[发明专利]并联电耦合的双端口谐振器

说明书

公开领域

所公开的实施例针对使用谐振器的宽带滤波器。更具体而言，示例性实施例针对包括并联电耦合的双端口压电谐振器的宽带滤波器设计。

背景

压电谐振器是本领域公知的，其用于将机械能转换为电能，或反之。机械能可以压电材料(诸如AlN、ZnO、PZT等)中振动的形式来表现。该振动可以被转换为期望频率的电信号。压电谐振器得到各种应用。例如，谐振器可用于生成集成电路中的时钟脉冲。压电谐振器还可被配置为在滤波器中使用以选择性地过滤期望频率的信号。

宽带滤波器常用于选择性地允许期望的频率范围/频带穿过该滤波器，而拒绝其他所有频率。相应地，宽带信号的频率响应由在可允许频率范围/频带上的high/on(高/导通)状态以及在剩余频率上的low/off(低/关断)状态表征。期望频率响应在可允许频带上为平滑直线，以使得该滤波器可在均匀放大和最小失真的情况下高效地使该可允许频带通过。

关于单个压电谐振器的频率响应，在该谐振器的特定谐振频率处出现尖峰。参照图1，解说了单个压电谐振器的频率响应。如所示，该频率响应在900MHz的谐振频率附近的频率上逐渐降低。因此，一般而言，孤立的单个压电谐振器只可以理想地适用于使该相应谐振频率通过。

为了评估宽带滤波器设计的品质，在本领域中通常使用某些参数。机电耦合系数(k_t²)是用来表示压电谐振器中的机械能和电能之间的能量转换效率的数字度量的参数。另一个参数品质因子(Q)被用来表征谐振器关于其谐振频率的带宽。一般而言，较高的Q指示较低的能量损耗率。换言之，高Q谐振器展现出谐振频率附近的高幅度以及更好的稳定性。

宽带滤波器的常规设计可包括体声波(BAW)谐振器。BAW滤波器可以通过将具有不同谐振频率的两个或更多个压电BAW谐振器耦合来形成，从而平坦且宽的通带可通过利用几种谐振模式(诸如薄膜体声波谐振器(FBAR)谐振模式)下的大机电耦合系数(k_t²)值来形成。在本领域中公知的梯型滤波器拓扑常用于这种常规BAW滤波器设计。在这些拓扑中，大k_t²的特性将宽带滤波器的设计限制于少量的谐振模式，由此限制了工作频率的范围。为了在单个芯片上实现多个工作频率，已经探索了压电等高线模式谐振器，但是这些设计限于小k_t²的特性。然而，没有对于特定谐振器技术呈现出小k_t²的宽带滤波器的BAW谐振器或滤波器拓扑的已知设计。

进一步，谐振器也基于所引发的振荡相对于所生成的电脉冲方向的方向来表征。现在参照图2，解说了常规压电谐振器——压电谐振器200——的“d31”谐振模式。d31谐振模式是指压电谐振器200的一种激励模式，其中在垂直(Z)方向上施加的电信号导致压电谐振器200用于横向(X)方向上信号生成的谐振振荡。d31模式中的谐振频率由压电谐振器200在横向方向上的尺寸“W”支配。相应地，横断压电系数或即d31系数是与该谐振器的横向尺寸W有关的频率响应特性的度量。

图2中还关于压电谐振器200解说的第二种谐振模式是“d33”谐振模式。d33谐振模式是指一种激励模式，其中在垂直(Z)方向上施加的电信号导致同一方向(即，垂直(Z)方向)上的谐振振荡。相应地，d33模式中的谐振频率由压电谐振器200的垂直尺寸“T”支配。相应地，d33系数是与该谐振器的垂直尺寸T有关的频率响应特性的度量。

关于在d31模式中利用诸如AlN之类的材料的现有技术单个压电谐振器，横断压电系数d31较差，并且通常在相应的d33系数的值的1/3的量级上。相应地，使用AlN的具有横断振动的压电谐振器呈现出差的机电耦合系数k_t²。因此，尽管具有诸如高品质因子Q等特征(这导致低运动电阻和低滤波器插入损耗)，但d31模式谐振器不能理想地适用于宽带滤波器应用。然而，d33模式谐振器也不是理想的，因为d33模式谐振器限于每次制造或每个晶片具有单个工作频率。

关于在d31模式中利用诸如ZnO和PZT等材料的现有技术单个压电谐振器，与如上所述的使用AlN的单个压电谐振器相比，观察到改善的横断压电系数d31和机电耦合系数k_t²。因此，诸如ZnO和PZT等材料可更适用于宽带滤波器应用。然而，由ZnO和PZT形成的谐振器展现出低品质因子Q以及相应的高运动电阻和高滤波器插入损耗。