專利名稱：調整一個平衡濾波器和多個平衡濾波器的中心頻率的方法
技術領域：
本發明總的涉及無線通信設備的諧振器結構，特別是體聲波(bulk acoustic wave)濾波器結構。具體地，本發明是關于平衡的射頻濾波器結構。
移動電信正在繼續朝著更小的和更復雜的手持單元方向發展。這種發展導致對于移動通信裝置中使用的元件和結構小型化的日益增長的需要。這種發展也關系到射頻(RF)濾波器結構，盡管要求它越來越小型化，它應當仍然能夠承受相當大的功率電平并且具有非常陡的通帶邊緣以及低的損耗。
現有技術的移動電話中使用的RF濾波器通常是分立的聲表面波(SAW)或陶瓷濾波器。聲表面波(SAW)諧振器典型地具有類似于
圖1所示的結構。聲表面波諧振器利用固體表面的聲表面振動模式，在該模式中振動被約束在固體的表面，離開表面很快地衰減。SAW諧振器典型地包括壓電層100和兩個電極122，124。用SAW諧振器可以產生各種諧振器結構，諸如濾波器。SAW諧振器的優點是具有非常小的體積，但不幸地，不能承受高功率電平。
已經知道可以在半導體晶片(諸如硅(Si)或砷化鎵(GaAs)晶片)上構建薄膜體聲波諧振器。例如，在K.M.Lakin和J.S.Wang的題目為“Acoustic Bulk Wave Composite Resonators(體聲波復合諧振器)”，Applied Physics Letters，Vol.38，No.3，pp.125-127，Feb.1，1981的論文中揭示了體聲波諧振器，它包括被濺射在薄的硅膜片上的氧化鋅(ZnO)薄膜壓電層。而且，在Hiroaki Satoh，Yasuo Ebata，Hitoshi Suzuki，和Choji Narahara的，題目為“AnAir-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator(空氣隙類型壓電復合薄膜諧振器)”，I5 Proc.39thAnnual Symp.Freq.Control，pp.361-366，1985的論文中揭示了具有橋式結構的體聲波諧振器。
圖2顯示具有橋式結構的體聲波諧振器的一個例子。該結構包括被沉積在基片200上的薄膜片130。諧振器還包括在薄膜片上的底部電極110、壓電層100、和頂部電極120。在膜片與基片之間通過從頂部一側光刻掉某些基片造成一個縫隙。縫隙起到聲隔離器作用，特別是隔離振動諧振器結構與基片。
體聲波(BAW)諧振器還沒有廣泛使用，部分原因是由于還沒有能給出方便地組合這樣的諧振器與其它電路的方法。然而，BAW諧振器比起SAW諧振器來說具有某些優點。例如，BAW結構具有更好的對高功率電平的耐受能力。
下面首先描述幾種類型的BAW諧振器。
體聲波諧振器典型地被制作在硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、玻璃、或陶瓷基片上。可使用的另一種陶瓷基片是鋁土(alumina)。BAW器件典型地是通過使用各種薄膜制造技術而被制造的，例如濺射、真空蒸發或化學蒸氣沉積。BAW器件利用壓電薄膜層以便產生體聲波。典型的BAW器件的諧振頻率是在0.5GHz到5GHz范圍內，這取決于器件的體積和材料。BAW諧振器呈現典型的晶體諧振器的串聯和并聯諧振。諧振頻率主要由諧振器的材料和諧振器的各層的尺度決定。
典型的BAW諧振器包含三個基本單元-聲有源壓電層，-在壓電層的相反面上的電極，以及-與基片的聲隔離。
壓電層例如可以是ZnO，AlN，ZnS或任何其它可被制成為薄膜片的壓電材料。作為另一個例子，可以使用鐵電陶瓷作為壓電材料。例如，可以使用PbTiO3和Pb(ZrxTi1-x)O3以及所謂的鉛鑭鋯鈦族的其它成員。
優選地，構成電極層所使用的材料是具有高的聲阻的導電材料。電極例如可以包括任何適當的材料，諸如鎢(W)，鋁(Al)，銅(Cu)，鉬(Mo)，鎳(Ni)，鈦(Ti)，鈮(Nb)，銀(Ag)，金(Au)，和鉭(Ta)。基片典型地由Si，SiO2，GaAs或陶瓷材料組成。
聲隔離可以通過以下方法來產生-基片開通孔，-微機械橋路結構，或-聲鏡面結構。
在通孔和橋路結構中，聲反射層是器件上和下方的空氣界面。橋路結構典型地通過使用被蝕刻的犧牲層以產生自由站立結構來制造。使用犧牲層使得有可能使用各種基片材料，因為基片不需要像在通孔結構那樣修改太多。橋路結構也可以通過使用蝕刻凹坑結構來產生，在這種情況下，凹坑必須被蝕刻在BAW諧振器下面的基片或材料層上，以便產生自由站立的橋路結構。
圖3顯示各種產生橋路結構的方式的一個例子。在沉積BAW結構的其它層以前，犧牲層135首先被沉積和形成圖案。BAW結構的其余部分被部分地沉積在犧牲層135的上部以及形成圖案。在完成了BAW的其余部分以后，犧牲層135被蝕刻掉。圖3也顯示了基片200、膜片層130、底部電極110、壓電層100、和頂部電極120。犧牲層可以通過使用金屬或聚合物作為材料來實現。
在通孔結構中，通過蝕刻掉在BAW諧振器結構的主要部分下面的基片，使得諧振器與基片形成聲隔離。圖4顯示了BAW諧振器的通孔結構。圖4顯示了基片200、膜片層130、底部電極110、壓電層100、和頂部電極120。通孔211被蝕刻成穿過整個基片。由于所需要的蝕刻，通孔結構通常只在Si或GaAs基片時實現。
隔離BAW諧振器與基片的另一種方法是通過使用聲鏡面結構。聲鏡面結構通過把聲波發射回諧振器結構而實現隔離。聲鏡面典型地包括幾層具有中心頻率的四分之一波長厚度的層，另一些具有不同聲阻抗的層。在聲鏡面中的層的數目典型地是奇數，典型的范圍是從3到9。兩個接連的層的聲阻抗的比值應當很大，以便對BAW諧振器呈現盡可能低的聲阻抗，與基片材料的相當高的阻抗不相同。在厚度為四分之一波長的壓電層的情況下，鏡面層被選擇為使得對于諧振器呈現盡可能高的聲阻抗。美國專利5 373 268揭示了這一點。高阻抗層的材料例如可以是金(Au)，鉬(Mo)，或鎢(W)，以及低阻抗層的材料例如可以是硅(Si)，多晶硅(poly-Si)，鋁(Al)，或聚合物。由于在利用聲鏡面的結構中，諧振器與基片相隔離，以及基片不被修改太多，很多種材料可被用作為基片。聚合物層可以由具有低損耗特性和低聲阻抗的任何的聚合物材料組成。優選地，聚合物材料是能夠經受至少350℃的材料，因為在沉積聲鏡面結構和其它結構的其它層期間可能達到相當高的溫度。聚合物層可以由聚酰亞醇(poiyimide)，環辛烯(cyclotene)，基于碳的材料，基于硅的材料或任何其它適當的材料組成。
圖5顯示在聲鏡面結構的上部的SAW諧振器的例子。圖5顯示了基片200、底部電極110、壓電層100、和頂部電極120。聲鏡面結構150在本例中包括三層150a，150b。兩層150a由第一材料構成，在這兩層之間的第三層150b由第二層材料構成。第一和第二材料，如前所述，基于不同的聲阻抗。材料的次序可以改變。例如，高聲阻抗的材料可以處在中間，以及低聲阻抗的材料可以處在兩邊，或反過來。底部電極也可被用作為聲鏡面的一個層。
圖6顯示BAW諧振器結構的另一個例子。圖6所示的BAW諧振器是具有兩層壓電層100的堆疊的諧振器結構。除了底部電極110和頂部電極120以外，堆疊的結構需要中間電極115，它被連接到地電位。圖6還顯示膜片層130、基片200和把結構與基片隔離開的蝕刻凹坑210。
圖7a顯示使用體聲波諧振器構建的柵格濾波器結構的電路圖。包含BAW諧振器的柵格濾波器通常被設計成使得四個諧振器的兩個諧振器(即諧振器A)具有比諧振器B高的諧振頻率。典型地，諧振器A的串聯諧振處在或接近于諧振器B的并聯諧振頻率，該頻率是濾波器的中心頻率。諧振頻率上的差別可以與在階梯結構的BAW濾波器中典型實施的相同的方式(即增加B諧振器的一個層的厚度或通過在B諧振器的上部沉積附加的層)而達到。附加層(有時被稱為調諧層)可以是金屬或介質層。圖7b上顯示這樣的柵格結構的配置的例子。典型地，諧振器的體積由濾波器的想要的阻抗大小確定。阻抗大小主要由諧振器的固有的并聯電容C0(即在上部電極與下部電極之間的電容)來確定。
正如在芬蘭專利申請FI982824中說明的，柵格結構的四個諧振器中兩個諧振器可能比起另兩個諧振器具有較大的面積。具有大面積的諧振器可以是圖7a上標記為B的諧振器或是圖7a上標記為A的諧振器。當面積的比值被適當地選擇時，這樣的平衡濾波器的頻率響應在通帶外具有很陡的衰減。這是在許多應用中非常希望的帶通濾波器特性。
在本說明中和特別是在附屬權利要求中，術語諧振器面積是指諧振器的截面積，截面是在幾乎平行于基片表面的平面上截取的，以及該面積由頂部電極和底部電極覆蓋。雖然在圖7a的例子中，四個諧振器的壓電層是分開的，但諧振器的壓電層可以形成單個連續的層。在這種情況下，諧振器的面積基本上由頂部電極和底部電極在出現重疊的位置處的重疊面積確定。
平衡濾波器典型地是帶通濾波器。平衡濾波器的頻率響應基本上是圍繞某個頻率(被稱為中心頻率)對稱的。平衡濾波器典型地被設計成使得它們在中心頻率時的阻抗大小與周圍的電路最佳匹配，換句話說，與端接阻抗最佳匹配。通常，圖7a上標記為A和B的諧振器具有相等的阻抗大小，但有可能通過設計平衡的濾波器結構使得諧振器A和B的阻抗的幾何平均值等于端接阻抗。
通常地，非常重要的是，平衡濾波器具有某個特定的頻率響應和某個特定的阻抗。頻率響應例如規定了濾波器可被使用的射頻頻率。阻抗大小典型地由周圍的電路確定，它通常是50Ω。如果濾波器的阻抗與周圍電路不匹配，則濾波器的頻率響應可能急劇地改變。典型地，在通帶頻率上，濾波器可以衰減太多，以及頻率響應不一定能保持它的形狀。
制造利用BAW諧振器的平衡濾波器的困難在于，當BAW濾波器的壓電層被濺射沉積在基片晶片上時，壓電層的厚度在整個晶片上不均勻。BAW諧振器的諧振頻率主要由壓電材料的聲特性和壓電層的厚度確定。諧振頻率隨壓電層厚度的增加而增加。平衡濾波器的頻率響應和中心頻率取決于濾波器結構中諧振器的諧振頻率。因此，在一個晶片上只有小部分制造的平衡濾波器可以呈現想要的中心頻率和頻率響應。例如，當中心頻率處在1GHz左右時，壓電層的非均勻性可能造成平衡濾波器的中心頻率上大約8MHz的改變。中心頻率的8MHz漂移在某些應用中可能是太大了。
當制造利用BAW諧振器的平衡濾波器時，中心頻率的這個變化會使得產量非常低。有可能采取沉積某些附加層到晶片上、或從晶片上的某些諧振器中去除某些材料的方案。在晶片的某些部分上的BAW諧振器的層結構可以這樣地修改，但這是非常麻煩的，以及涉及額外的處理步驟。
制造出來的平衡濾波器不具有想要的頻率響應的這類問題，對于采用除BAW諧振器以外的諧振器的平衡濾波器也很尖銳。
利用BAW諧振器的平衡濾波器還有涉及環境溫度的問題。利用ZnO的BAW諧振器的諧振頻率典型地呈現-45ppm/℃(百萬分之幾)的溫度系數。這意味著BAW諧振器的諧振頻率隨溫度增加而降低。溫度依賴性至少部分地是ZnO壓電層的熱膨脹的結果。因此，利用BAW諧振器的平衡濾波器的頻率響應是依賴于溫度的。這特別是在需要有大的工作溫度范圍的應用中是非常不方便的。
本發明的目的是給出用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法。本發明的另一個目的是給出一種可應用于中心頻率動態改變的調節方法。優選地，用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法可以在制造平衡濾波器時被應用。
本發明的這些和其它目的是通過在一定的限制范圍內調節平衡濾波器與周圍電路之間的阻抗差而達到的。
按照本發明的方法是一種用于調節包括至少四個諧振器的平衡濾波器的中心頻率的方法，以及該方法包括以下步驟-規定當平衡濾波器被連接到具有某個標稱阻抗的電路時該平衡濾波器的標稱中心頻率，以及該方法的特征在于，它還包括以下步驟-確定當平衡濾波器被連接到具有一定的實際阻抗時該平衡濾波器的實際的中心頻率，-比較平衡濾波器的實際中心頻率與平衡濾波器的標稱中心頻率，以及-根據比較結果，在一定的限制范圍內調節該電路的阻抗與平衡濾波器的阻抗之間的比值。
本發明還涉及在一個確定的基片上的多個平衡濾波器，其中每個平衡濾波器具有一定數目的(至少是四個)互相以一定的方式被連接的諧振器，以及所述多個平衡濾波器的特征在于，-屬于所述多個平衡濾波器的每個平衡濾波器包括至少一個體聲波諧振器，-屬于所述多個平衡濾波器的一個平衡諧振器的體聲波諧振器的總的面積被安排為取決于平衡濾波器在基片上的位置，以及-屬于所述多個平衡濾波器的所有平衡濾波器具有幾乎相同的實際中心頻率。
從屬權利要求進一步描述了本發明的優選實施例。
在按照本發明的方法中，平衡濾波器的中心頻率通過調節周圍電路的阻抗與平衡濾波器的阻抗的比值而被改變。平衡濾波器的頻率響應通常被設計為，當平衡濾波器的阻抗與周圍電路的阻抗具有相同的預定值時，頻率響應以某個標稱中心頻率為中心。當阻抗比值出現少量改變時，中心頻率從標稱中心頻率向更高的頻率(當阻抗比增加時)或更低的頻率(當阻抗比降低時)移動。頻率響應的形狀實際上保持不變。
在按照本發明的方法中，阻抗比值可以通過改變平衡濾波器的阻抗、周圍電路的阻抗、或二者的阻抗而被修改。如果周圍電路的阻抗與平衡濾波器的阻抗的比值太大或太小，則濾波器的頻率響應不保持它的形狀。所以，阻抗比只能在一定的限制范圍內被調節。
本發明的一個優點在于，有可能通過調節例如平衡濾波器的輸入端和/或輸出端處的端接阻抗而補償由于溫度變化引起的平衡濾波器的中心頻率的動態變化。
本發明的另一個優點在于，當變化是靜態和由于平衡濾波器中諧振器的結構缺陷時，有可能補償平衡濾波器的中心頻率的變化。在這種情況下，修改平衡濾波器的阻抗(例如平衡濾波器中的特定的諧振器的阻抗)是有利的。如果平衡濾波器包括體聲波諧振器，則它們的阻抗可通過修改諧振器的面積而被調節。如果平衡濾波器包括聲表面波諧振器，則它們的阻抗可通過修改分支(finger)的數目和或分支的面積而被調節。在利用BAW諧振器的平衡濾波器的事例中，可以作出修改，以使得沉積的圖案局部地被重新畫出。在圖案被設計和產生以后，可以使平衡濾波器的產量增加，而不用在制造過程中增加額外的步驟。按照本發明的方法可被應用于在現有技術范圍內的、利用任何種類的BAW諧振器的平衡濾波器的制造。
基于諧振器單元的、和具有圖7a所示的柵格拓撲的任何平衡濾波器的中心頻率可以按照本發明通過修改周圍電路的阻抗而被調諧。通過修改諧振器的阻抗來補償制造上的非理想性，對于利用BAW諧振器的平衡濾波器多半是最有效的。在這方面，諧振器的面積可被容易地調節。也有可能通過把額外的電容添加到平衡濾波器的結構上而修改濾波器的阻抗，然而這除了能調諧中心頻率以外可能惡化頻率響應。將額外的線圈添加到平衡的諧振器上，使得通過改變濾波器的電感從而也修改濾波器的阻抗，但這里出現的問題除了惡化頻率響應以外可能是線圈的體積。
現在將參照優選實施例和參照附圖，更詳細地描述本發明，其中圖1顯示按照現有技術的聲表面波諧振器，圖2顯示按照現有技術的體聲波諧振器，圖3顯示另一個具有橋路結構的體聲波諧振器，圖4顯示具有通孔結構的體聲波諧振器，圖5顯示通過聲鏡面結構與基片隔離的體聲波諧振器，圖6顯示堆疊的體聲波諧振器，圖7顯示平衡濾波器和平衡濾波器的結構，圖8顯示按照本發明的第一優選實施例的、用于調諧平衡濾波器的中心頻率的方法的流程，圖9顯示改變終端阻抗對于平衡濾波器的頻率響應的影響，圖10顯示按照本發明的第二優選實施例的、用于補償溫度對中心頻率的影響的方法的流程圖，圖11顯示壓電層厚度變化對于利用BAW諧振器的平衡濾波器的頻率響應的影響，圖12顯示圖11所示的頻率響應的放大部分，圖13顯示通過改變諧振器阻抗來補償壓電層厚度變化對于利用BAW諧振器的平衡濾波器的頻率響應的影響，圖14顯示圖13所示的頻率響應的放大部分，圖15顯示用于在制造濾波器時調諧平衡濾波器的中心頻率的方法的流程圖，以及圖16顯示按照本發明的多個平衡濾波器。
以上在說明現有技術時參考了圖1-7。相同的參考數字用于所有圖上的相應的部件。
圖8顯示按照本發明的第一優選實施例的方法800的流程圖。在這個方法中，在步驟801，確定或規定平衡濾波器的標稱中心頻率fc’。這是例如在平衡濾波器的設計過程中的典型的步驟。平衡濾波器的標稱阻抗通常與標稱中心頻率一起被規定。平衡濾波器的標稱阻抗通常與周圍電路的標稱阻抗相同。
在步驟802，確定當具有一定的實際阻抗ZF的平衡濾波器被連接到具有一定的實際阻抗ZIO的周圍電路時的平衡濾波器的實際中心頻率fc。有可能既不是周圍電路的實際阻抗ZIO也不是平衡濾波器的實際阻抗ZF正好等于標稱阻抗。如果方法800被使用于平衡濾波器的設計階段，則在步驟802可以通過仿真來確定平衡濾波器的實際中心頻率。它也可以基于實際地被連接到一定的周圍電路的平衡濾波器的頻率響應的測量結果。
在步驟803，檢驗實際中心頻率fc是否不同于標稱中心頻率fc’。在標稱中心頻率周圍可以有余額(它取決于應用項)，平衡濾波器的實際中心頻率應當落在這個范圍內。實際中心頻率例如由于溫度變化或由于平衡濾波器的實際結構比起設計的結構有改變，可能不同于標稱值。
如果發現濾波器的實際中心頻率fc是不可接受的，則在步驟804確定它是太大還是太小。如果實際中心頻率太小，則在步驟805增加周圍電路的實際阻抗ZIO與平衡濾波器的實際阻抗ZF的比值。平衡濾波器的實際中心頻率取決于這個比值ZIO/ZF。如果平衡濾波器的實際中心頻率太大，則在步驟806減小比值ZIO/ZF。比值ZIO/ZF可以通過調節周圍電路的阻抗、通過調節平衡濾波器的阻抗、或通過調節這二者的阻抗而被修改。
在方法800中，在步驟805和806比值ZIO/ZF的增加或減小可以是根據先前的測量結果。也有可能迭代地改變比值ZIO/ZF以便在步驟805或806每次改變后可執行步驟802。當比值ZIO/ZF對平衡濾波器的中心頻率的影響通過仿真被考查時，這是相當容易的。
圖9顯示通過改變周圍電路的阻抗值ZIO而改變比值ZIO/ZF值的結果。圖9以典型的方式給出濾波器的頻率響應將信號的衰減(S21)作為頻率的函數給出。被考查的平衡濾波器采用四個BAW諧振器，其中壓電層由ZnO制成，并且每個BAW諧振器的面積是108000μm2。濾波器被設計成以50Ω的標稱阻抗運行，即平衡濾波器的阻抗被設計成50Ω，以及周圍電路的阻抗被設計成50Ω(即，50Ω端接阻抗)。當使用50Ω端接阻抗測量濾波器的頻率響應時，中心頻率是大約943MHz。以50Ω測量的頻率響應在圖9上用實線和三角形標記。它是圖9上最右面的頻率響應。
圖9上的另兩條曲線相應于兩個較小的ZIO數值20Ω和35Ω。對于ZIO=35Ω，測量的中心頻率是大約938MHz(圖9上的實線和方塊形)，以及對于ZIO=20Ω，測量的中心頻率是大約933MHz(圖9上只是實線)。正如從圖9上看到的，減小端接阻抗ZIO將會降低中心頻率，但基本上保持被考查的平衡濾波器的頻率響應的原始的形狀。對于端接阻抗20、35、和50Ω，通帶內的衰減值基本上相同。具有約945MHz的中心頻率的平衡濾波器的中心頻率可通過調節端接阻抗ZIO而被減小約10MHz，然而基本上不改變頻率響應的形狀。
在圖9上給出其結果的測量中，平衡濾波器的輸入端口和輸出端口的端接阻抗被改變。如果平衡濾波器后面接連著緩沖級，則有可能改變緩沖級的輸入阻抗，以便例如補償溫度影響。如果濾波器的兩個端口都被改變，則中心頻率的偏移較大，但只改變一個端口阻抗也引起偏移。
在某些情形下，平衡濾波器從一側被驅動為單端接形式的，即，輸入和輸出端口中的一個端口被接地。在這種情況下，如果在平衡側的負載之間的節點不接地，則被耦合端口的端接阻抗的改變也影響中心頻率。
圖9上給出的影響可以在具有圖7a上說明的結構的平衡濾波器中可以觀察到。這并不是一種局限于利用BAW諧振器的平衡濾波器的特性。所以，中心頻率的輕微調諧可以在任何具有圖7a上說明的結構的平衡濾波器上實行。
圖10顯示按照本發明的第二優選實施例的用于補償平衡濾波器的溫度影響的方法1000。與前面的方法800相類似，在第一步驟801，規定平衡濾波器的標稱中心頻率fc’和平衡濾波器的標稱阻抗(以及周圍電路的標稱阻抗)。
這里，假定平衡濾波器的中心頻率是溫度的函數，正如對于利用ZnO壓電層的BAW諧振器的平衡濾波器的情形。在步驟1001，測量環境溫度或直接測量平衡濾波器的溫度(或其上安裝濾波器的電路板的溫度)。在步驟1002，確定在測量的溫度下平衡濾波器的實際中心頻率fc。平衡濾波器的中心頻率的溫度依賴性例如可以在利用平衡濾波器的系統進入運行以前提前進行測量。在這種情況下，可以有一個溫度表格以及對于每個溫度，有一個對應于先前測量的平衡濾波器的中心頻率的項目。在步驟1001和1002，可以測量溫度，以及可以在表格上查找對應的實際中心頻率。在方法1000的步驟803和804，將實際中心頻率fc與標稱中心頻率fc’進行比較，以及如果阻抗比值ZIO/ZF需要被調節，則可以在步驟1003和1004通過改變周圍電路的阻抗ZIO而被完成。
對于-45ppm/℃的溫度系數，中心頻率的10MHz的偏移相應于200℃的溫度改變。然而，補償這么大的溫度變化可能是不實際的。溫度的提高，例如可能增加平衡濾波器的插入損耗，因此惡化濾波器的性能。
圖11顯示各種平衡濾波器的仿真的頻率響應。在仿真中，假定濾波器包括四個BAW諧振器。平衡濾波器可以是如圖7b上給出的。在BAW諧振器中，諧振頻率主要取決于諧振器中的層的厚度以及在層材料中的聲速。
圖11和12中考查的平衡濾波器的差別在于，屬于濾波器結構的四個BAW諧振器中的壓電層厚度被改變。壓電層厚度的改變引起類似的影響，但這里假定，電極層對于所有的五個平衡濾波器具有某個共同的厚度。表1給出對于五個平衡濾波器的每個濾波器的壓電層的厚度。在圖11和12上，每個BAW諧振器的面積是103300m2。
圖11上五條頻率響應曲線具有基本上相同的形狀。圖11上中間的頻率響應曲線相應于BAW諧振器中具有2680nm的壓電層厚度的平衡濾波器。兩條最左面的頻率響應曲線相應于那些其壓電層比對應于中間曲線的平衡濾波器的壓電層要厚出1％(最左的曲線)和0.5％的濾波器。兩條最右面的頻率響應曲線相應于其壓電層比對應于那些中間曲線的平衡濾波器的壓電層要厚出0.5％和1％(最右的曲線)的濾波器。
圖12顯示相同的頻率響應曲線的放大圖。正如從圖12看到的，屬于諸如圖7b說明的濾波器結構的BAW諧振器的壓電層厚度的0.5％的改變對于約943MHz的中心頻率將會引起約4MHz偏移。在圖12上，煩率響應曲線的形狀非常均勻。
圖13顯示另外五個平衡濾波器的仿真的頻率響應曲線。這五個平衡濾波器比起以上考查的那些平衡濾波器稍微作了修改。其差別在于，具有太厚和太薄的壓電層的四個平衡濾波器的阻抗ZF已被修改。這樣，比值ZIO/ZF被修改成可以補償壓電層的厚度變化。在仿真中，阻抗ZIO比是50Ω。在表1上給出了BAW諧振器的面積和相應的諧振器阻抗。
表1
正如圖13上看到的，五條頻率響應曲線幾乎重疊。圖14給出了頻率響應在通帶范圍內的特性的更多的細節。當壓電層的厚度變化通過改變比值ZIO/ZF比而被補償時，五個平衡濾波器的中心頻率處在5MHz內。當與圖12的中心頻率(它們是處在16MHz內)相比較時，這是明顯的改進。
從圖14可以看到，那個阻抗沒有被修改的平衡濾波器的頻率響應(在圖4上標記為ZnO(0％))是最平坦的一條。對于那些具有與標稱值相差±0.5％的壓電層厚度、并且其阻抗稍微修改過的平衡濾波器，圖13的頻率響應曲線表明在943MHz的中心頻率處稍微有一個凹陷。對于具有與標稱值相差±1％的壓電層厚度的、以及其阻抗比標稱值稍微修改的平衡濾波器，在中心頻率處多少有較深的凹陷。實際上，頻率響應形狀上的這些小的變化最多半不會引起任何問題。
在表1的最右面兩列中給出的對于五個平衡濾波器結構的數值是粗略地最佳化的結果。通過BAW諧振器面積的更精細的調節，可以得出甚至更好的結果。
利用BAW諧振器的平衡濾波器通常通過使用薄膜技術來制造的。各種層被一層接一層地沉積在一起，壓電層通常是BAW諧振器結構中最厚的層，它通常被濺射沉積。沉積過程是不理想的，所以，在晶片上出現小的厚度變化。
這些層的厚度變化(特別是那些壓電層的厚度變化)影響BAW諧振器的諧振頻率。諧振頻率又影響平衡濾波器的頻率響應，特別是其中心頻率，正如可以在圖11和12上看到的那樣。
通過例如調節在與濾波器連接的電路中端接阻抗，有可能補償由于壓電層厚度變化引起的中心頻率的移動。也有可能通過把適當的電容或線圈添加到濾波器結構上而調節濾波器的阻抗。加上額外的電容或線圈的問題是它們通常會造成更大的通帶內衰減。
也有可能通過改變平衡濾波器的阻抗ZF而改變比值ZIO/ZF。當補償由于制造引起的變化(例如，由于BAW諧振器的非均勻壓電層厚度、或由于SAW諧振器中非均勻的分支尺寸引起的變化)時，這是非常有利的。
圖15給出按照本發明的第三優選實施例的方法1500的流程圖。通過使用這個方法，有可能補償在設計濾波器時已出現的平衡濾波器的中心頻率的變化。
方法1500從設計步驟801開始，在其中規定平衡濾波器的標稱中心頻率和標稱阻抗。此后，在步驟1501，確定作為晶片上的位置的函數的平衡濾波器的實際中心頻率fc。如果平衡濾波器利用BAW諧振器，則壓電層的厚度變化(當目的是要制造均勻厚度的壓電層時)可以通過使用這樣的晶片來進行研究，在這種晶片中壓電層是通過使用與在制造新的平衡濾波器時要被使用的相同的設備來進行沉積的。壓電層的厚度可以直接例如通過探測沉積的壓電層厚度、或例如通過測量在晶片上以常規方式制作的平衡濾波器的中心頻率而被考查的。
此后在步驟803，將平衡濾波器的實際中心頻率(它是在晶片上的位置的函數)與標稱中心頻率進行比較。在晶片的某些部分，壓電層厚度和最終的實際中心頻率可能是正確的，而不用對濾波器阻抗ZF作任何調整。如果中心頻率小于或大于標稱中心頻率，則最好修改濾波器阻抗(步驟1502，1503)，以便修改比值ZIO/ZF。比值ZIO/ZF的改變導致平衡濾波器的中心頻率改變。降低平衡濾波器的阻抗ZF并同時保持周圍電路的阻抗不變，可以使得實際的中心頻率提高。同樣地，增加平衡濾波器的阻抗ZF使得實際的中心頻率降低。
平衡濾波器的阻抗取決于屬于平衡濾波器的諧振器的阻抗。平衡濾波器的阻抗ZF因此可通過改變諧振器的阻抗而被改變。在BAW諧振器的情況下，諧振器的阻抗主要取決于壓電層的厚度和諧振器的面積。諧振器的厚度是濺射沉積產生的結果，但諧振器的面積可以通過改變頂部和底部電極重疊的面積而容易地被控制。通過改變諧振器的面積，BAW諧振器的阻抗可被改變而不影響BAW諧振器的諧振頻率。
為了降低BAW諧振器的阻抗(即為了補償壓電層太厚所造成平衡濾波器的中心頻率太小)，可以增加諧振器的面積。同樣地，如果壓電層的厚度太小，則可以通過減小諧振器的面積來補償它。諧振器的面積很容易通過適當地設計在生產BAW諧振器的頂部和底部電極時使用的圖案掩膜而進行控制。典型地，存在著一個對于BAW諧振器的標稱值，它相應于壓電層的標稱厚度。如果壓電層厚度和BAW諧振器面積都具有標稱值，則利用BAW濾波器的平衡濾波器的實際中心頻率就是標稱中心頻率。
在一些面積上會出現壓電層比標稱值厚或薄的情況，這是由于濺射沉積設備的特性而造成的，這種情況會隨不同設備而變化。壓電層可能在晶片的中心處最厚，或可能在一個圓周上最厚。在使用同一設備在濺射沉積條件不變的情況下制造壓電層時，壓電層的厚度的變化通常是相同的。通過考查使用某個設備沉積在晶片或其它基片上的壓電層，可以發現壓電層厚度的變化，然后在設計新的平衡濾波器時可以通過按照本發明的方法1500進行補償。
平衡濾波器中的BAW諧振器可以具有不同的面積。例如，圖7a上標記為A的諧振器可以具有一定的面積，而標記為B諧振器可以具有另一個面積。諧振器A和諧振器B的面積的比值例如可以是1.2。這樣的平衡濾波器的頻率響應在通帶以外具有非常陡的衰減斜率。也有可能平衡濾波器的全部四個BAW諧振器都具有不同的面積。這可以是當其上制造平衡濾波器的晶片沒有電絕緣時的情形。
某一個平衡濾波器的BAW諧振器的面積的比值影響平衡濾波器的頻率響應。所以，當為了調節平衡濾波器的阻抗而改變面積時保持面積的比值是有利的。換句話說，在方法1500的步驟1502和1503中，在設計階段把某一個平衡濾波器的BAW諧振器的面積乘以某一個取決于平衡濾波器在基片上的位置的常數是有利的。對于BAW諧振器面積的適當的數值，可以通過在對壓電層的厚度變化或平衡濾波器的中心頻率變化估值以后進行仿真而被找到。
一般，在基片板上可制造大量平衡濾波器。在圖16上，示意地顯示了這樣的基片板1600。每個平衡濾波器構可以成被沉積在同一個基片上的更大的電路的一部分。一旦這些電路或平衡濾波器被制造在基片上，基片就被看作為適當的塊，其中每個塊一般包括一個平衡濾波器或一個包含平衡濾波器的電路。
在基片1600上，具有平衡濾波器1610、1620和1630，它們的阻抗按照本發明來進行調節。在設計階段，規定一個，具有一定數目的諧振器(它們具有確定的諧振頻率)的平衡濾波器以便能獲得想要的頻率響應。對于圖16上作為例子給出的平衡濾波器1610、1620和1630，結構設計被規定為使四個BAW諧振器具有相等的面積。
平衡濾波器1620與基片中心的距離約為晶片半徑的一半，該濾波器包括四個BAW諧振器(1621、1622、1623和1624)，其中每個諧振器具有一定的面積。位于晶片中心的平衡濾波器1610類似地包括具有相等面積的四個BAW諧振器(1611、1612、1613和1614)，但面積大于平衡濾波器1620中的BAW諧振器的面積。平衡濾波器的減小的阻抗可以補償(至少部分地)由太厚的壓電層造成的太低的中心頻率。而且，位于晶片的邊緣的平衡濾波器1630類似地包括具有相等面積的四個BAW諧振器，但面積小于平衡濾波器1620和1610中諧振器的面積。這里平衡濾波器的增加的阻抗可以補償由太薄的壓電層造成的太高的中心頻率。
也可能在平衡濾波器中不是所有的或任意的諧振器是體聲波諧振器。在多個這樣的平衡濾波器中，平衡濾波器中的至少一個諧振器的阻抗可被改變。如果平衡濾波器包括體聲波諧振器，則它的面積可以按適當的方式變化。而且，如果平衡濾波器包括一個以上的體聲波諧振器，則屬于平衡濾波器的體聲波諧振器的總面積可以取決于例如平衡濾波器在基片上的位置。在屬于平衡濾波器的諧振器之間的阻抗比值隨各個平衡濾波器而不同的情況下，頻率響應的形狀也隨不同的平衡濾波器而不同。
通過以上的說明，本領域技術人員將看到，可以在本發明的范圍內作出各種修改。雖然已詳細地描述了本發明的優選實施例，但應當看到，對于它的許多修改和變動是可能的，所有這些都屬于本發明的真正精神和范圍內。
權利要求
1．用于調節包括至少四個諧振器的平衡濾波器的中心頻率的方法(800)，包括以下步驟-規定(801)當平衡濾波器被連接到具有一定的標稱阻抗的電路時該平衡濾波器的標稱中心頻率，其特征在于，它還包括以下步驟-確定(802)當平衡濾波器被連接到具有一定的實際阻抗時該平衡濾波器的實際的中心頻率，-比較(803，804)平衡濾波器的實際中心頻率與平衡濾波器的標稱中心頻率，以及-根據比較結果，在一定的限制范圍內調節(805，806)該電路的阻抗與平衡濾波器的阻抗之間的比值。
2．按照權利要求1的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法(1500)，其特征在于，對平衡濾波器的阻抗進行調節(1502，1503)。
3．按照權利要求2的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法，其特征在于，對平衡濾波器的至少一個諧振器的阻抗進行調節。
4．按照權利要求3的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法，其特征在于，平衡濾波器包括至少一個體聲波諧振器，以及該方法還包括以下步驟-確定(501)具有一定的標稱面積的所述體聲波諧振器的平衡濾波器的實際中心頻率，以及-根據實際中心頻率調節所述體聲波諧振器的面積。
5．按照權利要求4的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法，其特征在于，實際中心頻率是通過確定所述體聲波諧振器的壓電層的厚度而被確定的。
6．按照權利要求4的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法，其特征在于，它還包括以下步驟-將多個平衡濾波器沉積在一定的基片上，每個平衡濾波器具有至少等于4個的一定數目的互相以一定的方式連接的諧振器，每個平衡濾波器至少包括一個體聲波諧振器，以及-通過使用對于屬于所述多個平衡濾波器的所有的平衡濾波器是共同的一定的步驟，處理屬于所述多個平衡濾波器的每個平衡濾波器中的所述體聲波諧振器的層結構，以及，屬于所述多個平衡濾波器的每個平衡濾波器的所述體聲波諧振器的面積是根據平衡濾波器在基片上的位置而被調節的。
7．按照權利要求6的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法，其特征在于，多個平衡濾波器被沉積在一定的圓盤形結構的基片上。
8．按照權利要求2的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法，其特征在于，它還包括把至少一個電容添加到平衡濾波器上的步驟。
9．按照權利要求8的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法，其特征在于，所述電容是可調節的。
10．按照權利要求2的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法，其特征在于，它還包括把至少一個線圈添加到平衡濾波器上的步驟。
11．按照權利要求1的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法(1000)，其特征在于，平衡濾波器通過輸入端口和輸出端口被連接到一個電路，以及至少一個端口是可調節的(1003，1004)。
12．按照權利要求11的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法(1000)，其特征在于，輸入端口的阻抗和輸出端口的阻抗是可調節的。
13．按照權利要求1的用于調節平衡濾波器的中心頻率的方法(1000)，其特征在于，它還包括以下步驟-確定(1001)平衡濾波器的工作溫度，以及-平衡濾波器的實際中心頻率在所述溫度下被確定(1002)，以及-把在所述溫度下平衡濾波器的實際中心頻率與平衡濾波器的標稱中心頻率進行比較(803，804)。
14．在一定的基片(1600)上的多個平衡濾波器(1610，1620，1630)，每個平衡濾波器(1610、1620和1630)具有至少是四個的一定數目的互相以一定的方式被連接的諧振器，其特征在于，-屬于所述多個平衡濾波器的每個平衡濾波器包括至少一個體聲波諧振器(1611，1621，1631)，-屬于所述多個平衡濾波器的平衡諧振器的體聲波諧振器的總的面積被安排成取決于平衡濾波器在基片上的位置，以及-屬于所述多個平衡濾波器的所有平衡濾波器具有基本上相同的實際中心頻率。
15．按照權利要求14的多個平衡濾波器，其特征在于，-每個平衡濾波器包括具有第一面積的、和把第一信號線連接到第三信號線的第一體聲波諧振器(1611、1621和1631)，具有第二面積的、和把第二信號線連接到第四信號線的第二體聲波諧振器(1613、1623和1633)，具有第三面積的、和把第一信號線連接到第四信號線的第三體聲波諧振器(1612、1622和1632)，和具有第四面積的、和把第二信號線連接到第三信號線的第四體聲波諧振器(1614、1624和1634)，以及-所述第一面積、第二面積、第三面積、和第四面積被安排為取決于所述平衡濾波器在基片上的位置。
16．按照權利要求15的多個平衡濾波器，其特征在于，在屬于所述多個平衡濾波器的每個平衡濾波器中，第一面積、第二面積、第三面積、和第四面積的比值基本上是相同的。
17．按照權利要求16的多個平衡濾波器，其特征在于，所述基片基本上是圓盤形的板。
全文摘要
調節包括至少四個諧振器的平衡濾波器的中心頻率的方法(800),其中規定(801)當平衡濾波器被連接到具有某個標稱阻抗時的該平衡濾波器的標稱中心頻率,其特征在于,確定(802)當平衡濾波器被連接到具有某個實際阻抗時的平衡濾波器的實際的中心頻率,把平衡濾波器的實際中心頻率與標稱中心頻率進行比較(803,804),以及根據比較結果,在一定的限制范圍內調節(805,806)電路與平衡濾波器之間的阻抗比值。
文檔編號H03H9/54GK1298271SQ0013429
公開日2001年6月6日 申請日期2000年11月29日 優先權日1999年11月29日
發明者J·埃萊 申請人:諾基亞移動電話有限公司