CN102571027A - 基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，包括连接天线、FBAR阵列双工器或多工器、低噪声放大器、抑制发射信号滤波器、接收端衰减器、发射端衰减器和功率放大器。采用了散热能力优秀的全金属布拉格反射层结构，降低了器件的热沉，使压电振动的热能能够有效的从全金属布拉格反射层和衬底散失；并联的FBAR组结构成倍提高了FBAR滤波器的功率容量；共用同样的压电层和布拉格全反射层，有效降低了热冲击和热膨胀系数不一致导致的器件开裂情况发生；最终从整体上提高了基于FBAR计数的滤波器功率容量，并保持了FBAR滤波器微型化的特点。整个无线通信基站实现了微型化。

Description

基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构

技术领域

本发明属于通信设备技术领域，尤其涉及大功率的无线通信基站射频模块的微型化技术。

技术背景

为了支持高速数据业务，高功率容量将成为无线通信基站的主要特征之一；同时，随着无线通信基站的分布越来越密集，其将更趋于小型化和集成化设计，这就不断促使滤波器（包括双工器）等基站射频前端电路趋于高功率容量、小型化和集成化。目前，无线通信基站等设备中，有源器件都可以实现集成化、微芯片化，只有滤波器包括多工器不能实现集成化微型化，在基站中滤波器功率容量都要求比较大，所以体积都比较大，目前主要是腔体滤波器为主，其功率可达上百瓦；也有的设备中使用介质滤波器，其平均功率可达5瓦以上。但这两种滤波器一方面体积相对较大，另一方面无法集成到射频前端的芯片中。缩小滤波器尺寸成为无线通信基站射频模块小型化的关键问题。

薄膜体声波谐振器（简称FBAR）技术很好地克服了上述两种滤波器存在的缺陷。基于FBAR技术制造的FBAR滤波器具有体积小、工作频率高、温度系数小、损耗低、且有与标准CMOS工艺相兼容等优点。但是现有技术中的FBAR滤波器功率低，最高只能达到3瓦左右，显然达不到目前无线通信基站等设备的要求。本专利提出一种专门用于无线通信基站的大功率FBAR射频滤波器，即具有大功率容量又具有微小体积，将该大功率FBAR滤波器与基站无线收发机结合形成微型化无线通信基站射频模块。

实现大功率微型化的无线通信基站射频模块，关键是射频滤波器（双工器或多工器）微型化，FBAR技术是微型化的关键。FBAR有两大结构：使用空气隙作为声反射层的FBAR和使用布拉格反射层结构的FBAR，前者因为FBAR压电工作堆工作在空气隙上面，结构不稳定，所以功率容量较低，后者使用的全固态结构的布拉格反射层，在结构上和散热角度来说都具有很大的功率承载能力。J. D. 拉森三世等人在发明标题为“稳固安装的层叠体声谐振器”的中国专利No. 1,868,119中公布了一种基于布拉格反射层的薄膜体声波谐振器，该布拉格反射层由塑料布拉格层和金属布拉格层交替构成。Lakin的美国专利No. 6,107,721公开了一种FBAR器件，该器件中的布拉格反射层由二氧化硅和非压电氮化铝的交替层构成。另外，一些商业上可得到的FBAR器件包括由二氧化硅和金属的交替层构成的声波反射层。本专利申请人董树荣在《TFC07全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集》中论文“基于Al-W多层膜系布拉格反射层的FBAR的研究”提出了铝-钨的布拉格反射层，但是铝和钨热膨胀系数差别大，结合力低，所以只能适合小功率的表面安装型（SMR）的FBAR。

现有技术中布拉格反射层可以将FBAR与衬底之间很好地隔离开，但是存在缺点限制了FBAR器件的最大功率容量：（1）由于现有技术布拉格反射层中塑料、二氧化硅等材料的热导率比较低，在一定程度上抑制了FBAR器件的散热能力，（2）金属与非金属或塑料的之间结合力低，热膨胀系数差别大，在高功率工作下，反复的热冲击很容易是的器件失效。（3）仅仅使用一个FBAR不能显著提高功率容量，目前单个固态安装型FBAR功率容量是3W，基站一般要求是10w-50w之间，所以需要成倍提高FBAR功率容量。单位面积的FBAR功率容量固定了，增加FBAR工作面积，可以成倍增加FBAR功率容量，但是该方法存在缺点：单纯增加FBAR工作面积，FBAR的压电振动峰值位置（一般是中心位置）振幅加大，固态安装型结构本身缺点造成FBAR损耗加倍增加，导致插损增加和产生热量增加，热量增加加剧FBAR迅速达到本身的工作温度极限。所以简单的增加面积并不能成倍显著增加FBAR功率容量。

本专利的创新点是使用集成新结构的并联FBAR技术，即：在不增加单个FBAR面积基础上，通过并联多个FBAR，并使用FBAR结构上若干集成新技术，包括全金属层得布拉格反射层、共用压电层和反射层技术等，确保FBAR结构稳定同时功率容量能够成倍增加。该高功率FBAR组应用于基站射频前端模块中，可以实现模块的微型化。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种基于全金属布拉格反射层的FBAR结构，有效提高了FBAR器件的散热能力，从而提高其功率容量。基于此新型FBAR结构设计所需的高功率容量FBAR阵列双工器，从而将其应用于3G和LTE等无线基站中。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，包括天线、薄膜体声波谐振器双工器或多工器、低噪声放大器、抑制发射信号滤波器、接收端衰减器、发射端衰减器、功率放大器一和功率放大器二，天线连接在薄膜体声波谐振器双工器或多工器上，薄膜体声波谐振器双工器或多工器的一端连接到低噪声放大器的一端，低噪声放大器的另一端连接到抑制发射信号滤波器的一端，抑制发射信号滤波器的另一端连接到接收端衰减器。

作为优选：薄膜体声波谐振器双工器或多工器由多个发射链路和接收链路组成，每路接收链路或发射链路由三个或三个以上的薄膜体声波谐振器器件组和一段四分之一传输线组成，每个薄膜体声波谐振器器件组是由多个薄膜体声波谐振器器件组成，薄膜体声波谐振器器件与薄膜体声波谐振器器件之间的连接为串联、并联或交叉连接的网络结构，以实现滤波功能，每个薄膜体声波谐振器器件由两个或两个以上薄膜体声波谐振器并联组成。

作为优选：薄膜体声波谐振器包括衬底、全金属布拉格反射层、下电极、压电薄膜、上电极，从上到下是上电极压电薄膜、下电极、全金属布拉格反射层和衬底。

作为优选：全金属布拉格反射层由高声阻抗层与低声阻抗层交替叠合而成，其总层数为4-8层，高声阻抗层和低声阻抗层的标称厚度等于频率与该薄膜体声波谐振器器件的谐振频率相等的声信号在相应全金属布拉格反射层的材料中的波长的四分之一，高声阻抗层和低声阻抗层的材料具有大于80 W/m·K的热导率，高声阻抗层的材料为钼、镉或钌，低声阻抗层的材料为铝或锌，其中频率与该薄膜体声波谐振器器件的谐振频率相等的声信号，这种声信号在相应全金属布拉格反射层的材料中的波长的四分之一就是高声阻抗层和低声阻抗层的标称厚度。

作为优选：薄膜体声波谐振器双工器或多工器中所有薄膜体声波谐振器共用全金属布拉格反射层和压电薄膜。

作为优选：全金属布拉格反射层的标称厚度是频率与谐振频率相等的声信号在该全金属布拉格反射层的材料中波长λn的四分之一的奇数倍，即（2m+1）λn/4，其中λn是上述声学材料中声信号的波长，m是大于或等于零的整数，实际器件中该厚度允许与标称厚度有±10%的误差。

作为优选：薄膜体声波谐振器双工器或多工器是由薄膜体声波谐振器制成的双工器或多工器。

    本发明采用了散热能力优秀的全金属布拉格反射层结构，降低了器件的热沉，使压电振动的热能能够有效的从全金属布拉格反射层和衬底散失；并联的FBAR组结构成倍提高了FBAR滤波器的功率容量；共用同样的压电层和布拉格全反射层，有效降低了热冲击和热膨胀系数不一致导致的器件开裂情况发生；最终从整体上提高了基于FBAR计数的滤波器功率容量，并保持了FBAR滤波器微型化的特点。整个无线通信基站实现了微型化。

附图说明

图1 基于阵列FBAR技术的微型化基站射频模块框图。

图2 本发明中的阵列FBAR双工器或多工器中，FBAR组之间的连接方式。

图3 本发明中FBAR组内部FBAR之间的布局结构。

图4 本发明中FBAR组内部FBAR之间的布局截面图。

图5 本发明设计的FBAR阵列微型化基站计数在LTE基站中的应用。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

如图1所示为本发明基于FBAR技术的无线通信基站射频模块框图，该无线通信基站130包括依次连接的天线131、FBAR阵列双工器132、低噪声放大器133、抑制发射信号滤波器134、接收端衰减器135，以及依次连接的发射端衰减器138、功率放大器一137、功率放大器二136。

其中，所述的FBAR阵列双工器132如图2所示，该FBAR阵列双工器132由发射链路（Tx）和接收链路（Rx）组成，包括天线端子121、接收端子122、发射端子123、接收链路串联FBAR组124、接收链路并联FBAR组125、发射链路并联FBAR组126、发射链路串联FBAR组127、以及四分之一传输线128组成。

FBAR阵列双工器132结构中，每个FBAR组100采用如图3所示的四个FBAR101、102、103和104并联组成，上述四个FBAR使用相同的厚度、面积和结构。FBAR阵列双工器132中所有FBAR共用同样的全金属布拉格反射层109和压电薄膜107。

FBAR器件100包括图4所示的：上电极106、下电极105、压电薄膜107、隔离介质层108、全金属布拉格反射层109以及衬底112。其中全金属布拉格反射层109包括与衬底接触的高声阻抗层111，与高声阻抗层111邻接的低声阻抗层110，高声阻抗层111和低声阻抗层110交替组成三层，所述高声阻抗层111和低声阻抗层110都为金属薄膜，它们具有大于80 W/m·K的热导率，其中高声阻抗层111使用钼（Mo）、低声阻抗层110使用铝（Al）制成。FBAR器件101的下电极105材料采用金属金（Au），厚度为0.1μm；压电薄膜107材料采用氮化铝（AlN），厚度为2μm；上电极105材料采用金属金（Au），厚度为0.1μm；FBAR器件101的有效工作面积为200μm × 200μm；布拉格反射层中低声阻抗层110材料采用铝Al，高声阻抗层111材料采用钼Mo。该实施例中FBAR器件101的谐振频率为1.782GHz，故低声阻抗层110金属铝Al的厚度为916nm（也就是金属铝中FBAR谐振频率波长的四分之一），高声阻抗层110金属钼的厚度为872nm（也就是金属钼中FBAR谐振频率波长的四分之一）。

用本发明中的全金属布拉格反射层代替传统结构的布拉格反射层，有效提高了FBAR器件的散热能力，使得FBAR器件的功率容量得到提升，基于本发明中的FBAR结构设计所需的FBAR阵列双工器，并将其应用于如图5所示的LTE 基站140等大功率应用场合。    

基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，包括天线131、薄膜体声波谐振器双工器或多工器132、低噪声放大器133、抑制发射信号滤波器（134）、接收端衰减器135、发射端衰减器138、功率放大器一136和功率放大器二137，天线131连接在薄膜体声波谐振器双工器或多工器132上，薄膜体声波谐振器双工器或多工器132的一端连接到低噪声放大器133的一端，低噪声放大器133的另一端连接到抑制发射信号滤波器134的一端，抑制发射信号滤波器134的另一端连接到接收端衰减器135。

薄膜体声波谐振器双工器或多工器132由多个发射链路和接收链路组成，每路接收链路或发射链路由三个或三个以上的薄膜体声波谐振器器件组100和一段四分之一传输线128组成，每个薄膜体声波谐振器器件组100是由多个薄膜体声波谐振器器件101组成，薄膜体声波谐振器器件101与薄膜体声波谐振器器件101之间的连接为串联、并联或交叉连接的网络结构，以实现滤波功能，每个薄膜体声波谐振器器件101由两个或两个以上薄膜体声波谐振器并联组成。

薄膜体声波谐振器包括衬底112、全金属布拉格反射层109、下电极105、压电薄膜107、上电极106，从上到下是上电极106、压电薄膜107、下电极105、全金属布拉格反射层109和衬底112。

全金属布拉格反射层109由高声阻抗层111与低声阻抗层110交替叠合而成，其总层数为4-8层，高声阻抗层111和低声阻抗层110的标称厚度等于频率与该薄膜体声波谐振器器件101的谐振频率相等的声信号在相应全金属布拉格反射层109的材料中的波长的四分之一，高声阻抗层111和低声阻抗层110的材料具有大于80 W/m·K的热导率，高声阻抗层111的材料为钼、镉或钌，低声阻抗层110的材料为铝或锌。

薄膜体声波谐振器双工器或多工器132中所有薄膜体声波谐振器共用全金属布拉格反射层109和压电薄膜107。

全金属布拉格反射层109的标称厚度是频率与谐振频率相等的声信号在该全金属布拉格反射层109的材料中波长λn的四分之一的奇数倍。

薄膜体声波谐振器双工器或多工器132是由薄膜体声波谐振器制成的双工器或多工器。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：包括天线（131）、薄膜体声波谐振器双工器或多工器（132）、低噪声放大器（133）、抑制发射信号滤波器（134）、接收端衰减器（135）、发射端衰减器（138）、功率放大器一（136）和功率放大器二（137），天线（131）连接在薄膜体声波谐振器双工器或多工器（132）上，薄膜体声波谐振器双工器或多工器（132）的一端连接到低噪声放大器（133）的一端，低噪声放大器（133）的另一端连接到抑制发射信号滤波器（134）的一端，抑制发射信号滤波器（134）的另一端连接到接收端衰减器（135）。

2.根据权利要求1所述的基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：薄膜体声波谐振器双工器或多工器（132）由多个发射链路和接收链路组成，每路接收链路或发射链路由三个或三个以上的薄膜体声波谐振器器件组（100）和一段四分之一传输线（128）组成，每个薄膜体声波谐振器器件组（100）是由多个薄膜体声波谐振器器件（101）组成，薄膜体声波谐振器器件（101）与薄膜体声波谐振器器件（101）之间的连接为串联、并联或交叉连接的网络结构，以实现滤波功能，每个薄膜体声波谐振器器件（101）由两个或两个以上薄膜体声波谐振器并联组成。

3.根据权利要求2所述的基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：薄膜体声波谐振器包括衬底（112）、全金属布拉格反射层（109）、下电极（105）、压电薄膜（107）、上电极（106），从上到下是上电极（106）、压电薄膜（107）、下电极（105）、全金属布拉格反射层（109）和衬底（112）。

4.根据权利要求3所述的基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：全金属布拉格反射层（109）由高声阻抗层（111）与低声阻抗层（110）交替叠合而成，其总层数为4-8层，高声阻抗层（111）和低声阻抗层（110）的标称厚度等于频率与该薄膜体声波谐振器器件（101）的谐振频率相等的声信号在相应全金属布拉格反射层（109）的材料中的波长的四分之一，高声阻抗层（111）和低声阻抗层（110）的材料具有大于80 W/m·K的热导率，高声阻抗层（111）的材料为钼、镉或钌，低声阻抗层（110）的材料为铝或锌。

5.根据权利要求4所述的基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述的薄膜体声波谐振器双工器或多工器（132）中所有薄膜体声波谐振器共用全金属布拉格反射层（109）和压电薄膜（107）。

6.根据权利要求4所述的基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述全金属布拉格反射层（109）的标称厚度是频率与谐振频率相等的声信号在该全金属布拉格反射层（109）的材料中波长λn的四分之一的奇数倍。

7.根据权利要求1所述的基于全金属布拉格反射层的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：薄膜体声波谐振器双工器或多工器（132）是由薄膜体声波谐振器制成的双工器或多工器。

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