DE60115504T2

DE60115504T2 - Filtereinrichtung

Info

Publication number: DE60115504T2
Application number: DE60115504T
Authority: DE
Inventors: Robert Aigner; Pasi Tikka; Juha Ellä
Original assignee: Infineon Technologies AG; Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj; Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2021-03-24
Also published as: DE60115504D1; US20030179053A1; KR100489851B1; KR20030076977A; EP1371135A1; JP2004519180A; EP1371135B1; WO2002082647A1; ATE311689T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Filtervorrichtungen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere akustische Wellenfiltervorrichtungen, zum Beispiel akustische Oberflächenwellen (SAW)-Filtervorrichtungen und/oder akustische Volumenwellen (BAW)-Filtervorrichtungen.
Die Notwendigkeit, Miniatur- und Hochleistungsfilter in drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen zu verwenden, hat zu dem weit verbreiteten Gebrauch von akustischen Oberflächenwellen (SAW)-Filtern geführt. Zusätzlich zu den akustischen Oberflächenwellen (SAW)-Filtern können auch akustische Volumenwellen (BAW)-Filter verwendet werden. Akustische Volumenwellen (BAW)-Filter umfassen typisch mehrere akustische Volumenwellen (BAW)-Resonatoren. In einem akustischen Volumenwellen (BAW)-Filter breiten sich akustische Wellen in eine Richtung aus, die zu den Schichtenoberflächen des Filters senkrecht sind. Im Gegensatz dazu breiten sich akustische Wellen in einem Oberflächenwellen (SAW)-Filter in eine Richtung aus, die parallel zu den Schichtenoberflächen des Filters ist.
Die Herstellung von monolithischen Filtern, die zumindest eine akustische Volumenwellen (BAW)-Resonatorvorrichtung (gemäß dem Stand der Technik auch "Thin Film Bulk Acoustic Resonators (FBARs)" genannt) ist bekannt. Akustische Volumenwellen (BAW)-Resonatoren enthalten typisch zwei Elektroden und eine einzige piezoelektrische Schicht, die zwischen den zwei Elektroden angeordnet ist. Eine oder mehrere akustische Isolationsschichten können auch zwischen der piezoelektrischen Schicht und einer Unterlage der jeweiligen Vorrichtungen verwendet werden.
Akustische Volumenwellen (BAW)-Filter können hergestellt werden, um verschiedene bekannte Typen akustischer Volumenwellen (BAW)-Resonatoren zu enthalten. Diese bekannten Typen akustischer Volumenwellen (BAW)-Resonatoren umfassen drei grundlegende Abschnitte. Ein erster der Abschnitte, der zum Erzeugen akustischer Wellen verwendet wird, umfasst eine akustisch aktive piezoelektrische Schicht. Diese Schicht kann zum Beispiel Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AlN), Zink-Schwefel (ZnS) oder jedes andere geeignete piezoelektrische Material enthalten, das als Dünnfilm hergestellt werden kann. Ein zweiter dieser Abschnitte umfasst Elektroden, die an entgegengesetzten Seiten der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind. Ein dritter Abschnitt des akustischen Volumenwellen (BAW)-Resonators umfasst einen Mechanismus zum akustisches Isolieren des Substrats von Schwingungen, die von der piezoelektrischen Schicht erzeugt werden. Akustische Volumenwellen (BAW)-Resonatoren werden typisch auf Silicium-, Galliumarsenid- oder Glasunterlagen hergestellt, die Dünnfilmtechnologie anwenden (zum Beispiel Vakuumbedampfung, chemische Dampfablagerung usw.). Akustische Volumenwellen (BRW)-Resonatoren zeigen serielle und parallele Resonanzen, die zum Beispiel denen von Kristallresonatoren ähnlich sind. Die Resonanzfrequenzen akustischer Volumenwellen (BAW)-Resonatoren reichen typisch von etwa 0,5 GHz bis 5 GHz, abhängig von der Schichtdicke der Vorrichtungen.
8 zeigt ein Beispiel einer akustischen Wellenfiltervorrichtung, die in einer mobilen Anwendung verwendet wird. Im Allgemeinen wird ein HF-Signal von einer Antenne 80 über einen Schalter 81 eingegeben und zu einem Verstärker 84 über eine akustische Wellenfiltervorrichtung 82, zum Beispiel eine akustische Volumenwellen (BAW)-Filtervorrichtung mit unsymmetrischen Anschlüssen und einer charakteristischen Impedanz von 50 Ω geleitet. In bestimmten Fällen ist der Verstärker ein rauscharmer Verstärker, der symmetrische Anschlüsse hat. Dieser Verstärker hat oft eine charakteristische Impedanz von etwa 150–200 Ω.
Aus diesem Grund waren ein geeigneter Schaltkreis zur Impedanzumwandlung und ein Symmetrierglied für den Anschluss an die Verstärkerseite erforderlich. Eine Symmetriergliedschaltung 83 (gewöhnlich Balun genannt) wurde für diese Funktion verwendet. Der Einsatz eines Baluns 83 steigert jedoch beachtlich die Anzahl von Teilen und die Kosten, insbesondere weil Symmetrierglieder 83 gewöhnlich diskrete Komponenten sind, die nicht in den Rest des Filtersystems 82 oder in den Verstärker 84 eingebaut werden, siehe zum Beispiel JP-2000-114917-A. Dementsprechend besteht eine Nachfrage nach der Verringerung der Anzahl von Komponenten und dem Verwirklichen einer integrierten akustischen Symmetrierglied-Wellenfiltervorrichtung.
Oben stehende und andere Probleme werden anhand einer Filtervorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen. Die Ansprüche sollen als ein erster nicht einschränkender Ansatz zur Definition der Erfindung in allgemeinen Begriffen betrachtet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Filtervorrichtung bereit, die Folgendes umfasst:
eine erste Filtereinheit mit mindestens einem Reihenresonator und mindestens einem Shunt-Resonator in einer Leiteranordnung und mit einem unsymmetrischen Anschluss, und
eine zweite Filtereinheit, die mit der ersten Filtereinheit über einen Reihenresonator der ersten Filtereinheit verbunden ist, wobei die zweite Filtereinheit mindestens vier Resonatoren in einer Kreuzanordnung und zwei symmetrische Anschlüsse umfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Filtervorrichtung bereit, die aus einer kombinierten Leiter-Kreuzanordnungstopologie aufgebaut ist. Die erfindungsgemäße Filtervorrichtung kombiniert synergetisch die positiven Merkmale der beiden Typen von Filtern. Die erste Filtereinheit in Leiteranordnung hat eine finite Sperrdämpfung, während die zweite Filtereinheit mindestens theoretisch eine unendliche Sperrdämpfung weit von dem Durchlassbereich hat. Die er findungsgemäße Filtervorrichtung hat grundlegend auch eine unendliche Sperrdämpfung weit von dem Durchlassbereich.
Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung kann eine integrierte Symmetriergliedfiltervorrichtung hergestellt werden. Ferner kann eine wesentliche Verringerung der Anzahl der Komponenten erzielt werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Filtervorrichtung mit weiteren Komponenten integriert werden, vorzugsweise aktiven HF-Komponenten auf einem einzigen Chip.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Filtervorrichtung ein akustisches Wellenfilter, insbesondere ein akustisches Oberflächenwellen (SAW)-Filter, das akustische Oberflächenwellenresonatoren oder noch besser ein akustisches Volumenwellen (BAW)-Filter aufweist, das akustische Volumenwellenresonatoren enthält.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Filtereinheit die gleichen Typen von Resonatoren wie die zweite Filtereinheit. Insbesondere können die erste und die zweite Filtereinheit hergestellt werden, indem nur zwei Resonatorentypen, nämlich Reihenresonatoren und Shunt-Resonatoren verwendet werden. Dabei wird bevorzugt, dass die Reihenresonatoren in der ersten Filtereinheit und die Reihenresonatoren in der zweiten Filtereinheit im Wesentlichen gleiche Resonanzfrequenzen zeigen. Ferner wird bevorzugt, dass die Shunt-Resonatoren in der ersten Filtereinheit und die Shunt-Resonatoren in der zweiten Filtereinheit im Wesentlichen gleiche Resonanzfrequenzen zeigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste Filtereinheit eine ungerade Anzahl von Resonatoren auf, vorzugsweise zumindest drei oder fünf Resonatoren (T-Topologie oder n-Topologie).
Einige der oben genannten und andere detailliertere Aspekte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung beschrieben und teilweise unter Bezugnahme zu den Figuren dargestellt. In diesen Figuren:
zeigt 1 schematisch einen Querschnitt eines beispielhaften akustischen Volumenwellen (BAW)-Resonators, der einen Luftspalt aufweist,
zeigt 2 eine Draufsicht des akustischen Volumenwellen (BAW)-Resonators der 1,
zeigt 3 schematisch einen Querschnitt eines beispielhaften akustischen Volumenwellen (BAW)-Resonators, der einen akustischen Spiegel aufweist,
zeigt 4 eine Filtervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
zeigt 5 einen Vergleich verschiedener Filtertopologien,
zeigt 6 eine Filtervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
zeigt 7 Filtervorrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mit einem rauscharmen Filter (LNA) oder Leistungsverstärker auf einem einzigen Chip eingebaut sind, und
zeigt 8 ein Beispiel einer akustischen Oberflächenwellenfiltervorrichtung, die in einer mobilen Umgebung verwendet wird.
1 und 2 zeigen jeweils einen Querschnitt (Seitenansicht) und eine Draufsicht eines akustischen Volumenwellen (BAW)-Resonators 10, der eine Membran- oder Brückenstruktur 11 hat. Der akustische Volumenwellen (BAW)-Resonator 10 umfasst eine piezoelektrische Schicht 12, eine erste Schutzschicht 13a, eine zweite Schutzschicht 13b, eine erste Elektrode 14, eine zweite Elektrode 15, die Membran 11, Ätzfenster 16a und 16b, eine Luftspalte 17 und eine Unterlage 18. Die piezoelektrische Schicht 12 umfasst zum Beispiel ein piezoelektrisches Material, das als Dünnfilm hergestellt werden kann, wie zum Beispiel Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN).
Die Membran 11 umfasst zwei Schichten, nämlich die Oberschicht 19 und eine Bodenschicht 20. Die Oberschicht 19 besteht zum Beispiel aus einem Polysilicium oder Aluminiumnitrid (AlN), und die Bodenschicht 20 besteht zum Beispiel aus Siliciumdioxid (SiO₂) oder Galliumarsenid (GaAs). Das Substrat 18 besteht aus einem Material wie zum Beispiel Silicium (Si), SiO₂, GaAs oder Glas. Durch die Ätzfenster 16a und 16b wird ein Teil der Unterlage 18 geätzt, um eine Luftspalte 17 zu bilden, nachdem die Membranschichten über die Unterlage 18 abgelagert wurden.
In 3 ist ein weiterer akustischer Volumenwellen (BAW)-Resonator 30 gezeigt. Dieser Resonator hat einen ähnlichen Aufbau wie der des akustischen Volumenwellen (BAW)-Resonators 10 der 1, mit der Ausnahme, dass nur eine einzige Schutzschicht 13 bereitgestellt wird, und dass die Membran 11 und die Luftspalte 17 durch einen akustischen Spiegel 31 ersetzt werden, der Schwingungen akustisch isoliert, die von der piezoelektrischen Schicht 12 von der Unterlage 18 her erzeugt werden.
Der akustische Spiegel 31 umfasst eine Anzahl von Schichten mit abwechselnden hohen und niedrigen akustischen Impedanzen, die angeordnet sind, so dass eine Reflexion der akustischen Welle an der Spiegel-Resonatorschnittfläche erzielt wird. Der akustische Spiegel 31, der in 3 gezeigt ist, umfasst drei Schichten, nämlich eine Oberschicht 31a, eine Mittelschicht 31b und eine Bodenschicht 31c. Jede Schicht 31a, 31b und 31c hat eine Stärke, die zum Beispiel gleich einer Viertelwellenlänge ist. Die Oberschicht 31a und die Bodenschicht 31c bestehen aus Werkstoffen, die niedrige akustische Impedanzen haben, wie zum Beispiel Silicium (Si), Polysilicium, Aluminium (Al) oder ein Polymer. Ferner besteht die Mittelschicht 31b aus einem Werkstoff, der eine hohe akustische Impedanz hat, wie zum Beispiel Gold (Au), Molybdän (Mo) oder Wolfram (W). Die Unterlage 18 kann aus verschiedenen Werkstoffen mit hoher akustischer Impedanz oder niedriger akustischer Impedanz bestehen (zum Beispiel Si, SiO₂, GaAs, Glas oder Keramik).
4 zeigt eine Filtervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Filtervorrichtung, die in 4 gezeigt ist, umfasst zwei Filtereinheiten, die direkt über einen Reihenresonator der ersten Filtereinheit verbunden sind. Die erste Filtereinheit 41 umfasst vorzugsweise eine ungerade Anzahl von Resonatoren, im vorliegenden Beispiel drei, in Leiteranordnung. Die erste Filtereinheit 41 ist ein akustisches Volumenwellen (BAW)-Filter, das zwei Typen akustischer Volumenwellenresonatoren aufweist, nämlich Reihenresonatoren 42 und Shunt-Resonatoren 43. Vorzugsweise ist die erste Filtereinheit 41 ein akustisches Volumenwellen (BRW)-Filter, das akustische Volumenwellenresonatoren wie in 1 bis 3 gezeigt aufweist.
Ferner umfasst die erste Filtereinheit 41 einen unsymmetrischen Anschluss 44, an den zum Beispiel das Ausgangssignal einer Antenne angeschlossen werden kann. Zusätzlich zu dem Anschluss 44 umfasst die erste Filtereinheit 41 den Anschluss 45, der im vorliegenden Beispiel mit der Erdung verbunden ist.
Die zweite Filtereinheit 46 umfasst vier Resonatoren in einer Kreuzanordnung. Wie die erste Filtereinheit 41, ist die zweite Filtereinheit ein akustisches Volumenwellen (BAW)-Filter, das zwei Typen akustischer Volumenwellenresonatoren, nämlich Reihenresonatoren 42' und Shunt-Resonatoren 43' aufweist. Dadurch zeigen die Reihenresonatoren 42 in der ersten Filtereinheit 41 und die Reihenresonatoren 42' in der zweiten Filtereinheit 46 im Wesentlichen gleiche Resonanzfrequenzen. Das gilt auch für die Shunt-Resonatoren 43 in der ersten Filtereinheit 41 und die Shunt-Resonatoren 43' in der zweiten Filtereinheit 46, die ebenfalls im Wesentlichen gleiche Resonanzfrequenzen zeigen. Ferner umfasst die zweite Filtereinheit 46 zwei symmetrische Anschlüsse 47 und 48, an die zum Beispiel ein rauscharmer Verstärker (LNA) angeschlossen werden kann.
Die zweite Filtereinheit 46 ist mit der ersten Filtereinheit 41 über einen Reihenresonator 42 der ersten Filtereinheit 41 verbunden, weil anderenfalls ein Impedanzversatz zwischen den zwei Filtereinheiten entstehen würde. Aufgrund der Tatsache, dass die erste Filtereinheit 41 mit einem Reihenresonator endet und nicht mit einem Shunt-Resonator, sind die erste Filtereinheit 41 und die zweite Filtereinheit 46 gut angepasst.
Die erfindungsgemäße Filtereinheit zeigt eine ausgezeichnete Reaktion, besonders wenn der Knoten zwischen den Lasten auf der symmetrischen Seite nicht geerdet (schwimmend) ist. Ferner hat die erfindungsgemäße Filtervorrichtung einen steileren Übergang von dem Durchlassband zu dem Sperrband als ein symmetrisches Filter oder ein symmetrisches Filter mit unterschiedlichen Kapazitanzverhältnissen. Dementsprechend zeigt die erfindungsgemäße Filtervorrichtung bessere Selektivität als die zwei anderen Filter. Die Ergebnisse eines Vergleichs sind in 5 gezeigt.
6 zeigt eine Filtervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 6 gezeigte Filtervorrichtung umfasst ebenfalls zwei Filtereinheiten, die direkt über einen Reihenresonator der ersten Filtereinheit verbunden sind. Die erste Filtereinheit 51 umfasst vorzugsweise eine ungerade Anzahl von Resonatoren, in diesem Beispiel fünf, in einer Leiteranordnung. Die erste Filtereinheit 51 ist wieder ein akustisches Volumenwellen (BRW)-Filter, das zwei Typen akustischer Volumenwellenresonatoren, nämlich Reihenresonatoren 42 und Shunt-Resonatoren 43 aufweist.
7 zeigt Filtervorrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mit einem rauscharmen Verstärker (LNA) oder einem Leistungsverstärker auf einem einzigen Chip integriert sind. 7 zeigt schematisch die Empfangsseite (Rx) sowie die Übertragungsseite (Tx) einer Mobiltelekommunikationsvorrichtung.
Ein Signal, das von der Antenne 60 empfangen wird, wird über einen Schalter 61 zu dem Chip 62 geleitet, der eine Filtervorrichtung 63 und einen rauscharmen Verstärker (LNA) 64 umfasst. Die Filtervorrichtung 63 zeigt eine erste Filtereinheit, die eine ungerade Anzahl von Resonatoren in einer Leiteranordnung aufweist, und eine zweite Filtereinheit, die mindestens vier Resonatoren in einer Kreuzanordnung aufweist. Die Filtervorrichtung 63 filtert das Signal von der Antenne und führt eine Umwandlung von einem unsymmetrischen zu einem symmetrischen Signal durch. Das hervorgehende symmetrische Signal wird von dem rauscharmen Verstärker (LNA) 64 verstärkt und zu einem Mischer 65 geleitet.
Ein Signal, das über die Antenne 60 zu übertragen ist, wird von einem Mischer 66 erzeugt und zu dem Chip 67 geleitet, der eine Filtervorrichtung 68 und einen Leistungsverstärker 69 aufweist. Die Filtervorrichtung 68 zeigt auch eine erste Filtereinheit, die eine ungerade Zahl von Resonatoren in einer Leiteranordnung umfasst, und eine zweite Filtereinheit, die mindestens vier Resonatoren in einer Kreuzanordnung umfasst. Die Filtervorrichtung 68 filtert das Signal des Mischers und führt eine Umwandlung von einem symmetrischen zu einem unsymmetrischen Signal durch. Das daraus hervorgehende unsymmetrische Signal wird von dem Leistungsverstärker 69 verstärkt und über den Schalter 61 zu der Antenne 60 geführt.
Der Gebrauch der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung erlaubt das Herstellen einer Unsymmetrisch-Symmetrisch-Filtervorrichtung. Entsprechend kann eine wesentliche Verringerung der Anzahl von Bauteilen erzielt werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Filtervorrichtung mit weiteren Komponenten, vorzugsweise einem rauscharmen Verstärker (LNA) auf einem einzigen Chip eingebaut werden. Zusätzlich verwendet die erfindungsgemäße Filtervorrichtung vorzugsweise BAW- Filter, da BAW-Filter kostengünstiger sind als existierende SAW-Filter.

Claims

Eine Filtervorrichtung, wobei die Filtervorrichtung umfasst: eine erste Filtereinheit (41) mit mindestens einem Reihenresonator (42) und mindestens einem Shunt-Resonator (43) in einer Leiteranordnung und mit einem unsymmetrischen Anschluss (44); und eine zweite Filtereinheit (46), die mit der ersten Filtereinheit (41) über einen Reihenresonator (42) der ersten Filtereinheit (41) verbunden ist, wobei die zweite Filtereinheit (46) mindestens vier Resonatoren in einer Kreuzanordnung und zwei symmetrische Anschlüsse (47, 48) umfasst.
Eine Filtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Filtervorrichtung ein akustisches Wellenfilter ist.
Eine Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Filtervorrichtung ein akustisches Oberflächenwellen (SAW)-Filter mit akustischen Oberflächenwellen-Resonatoren ist.
Eine Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filtervorrichtung ein akustisches Volumenwellen (BAW)-Filter mit akustischen Volumenwellen-Resonatoren ist.
Eine Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Filtereinheit (41) eine ungerade Anzahl von Resonatoren umfasst.
Eine Filtervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Filtereinheit (41) mindestens drei, vorzugsweise mindestens fünf Resonatoren umfasst.
Eine Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Filtereinheit (41) dieselben Resonatortypen wie die zweite Filtereinheit umfasst.
Eine Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihenresonatoren (42) in der ersten Filtereinheit (41) und die Reihenresonatoren (42') in der zweiten Filtereinheit (46) im Wesentlichen gleiche Resonanzfrequenzen aufweisen.
Eine Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Shunt-Resonatoren (43) in der ersten Filtereinheit (41) und die Shunt-Resonatoren (43') in der zweiten Filtereinheit (46) im Wesentlichen gleiche Resonanzfrequenzen aufweisen.
Eine Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filtervorrichtung mit aktiven RF-Komponenten, vorzugsweise einem Verstärker, auf einem einzigen Chip integriert ist.