Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein BAW-Filter mit Leiterstruktur (BAW=Bulk Acoustic Wave), das eine erste BAW-Vorrichtung als Serienelement und eine zweite BAW-Vorrichtung als Parallelelement enthält.
BAW-Resonatoren finden aufgrund ihrer hohen Resonanzfrequenz und ihrer hohen Güte insbesondere im Mobilfunk weite Verbreitung. Die einfachste Ausführung eines BAW-Resonators weist eine dünne Schicht aus piezoelektrischem Material auf, das zwischen zwei Metallelektroden angeordnet ist. Übliche piezoelektrische Materialien sind beispielsweise Aluminiumnitrid (A1N) oder Zinkoxid (Zn0) .
Wird ein elektrisches Feld zwischen der ersten Elektrode T und der zweiten Elektrode B des BAW-Resonators 30 angelegt, so expandiert oder kontrahiert der BAW-Resonator 30 mechanisch aufgrund des reziproken bzw. inversen piezoelektrischen Effektes, wobei der Fall Expansion oder Kontraktion, wie oben erwähnt, von der Polarisation des piezoelektrischen Materials abhängt. Das bedeutet, wird das elektrische Feld umgekehrt zwischen T- und B-Elektrode angelegt, tritt der umgekehrte Fall ein. Im Fall eines Wechselfeldes wird in der Piezo-Schicht 32 eine akustische Welle erzeugt, die sich je nach Ausführung des BAW-Resonators beispielsweise als Longitudinalwelle parallel zu dem elektrischen Feld oder als Transversalwelle quer zu dem elektrischen Feld ausbreitet und beispielsweise an der Grenzfläche der Piezo-Schicht 32 reflektiert wird. Dabei treten immer dann Resonanzzustände bzw. akustische Resonanzschwingungen auf, wenn die Dicke d der Piezo-Schicht 32 gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge λ der akustischen Wellen ist. Die Grundresonanzfrequenz, also die kleinste Resonanzfrequenz fres, ist dann umgekehrt proportional zu der Dicke d der Piezo-Schicht 32. Daß heißt, der BAW-Resonator schwingt mit der von extern vorgegebenen Frequenz.
Die piezoelektrischen Eigenschaften und damit auch die Re-"sonanzeigenschaften eines BAW-Resonators hängen von verschiedenen Faktoren ab, z.B. von dem piezoelektrischen Material, dem Herstellungsverfahren und der dem BAW-Resonator bei der Herstellung eingeprägten Polarisation und der Größe der Kristalline ab. Insbesondere die Resonanzfrequenz aber hängt, wie erwähnt, von der Dicke d der Piezo-Schicht ab.
Wie oben erwähnt, weisen BAW-Resonatoren eine elektrische Polarisation auf. Dabei hängt die Richtung der mechanischen Verformung, Extraktion oder Kontraktion, des BAW-Resonators von der Richtung des an der ersten- Elektrode T und der zweiten Elektrode B angelegten elektrischen Feldes und der Richtung der Polarisation des BAW-Resonators 30 ab. Sind die Polarisation des BAW-Resonators und die Richtung des elektrischen Feldes gleich gerichtet, kontrahiert der BAW-Resonator 30 beispielsweise, während wenn die Polarisation des BAW-Resonators 30 und die Richtung des elektrischen Feldes entgegengesetzt gerichtet sind, der BAW-Resonator 30 expandiert.
BAW-Resonatoren sind in verschiedensten Konfigurationen bekannt. Typischerweise unterscheidet man sogenannte FBAR (FBAR = Film Bulk Acoustic Resonator) und SMR (SMR = Solidly Mounted Resonator). Darüber hinaus sind nicht nur BAW-Resonatoren mit einer Piezo-Schicht 32 sondern auch BAW-Resonatoren mit mehreren Piezo-Schichten bekannt.
BAW-Resonatoren werden beispielsweise für Filter eingesetzt.
Ein Problem bei beispielsweise Filterschaltungen ist die thermische Belastung der BAW-Resonatoren. Dieses Problem kann jedoch beispielsweise durch die Methode des "Kaskadierens" von BAW-Resonatoren gelöst werden, und wird bei BAW-Bauelementen viel genutzt. Unter Kaskade soll im folgenden eine Kette bzw. Serienschaltung von Schaltelementen verstanden werden. Ein BAW-Resonator mit der statischen Kapazität C wird durch eine Kaskade von zwei BAW-Resonatoren ersetzt, die jeweils eine statische Kapazität von 2C haben, so dass die Gesamtkapazität wieder C beträgt. Im Grundsatz hat solch ein kaskadierter BAW-Resonator dieselben Impedanzeigenschaften wie ein einzelner entsprechender BAW-Resonator. Die hauptsächliche Motivation für das Kaskadieren ist, wie zuvor erwähnt, die thermische Belastung von BAW-Resonatoren um einen Faktor 4 zu reduzieren, wobei die Reduzierung der thermischen Belastung daraus resultiert, dass ein kaskadiertes Paar von BAW-Resonatoren mit der statischen Kapazität 2C um einen Faktor 4 größer als ein einzelner entsprechender BAW-Resonator mit der statischen Kapazität C ist.
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Ein weiteres Problem liegt darin, dass bei BAW-Bauelementen beispielsweise BAW-Resonatoren, BAW-Filtern oder BAW-Antennenduplexern, die direkt an der Antenne eines Mobilfunksystems betrieben werden, ein nichtlineares Verhalten zu beobachten ist. Dieses Problem tritt beispielsweise bei BAW-Antennenduplexern auf, wenn die Sendeleistungspegel 0,1 W überschreiten.
Ein Nebeneffekt des oben genannten Kaskadierens ist nun, dass die Energiedichte auch um einen Faktor 4 geringer ist und damit nichtlineare Effekte bei einem kaskadierten Resonator um 6 DB reduziert sind.
Allerdings besteht ein großer Nachteil des Kaskadierens darin, dass das Kaskadieren die Größe des BAW-Bauelements erheblich erhöht, wenn dies für alle BAW-Resonatoren eines Filters gemacht wird. Es ist im allgemeinen unmöglich, das Kaskadieren für alle Resonatorzweige eines Filters zu nutzen, üblicherweise wird das Kaskadieren nur für die kleinsten BAW-Resonatoren im direkten Signalweg angewendet, beispielsweise den Serienresonatoren 48, 50, 52 in einem Filter mit Leiterstruktur gemäß
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein BAW-Filter mit Leiterstruktur anzugeben, in dem BAW-Vorrichtungen verwendet werden, die es ermöglichen, die nichtlinearen Eigenschaften von BAW-Resonatoren zu reduzieren ohne die Abmessungen des BAW-Resonators wesentlich zu vergrößern.
Diese Aufgabe wird durch ein BAW-Filter mit BAW-Vorrichtungen nach Patentanspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein BAW-Filter mit BAW-Vorrichtungen mit einem ersten BAW-Resonator und einem zweiten BAW-Resonator, die zueinander antiparallel geschaltet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass die hauptsächlichen Effekte bei dem nichtlinearen Verhalten die Erzeugung einer ausgeprägten zweiten harmonischen Welle bzw. ersten Oberwelle in dem Ausgangsspektrum des BAW-Antennenduplexers sowie Intermodulationseffekte sind. Die Hauptursache für die Nicht-Linearität liegt in der sehr hohen Energiedichte, die bei diesen Leistungspegeln in allen aktiven Schichten des BAW-Bauelements zu finden ist, so dass der Piezoeffekt selbst nicht mehr länger einer rein linearen Beziehung zwischen der Verformung bzw. Beanspruchung (stress) und dem elektrischen Feld folgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Oberwellen der zwei BAW-Resonatoren aufgrund der antiparallelen Verschaltung, d.h. ihrer Parallelschaltung mit zueinander umgekehrter Polarisierung, und der daraus resultierenden Umkehrung des Vorzeichens der angelegten Spannungen bzw. der daraus resultierenden Phasenverschiebungen zwischen den angelegten Spannungen reduzieren und im Idealfall bei entsprechender Dimensionierung auslöschen, so dass nichtlineare Effekte reduziert bzw. ausgelöscht werden.
Genauer ausgedrückt berücksichtigt die vorliegende Erfindung, dass für kleine Spannungen bzw. elektrische Felder eine Verformung des BAW-Resonators proportional zu dem die Verformung erzeugenden elektrischen Feld ist und umgekehrt. Für größere Spannungen bzw. elektrische Felder ist das Verhältnis zwischen dem elektrischen Feld und der dadurch erzeugten Verformung jedoch nicht mehr proportional zueinander, d.h. es wird nichtlinear. Folgende Beobachtungen und Überlegungen führten dies aufgreifend zu der vorliegenden Erfindung.
Zunächst basiert die Erfindung auf der neuartigen Beobachtung, dass der hauptsächliche Mechanismus, der die Abweichung des BAW-Resonators von dem linearen Verhalten verursacht, die Verschiebung der Resonanzfrequenz bei Vorhandensein einer Vorbeanspruchung (bias-stress) bzw. einer zusätzlichen Beanspruchung ist. Diese Vorbeanspruchung kann mechanischer oder elektrischer Natur sein und bewirkt eine Beanspruchungsversteifung (stress stiffening). Diese Beanspruchungsversteifung kann nicht durch lineare Piezo-Gleichungen beschrieben werden.
Die Vorbeanspruchung kann beispielsweise durch mechanischen Druck auf die Piezo-Schicht aber auch durch hohe Spannungen insbesondere durch große Gleichspannungen, die über die Piezo-Schicht angelegt werden, verursacht werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Resonanzfrequenz sich fast linear auf und ab verändert, während die Gleichspannung in einem weiten Bereich von hohen negativen Spannungen zu hohen positiven Spannungen variert bzw. gewobbelt wird. Dieser Effekt wird VCF-Effekt (VCF = Voltages Coefficient of Frequency, Frequenzspannungskoeffizient) genannt. Dabei ist die Verschiebung der Resonanzfrequenz des BAW-Resonators bezüglich der Richtung der Verschiebung von beispielsweise dem Vorzeichen der Gleichspannung abhängig und bezüglich des Betrags der Verschiebung von dem Betrag der Spannung abhängig. Die Werte für die Frequenzänderung, die für die Aluminiumnitrid basierten BAW-Resonatoren bei 2 Gigahertz gemessen wurden, lagen beispielsweisein in einem Bereich von 20 ppm/V. Für hohe Amplituden von Hochfrequenzsignalen wird diese Belastungsversteifung nun relevant und erzeugt einen starken Anteil bzw. Ton bei dem zweifachen der Frequenz des Erregersignals bzw. Eingangssignals. Hochfrequenzmessungen an dem gleichen, obengenannten BAW-Resonatoren zeigten, dass die reflektierte Leistung eine zweite, harmonische bzw. erste Oberwelle aufwies, die sich bei einer Grundwelle von +30 dBm in einem Bereich von -10 dBm befand.
Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Simulationsmodell realisiert, das den VCF-Effekt berücksichtigt, mit dem Fazit, dass der VCF-Effekt das nichtlineare Verhalten der BAW-Resonatoren dominiert bzw. maßgeblich beeinflusst und der Schlüssel für eine verbesserte Leistungsfähigkeit ist. Da der VCF-Effekt durch Wechsel des Vorzeichens der angelegten Spannung invertiert werden kann, ist es auch möglich, die Auswirkung des VCF-Effekts auf einen Resonator zu kompensieren, indem derselbe in zwei Bereiche gleicher Größe unterteilt wird und diese zwei Bereiche mit invertierter Phase betrieben werden, in dem nämlich ein BAW-Resonator mit einer statischen Kapazität C in zwei Bereiche unterteilt wird, wobei beide Bereiche eine statische Kapazität von C/2 haben und die zwei Bereiche in antiparalleler Konfiguration betrieben bzw. geschaltet werden, so dass sie sich wie ein BAW-Resonator der statischen Kapazität C verhalten, der jedoch erheblich reduzierte Nicht-Linearität zeigt, weil der VCF-Effekt der zwei Bereiche sich auslöscht. Die Oberschwingungen der erfindungsgemäßen BAW-Vorrichtung bzw. der zwei antiparallel geschalten BAW-Resonatoren überlagern sich, schwächen sich gegenseitig ab und löschen sich bei entsprechender Dimensionierung ganz aus.
Erfindungsgemäß wird ein BAW-Filter mit Leiterstruktur mit BAW-Vorrichtungen geschaffen, die zwei antiparallel geschaltete BAW-Resonatoren aufweisen, und gegenüber entsprechenden, herkömmlichen BAW-Resonatoren verbesserte Eigenschaften, d.h. reduzierte nichtlineare Eigenschaften bzw. reduzierte Oberschwingungen aufweisen.
Erfindungsgemäß können damit Filterschaltungen verbessert werden, indem anstelle von BAW-Resonatoren erfindungsgemäße BAW-Vorrichtungen verwendet werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen zwei BAW-Resonatoren auf, deren Resonanzfrequenz den gleichen Wert hat und die einen gleichen VCF aufweisen, deren Resonanzfrequenz also aufgrund des VCF-Effektes eine Verschiebung in die gleiche Richtung und um den gleichen Betrag erfährt. Durch eine derartige Abstimmung wird gewährleistet, dass die Oberschwingungen der beiden den gleichen Frequenzwert aufweisen.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die BAW-Vorrichtungen darüber hinaus zwei BAW-Resonatoren auf, die nicht nur die gleiche Resonanzfrequenz und den gleichen VCF haben, sondern auch die gleiche Impedanz und insbesondere die gleiche statische Kapazität aufweisen, so dass die Amplituden der Oberwellen der antiparallel geschalteten BAW-Resonatoren gleich groß sind und sich somit die ersten Oberschwingungen gegenseitig auslöschen.
Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele haben damit den großen Vorteil, dass sie die Linearität der BAW-Vorrichtung verbessern und die Erzeugung von Oberschwingungen erheblich reduzieren bzw. auslöschen ohne die räumlichen Anforderungen des BAW-Bauelements zu erhöhen.
Im Gegensatz zu der Kaskadierungsmethode erhöht sich erfindungsgemäß der für ein Filter benötigte Gesamtbereich nur geringfügig. Diese Methode ist daher höchst vorteilhaft für Filter in denen die BAW-Resonatorzweige zu groß für eine Kaskadierung sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Die BAW-Vorrichtung besteht also aus einem antiparallel geschalteten BAW-Resonatorpaar.
Der erste BAW-Resonator 72 und der zweite BAW-Resonator 74 weisen dieselbe Kapazität, z.B. C/2 auf, so dass die BAW-Vorrichtung insgesamt als ein BAW-Resonator mit der Kapazität C wirkt, der jedoch gegenüber einem entsprechenden, üblichen BAN-Resonator der Kapazität C wesentlich reduzierte nichtlineare Eigenschaften und damit ein verbessertes Signalübertragungsverhalten bzw. Frequenzverhalten aufweist.
Wie zuvor im Stand der Technik dargestellt, gibt es verschiedenste Ausführungen von BAW-Resonatoren. So können die BAW-Resonatoren 72, 74 alternativ auch mehrere Piezo-Schichten aufweisen, auch wenn
Ungeachtet des in
Alternativ können die BAW-Resonatoren 72, 74, 104, 106, 108 auch andere Kapazitäten als C/2 aufweisen.
Ungeachtet der zuvor dargestellten bzw. erläuterten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele, kann die erfindungsgemäße BAW-Vorrichtung prinzipiell auf alle BAW-Resonatorausführungen angewendet werden, so beispielsweise auch auf BAW-Resonatoren mit mehreren Piezo-Schichten, auf BAW-Resonatoren des Typs FBAR oder SMR, auf BAW-Resonatoren, deren Polarisation nicht parallel zu den Elektroden ausgerichtet ist oder bei denen beide Elektroden auf der gleichen Seite der Piezo-Schicht angeordnet sind.
Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele ermöglichen daher auf effiziente und platzsparende Weise in BAW-Filtern oder BAW-Duplexer anstelle von BAW-Resonatoren BAW-Vorrichtungen so einzusetzen, dass deren Frequenzeigenschaften verbessert werden bzw. deren Nicht-Linearitäten verringert werden.
Darüber hinaus können erfindungsgemäße BAW-Vorrichtungen nicht nur zwei BAW-Resonatoren sondern auch mehrere BAW-Resonatoren aufweisen, die antiparallel geschaltet sind. Zusammenfassend kann daher gesagt werden, dass erfindungsgemäße BAW-Vorrichtungen es ermöglichen, nichtlineare Effekte in BAW-Filtern zu reduzieren bzw. auszulöschen, in dem antiparallel geschaltete Resonatorenpaare oder Resonatorengruppen in diesen Filtern eingesetzt werden. Diese antiparallel geschalteten Resonatorenpaare oder Resonatorengruppen ermöglichen eine erhebliche Reduzierung der nichtlineare Effekte bzw. verringern die Erzeugung von harmonischen bzw. Oberschwingungen erheblich ohne jedoch die Abmessungen der BAW-Bauelemente im Filter oder die Kosten für die BAW-Bauelemente im Filter zu erhöhen.
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