图，可以实现对本发明的本质和优点的更好的理解。
附图说明
为了更全面地理解本发明，对附图进行参考。应理解，这些附图不应认为是对本发明的范围的限制，当前描述的实施例和当前理解的本发明的最佳模式通过使用附图来更详细地进行描述，其中：
图1A和图1B分别是示出根据本发明的示例的椭圆形谐振器设备的侧视图和俯视图的简化图。
图2是示出使用根据本发明的各种示例的多个椭圆形谐振器的RF滤波器电路设备的简化图。
图3A是示出根据本发明的示例的图2的RF滤波器电路沿着A-B参考线的剖视图的简化图。
图3B是示出根据本发明的示例的图2的RF滤波器电路沿着A-B参考线的剖视图的简化图。
图4是根据本发明的示例的使用椭圆形谐振器的RF滤波器电路设备的计算机辅助设计(computer-aided design，CAD)布局。
图5是根据本发明的示例的使用椭圆形谐振器的RF滤波器电路的物理实现的图像。
图6是示出根据本发明的示例的配置有椭圆形谐振器的RF滤波器电路设备的简化电路图。
图7A是将用于传统的多边形谐振器的滤波器通带的***损耗与用于根据本发明的示例的椭圆形谐振器(R＝1.61)的滤波器通带的***损耗进行比较的图形。
图7B是将用于传统的多边形谐振器的滤波器窄带频谱的***损耗与用于根据本发明的示例的椭圆形谐振器(R＝1.61)的滤波器窄带频谱的***损耗进行比较的图形。
图7C是将用于传统的多边形谐振器的滤波器宽带频谱的***损耗与用于根据本发明的示例的椭圆形谐振器(R＝1.61)的滤波器宽带频谱的***损耗进行比较的图形。
图8A-图8D是示出配置有各种比率R的椭圆形谐振器的简化图。
图9A和图9B是分别比较传统的多边形谐振器与根据本发明的示例的椭圆形谐振器之间的耦合系数和品质因数的图形。
图9C是总结来自图9A和图9B所示的图形的结果的表格。
具体实施方式
本发明总体上涉及电子设备，并且更具体地涉及基于压电外延膜和大体单晶膜的谐振器。
通常，体声波谐振器(BAWR)是平行板电容器，其特征可以在于其金属板的几何形状以及电容器的两个电极之间的压电材料的厚度和组成。这种谐振器的配置可以用来创建RF滤波器，该RF滤波器创建以***损耗(称为“S21”)为特征的信号通带，该***损耗描述了将滤波器放置在RF电路中的影响。
传统的谐振器通常使用具有N个边数(其中N≥3)的多边形来构造。圆形谐振器是可能的，但是通常会提供不希望的对称性，从而导致谐振器中出现不期望的模式。然而，椭圆形谐振器可以以谐振器的水平直径(dx)与竖直直径(dy)的比率(定义为R)来构造，其中，R＝dx/dy。一旦用R定义，谐振器就可以以任意角度theta(θ)放置在RF电路中。
根据本发明的示例，使用具有在约1.60与约1.61之间的R的特有比率的椭圆形谐振器的单晶的基于压电的RF滤波器已经被制造并且被测试为相比于传统的多边形谐振器，提供等效的或改进的***损耗性能。这样的滤波器的特征在于中心频率在约0.4GHz至约20GHz的范围内，并且使用一个或多个区域来调节滤波器电路的电阻抗。
图1A是示出根据本发明的示例的椭圆形谐振器的侧视“三明治”图的简化图。如所示出的，设备101包括将压电层130夹在中间的顶部金属板110和底部金属板120。图1B是示出根据本发明的示例的同一椭圆形谐振器的俯视图的简化图。这里，设备102仅示出了顶部金属板110，但是参考顶部金属板110示出了对先前讨论的水平直径(dx)、竖直直径(dy)和角度theta(θ)的测量。
图2是示出使用根据本发明的各种示例的多个椭圆形谐振器的RF滤波器电路设备的简化图。如所示出的，设备200包括配置在电路裸片210上的若干椭圆形谐振器220。在特定的示例中，电路裸片(或衬底)选自硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN体衬底、GaN模板、AlN体、AlN模板、AlxGa1-xN模板、比如绝缘体上硅(SOI)的工程化衬底和多晶AlN模板。这些谐振器220可以通过通孔230彼此连接或者连接至片外连接件。在该示例中，介电钝化层211形成为覆盖电路裸片210，介电钝化层可以是氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)或氧化铝(AlO)等。SiO2的使用可以改进RF滤波器电路中的温度漂移。本领域的普通技术人员将认识到其他的变型、修改和替代。
图3A是示出根据本发明的示例的图2的RF滤波器电路沿着A-B参考线的剖视图的简化图。如所示出的，设备301包括覆盖衬底310的椭圆形谐振器设备320和介电钝化层311，该衬底310可以包括碳化硅(SiC)材料等，该介电钝化层311可以包括SiO2等。谐振器设备320包括将压电层323夹在中间的顶部金属板(顶部电极)321和底部金属板(底部电极)322，该压电层323可以包括氮化铝(AlN)材料等。在特定的示例中，压电层包括具有下列项中的至少一者的材料或合金：AlN、AlGaN、GaN、InN、InGaN、AlInN、AlInGaN、ScAlN、ScGaN、AlScYN和BN。微通孔330与该谐振器320相邻地配置，其中，可以包括钼材料等的背侧金属互连件331将微通孔330耦合至底部金属板322。
在特定的示例中，谐振器320还包括两种类型的能量约束特征(energyconfinement feature，ECF)：ECF-1 341和ECF-2 342。ECF-1341包括在顶部金属板表面上的一个或多个柱结构，而ECF-2 342包括在顶部金属电极表面内的一个或多个腔区域。这些ECF结构也可以在底部金属板上形成。在特定的示例中，底部金属板、顶部金属板和ECF结构可以包括钼(Mo)、钌(Ru)、铝铜(AlCu)或钨(W)等。当然，可以有其他的变型、修改和替代。
图3B是示出根据本发明的示例的图2的RF滤波器电路沿着A-B参考线的剖视图的简化图。如所示出的，设备302类似于设备301，除了仅存在ECF-1结构而没有任何ECF-2结构。其余元件遵循与图3A中的那些附图标记方案相同的附图标记方案。
图4是根据本发明示例的使用椭圆形谐振器的RF滤波器电路设备的计算机辅助设计(CAD)布局。图像400示出了与图1的布局类似的布局。图5是根据本发明的示例的使用椭圆形谐振器的RF滤波器电路的物理实现的图像。出于比较目的，将图像500配置为与图4相同的取向。
图6是示出根据本发明的示例的配置有椭圆形谐振器的RF滤波器电路设备的简化电路图。如所示出的，设备600包括RF滤波器输入端601和RF滤波器输出端602，在它们之间配置有椭圆形谐振器620。在特定的示例中，RF滤波器包括11个这样的谐振器，其中，七个谐振器串联在输入端与输出端之间，并且四个谐振器连接至串联配置的交叉点与地之间。当然，可以有其他的变型、修改和替代。
图7A是将用于传统的多边形谐振器的滤波器通带的***损耗与用于根据本发明的示例的椭圆形谐振器(R＝1.61)的滤波器通带的***损耗进行比较的图形。曲线710示出了传统的多边形谐振器的结果，而曲线720示出了椭圆形谐振器的结果。
图7B是将用于传统的多边形谐振器的滤波器窄带频谱的***损耗与用于根据本发明的示例的椭圆形谐振器(R＝1.61)的滤波器窄带频谱的***损耗进行比较的图形。曲线710示出了传统的多边形谐振器的结果，而曲线720示出了椭圆形谐振器的结果。
图7C是将用于传统的多边形谐振器的滤波器宽带频谱的***损耗与用于根据本发明的示例的椭圆形谐振器(R＝1.61)的滤波器宽带频谱的***损耗进行比较的图形。曲线710示出了传统的多边形谐振器的结果，而曲线720示出了椭圆形谐振器的结果。
图8A-图8D是示出配置有各种比率R的椭圆形谐振器的简化图。图8A示出了具有R＝1.2的椭圆比率的设备801。图8B示出了具有R＝1.6的椭圆比率的设备802。图8C和图8D示出了分别具有R＝1.8和R＝2.0的椭圆比率的设备803和804。
本发明的示例利用了以下事实：BAW谐振器的形状决定了整体性能。随着形状的整体对称性的降低，横向模式噪声减小，即，椭圆形形状示出比圆形形状更弱的横向模式噪声。四边形或五边形形状的角部中的声波的较弱的竖直振幅会降低谐振器的耦合系数；因此，椭圆形谐振器消除了角部，从而允许更高的耦合系数。此外，随着声波沿着边缘辐射到谐振器外部，面积与边缘的比率影响谐振器的品质因数。由于相比于四边形或其他的多边形形状，对于给定的面积，椭圆具有较短的边缘，因此椭圆形谐振器还可以表现出更高的品质因数。
在特定的示例中，具有特定纵横比率R＝1.6的椭圆形谐振器在反谐振频率(Qp)附近表现出更好的品质因数。当椭圆的纵横比率为1.6时，来自具有约5GHz的谐振频率的BAW谐振器的数据示出更高的Qp。比率为1.6的椭圆形谐振器的耦合系数略小于比率为1.2的椭圆形谐振器的耦合系数，但是在R＝1.6时，整体质量因子更高。图9A-图9C的图形和表格总结了这些结果。
图9A是比较图8所示的椭圆形谐振器的耦合系数变化的图形。如图形901所示，比率为1.2的谐振器以最高耦合系数开始。然后，该系数的值随着比率达到1.8而下降，但是在比率为2.0处再次上升。图9B是比较图8所示的椭圆形谐振器的品质因数的图形。如图形902所示，品质因数随着比率从1.2增加到1.6而随着比率增加，但是继而随着比率降至1.8和2.0而下降。图9C是总结来自图9A和图9C的图形的结果的表格。尽管当椭圆系数为1.2时耦合系数变化较高，但是在R＝1.6(约1.60至约1.61)时整体质量因子最高。
使用本发明获得了超过现有技术的一个或多个益处。特别地，本设备可以以相对简单且成本有效的方式来制造，同时使用根据本领域的普通技术人员的传统材料和/或方法。使用本方法可以创建改进的体声波谐振器(BAWR)，与传统的多边形谐振器相比，该体声波谐振器具有等效的或改进的***损耗。这样的滤波器或谐振器可以在RF滤波器设备、RF滤波器***等中实现。根据实施例，可以获得这些益处中的一个或多个。当然，可以有其他的变型、修改和替代。
尽管上文是对特定的实施例的全面描述，但是可以使用各种修改、替代构造和等效物。作为示例，封装的设备可以包括以上所述的以及本说明书之外的元件的任何组合。因此，以上描述和说明不应被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (20)
1.一种椭圆形谐振器电路设备，所述设备包括：
底部金属板；
压电层，其覆盖所述底部金属板；和
顶部金属板，其覆盖所述压电层；
其中，所述顶部金属板、所述压电层和所述底部金属板的特征在于具有水平直径(dx)和竖直直径(dy)的椭圆形形状，所述椭圆形形状能够表示为椭圆比率R＝dx/dy。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述椭圆比率R在从约1.20至约2.0的范围内。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述底部金属板和所述顶部金属板包括钼(Mo)、钌(Ru)、或钨(W)、铝铜(AlCu)。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压电层包括具有下列项中的至少一者的材料或合金：AlN、AlGaN、GaN、InN、InGaN、AlInN、AlInGaN、ScAlN、ScGaN、AlScYN和BN。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括耦合到所述顶部金属板或所述底部金属板的一个或多个柱型能量约束特征(ECF)；其中，所述一个或多个柱型ECF包括介电材料、金属材料或者介电材料和金属材料的组合。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括配置在所述顶部金属板或所述底部金属板内的一个或多个腔型能量约束特征(ECF)。
7.一种RF滤波器电路设备，所述设备包括：
衬底构件；
介电钝化层，其覆盖所述衬底构件；
多个椭圆形谐振器设备，其覆盖所述衬底构件并且配置在所述介电钝化层内，所述椭圆形谐振器中的每一个包括：
底部金属板；
压电层，其覆盖所述底部金属板；和
顶部金属板，其覆盖所述压电层；
其中，所述顶部金属板、所述压电层和所述底部金属板的特征在于具有水平直径(dx)和竖直直径(dy)的椭圆形形状，所述椭圆形形状能够表示为椭圆比率R＝dx/dy；以及
多个通孔结构，其配置在所述介电层内；
其中，所述多个通孔结构中的每一个耦合至所述多个椭圆形谐振器设备中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述椭圆比率R在约1.20至约2.00的范围内。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述衬底构件选自：硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN体衬底、GaN模板、AlN体衬底、AlN模板、AlxGa1-xN模板、比如绝缘体上硅(SOI)的工程化衬底、和多晶AlN模板。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述介电钝化层包括氧化硅、氮化硅、氮化铝或氧化铝材料。
11.根据权利要求7所述的设备，其中，所述底部金属板和所述顶部金属板包括钼(Mo)、钌(Ru)、钨(W)或铝铜(AlCu)材料。
12.根据权利要求7所述的设备，其中，所述压电层包括具有下列项中的至少一者的材料或合金：AlN、AlGaN、GaN、InN、InGaN、AlInN、AlInGaN、ScAlN、ScGaN、AlScYN和BN。
13.根据权利要求7所述的设备，其中，所述微通孔结构包括钼(Mo)、钌(Ru)、钨(W)或铝铜(AlCu)材料。
14.根据权利要求7所述的设备，还包括耦合到所述顶部金属板或所述底部金属板的一个或多个柱型能量约束特征(ECF)；其中，所述一个或多个柱型ECF包括介电材料、金属材料或者介电材料和金属材料的组合。
15.根据权利要求7所述的设备，还包括配置在所述顶部金属板或所述底部金属板内的一个或多个腔型能量约束特征(ECF)。
16.一种RF滤波器电路设备，所述设备包括：
衬底构件；
介电钝化层，其覆盖所述衬底构件；
十一个椭圆形谐振器设备，其覆盖所述衬底构件并且配置在所述介电钝化层内，所述椭圆形谐振器中的每一个包括：
底部金属板；
压电层，其覆盖所述底部金属板；和
顶部金属板，其覆盖所述压电层；
其中，所述顶部金属板、所述压电层和所述底部金属板的特征在于具有水平直径(dx)和竖直直径(dy)的椭圆形形状，所述椭圆形形状能够表示为椭圆比率R＝dx/dy；并且
其中，所述椭圆形谐振器设备中的七个配置为串联配置；并且其中，所述椭圆形谐振器设备中的四个配置在所述串联配置的接点与地之间，所述接点在所述串联配置之前、在所述串联配置中的第二谐振器之后、在所述串联配置中的第四谐振器之后以及在所述串联配置中的第六谐振器之后。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述椭圆比率R在约1.20至约2.00的范围内。
18.根据权利要求16所述的设备，还包括耦合到所述顶部金属板或所述底部金属板的一个或多个柱型能量约束特征(ECF)；其中，所述一个或多个柱型ECF包括介电材料、金属材料或者介电材料和金属材料的组合。
19.根据权利要求16所述的设备，还包括配置在所述顶部金属板或所述底部金属板内的一个或多个腔型能量约束特征(ECF)。
20.根据权利要求16所述的设备，其中，所述压电层包括具有下列项中的至少一者的材料或合金：AlN、AlGaN、GaN、InN、InGaN、AlInN、AlInGaN、ScAlN、ScGaN、AlScYN和BN。
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