部件的製作方法
2023-08-09 20:38:21 2
專利名稱：部件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適合高頻應用的部件。
在高頻應用中，一方面使用涉及到機殼的信號，它在專業文獻中大多被稱做單端的信號，並且另一方面，使用差動信號，它在專業文獻中大多被稱做平衡信號。涉及到機殼的信號對機殼電位變化很靈敏。相反，主要使機殼電位保持平衡的差動信號對機殼電位的偏移不靈敏。
在某些高頻應用中，例如移動通信設備的天線和第一放大器級之間，使用涉及機殼的信號，該信號接著被濾波後並變換成差動信號。此外，更多地需要阻抗匹配。
作為高頻信號用的濾波器更多地使用具有壓電層的諧振器，該壓電層設在兩個電極之間(參閱例如1995年IEEE MTT-S Internatonal883-886頁K.M.Lakin等人的文章；1993年IEEE Trans.MicrowaveTheory Techn.，第41卷，第12期，2139-2146頁K.M.Lakin等人的文章；和1996年IEEE Int.Frequency Control Symp.，558-562頁W.W.Lau等人的文章)。如果高頻信號連到兩個電極上，則在壓電層激勵起機械振蕩。用相當於壓電層兩倍厚度的波長形成駐波。這種諧振器阻抗的頻率選擇性可以用於信號濾波。
曾建議採用這種諧振器的不同結構形式(參閱1995年IEEEMTT-S International 883-886頁K.M.Lakin等人的文章)。首先將諧振器只固定在一個載體的邊緣，而有源的諧振器部分設置在一個空腔上部的膜片表面。另外，曾建議用一個空氣隙使有源諧振器部分與襯底隔離，用襯底將諧振器固定在邊緣。最後，曾建議將諧振器設置在反射諧振器放大的波長的一個層序列上面。在這種情況中，諧振器以其全部寬度與底座連接。該層序列具有多個λ/4層，並且起聲反射器的作用。這個諧振器所需位置典型地有200μm×200μm。
這些諧振器都有2個電極，也即，係指在專業文獻中多數被看作是單埠器件的單門裝置。
刊登在1993年IEEE Trans.Microwave Theory Techn.，第41卷，第12期2139-2146頁，由K.M.Lakin等人撰寫的文章中，建議採用雙埠裝置，該裝置在襯底的兩邊均具有一個裝在處於2個電極之間的壓電層。諧振器的一個其它的雙埠裝置在襯底上有2個彼此堆疊在一起的濾波器。對此，在襯底上有一個浮動電極、在上面還有第一壓電層、接地電極、第二個壓電層和2個並排在一起的電極。這個裝置具有很高的插入衰減，儘管堆疊的濾波器作為單埠裝置具有很高的阻帶衰減。由於在雙埠裝置中需要2個壓電層，所以與單埠裝置相比這些裝置費用也提高。
濾波高頻信號的另一種可能就在於使用表面波濾波器，在該濾波器上，2個電極被設置在由壓電材料(石英、鋰-鈮酸鹽)構成的襯底的表面。通過這些電極激勵在襯底表面傳播的表面波。表面波濾波器的通常尺寸為2×3mm2。
本發明以解決提供適合高頻應用的部件的問題為基礎，並且該部件作為多埠裝置可實現要求表面積很小和付出的費用很小。
這個問題可按照權利要求1所述的部件解決。本發明的其它擴展方案由從屬權利要求解決。
該部件具有一個壓電層，該壓電層具有第一電極對和第二電極對。在此，第一電極對具有下面的第一電極和上面的第一電極。第二電極對具有下面的第二電極和上面的第二電極。在此，這上面的第一電極和上面的第二電極設置在壓電層的第一主面。下面的第一電極和下面的第二電極則設置在處於第一主面對面的壓電層的第二主面。上面的第一電極、上面的第二電極、下面的第一電極和下面的第二電極在此均結構化，其中，上面的第一電極結構和上面的第二電極結構以及下面的第一電極結構和下面的第二電極結構均互相交錯。也就是換句話說，上面的第一電極和上面的第二電極的結構以及下面的第一電極和下面的第二電極結構均並排地、優先是交替地排列。
例如，如果高頻信號加在第一電極對，則此信號就引起壓電層的機械振蕩。機械振蕩在整個壓電層形成，也是在這些範圍內形成，即在上面的第一電極或下面的第一電極的相鄰的結構之間，壓電層的表面並未覆蓋有關的電極。通過所謂的反向壓電效應，在第二電極對的下面的第二電極和上面的第二電極之間，這種機械振蕩產生一個高頻信號。
首先，上面的第一電極、上面的第二電極、下面的第一電極和下面的第二電極結構在尺寸上都是如此精細，以致它們具有比機械振蕩的波長小的尺寸，這種機械振蕩在把高頻信號加到第一電極對上時，一方面在上面的第一電極和上面的第二電極之間，以及另一方面在下面的第一電極和下面的第二電極之間將形成。
按照優選的實施方案，上面的第一電極、上面的第二電極、下面的第一電極和下面的第二電極的結構在尺寸上都是如此精細，以致它們具有比上面的電極和下面的電極之間的間隔的兩倍還小的尺寸。這就意味著，這些尺寸比高頻信號的波長小，對此在堆疊的層中形成駐波，並且以此滿足諧振條件。
如果第一電極對的結構比諧振波長更精細，則這種結構將減少對機械振蕩的影響，這種機械振蕩是在將高頻信號加到第一電極對時在整個壓電層形成的。根據這種尺寸，壓電層「看」不到這種結構。通過所謂的反向壓電效應，這種機械振蕩在第二電極對的下面第二電極和上面第二電極之間產生高頻信號。
加在第一電極對的高頻信號和在第二電極對上感應出的高頻信號電流上彼此是不耦合的。這樣，下面的第一電極和上面的第一電極以及下面的第二電極和上面的第二電極電路上可以彼此獨立連接。特別是該部件可將涉及機殼的信號變換成差動信號。對此，第一電極對的下面的第一電極或上面的第一電極被調到機殼電位，而第一電極對的另一電極則加載高頻信號。相反，第二電極對的上面的第二電極和下面的第二電極被調到對機殼電位保持平衡。以這種方式，涉及到機殼的輸入信號被變換成在第二電極對上的差動信號。
該部件以此可同時對輸入信號進行濾波和轉換。此外，經設置有上面的第一電極和下面的第一電極以及上面的第二電極和下面的第二電極的面積，可在一個系統中，在不同的阻抗等級之間進行阻抗匹配。因此，根據阻抗匹配，優選規定第一電極對和第二電極對具有與壓電層平行的不同大小的面積。這樣，在使用該部件時，不僅可實現濾波功能，同時還可實現轉換和阻抗匹配。與那些已知的進行濾波、阻抗匹配和轉換需要許多元件甚至還需要複雜的電路網絡的方案相比，這就意味著節省了面積和經費。
這些結構的尺寸，優選在一個維上至少是介電層厚度的2倍的1/3還小。結構的尺寸越小，則這種結構對形成的機械振蕩或產生的感應信號的影響越小。
具有第一電極對和第二電極對的壓電層不僅可以固定在使支架框中撐開空腔的膜片的表面上，而且可通過與之相連的襯底的空氣隙隔離，而且還可在聲反射鏡層之上實現，該聲反射鏡層阻礙處於下面襯底上的機械振蕩的傳播。
壓電層的厚度應如此確定尺寸，以致在壓電層和相鄰的電極中或在壓電層、相鄰的層，例如一個反射鏡層，和電極中，在部件運行時形成波長為λ的駐波。通常壓電層的厚度為λ/2或是其整數倍。如果在壓電層和相鄰的層中形成駐波，則壓電層的厚度為λ/4或是其奇數倍。
壓電層優先至少具有材料AIN、ZnO、PdZrTiOx(PZT)的一種或各種其它的薄膜壓電材料。在這種情況下，壓電層的厚度在1μm和3μm之間。這種部件則作為濾波器適合400MHz和4GHz之間的頻率範圍。在這種情況下，電極最小尺寸為5μm和1μm之間。
按照本發明的結構方案，上面第一電極、下面第一電極、上面第二電極和下面第二電極均具有一個連接片，許多分結構毗鄰這個連接片，這些分結構與連接片連接。在此，上面第一電極和上面第二電極以及下面第一電極和下面第二電極這樣彼此排列，以致上面第一電極的分結構和上面第二電極的分結構以及下面第一電極的分結構和下面第二電極的分結構交替地排列。
分結構特別可構成指形，以致每個電極都具有梳狀形式，並且上面第一電極和下面第二電極叉指式排列。
分結構的構成另可選擇地可以成為分支狀或樹形。在此，上面電極的分結構不同於下面電極的分結構，其中在上面的電極分結構和下面的電極分結構之間有重疊區。
在激勵機械振蕩時，為有效抑制橫向模式，優選不同地構成部件中分結構尺寸和之間的間隔，其中尺寸和間隔均圍繞一個平均值變化。特別可能的是這樣變化分結構的形式，使其外形不具有直角。
上面第一電極和上面第二電極的連接片可以被調到與下面第一電極和下面第二電極的連接片平行。另可選擇地上面電極的連接片對下面電極的連接片轉一定角度。這具有的優點是各個電極的結構對形成的機械振蕩的影響進一步減弱。
此外，上面電極的結構與下面電極的結構可以不一樣。這種不同不僅關係到結構化形式，而且關係到結構化尺寸。
下面將根據附圖中所述的實施例詳細說明本發明。附圖並非是按比例畫出的。
圖1 示出按本發明所述部件的剖面。
圖2 示出該部件在圖1中用II-II表示的剖面，圖1所示剖面用I-I表示。
圖3 示出本發明所述的部件的俯視圖。
圖4和5 示出上面第一電極結構和上面第二電極以及所屬下面第一電極和下面第二電極的詳圖。
圖6和7 示出上面第一電極和上面第二電極以及所屬下面第一電極和下面第二電極的結構。
圖8和9 示出上面電極或下面電極的不同結構。
在由單晶體矽構成的襯底11上，在由氧化矽構成的載體結構12上，固定由多晶矽構成的膜片13(參閱圖1和圖2)。在此，在襯底11和膜片13之間撐開一個空腔14，其體積為200μm×200μm×1μm。膜片13的厚度為0.4μm。
排列在膜片13的表面上是由金屬如鋁構成的下面第一電極151、和由金屬如鋁構成的下面第二電極152。在下面第一電極151和下面第二電極152的上面安排由AIN、ZnO或PbZrTiO(PZT)材料構成的壓電層16，厚度為2μm。在壓電層16上面安排由金屬如鋁構成的上面第一電極171、和由金屬如鋁構成的上面第二電極172。
下面第一電極151和下面第二電極152分別具有交替排列的指形分結構1511、1521，這就是說下面第一電極151的指形分結構1511和下面第二電極152的指形分結構1521均交替排列(參見圖5)。在空腔14邊緣不僅下面第一電極151而且下面第二電極152各有連接片1512、1522，在該連接片上指形分結構1511、1521彼此連接。下面第一電極151和下面第二電極152的連接片1512、1522安排在空腔14相對的邊上。下面第一電極151的指形分結構1511具有間隔為3μm，並且具有寬1μm和長200μm的矩形橫截面。它們彼此平行排列。指形分結構1511的縱向是與連接片1512的縱向垂直排列。這些尺寸相應地適合於下面第二電極152的分結構1521。下面第一電極151和下面第二電極152厚度為0.4μm。壓電層16至少覆蓋下面第一電極151和下面第二電極152的指形分結構1511、1521。
上面第一電極171和上面第二電極172像下面第一電極151和下面第二電極152的構成類似。它們均具有經連接片1712、1722彼此連接的指形分結構1711、1721(參閱圖3和圖4)。在空腔14上面的區域，交替地排列著上面第一電極171的指形分結構1711和上面第二電極172的指形分結構1721(參閱圖2和3)。上面第一電極171和上面第二電極172的連接片1712、1722都排列在空腔14彼此相對的邊緣上。上面第一電極171和上面第二電極172的連接片1712、1722都平行於下面第一電極151和下面第二電極152的連接片1512、1522延伸(參閱圖4和圖5)。
上面第一電極171和下面第一電極151構成第一電極對，上面第二電極172和下面第二電極152構成第二電極對。在部件運行中用輸入信號給第一電極對加負載，該輸入信號在壓電層中激勵起機械振蕩。這個機械振蕩在第二電極對中感應產生輸出信號。
如果輸入信號是一個以機殼電位作參考的信號(單端信號)，則下面第一電極151被置於機殼電位，並且上面第一電極171被置於以機殼電位作參考的信號。於是，在下面第二電極152和上面第二電極172之間，則可以取出一個差動信號(平衡信號)，該信號對機殼電位是平衡的。
在另一個實施例中，部件設置有上面第一電極21和上面第二電極22、下面第一電極23和下面第二電極24，下面將用圖6和圖7說明其結構和相互排列。該部件的結構此外相當於圖1至圖5所述的部件的結構。上面第一電極21和上面第二電極22均具有指形分結構211、221，它們通過連接片212、222彼此連接。下面第一電極23和下面第二電極24同樣具有指形分結構231、241，它們均通過連接片232、242彼此連接。
上面第一電極21和上面第二電極22以及下面第一電極23和下面第二電極24的指形分結構211、221、231、241，均具有一個橫截面，該橫截面交替地含有菱形部分2111、2211、2311、2411和連接片狀部分2112、2212、2312、2412。
上面第一電極21和上面第二電極22的指形分結構211、221相對於下面第一電極23和下面第二電極24的指形分結構231、241旋轉90°，以致上面第一電極21和上面第二電極22的連接片212、222投射到下面第一電極23和下面第二電極24的連接片232、242上在90°下相交。相應地，下面第一電極23和下面第二電極24的指形分結構231、241相對於上面第一電極21和上面第二電極22的指形分結構211、221旋轉90°。上面第一電極21的指形分結構211和下面第一電極23的指形分結構231是這樣彼此排列，以致其菱形部分2111、2311重疊。相應地，上面第二電極22的指形分結構221和下面第二電極24的指形分結構241也是這樣彼此排列，以致其菱形部分2211、2411重疊。
在不僅適合下面的而且適合上面的電極的其它的電極配置中，第一電極31和第二電極32均具有梯形圖樣(參閱圖8)的指形分結構311、321。在此，各個指形分結構311、321的尺寸是不同的，以致這些尺寸圍繞一個平均值變化。指形分結構311、321均通過連接片312、322彼此相連。指形分結構311、321的梯形橫截面，以及分散的尺寸影響形成的側向模式不產生駐波。在上面和下面電極上都具有梯形分結構的裝置中，這些梯形分結構不僅平行地彼此對準調平，而且也相對旋轉一定角度。
不僅可用於上面電極而且可用於下面電極的另一種電極配置具有第一電極41和第二電極42，這兩個電極均交替地具有矩形分結構411、421和U形分支分結構412、422(參閱圖9)。在此，矩形分結構411、421和U形分支分結構412、422通過連接片413、423彼此連接。在此，U形分支分結構412、422均具有2個分枝，這兩個分枝與矩形分結構411平行地對準。在此，第一電極41的矩形分結構伸入到第二電極42的U形分支分結構422的分枝之間。相反，第二電極42的矩形分結構421伸入到第一電極41的U形分支分結構412的分枝之間。這些電極配置不僅適合上面而且也適合下面的電極，其中在上面電極的分結構相對於下面電極中的分結構平行或旋轉一定角度地對準。
權利要求
1.部件-具有壓電層(16)，-具有第一電極對，它具有下面第一電極(151)和上面第—電極(171)，並且具有第二電極對，它具有下面第二電極(152)和上面第二電極(172)，-其中，上面第一電極(171)和上面第二電極(172)都設置在壓電層(16)的第一主面上，並且下面第一電極(151)和下面第二電極(152)設置在壓電層(16)的位於第一主面對面的第二主面上，-其中，上面第一電極(171)、上面第二電極(172)、下面第一電極(151)以及下面第二電極(152)均是結構化的，其中上面第一電極(171)和上面第二電極(172)的結構以及下面第一電極(151)和下面第二電極(152)的結構分別相互嚙合在一起。
2.按照權利要求1所述的部件，其中，這些結構在一維上具有一方面比上面第一電極(171)和上面第二電極(172)間隔的2倍還小的尺寸，和另一方面具有比下面第一電極(151)和下面第二電極(152)間隔的2倍還小的尺寸。
3.按照權利要求1或2所述的部件，其中，在一維上，這些結構的尺寸至少一方面比上面第一電極(171)和上面第二電極(172)間隔的2倍的1/10還小，以及另一方面比下面第一電極(151)和下面第二電極(152)間隔的2倍的1/10還小。
4.按照權利要求1至3之一所述的部件，-其中，下面第一電極(23)、下面第二電極(24)、上面第一電極(21)和上面第二電極(22)均有一連接片(212、222、232、242)，分結構(211、221、231、241)與連接片(212、222、232、242)鄰界，並與這些連接片連接，-其中，上面第一電極(21)和上面第二電極(22)如此設置，以致上面第一電極(21)的分結構和上面第二電極(22)的分結構交替排列。-其中，下面第一電極(23)和下面第二電極(24)如此設置，以致上面第一電極(23)的分結構(231)和上面第二電極(24)的分結構(241)交替排列。
5.按照權利要求4所述的部件，其中，分結構(211、221)構成指形。
6.按照權利要求4所述的部件，其中，分結構(412、422)至少部分地進行分枝。
7.按照權利要求4至6之一所述的部件，其中，分結構(311、321)之間的尺寸和/或間隔均圍繞一平均值變化。
8.按照權利要求4至7之一所述的部件，-其中，上面第一電極(151)的連接片(1512)如此對準，以致其投射到第二主面上的投影與下面第一電極(171)的連接片(1712)交叉，-其中，上面第二電極(152)的連接片(1522)如此對準，以致其投射到第二主面上的投影與下面第二電極(172)的連接片(172)交叉。
9.按照權利要求1至8之一所述的部件，-其中，壓電層(16)至少具有材料AIN、ZnO、PbZrTiOx(PZT)的一種，-其中，壓電層(16)的厚度在1μm和3μm之間，-其中，下面第一電極(151)、下面第二電極(152)、上面第一電極(171)和上面第二電極(172)，均有在1μm和3μm之間的最小的尺寸。
全文摘要
一種部件具有一個壓電層,它處於下面第一電極(151)和上面第一電極(171)之間以及在下面第二電極(152)和上面第二電極(172)之間。下面第一電極(151)、上面第一電極(171)、下面第二電極(152)和上面第二電極(172)是分別結構化的,其中上面第一電極(171)和上面第二電極(172)的結構以及下面第一電極(151)和下面第二電極(152)的結構分別彼此嚙合在一起。該部件在高頻應用中適合做濾波器、變換器、阻抗匹配器。
文檔編號H03H9/145GK1346539SQ00805918
公開日2002年4月24日 申請日期2000年3月1日 優先權日1999年3月30日
發明者R·埃格納, J·埃拉 申請人:因芬尼昂技術股份公司, 諾基亞行動電話有限公司