Title:
Filterschaltung
Kind Code:
A1
Abstract:

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



Inventors:
Jäger, Philipp Michael (81673, München, DE)
Ruile, Werner, Dr. (80636, München, DE)
Application Number:
DE102016100925A
Publication Date:
07/20/2017
Filing Date:
01/20/2016
Assignee:
SnapTrack, Inc. (Calif., San Diego, US)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102014112372B3N/A2016-02-25
Foreign References:
200500990922005-05-12
Attorney, Agent or Firm:
BARDEHLE PAGENBERG Partnerschaft mbB Patentanwälte, Rechtsanwälte, 81675, München, DE
Claims:
1. Filterschaltung (100),
aufweisend einen ersten und einen zweiten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator (2, 3), wobei der erste Resonator (2) eine erste piezoelektrische Schicht (4) aufweist, die derart strukturiert ist, dass der erste Resonator (2) eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der zweite Resonator (3), wobei die erste piezoelektrische Schicht (4) durch Ausnehmungen (14) strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische Schicht (4) hindurchlaufen, wobei der erste Resonator (2) und der zweite Resonator (3) als Serienresonatoren (102, 105) seriell mit einem Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind oder
wobei der erste Resonator (2) und der zweite Resonator (3) als Parallelresonatoren (103, 106) derart mit dem Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist.

2. Filterschaltung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die erste piezoelektrische Schicht (4) des ersten Resonators (2) derart strukturiert ist, dass bei einem in einer Raumrichtung angelegten elektrischen Feld eine Schwingungsmode mit Schwingungen in zumindest zwei Raumrichtungen angeregt wird.

3. Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite Resonator (3) eine zweite piezoelektrische Schicht (7) aufweist, die unstrukturiert ist oder die durch Ausnehmungen (14) strukturiert ist, die durch die zweite piezoelektrische Schicht (7) hindurchlaufen.

4. Filterschaltung (100) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die zweite piezoelektrische Schicht (7) des zweiten Resonators (3) derart strukturiert ist, dass bei einem in einer Raumrichtung angelegten elektrischen Feld eine Schwingungsmode mit Schwingungen in zumindest zwei Raumrichtungen angeregt wird.

5. Filterschaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die erste piezoelektrische Schicht (4) und die zweite piezoelektrische Schicht (7) die gleiche Dicke aufweisen.

6. Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der Filterschaltung (100) um eine Ladder-Type-Schaltung oder eine Brückenschaltung handelt.

7. Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der Filterschaltung (100) um ein Bandpassfilter oder ein Bandsperrfilter handelt.

8. Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste und der zweite Resonator (2, 3) ein FBAR Resonator oder ein SMR Resonator sind.

9. Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ausnehmungen (14) durch fotolithographisches Strukturieren der jeweiligen piezoelektrischen Schicht gebildet sind.

10. Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Filterschaltung (100) auf einem Chip angeordnet ist.

11. Filterschaltung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
aufweisend zumindest einen dritten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator und einen vierten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator, wobei der erste Resonator (2) und der dritte Resonator als Serienresonatoren (102, 105) seriell mit dem Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind, wobei der zweite Resonator (3) und der vierte Resonator als Parallelresonatoren (103, 106) derart mit dem Signalpfad der Filterschaltung (100) verschaltet sind, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist,
wobei der dritte Resonator eine dritte piezoelektrische Schicht aufweist, die derart strukturiert ist, dass der dritte Resonator eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der vierte Resonator, wobei die dritte piezoelektrische Schicht durch Ausnehmungen (14) strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische Schicht hindurchlaufen.

12. Filterschaltung (100) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die piezoelektrischen Schichten (4, 7) des ersten Resonators (2), des zweiten Resonators (3), des dritten Resonators und des vierten Resonators die gleiche Dicke aufweisen.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterschaltung, die mehrere mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren (BAW-Resonatoren; BAW = Bulk Acoustic Wave) aufweist. Die Filterschaltung kann zumindest zwei Parallelresonatoren und/oder zumindest zwei Serienresonatoren aufweisen.

Bei Filterschaltungen, beispielsweise mit einer Ladder-Type Topologie oder in Form einer Brückenschaltung, ist es erforderlich, dass die Serienresonatoren und die Parallelresonatoren sich in ihren Resonanzfrequenzen voneinander unterscheiden. Im Stand der Technik sind Filterschaltungen bekannt, die BAW-Resonatoren aufweisen, bei denen die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen zwischen den Serienresonatoren und den Parallelresonatoren dadurch realisiert werden, dass sich die Serienresonatoren und die Parallelresonatoren in der Dicke ihrer piezoelektrischen Schichten voneinander unterscheiden. Dabei müssen die verschiedenen Schichtdicken genau aufeinander abgestimmt werden. Das Verfahren zur Herstellung der Resonatoren für solche Filterschaltungen ist sehr aufwändig und erfordert mehrere zusätzliche Schritte, in denen die jeweiligen Schichtdicken durch das Auftragen von sogenannten Tuningschichten in gewünschter Weise eingestellt werden. Eine andere im Stand der Technik bekannte Möglichkeit zur Einstellung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen besteht darin, dass die Serienresonatoren und die Parallelresonatoren sich in der Dicke einer anderen Schicht unterscheiden, wobei diese andere Schicht in einer akustisch aktiven Zone angeordnet ist. Es kann sich bei der anderen Schicht beispielsweise um eine Metallelektrode handeln.

Eine Optimierung der Filterfunktion der Filterschaltungen könnte prinzipiell dadurch erreicht werden, dass auch die Serienresonatoren untereinander in ihren Resonanzfrequenzen verschoben werden und/oder dass auch die Parallelresonatoren sich in ihren Resonanzfrequenzen geringfügig unterscheiden. Eine Ausgestaltung der Filterschaltung, bei der sich die Parallelresonatoren und/oder die Serienresonatoren in ihren Resonanzfrequenzen voneinander unterscheiden, lässt sich jedoch mit dem im Stand der Technik bekannten Verfahren, bei dem z.B. BAW-Resonatoren mit unterschiedlich dicken piezoelektrischen Schichten verwendet werden, nur mit unvertretbar großem Aufwand realisieren.

Im Gegensatz dazu ist es bei Schaltungen, die mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Resonatoren (SAW-Resonatoren; SAW = Surface Acoustic Wave) aufweisen, mit deutlich geringerem Aufwand möglich, diese Resonatoren in ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen unterschiedlich zu fertigen. Dazu können die SAW-Resonatoren in ihren lateralen Strukturierungen unterschiedlich ausgestaltet werden. Die Anpassung der lateralen Strukturierung eines SAW-Resonators kann ohne zusätzlichen technologischen Fertigungsaufwand durchgeführt werden. Dementsprechend ist es bei Filterschaltungen mit SAW-Resonatoren ohne zusätzlichen technologischen Aufwand möglich, auch die Serienresonatoren zueinander und/oder die Parallelresonatoren zueinander in unterschiedlicher Resonanzfrequenz zu fertigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Filterschaltung anzugeben, die Resonatoren aufweist, die mit akustischen Volumenwellen arbeiten, wobei eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren und/oder eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen der Parallelresonatoren zueinander ermöglicht wird. Auf diese Weise kann eine Filterschaltung konstruiert werden, die mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren aufweist, und die die gleichen Vorteile hinsichtlich der Designfreiheit und der Optimierung der Filterfunktion bietet, wie eine Filterschaltung mit SAW-Resonatoren.

Diese Aufgabe wird durch die Filterschaltung gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche offenbaren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Es wird eine Filterschaltung vorgeschlagen, die einen ersten und einen zweiten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator aufweist, wobei der erste Resonator eine erste piezoelektrische Schicht aufweist, die derart strukturiert ist, dass der erste Resonator eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der zweite Resonator, wobei die erste piezoelektrische Schicht durch Ausnehmungen strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische Schicht hindurchlaufen. Der erste Resonator und der zweite Resonator sind entweder als Serienresonatoren seriell mit einem Signalpfad der Filterschaltung verschaltet oder der erste Resonator und der zweite Resonator sind als Parallelresonatoren derart mit dem Signalpfad der Filterschaltung verschaltet, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist.

Die Ausnehmungen können sich insbesondere in einer vertikalen Richtung durch die erste piezoelektrische Schicht erstrecken.

Durch die Strukturierung der piezoelektrischen Schicht des ersten Resonators mittels Ausnehmungen in der piezoelektrischen Schicht wird es ermöglicht, eine Filterschalung zu konstruieren, bei der eine Anpassung der Resonanzfrequenz eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators mit geringem Fertigungsaufwand vorgenommen werden kann. Insbesondere kann die Filterschaltung zwei Parallelresonatoren mit voneinander abweichender Resonanzfrequenz und/oder zwei Serienresonatoren mit voneinander abweichender Resonanzfrequenz aufweisen. Die Strukturierung der piezoelektrischen Schichten durch Ausnehmungen ist in der Herstellung deutlich einfacher umzusetzen als eine unterschiedliche Dicke der piezoelektrischen Schichten, die durch das Auftragen von Trimmschichten erzeugt wird, oder eine unterschiedliche Dicke einer anderen Schicht, die in einer akustisch aktiven Zone angeordnet ist und die Resonanzfrequenz mitbestimmt.

Dementsprechend wird es nunmehr möglich, auch mit mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonatoren Filterschaltung mit den gleichen Designfreiheitsgraden und einer optimierten Filterfunktion zu fertigen, wie dies bereits für Resonatoren auf Basis von akustischen Oberflächenwellen bekannt ist.

Darüber hinaus kann neben einer Verschiebung der Resonanzfrequenz auch der Kopplungsfaktor eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonators erhöht werden, wenn der Resonator durch Ausnehmungen strukturiert wird. Der Kopplungsfaktor eines elektroakustischen Wandlers beschreibt den Verlust, der bei der Umwandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie in dem Wandler auftritt. Ein hoher Kopplungsfaktor ermöglicht eine große Bandbreite des Wandlers.

Bei der Verschiebung des Kopplungsfaktors spielen die Geometrie und die Anordnung der Ausnehmungen eine entscheidende Rolle, die den Kopplungsfaktor beeinflussen.

Insbesondere kann die erste piezoelektrische Schicht des ersten Resonators derart strukturiert sein, dass bei einem in einer Raumrichtung angelegten elektrischen Feld eine Schwingungsmode mit Schwingungen in zumindest zwei Raumrichtungen angeregt wird. Die angeregte Schwingungsmode kann insbesondere Schwingungen in drei Raumrichtungen aufweisen.

Durch das Anregen von Schwingungsmoden mit Schwingungen in zumindest zwei Raumrichtungen wird der Kopplungsfaktor erhöht. Wie oben beschrieben kann durch die Strukturierung der jeweiligen piezoelektrischen Schicht ein gewünschter Kopplungsfaktor gezielt eingestellt werden, so dass sich größere Designfreiheiten ergeben, die dazu genutzt werden können, die Filterfunktion an die jeweiligen Anforderungen zu optimieren. Durch die Strukturierung der mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonatoren und die damit verbundene Erhöhung des jeweiligen Kopplungsfaktors wird es möglich, sowohl die Resonanzfrequenz als auch den Pol-Nullstellenabstand des Resonators unabhängig voneinander einzustellen. Dieses ist sowohl für die Parallel- als auch für die Serienresonatoren der Filterschaltung möglich. Eine solche unabhängige Wahl von Resonanzfrequenz und Pol-Nullstellenabstand ist dagegen bei SAW-Resonatoren nicht möglich.

Die angeregten Schwingungen können durch einen piezoelektrischen Tensor beschrieben werden. Bei einer unstrukturierten piezoelektrischen Schicht tragen nur die Diagonalelemente dieses Tensors zu einer Schwingung bei, bei der es sich um eine reine Schwingung in Dickenrichtung handelt. Durch die Strukturierung der piezoelektrischen Schicht mit Ausnehmungen werden auch die Nicht-Diagonal-Elemente des Tensors gefüllt, so dass auch Schwingungsmoden in andere Raumrichtungen ermöglicht werden.

Ferner kann der zweite Resonator eine zweite piezoelektrische Schicht aufweisen, die unstrukturiert ist oder die durch Ausnehmungen strukturiert ist, die durch die zweite piezoelektrische Schicht hindurchlaufen. Durch die Strukturierung der zweiten piezoelektrischen Schicht können die Resonanzfrequenz und der Kopplungsfaktor des zweiten Resonators in gewünschter Weise eingestellt werden. Für die zweite piezoelektrische Schicht des zweiten Resonators kann dabei eine andere Strukturierung gewählt werden als für die erste piezoelektrische Schicht des ersten Resonators.

Insbesondere kann die zweite piezoelektrische Schicht des zweiten Resonators derart strukturiert sein, dass bei einem in einer Raumrichtung angelegten elektrischen Feld eine Schwingungsmode mit Schwingungen in zumindest zwei Raumrichtungen angeregt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass der zweite Resonator einen hohen Kopplungsfaktor aufweist und dementsprechend die Wandlungsverluste möglichst gering gehalten werden.

Die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht können die gleiche Dicke aufweisen. Weist die Filterschaltung Resonatoren auf, deren piezoelektrische Schichten die gleiche Dicke aufweisen, so können diese Resonatoren in einem gemeinsamen Herstellungsverfahren gleichzeitig gefertigt werden. Insbesondere kann auf Trimmschichten, die die Dicke der Resonatoren nachträglich anpassen sollen, verzichtet werden und das Herstellungsverfahren wird erheblich vereinfacht. Statt bestimmt Eigenschaften durch unterschiedliche Dicken der Resonatoren herbeizuführen, wird hier vorgeschlagen, die piezoelektrische Schichten der Resonatoren zueinander unterschiedlich zu strukturieren und so die gewünschten Eigenschaften, wie unterschiedliche Resonanzfrequenzen zweier Parallelresonatoren zueinander und/oder zweier Serienresonatoren zueinander sowie bestimmte Kopplungsfaktoren, zu realisieren.

Die Filterschaltung kann eine Ladder-Type-Schaltung oder eine Brückenschaltung sein. Bei der Filterschaltung kann es sich um einen Bandpassfilter oder einen Bandsperrfilter handeln. Sowohl ein Bandpassfilter als auch ein Bandsperrfilter können mit einer Ladder-Type-Topologie oder der Topologie einer Brückenschaltung gebildet werden.

Bei dem ersten und bei dem zweiten Resonator kann es sich um einen Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) oder um ein Solid Mounted Bulk Acoustic Resonator (SMR) handeln. Ein Film Bulk Acoustic Resonator ist freischwingend angeordnet, wobei sich unterhalb des Resonators eine Kavität befindet. Ein Solid Mounted Resonator ist auf einem akustischen Spiegel angeordnet.

Die Ausnehmungen können insbesondere durch ein fotolithografisches Strukturieren der jeweiligen piezoelektrischen Schicht gebildet werden. Dieser Schritt kann als einer der letzten Fertigungsschritte in einfacher Weise durchgeführt werden. Dabei können mehrere Resonatoren gleichzeitig mit voneinander unterschiedlichen Ausnehmungen versehen werden, so dass verschiedene Verschiebungen der jeweiligen Resonanzfrequenz in einem einzigen Fertigungsschritt realisiert werden kann.

Ferner kann die Filterschaltung auf einem einzigen Chip angeordnet sein. Auf dem Chip können insbesondere zumindest zwei Parallelresonatoren und zumindest zwei Serienresonatoren angeordnet sein.

Ferner kann die Filterschaltung zumindest einen dritten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator und einen vierten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator aufweisen.

Der erste Resonator und der dritte Resonator können als Serienresonatoren seriell mit dem Signalpfad der Filterschaltung verschaltet sein. Der zweite Resonator und der vierte Resonator können als Parallelresonatoren derart mit dem Signalpfad der Filterschaltung verschaltet sind, dass jeweils eine Elektrode der Resonatoren mit dem Signalpfad verbunden ist. Dementsprechend kann die Filterschaltung zumindest zwei Parallelresonatoren und zumindest zwei Serienresonatoren aufweisen.

Der dritte Resonator kann eine dritte piezoelektrische Schicht aufweisen, die derart strukturiert ist, dass der dritte Resonator eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist als der vierte Resonator, wobei die dritte piezoelektrische Schicht durch Ausnehmungen strukturiert ist, die durch die erste piezoelektrische Schicht hindurchlaufen. Insbesondere können alle vier Resonatoren jeweils eine piezoelektrische Schicht aufweisen, wobei diese Schichten jeweils derart strukturiert sind, dass jeder Resonator eine andere Resonanzfrequenz aufweist.

Die piezoelektrischen Schichten des ersten Resonators, des zweiten Resonators, des dritten Resonators und des vierten Resonators können ferner die gleiche Dicke aufweisen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen Querschnitt durch einen Filterchip eines BAW-Resonators des Typs SMR.

2 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen Filterchip eines BAW-Resonators des Typs SMR.

3 zeigt eine Filterschaltung mit einer Ladder-Type Topologie.

4 zeigt eine Filterschaltung, die als Brückenschaltung aufgebaut ist.

5 zeigt ein Diagramm, bei dem die Amplitude der Admittanz für verschiedene Resonatoren in logarithmischem Maßstab aufgetragen ist.

6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer strukturierten piezoelektrischen Schicht in einer Draufsicht auf die xy-Ebene.

7a bis 7f, 8, 9a, 9b, 10 und 11 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von strukturierten piezoelektrischen Schichten, jeweils in einer Draufsicht auf die xy-Ebene.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterschaltung, die mehrere mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren aufweist, die sich in ihren Resonanzfrequenzen voneinander unterscheiden. Bei diesen Resonatoren kann es sich um zumindest zwei Parallelresonatoren, die sich in ihrer Resonanzfrequenz unterscheiden, und/oder um zumindest zwei Serienresonatoren handeln, die sich in ihrer Resonanzfrequenz unterscheiden. Als Serienresonator wird hier ein Resonator bezeichnet, der in einem Signalpfad seriell verschaltet ist. Als Parallelresonator wird hier ein Resonator bezeichnet, dessen eine Elektrode mit einem in dem Signalpfad angeordneten Knoten verschaltet ist und dessen andere Elektrode nicht mit dem Signalpfad verschaltet ist.

1 zeigt einen Chip 1, der zwei Resonatoren aufweist. Der Chip 1 weist einen ersten, mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator 2 und einen zweiten, mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator 3 auf. Bei dem ersten Resonator 2 und dem zweiten Resonator 3 kann es sich beispielsweise um einen ersten Parallelresonator und einen zweiten Parallelresonator einer Filterschaltung handeln. Alternativ kann es sich dem ersten Resonator 2 und dem zweiten Resonator 3 um einen ersten Serienresonator und einen zweiten Serienresonator einer Filterschaltung handeln.

Der erste, mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonator 2 weist eine erste piezoelektrische Schicht 4 auf, die zwischen einer oberen Elektrode 5 und einer unteren Elektrode 6 angeordnet ist. Ferner weist auch der zweite, mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonator 3 eine zweite piezoelektrische Schicht 7 auf, die zwischen einer oberen Elektrode 8 und einer unteren Elektrode 9 angeordnet ist. Die unteren Elektroden 6, 9 sind jeweils auf der zu einem Chipsubstrat 10 hinweisenden Seite der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 4, 7 angeordnet. Die oberen Elektroden 5, 8 sind jeweils auf der von dem Chipsubstrat 10 wegweisenden Seite der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 4, 7 angeordnet.

Der erste und der zweite Resonator 2, 3 weisen eine identische Dicke auf. Insbesondere ist die erste piezoelektrische Schicht 4 genauso dick wie die zweite piezoelektrische Schicht 7. Die erste und die zweite piezoelektrische Schicht 4, 7 können jeweils Aluminiumnitrid aufweisen oder aus Aluminiumnitrid bestehen.

Der erste und der zweite Resonator 2, 3 sind auf einem gemeinsamen Chipsubstrat 10 angeordnet. Das Chipsubstrat weist Silizium auf. Unterhalb der beiden Resonatoren 2, 3 kann ein akustischer Spiegel 11 ausgebildet sein. Der akustische Spiegel 11 weist abwechselnd angeordnete erste Schichten 12 und zweite Schichten 13 auf, wobei die zweiten Schichten 13 sich in ihrer akustischen Impedanz von den ersten Schichten 12 unterscheiden. Der akustische Spiegel 11 besteht beispielsweise aus abwechselnd angeordneten Schichten aus SiO2 und Wolfram.

Die erste piezoelektrische Schicht 4 ist strukturiert. Die piezoelektrischen Schichten 4 wurden in einem fotolithografischen Verfahren strukturiert. Die Strukturierung weist Ausnehmungen 14 auf, die durch die piezoelektrische Schichten 4 hindurch verlaufen. Die Ausnehmungen 14 erstrecken sich dabei in der vertikalen Richtung. Bei den Ausnehmungen 14 handelt es sich hier um Gruben. Bei den Ausnehmungen 14 handelt es sich um röhrenförmige Ausnehmungen mit einem kreisförmigen Durchschnitt. Alternativ oder ergänzend dazu können die Ausnehmungen 14 auch Löcher aufweisen, deren Querschnitt sich in vertikaler Richtung verändert und/oder die sich nicht durch die gesamte Dicke der piezoelektrischen Schichten 4 erstrecken.

In 1 bezeichnet die z-Richtung die Richtung, die durch die Flächennormale der Elektroden 5, 6, 8, 9 bestimmt ist. Diese wird als vertikale Richtung bezeichnet. Die Ausdehnungen 14 erstrecken sich in z-Richtung. Die y-Richtung ist senkrecht zur vertikalen Richtung. Die x-Richtung ist senkrecht zur y-Richtung und senkrecht zur z-Richtung. Sowohl die y-Richtung als auch die x-Richtung werden als laterale Richtung bezeichnet. 1 zeigt den Chip 1 somit in einem Querschnitt durch die x-z-Ebene.

Die Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 4 führt dazu, dass die Resonanzfrequenz des ersten Resonators 2 verschoben wird. Insbesondere wird die Resonanzfrequenz des ersten Resonators 2 umso mehr verringert, desto stärker die erste piezoelektrische Schicht 4 strukturiert ist. Eine stärke Strukturierung ist dabei gleichbedeutend damit, dass mehr Material der ersten piezoelektrischen Schicht 4 entfernt wurde. Durch die Strukturierung der ersten piezoelektrischen Schicht 4 des ersten Resonators 2 weist dieser eine niedrigere Resonanzfrequenz als der zweite Resonator 4 auf.

2 zeigt einen weiteren Chip 1, der sich von dem in 1 gezeigten Chip 1 lediglich dahingehend unterscheidet, dass bei dem in 2 gezeigten Chip 1 auch die zweite piezoelektrische Schicht 7 strukturiert ist. Die zweite piezoelektrische Schicht 7 wurde hier in einem fotolithographischen Verfahren strukturiert. Insbesondere wurden die erste und die zweite piezoelektrische Schicht in einem gemeinsamen Verfahrensschritt fotolithographisch strukturiert. Auch die zweite piezoelektrische Schicht 7 weist Ausnehmungen 14 auf, die sich in vertikaler Richtung durch die zweite piezoelektrische Schicht 7 hindurch erstrecken. Die zweite piezoelektrische Schicht 7 ist weniger stark strukturiert als die erste piezoelektrische Schicht 4, d.h. bei der Strukturierung wurde aus der ersten piezoelektrischen Schicht 4 mehr Material entfernt als aus der zweiten piezoelektrischen Schicht 7. Aus diesem Grund weist der erste Resonator 2 eine niedrigere Resonanzfrequenz auf als der zweite Resonator 3.

Die Ausnehmungen 14 sind sowohl in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als auch in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ungefüllt. In alternativen Ausführungsbeispielen können sie vollständig mit einer Füllschicht gefüllt sein. Alternativ kann lediglich ihre Innenseite mit einer Mantelschicht bedeckt sein. Die Füllschicht und/oder die Mantelschicht können ein Material aufweisen, das ein anomales thermomechanisches Verhalten aufweist. Dieses Material kompensiert das normale thermomechanische Verhalten der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 4, 7. Insbesondere kann sich das Material auf Grund des anormalen thermomechanischen Verhaltens bei Erwärmung versteifen.

Ferner können die Füllschicht und/oder die Mantelschicht die jeweilige piezoelektrische Schicht 4, 7 gegen Umwelteinflüsse schützen. Beispielsweise können die Füllschicht und/oder die Mantelschicht für eine Passivierung sorgen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel können auf dem Chip 1 vier Resonatoren angeordnet sein. Dabei kann es sich um zwei Parallelresonatoren und um zwei Serienresonatoren handeln, die zu einer Filterschaltung miteinander verschaltet sind. Die vier Resonatoren können die gleiche Dicke aufweisen und sich in ihrer Strukturierung jeweils voneinander unterscheiden. Dementsprechend können sie sich in ihren Resonanzfrequenzen voneinander unterscheiden.

3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Filterschaltung 100. Bei der Filterschaltung 100 handelt es sich dabei um eine Ladder-Type Schaltung. Eine solche Schaltung kann entweder als Bandpassfilter oder als Bandsperrfilter konstruiert werden. Zunächst wird eine Ladder-Type Schaltung betrachtet, die ein Bandpassfilter bildet.

Die Ladder-Type Schaltung weist einen Signalpfad 101 mit einem Signalpfadeingang und einem Signalpfadausgang auf. Ein erster Serienresonator 102 ist seriell in dem Signalpfad 101 verschaltet. Ein erster Parallelresonator 103 ist derart verschaltet, dass eine Elektrode des Parallelresonators 103 mit dem Signalpfad 101 verschaltet ist und die andere Elektrode des Parallelresonators 103 über ein Reaktanzelement mit Masse verbunden ist. Der erste Serienresonator 102 und der erste Parallelresonator 103 bilden ein Grundglied 104 der Ladder-Type Schaltung.

Der erste Parallelresonator 103 weist eine niedrigere Resonanzfrequenz auf als der erste Serienresonator 102. Ferner stimmt die charakteristische Durchlassfrequenz des ersten Serienresonators 102 ungefähr mit der Sperrfrequenz des ersten Parallelresonators 103 überein. Damit bildet das Grundglied 104 für sich ein Bandpassfilter. Die rechte Flanke der Dämpfungscharakteristik des Passbands wird maßgeblich von der konkreten Ausgestaltung des ersten Serienresonators 102 bestimmt, während die linke Flanke maßgeblich von der Ausgestaltung des ersten Parallelresonators 103 bestimmt wird. Die Ladder-Type Schaltung ist aus mehreren seriell verschalteten Grundgliedern 104 aufgebaut, wobei jedes Grundglied 104 im Wesentlichen aus einem Serienresonator und einem Parallelresonator besteht. Beispielsweise weist ein zweites Grundglied 104 einen zweiten Serienresonator 105 und einen zweiten Parallelresonator 106 auf.

Der erste Parallelresonator 103 und der zweite Parallelresonator 106 unterscheiden sich in ihrer Resonanzfrequenz voneinander. Der erste Parallelresonator 103 weist eine erste piezoelektrische Schicht auf. Der zweite Parallelresonator 106 weist eine zweite piezoelektrische Schicht auf. Die erste piezoelektrische Schicht des ersten Parallelresonators 103 ist anders strukturiert als die zweite piezoelektrische Schicht des zweiten Parallelresonators 106. Die piezoelektrischen Schichten sind dabei, wie oben beschrieben, mit Ausnehmungen 14 strukturiert, die sich durch die jeweiligen piezoelektrischen Schichten hindurch erstrecken. Durch die unterschiedliche Strukturierung ergeben sich unterschiedliche Resonanzfrequenzen.

Auch der erste Serienresonator 102 und der zweite Serienresonator 105 können sich in ihrer Resonanzfrequenz voneinander unterscheiden. Dieses kann dadurch ermöglicht werden, dass eine erste piezoelektrische Schicht des ersten Serienresonators 102 anders strukturiert ist als eine zweite piezoelektrische Schicht des zweiten Serienresonators 105. Die piezoelektrischen Schichten sind dabei, wie oben beschrieben, mit Ausnehmungen 14 strukturiert, die sich durch die jeweiligen piezoelektrischen Schichten hindurch erstrecken.

Erst die hier beschriebene Verschiebung der Resonanzfrequenz durch das Strukturieren der piezoelektrischen Schichten ermöglicht es, bei einer Filterschaltung 100, die mit akustischen Volumenwellen arbeitende Filter aufweist, die Resonanzfrequenzen der Parallel- und/oder Serienresonatoren 102, 103, 105, 106 in einfacher Weise zueinander zu verschieben. Damit wird es ermöglicht, die Filterfunktion der Filterschaltung 100 zu optimieren. Beispielsweise können die Pole der Parallelresonatoren 103, 106 und die Nullstellen der Serienresonatoren 102, 105 zueinander verschoben werden, so dass die Flankensteilheit der Frequenzcharakteristik der Filterschaltung 100 optimiert werden kann und die Unterdrückung von Signalen, deren Frequenz außerhalb des Passbandes liegt, verbessert wird.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Ladder-Type Schaltung ein Bandsperrfilter ausbilden. Dabei weisen die Serienresonatoren 102, 105 eine niedrigere Resonanzfrequenz auf als die Parallelresonatoren 103, 106. Auch hier können sich die Serienresonatoren 102, 105 und/oder die Parallelresonatoren 103, 106 jeweils untereinander in ihrer Resonanzfrequenz unterscheiden. Dazu können die piezoelektrischen Schichten der Serienresonatoren 102, 105 und/oder der Parallelresonatoren 103, 106 zueinander unterschiedlich strukturiert sein.

4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Filterschaltung 100. Bei der Filterschaltung 100 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine Brückenschaltung. Die Brückenschaltung weist einen ersten Signalpfad 107, der einen ersten Signaleingang mit einem ersten Signalausgang verbindet, und einen zweiten Signalpfad 108 auf, der einen zweiten Signaleingang mit einem zweiten Signalausgang verbindet auf. In dem ersten Signalpfad 107 ist ein erster Serienresonator 102 seriell verschaltet. In dem zweiten Signalpfad 107 ist ein zweiter Serienresonator 105 seriell verschaltet. Ein erster Parallelresonator 103 ist mit einem ersten Knoten, der im ersten Signalpfad 107 zwischen dem ersten Signaleingang und dem ersten Serienresonator angeordnet ist, und mit einem zweiten Knoten verbunden, der im zweiten Signalpfad 108 zwischen dem zweiten Signalausgang und dem zweiten Serienresonator 105 angeordnet ist. Ein zweiter Parallelresonator 106 ist mit einem dritten Knoten, der im ersten Signalpfad 107 zwischen dem ersten Serienresonator 102 und dem ersten Signalausgang angeordnet ist, und mit einem vierten Knoten verbunden, der im zweiten Signalpfad 108 zwischen dem zweiten Serienresonator 105 und dem zweiten Signaleingang angeordnet ist.

Der erste Parallelresonator 103, der zweite Parallelresonator 106, der erste Serienresonator 102 und der zweite Serienresonator 105 sind jeweils mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren, die jeweils eine piezoelektrische Schicht aufweisen, wobei die piezoelektrischen Schichten sich voneinander in ihrer Strukturierung und somit auch in ihren Resonanzfrequenzen unterscheiden.

Die Brückenschaltung kann als Bandpassfilter oder als Bandsperrfilter ausgebildet sein, abhängig davon wie die Resonanzfrequenzen der Resonatoren 102, 103, 105, 106 gewählt werden. 5 zeigt in einem Diagramm die Auswirkungen der Strukturierung auf das Frequenzverhalten eines Resonators 2, 102, 103, 105, 106. Auf der Abszissenachse ist dabei die Frequenz in MHz aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist die Amplitude der Admittanz in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen.

5 zeigt zunächst eine Referenzkurve Kref, die das Frequenzverhalten eines Resonators mit unstrukturierter piezoelektrischer Schicht zeigt. Ferner sind in 5 die Kurven K1, K2, K3 und K4 aufgetragen, die jeweils das Frequenzverhalten eines Resonators mit strukturierter piezoelektrischer Schicht beschreiben, wobei die jeweilige piezoelektrische Schicht hier mit Löchern strukturiert ist und der Durchmesser der Löcher von Kurve K1 zu Kurve K4 jeweils zunimmt.

Es ist 5 zu entnehmen, dass die Resonanzfrequenz und die Antiresonanzfrequenz der Resonatoren 2 durch ein Strukturieren der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 4 nach unten verschoben werden. Dabei ist diese Verschiebung umso größer, je stärker die piezoelektrische Schicht 4 strukturiert ist, d. h. je mehr Material aus der piezoelektrischen Schicht 4 entfernt wurde.

Ferner zeigt 5, dass der Polnullstellenabstand der Resonatoren 2 umso größer wird, je stärker die piezoelektrische Schicht 4 strukturiert ist. Der Polnullstellenabstand eines Resonators 2 ist definiert als Abstand von Resonanzfrequenz und Antiresonanzfrequenz. 6 zeigt eine Draufsicht auf die x-y-Ebene auf eine piezoelektrische Schicht 4, bei der die Ausnehmungen zufällig angeordneten Löcher 15 und Schlitze 16 bilden. Die Löcher 15 und die Schlitze 16 erstrecken sich in vertikaler Richtung durch die piezoelektrische Schicht 4 hindurch. Es kann sich bei der piezoelektrischen Schicht um die erste piezoelektrische Schicht 4 handeln. Wie oben beschrieben, kann die zweite piezoelektrische Schicht 7 entweder unstrukturiert bleiben oder auf ähnliche Weise, aber in geringerem Maße, wie der erste piezoelektrische Schicht 4 strukturiert sein.

Einige Löcher 15 sind mit einer Mantelschicht 17 bedeckt, die ein anomales thermomechanisches Verhalten aufweist. Diese Mantelschicht 17 wirkt dem normalen thermomechanischen Verhalten der piezoelektrischen Schicht 4 entgegen. Hierdurch ist eine teilweise Kompensation, eine vollständige Kompensation oder eine Überkompensation möglich. Auch die Seitenwände der Schlitze 16 könnten mit der Mantelschicht 17 bedeckt werden.

Ferner sind einige der Löcher 15 und einige der Schlitze 16 mit einer Füllschicht 18 aus einem dielektrischen Material, das ein anormales thermomechanisches Verhalten aufweist, gefüllt. Es kann hierzu jedes Material, das ein anormales thermomechanisches Verhalten aufweist, verwendet werden.

Ferner bleiben einige der Löcher 15 und Schlitze 16 frei von der Mantelschicht 17 und der Füllschicht 18.

Die 7a bis 7f zeigen weitere Ausführungsbeispiele einer strukturierten piezoelektrischen Schicht 4. Die 7a bis 7f zeigen die piezoelektrische Schicht 4 dabei in einer Draufsicht auf die x-y-Ebene. Es kann sich auch hier, genauso wie bei den nachfolgenden Figuren, bei der piezoelektrischen Schicht um die erste oder die zweite piezoelektrische Schicht 4, 7 handeln.

Durch die gezeigten piezoelektrischen Schichten 4 erstrecken sich dabei in vertikaler Richtung Ausnehmungen 14. Durch diese Ausnehmungen 14 wird die jeweilige piezoelektrische Schicht 4 zu Blöcken strukturiert. Sind die Ausnehmungen 14 mit einem hinreichend kleinen Durchmesser ausgestaltet, so überlappen sich die Ecken der Blöcke, wie in 7a und 7b gezeigt. Wird der Durchmesser der Ausnehmungen 14 größer gewählt, so ist die piezoelektrische Schicht 4 zu Blöcken strukturiert, die durch Stege miteinander verbunden sind, wie in den 7c bis 7f gezeigt. Bei einigen Ausführungsbeispielen verbindet ein Steg je zwei Blöcke an ihren Ecken, wie in 7d und 7e gezeigt. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Blöcke durch Stege an ihren Seitenflächen miteinander verbunden sind, wie in 7c und 7f gezeigt.

8 zeigt weitere Ausführungsbeispiele einer strukturierten piezoelektrischen Schicht 4, die auch hier in einer Draufsicht auf die x-y-Ebene dargestellt ist. Die in 8 gezeigten piezoelektrischen Schichten 4 sind durch Ausnehmungen 14 mit einem kreisförmigen Durchschnitt strukturiert. In den verschiedenen Abbildungen der 8 weisen die Ausnehmungen 14 unterschiedliche Durchmesser auf. Je größer der Durchmesser der Ausnehmung 14 ist, umso stärker wird die Resonanzfrequenz verringert und umso größer wird der Polnullstellenabstand des Resonators 2.

Die Durchmesser der Ausnehmungen 14 können beispielsweise zwischen 0,2 und 6 µm liegen.

9a und 9b zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele einer strukturierten piezoelektrischen Schicht 4. Die piezoelektrischen Schichten 4 sind in den 9a und 9b ebenfalls in einer Draufsicht auf die x-y-Ebene gezeigt. Die piezoelektrischen Schichten 4 sind jeweils durch Ausnehmungen 14 mit einem kreisförmigen Querschnitt strukturiert. Die piezoelektrischen Schichten 4 sind jeweils derart strukturiert, dass eine Phononic Bandgap Struktur ausgebildet wird. Die Phononic Bandgap Struktur sorgt insbesondere dafür, dass Abstrahlverluste in lateraler Richtung minimiert werden können.

In vertikaler Richtung (z-Richtung) sorgt bei SMR Resonatoren der akustische Spiegel und bei FBAR Resonatoren die freie Randbedingung für Reflexionen der akustischen Welle und sorgt so für eine Verlustminimierung. Ist ferner eine zweidimensionale Phononic Bandgap Struktur ausgebildet, so minimiert diese die Abstrahlverlust in lateraler Richtung.

Die Ausnehmungen 14 sind in Spalten und Zeilen angeordnet, wobei die Spalten in y-Richtung verlaufen. Die Ausnehmungen 14 zweier benachbarter Spalten sind dabei gegeneinander versetzt. Die Ausnehmungen sind derart periodisch zu Spalten angeordnet, dass die Anordnung der Ausnehmungen 14 zweier Spalten, zwischen denen genau eine weitere Spalte angeordnet ist, identisch ist.

Wie in 9a gezeigt, wird mit d2 der Abstand der Mittelpunkte 19, 20 von zwei Ausnehmungen 14 bezeichnet, wobei die erste Ausnehmung 14 in einer ersten Spalte angeordnet ist und die andere Ausnehmung 14 in der unmittelbar benachbarten Spalte angeordnet ist und am nächsten zu der ersten Ausnehmung 14 liegt. Ferner bezeichnet 2d1 den Abstand der Mittelpunkte 21, 22 von zwei Ausnehmungen 14, wobei die erste Ausnehmung 14 in einer ersten Spalte angeordnet ist und die andere Ausnehmung 14 in der nächstgelegenen Spalte mit identischer Ausnehmung-Anordnung liegt und in dieser Spalte am nächsten zu der ersten Ausnehmung liegt. Eine Phononic Bandgap Struktur wird ausgebildet, wenn d1 und d2 folgende Bedingung erfüllen: d2/d1 = √2

Eine Phononic Bandgap Struktur kann auch einfacher bzw. besser mittels anderer Konstruktionsvorschriften erlangt werden. Ein Beispiel dafür ist in der 9b dargestellt. Dabei sind 2d1 und 2d2 wie in der 9b gezeigt definiert. Eine Phononic Bandgap Struktur ergibt sich, wenn d1 und d2 folgende Bedingung erfüllen: d2/d1 = 0,5 × √3

In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer hexagonalen Anordnung.

10 zeigt weitere Ausführungsbeispiele von strukturierten piezoelektrischen Schichten 4, wobei die piezoelektrischen Schichten 4 jeweils zu Blöcken mit hexagonalen oder dodekagonalen Grundflächen strukturiert sind. In einigen der gezeigten Ausführungsbeispiele gehen diese Blöcke ineinander über, in anderen Ausführungsbeispielen sind sie über Stege miteinander verbunden. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer strukturierten piezoelektrischen Schicht 4. Die piezoelektrische Schicht ist zu Blöcken mit einer quadratischen Grundfläche strukturiert. Die Seitenflächen der Blöcke sind über Stege miteinander verbunden, wobei die Stege eine Breite haben, die der Seitenlänge der Blöcke entspricht.

Bezugszeichenliste

1
Chip
2
erster Resonator
3
zweiter Resonator
4
erste piezoelektrische Schicht
5
obere Elektrode
6
untere Elektrode
7
zweite piezoelektrische Schicht
8
obere Elektrode
9
untere Elektrode
10
Chipsubstrat
11
akustischer Spiegel
12
erste Schicht des akustischen Spiegels
13
zweite Schicht des akustischen Spiegels
14
Ausnehmung
15
Loch
16
Schlitz
17
Mantelschicht
18
Füllschicht
19
Mittelpunkt
20
Mittelpunkt
21
Mittelpunkt
22
Mittelpunkt
100
Filterschaltung
101
Signalpfad
102
erster Serienresonator
103
erster Parallelresonator
104
Grundglied
105
zweiter Serienresonator
106
zweiter Parallelresonator
107
erster Signalpfad
108
zweiter Signalpfad