CN1871770A - 薄膜声耦合变压器中的阻抗变换比控制 - Google Patents

薄膜声耦合变压器中的阻抗变换比控制 Download PDF

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Abstract

薄膜声耦合变压器FACT(400)具有去耦层叠体声谐振器DSBAR(106，408)、第一电路和第二电路。每个DSBAR具有下部薄膜体声谐振器FBAR(110)、上部FBAR(120)和声去耦器(130)。上部FBAR层叠在下部FBAR上，并且声去耦器位于FBAR之间。每个FBAR具有对置的平面电极(112，114)和在电极之间的压电元件(116)。第一电路互连下部FBAR(110，450)。第二电路互连上部FBAR(120，460)。一个DSBAR(408)的FBAR与另一个DSBAR(106)的FBAR的电阻抗不同。该FACT的阻抗变换比大于1∶m2，其中m是DSBAR的数目。实际阻抗变换比取决于FBAR的阻抗比。

Description

薄膜声耦合变压器中的阻抗变换比控制
发明背景
变压器用于许多种电子器件，起到象转变阻抗、将单端电路与平衡电路相连或者将平衡电路与单端电路连接并提供电隔离的作用。但是，不是所有变压器具有所有这些性质。例如，自耦变压器不提供电隔离。
在高到VHF的声频和射频下工作的变压器通常制造成围线圈高导磁率磁芯的耦合初级和次级线圈组。在线圈中的电流产生磁通。该磁芯容纳该磁通并提高绕组之间的耦合。可在这种频段工作的变压器还可以使用光学耦合器来实现。以这种方式使用的光耦合器在本领域称为光隔离器。
在以耦合绕组或者光耦合器为基础的变压器中，输入的电信号转变为与适当的变换结构(即另一个绕组或光探测器)互相作用的不同形式(即磁通或者光子)，并且在输出处再形成为电信号。例如，光耦合器用发光二极管将输入电信号转换为光子。光子穿过光纤或者提供隔离的自由空间。被光子照射的光电二极管从光子流产生输出电信号。输出电信号是输入电信号的重复。
在UHF和微波频率下，由于象磁芯损耗、线圈损耗、线圈之间的电容这种因素，所以基于磁芯的变压器变得不实用，并且难以将它们制造得足够小，以防止与波长有关的问题。用于这种频率的变压器是以四分之一波长传送线为基础的，例如Marchand型，串联输入/并联输出连接线等等。还存在以微型电机耦合线圈组为基础、并且足够小因而波长效应不重要的变压器。但是，这种变压器具有高插入损耗和低初级次级隔离的问题。
刚才所述用于UHF和微波频率的所有变压器的尺寸使得它们较少适用于现代小型化、高密度应用例如蜂窝电话。因为它们不能通过批量生产来制造和因为它们基本上是脱离芯片制造的，所以这种变压器还会成本高。此外，虽然这种变压器典型地具有可用于蜂窝电话的频宽，但是它们典型地具有大于1分贝的插入损耗，该插入损耗太高。
由于输入LED的结电容、光探测器固有的非线性、有限的功率处理能力和其隔离不足以得到优良的共模抑制，所以光耦合器不被用于UHF和微波频率。
序列号为No.10/699,481的美国专利申请公开了一种基于去耦层叠体声谐振器(DSBAR)的薄膜声耦合变压器(FACT)。DSBAR由在FBAR之间层叠的一对薄膜体声谐振器(FBAR)和声去耦器组成。图1A示意地说明这种FACT的实施例100。FACT 100具有悬置在衬底102中的空腔104上方的第一DSBAR 106和第二DSBAR 108。DSBAR 106具有下部FBAR 110、层叠在下部FBAR 110上的上部FBAR 120和在该FBAR之间的声耦合器130，并且DSBAR 108具有下部FBAR 150、层叠在下部FBAR 150上的上部FBAR 160和在该FBAR之间的声耦合器170。每个FBAR具有对置的平面电极和在该电极之间的压电元件。FBAR 110具有对置的平面电极112和114以及在它们之间的压电元件116。FBAR120具有对置的平面电极122和124以及在它们之间的压电元件126。
FACT 100另外具有互连DSBAR 106的下部FBAR 110到DSBAR 108的下部FBAR 150的第一电路141以及互连DSBAR 106的上部FBAR 120到DSBAR108的上部FBAR 160的第二电路142。
在图1A所示的上述FACT的实施例中，FBAR 110、120、150和160全部名义上阻抗相等，并且电路141以反向并联的方式连接下部FBAR 110和150，并连接到端子143和144，并且电路141在端子145和146之间串联连接上部FBAR 120和160。电路142另外具有分别连接到上部FBAR 120和160的电极122和162的中心抽头端子147。该实施例在电路141和电路142之间具有1∶4的阻抗变换比，或者在电路142和电路141之间具有4∶1的阻抗变换比。
在FACT 100的其它的实施例中，FBAR 110、120、150和160全部名义上阻抗相等，电路141以反向并联或串联的形式电连接下部FBAR，并且电路142以反向并联或串联的形式电连接上部FBAR。以下表1中概括了刚才所述电路结构的可能组合：
  并联   串联   反向并联   反向串联
  并联   U1∶1低   ×   ×   U1∶4
  串联   ×   B1∶1高   B4∶1   ×
  反向并联   ×   B1∶4   B1∶1低   ×
  反向串联   U4∶1   ×   ×   U1∶1高
表1
在表1中，行标题表示电路141的结构，列标题表示电路142的结构，B表示FACT电平衡，U表示FACT失衡，X表示无功能的FACT。所示的阻抗变换比是从行标题表示的电路141的结构到列标题表示的电路142的结构的阻抗变换。对于具有1∶1变换系数的结构，低(LOW)表示FACT具有低阻抗，相当于两个并联的FBAR的阻抗，高(HIGH)表示FACT具有高阻抗，相当于两个串联的FBAR的阻抗。
从表1看出上述FACT 100的实施例具有1∶1低阻抗、1∶1高阻抗或1∶4(低阻抗到高阻抗)的阻抗变换比，通常是1∶2n，其中n＝1或2。在本公开中，变换系数1∶m要理解成包括变换系数m∶1，因为通过简单地互换输入和输出端子，具有1∶m变换系数的FACT就可以变为具有m∶1变换系数的FACT。
虽然具有1∶1或1∶4阻抗变换比的FACT实施例可用于许多应用，但是其它的应用需要不同的阻抗变换比。因此，需要的是具有如上所述FACT的优点而且具有不同于1∶1或1∶4的阻抗变换比的FACT。
发明内容
在第一方面中，本发明提供一种薄膜声耦合变压器(FACT)，具有第一去耦层叠体声谐振器(DSBAR)、第一电路和第二电路。每个DSBAR具有下部薄膜体声谐振器(FBAR)、上部FBAR和声去耦器。该上部FBAR层叠在下部FBAR上，该声去耦器位于该FBAR之间。每个FBAR具有对置的平面电极和在该电极之间的压电元件。第一电路互连下部FBAR。第二电路互连上部FBAR。一个DSBAR的FBAR的电阻抗不同于另一个DSBAR的FBAR。
该FACT实施例的阻抗变换比大于1∶m2，其中m是DSBAR的数目。实际的阻抗变换比取决于FBAR阻抗的比。
在第二方面中，本发明提供一种薄膜声耦合变压器(FACT)，具有两个以上去耦层叠体声谐振器(DSBAR)、第一电路和第二电路。每个DSBAR具有第一薄膜体声谐振器(FBAR)、第二FBAR和声去耦器。一个FBAR层叠在另一个FBAR上，该声去耦器位于该FBAR之间。每个FBAR具有对置的平面电极和在该电极之间的压电元件。第一电路互连DSBAR的第一FBAR。第二电路互连DSBAR的第二FBAR。
该FACT的某些实施例具有1∶m2的阻抗变换比，其中m是DSBAR的数目，大于二。其它的实施例，其中至少一个该电路提供在各个FBAR中的串联和并联，其阻抗变换比是某个整数又小于1∶m2的分数的值。该实际的阻抗变换比取决于第一和第二电路互连各个FBAR的方式。
在第三方面中，本发明提供一种薄膜声耦合变压器(FACT)，具有去耦层叠体声谐振器(DSBAR)、第一电路和第二电路。每个DSBAR具有第一薄膜体声谐振器(FBAR)、第二FBAR和声去耦器。一个FBAR层叠在另一个FBAR上，该声去耦器位于该FBAR之间。每个FBAR具有对置的平面电极和在该电极之间的压电元件。第一电路互连第一FBAR。第二电路互连第二FBAR。该FACT的阻抗变换比不同于1∶1和1∶m2，其中m是DSBAR的数目。
在根据本发明FACT的某些实施例中，一个DSBAR的FBAR的阻抗不同于另一个DSBAR的FBAR的阻抗，从而提供不同于1∶1和1∶m2的阻抗变换比。
在根据本发明FACT的其它实施例中，DSBAR的数目大于二，在包括第一FBAR中的串联和并联的第一电路布置中，第一电路互连第一FBAR，在不同于第一电路布置的第二电路布置中，第二电路互连第二FBAR，从而提供不同于1∶1和1∶m2的阻抗变换比。
附图说明
图1是根据现有技术的1∶4或者4∶1薄膜声耦合变压器(FACT)的
实施例的电路示意图；
图2A和2B分别是构成根据本发明FACT实施例的基本构件的DSBAR实施例的平面图和沿着图2A中截面线2B-2B的横截面图；
图3A是根据本发明三DSBAR FACT的第一典型实施例的示意图；
图3B是根据本发明三DSBAR FACT的第二典型实施例的示意图；
图3C-3F示意性地说明可以互连根据本发明三DSBAR中的下部FBAR和上部FBAR的方式；
图4A是根据本发明四DSBAR FACT的第一典型实施例的示意图；
图4B是根据本发明四DSBAR FACT的第二典型实施例的示意图；
图4C-4I示意性地说明可以互连根据本发明四DSBAR FACT中的下部FBAR和上部FBAR的方式；
图5A、5B和5C分别是根据本发明FACT的平面图和沿着图5A中截面线5B-5B和5C-5C的横截面图，其中一个DSBAR的FBAR与另一个DSBAR的FBAR的电极面积不同，因此阻抗也不同，从而限定FACT的阻抗变换比；
图5E是根据本发明FACT的横截面图，其中一个DSBAR的FBAR与另一个DSBAR的FBAR的压电元件厚度不同，因而阻抗也不同，从而限定FACT的阻抗变换比；
图6A-6H是说明可用于制造根据本发明FACT的实施例的方法的平面图，图6I-6P是分别沿着图6A-6H中的截面线6I-6I到6P-6P的横截面图。
具体实施方式
图2A和2B分别是构成根据本发明第一方面薄膜声耦合变压器(FACT)实施例的基本构件的去耦层叠体声谐振器(DSBAR)106实施例的平面图和横截面图。DSBAR 106由下部薄膜体声谐振器(FBAR)110、层叠在下部FBAR 110上的上部FBAR 120以及在该FBAR之间的声去耦器130组成。FBAR 110由对置的平面电极112和114以及在该电极之间的压电元件116组成。FBAR 120由对置的平面电极122和124以及在该电极之间的压电元件126组成。声去耦器130位于FBAR 110的电极114和FBAR 120的电极122之间。声去耦器控制FBAR 110和120之间声能的耦合。
DSBAR 106具有第一端子132和134以及第二端子136和138，该端子在该例子中表示为结合片。第一端子132和134分别通过导电迹线133和135分别电连接到下部FBAR 110的电极112和114。第二端子136和138分别通过导电迹线137和139分别电连接到上部FBAR120的电极122和124。
在所示的例子中，DSBAR 106悬置在衬底102中限定的空腔104上。DSBAR悬置在空腔上使得DSBAR的FBAR机械地谐振。使得FBAR可以机械地谐振的其它悬置方案也可以。例如，如Lakin在美国专利No.6,107,721中公开的那样，DSBAR可以由衬底102中或衬底102上形成的失谐声布拉格(Bragg)反射器(未显示)支撑。
在图2A和2B所示的DSBAR 106例子中，声去耦器130由位于分别属于FBAR 110和120的电极114和122之间的声去耦材料的声去耦层131组成。声去耦层131的声去耦材料的重要的性能是不同于FBAR110、120的材料的声阻抗、高电阻率、低介电常数和等于其频率是DSBAR 106通带的中心频率的声信号在该声去耦材料中的四分之一波长的奇数倍的额定厚度。
在所示的例子中，声去耦层131的声去耦材料的声阻抗小于FBAR110和120的材料的声阻抗，并且显著地大于空气的声阻抗。材料的声阻抗是材料中应力和粒子速度的比，并且按瑞利计量，缩写为rayl。FBAR 110和120的材料典型地是作为压电元件116、126的材料的氮化铝(AlN)和作为电极112、114、122和124的材料的钼(Mo)。该FBAR材料的声阻抗典型地大于30Mrayl(AlN是35Mrayl，Mo是63Mrayl)，空气的声阻抗是大约1krayl。在其中FBAR 110、120的材料是如上所述材料的DSBAR 106实施例中，声阻抗在从2Mrayl到8Mrayl的范围内的材料适用于声去耦层131的声音耦合材料。
在图2B所示声去耦器130实施例中，声去耦层131的额定厚度等于其频率等于DSBAR 106通带的中心频率的声信号在该声去耦材料中的四分之一波长，即t≈λn/4，其中t是声去耦层131的厚度，λn是其频率等于DSBAR 106通带的中心频率的声信号在该声去耦材料中的波长。可以可选择地使用在额定厚度大约±10％的范围内的声去耦层131厚度。也可以在某些性能退化的情况下可选择地使用该范围之外的厚度。但是，声去耦层131的厚度应该显著不同于一个极端的0λn和另一个极端的λn/2。
一般地说，声去耦层131的额定厚度可以等于其频率等于DSBAR通带的中心频率的声信号在该声去耦材料中的四分之一波长的奇数倍，即t≈(2m+1)λn/4，其中t和λn如上面定义的，m是等于或大于零的整数。在这种情况下，可以可选择地使用与额定厚度相差大约±10％λn/4的声去耦层131厚度。也可以在某些性能退化的情况下使用在该范围之外的厚度偏差，但是声去耦层131的厚度应该显著地不同于λn/2的整数倍。但是，由于这种更厚的层支撑多个声模的能力，所以其中声去耦层131比其频率等于DSBAR 106中心频率的声信号在声去耦材料中的单个四分之一波长大奇数倍的声去耦器130实施例典型地具有呈现假响应假象(spurious response artifacts)的频率响应。
许多塑料材料具有在上述范围内的声阻抗，并且可以应用于在上述厚度范围内的均匀厚度的层中。因此这种塑料材料可能适合用作声去耦层131的声去耦材料。但是，声去耦材料必须还能够经受得了在电极114上沉积声去耦层131之后进行的制造操作温度。如下面详述的那样，在FACT 100的实用实施例中，在沉积声去耦层131之后，通过溅射沉积电极122和124以及压电层126。在这些淀积过程期间温度高达400℃。因此，在这种温度下保持稳定的塑料用作声去耦材料。
与FBAR 110和120的其它材料相比，塑料材料典型地具有很高的单位长度声音衰减。但是，因为上述声去耦器130实施例中的塑料声去耦层131典型地厚度小于1μm，所以由这种声去耦器130实施例引入的声音衰减一般地可以忽略。
在一个实施例中，聚酰亚胺用作声去耦层131的声去耦材料。聚酰亚胺是E.I.du Pont de Nemours and Company出售的，商标为Kapton。在这种实施例中，声去耦器130由通过旋涂涂覆在电极114上的聚酰亚胺的声去耦层131组成。聚酰亚胺具有大约4Mrayl的声阻抗。
在另一个实施例中，聚(对二甲苯)用作声去耦层131的声去耦材料。在这种实施例中，声去耦器130由通过真空沉积涂覆在电极114上的聚(对二甲苯)的声去耦层131组成。聚(对二甲苯)在现有技术中也称为聚对亚苯基二甲基。用于制造聚对亚苯基二甲基的二聚前驱物联对二甲苯和用于真空淀积聚对亚苯基二甲基层的装置可以从许多供应商处买到。聚对亚苯基二甲基具有大约2.8Mrayl的声阻抗。
在另一个实施例中，交联聚苯撑聚合体用作声去耦层131的声去耦材料。在这种实施例中，声去耦层131是通过旋涂而涂覆的交联聚苯撑聚合体层。交联聚苯撑聚合体已经发展为集成电路中使用的低介电常数电介质材料，因此在随后的FBAR 120制造过程中声去耦器130经受的高温下保持稳定。发明人发现交联聚苯撑聚合体另外具有大约2Mrayl的理论声阻抗。这种声阻抗在给DSBAR 106提供有用的通带宽度的声阻抗范围内。
包含聚合形成各个交联聚苯撑聚合体的各种低聚物的前驱物溶液由Midland，MI的Dow化学公司销售，商标是SiLK。该前驱物溶液通过旋涂来涂覆。这些前驱物溶液中另外包含增粘剂、命名为SiLKTM J的一种获得的交联聚苯撑聚合体具有2.1Mrayl的声阻抗，即大约2Mrayl。
聚合形成交联聚苯撑聚合体的低聚物由含双环戊二烯酮(biscyclopentadienone)和芳香乙炔的单体制备成。使用这种单体形成可溶解的低聚物，不需要过度置换反应。该前驱物溶液包含溶于γ-丁内酯和环己酮溶剂的特定低聚物低聚物在前驱物溶液中的百分比决定前驱物溶液在旋涂时的层厚度。在涂覆以后，对溶剂应用热蒸发，然后固化低聚物形成交联聚合物。在形成新的芳环的4+2环化加成反应中，双环戊二烯酮s与乙炔发生反应。进一步的固化生成交联聚苯撑聚合体。上述交联聚苯撑聚合体已经被Godschaix等在美国专利No.5,965,679中公开。在Martin等的Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated CircuitInterconnect，12ADVANCED MATERIALS，1769(2000)中有额外的实用详述。与聚酰亚胺相比，交联聚苯撑聚合体具有低声阻抗、低声音衰减和低介电常数。此外，前驱物溶液的旋压层能够产生200nm级厚度的高质量交联聚苯撑聚合体膜，该厚度是声去耦器130的典型厚度。
在可选择的实施例中，如John D.Larson III和Stephen Ellis、名称为Pass Bandwidth Control in Decoupled Stacked Bulk AcousticResonator Devices、序列号为No.XX/XXX,XXX的美国专利申请所述，声去耦器130由具有不同声阻抗的声去耦材料的声去耦层(未显示)组成。声去耦层的声阻抗和厚度共同确定声去耦器130的声阻抗。该声去耦器的声阻抗反过来又确定DSBAR 106的通带宽度。构造由具有不同声阻抗的声去耦材料的声去耦层组成的声去耦器130实施例，从而对其频率等于DSBAR 106通带的中心频率的声信号施加奇数倍π/2弧度的额定相变。在实施例中，声去耦器构造为对其频率等于中心频率的声信号施加π/2弧度的额定相变。通过由其额定厚度等于其频率为中心频率的声信号在声去耦材料中的四分之一波长的一层声去耦材料组成的声去耦器，施加等于额定相变的相变。
在例子中，声去耦器130由在声阻抗为大约4Mrayl的聚酰亚胺声去耦层上面的声阻抗为大约2Mrayl的交联聚苯撑聚合体声去耦层组成。这种声去耦器提供的DSBAR 106实施例的通带宽度在声去耦器由单个聚酰亚胺声去耦层131组成或由单个交联聚苯撑聚合体声去耦层131组成的实施例的通带宽度之间的中间。
在可选择的实施例中，声去耦层131的声去耦材料的声阻抗显著地大于FBAR 110和120的材料。现在还不知道具有这种性能的材料，但是这种材料在将来是会有的。可选择地，将来会有低声阻抗的FBAR材料。这种高声阻抗声去耦材料的声去耦层131厚度如上所述。
在另一个实施例(未显示)中，声去耦器130构造成布拉格结构，由夹在高声阻抗布拉格元件之间的低声阻抗布拉格元件组成。低声阻抗布拉格元件是低声阻抗材料的层，而高声阻抗布拉格元件都是高声阻抗材料的层。布拉格元件的声阻抗表征为彼此之间相对“低”和“高”以及另外相对于压电元件116和126的压电材料的声阻抗而言“低”和“高”。至少一个布拉格元件另外具有高电阻率和低介电常数，从而在DSBAR 106的输入和输出之间提供电隔离。
构成布拉格元件的每层的额定厚度等于其频率等于DSBAR 106中心频率的声信号在该层材料中四分之一波长的奇数倍。也可以选择使用与额定厚度相差该四分之一波长的大约±10％的层。也可以在某些性能退化的情况下使用在该范围之外的厚度偏差，但是该层的厚度应该与半波长的整倍数相差很大。
在实施例中，低声阻抗布拉格元件是具有大约13Mrayl的声阻抗的二氧化硅(SiO2)层，而且每个高声阻抗布拉格元件是与电极114和122相同材料的层，例如具有大约63Mrayl的声阻抗的钼。高声阻抗布拉格元件以及FBAR 110和120的电极使用相同材料使得高声阻抗布拉格元件另外还用作与声耦元件相邻的FBAR的电极。
在DSBAR 106中，大致上，FBAR 110的电阻抗由电极112和114与压电元件116形成的电容器的电容决定，FBAR 120的电阻抗由电极122和124与压电元件126形成的电容器的电容决定。具体地，FBAR 110的电容C110如下：
C110＝εA/t0
其中A电极112或电极114的面积，ε和t0分别是压电元件116的介电常数和厚度。
FBAR 110在频率f下的阻抗Z110近似为：
Z110≈1/2πfC110
应用于电极122和124以及压电元件126的类似表达式用于确定FBAR 120的电容和阻抗。由于电极112、114、122和124一般地面积名义上相等，并且压电元件116和126一般地厚度和介电常数名义上相等，因此FBAR 110和120的阻抗也名义上相等。
在如上参考图1所述二DSBAR FACT 100中，电路141反向并联DSBAR 106的下部FBAR 110和结构类似的DSBAR 108的结构类似的下部FBAR 150。因此，在端子143和144之间测量的FACT 100的阻抗是FBAR 110和150的寄生阻抗，即FBAR 110或FBAR 150的阻抗的二分之一。另外，电路142串联DSBAR 106的上部FBAR 120和结构类似的DSBAR 108的结构类似的上部FBAR 160。因此，在端子145和146之间测量的FACT 100的阻抗是FBAR 120和160的串联阻抗，即FBAR 120或FBAR 160的阻抗的两倍。因为FBAR 110、120、150和160的阻抗全部相等，所以FACT 100具有如上所述1∶4的阻抗比，如上所述。
图3A是根据本发明三DSBAR薄膜声耦合变压器(FACT)的第一实施例200的示意图。这些实施例由三个DSBAR组成并具有1∶9的阻抗变换比。FACT 200由悬置在衬底102中的空腔204上的第一层叠体声谐振器(DSBAR)206、第二DSBAR 207和第三DSBAR 208组成。每个DSBAR结构类似于如上参考图2A和2B所述的DSBAR 106。图3A显示DSBAR206的元件。在以下的文字说明中，DSBAR 207和208的相应元件将用相同的附图标记表示。
DSBAR 206、207和208都具有类似于如上参考图2A-2C所述DSBAR106的结构，并且都由下部薄膜体声谐振器(FBAR)110、层叠在下部DSBAR上的上部FBAR 120和在该FBAR之间的声去耦器130。每个FBAR具有对置的平面电极和在该电极之间的压电元件。FBAR 110由对置的平面电极112和114组成，压电元件116在它们之间。FBAR 120由对置的平面电极122和124组成，压电元件126在它们之间。
FACT 200另外具有第一电路241和第二电路242。第一电路241以反向并联的形式连接DSBAR 206和207的下部FBAR 110，并且将反向并联的DSBAR 207和208的下部FBAR 110连接到端子143和144。具体地，电路241将DSBAR 206的电极112连接到端子144和连接到DSBAR 207的电极114，并且将DSBAR 207的电极114连接到DSBAR 208的电极112。电路241另外将DSBAR 206的电极114连接到端子143和连接到DSBAR 207的电极112，并且将DSBAR 207的电极112连接到DSBAR 208的电极114。
电路242在端子145和146之间串联连接DSBAR 206、207和208的上部FBAR 120。具体地，电路242将端子145连接到DSBAR 206的电极124、将DSBAR 206的电极122连接到DSBAR 207的电极122、将DSBAR 207的电极124连接到DSBAR 208的电极124以及将DSBAR208的电极122连接到端子146。
DSBAR 206、207和208的电极112、114、122和124的面积名义上相等，压电元件116和126的厚度和介电常数名义上相等。因此，DSBAR 206、207和208的FBAR 110和120的电容全部名义上相等，因而阻抗也相等。电路241以反向并联的形式连接DSBAR 206、207和208的下部FBAR 110。因此，在端子143和144之间测量的FACT 200的阻抗是下部FBAR 110的寄生阻抗，即每个下部FBAR 110的阻抗的三分之一。另外，电路242串联连接DSBAR 206、207和208的上部FBAR 120。因此，在端子145和146之间测量的FACT 200的阻抗是DSBAR 206、207和208的FBAR 120的串联阻抗，即每个FBAR 120的阻抗的三倍。因为FBAR 110和120的阻抗全部相等，所以FACT 200具有(1/3)/3＝1∶9的阻抗变换比，如上所述。
图3B示出根据本发明同样具有1∶9的阻抗变换比的三DSBAR薄膜声耦合变压器(FACT)的另一个实施例202。在本实施例中，电路241将并联的DSBAR 206、207和208的下部FBAR 110连接到端子143和144。另外，电路242在端子145和146之间反向串联连接DSBAR 206、207和208的上部FBAR 120。
电路241的实施例可以在不同于图3A和3B所示的电路布置中互连DSBAR 206、207和208的下部FBAR 110，从而在端子143和144之间提供不同的阻抗。另外，电路242的实施例可以在不同于图3A和3B所示的电路布置中互连DSBAR 206、207和208的上部FBAR 120，从而在端子145和146之间提供不同的阻抗。不同的阻抗可用于提供其阻抗变换比不同于所述情况的FACT 300的实施例。
图3C-3F示意说明各个电路布置，其中电路241的各个实施例可以互连DSBAR 206-208的下部FBAR 110，电路242的各个实施例可以互连DSBAR 206-208的上部FBAR 120。在图3C-3F的每幅图中，FBAR311、313和315分别是DSBAR 206、207和208的下部FBAR 110，当该图表示电路241的实施例时，端子T1和T2是端子143和144；和FBAR 311、313和315分别是DSBAR 206、207和208的上部FBAR 120，当图表示电路242的实施例时，端子T1和T2是端子145和146。在图3C-3F的文字说明中，FBAR是串联或并联或同时串联和并联。但是，在用于与FBAR的互连有关的本公开中时，术语串联被认为是包括反向串联，术语并联被认为是包括反向并联。
图3C示出在端子T1和T2之间并联连接FBAR 311、313和315的电路241或电路242的第一实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是Z/3，其中Z是各个FBAR 311、313和315的阻抗。假设FBAR 311、313和315的阻抗相等。图3C说明电路241连图3B中的DSBAR 206-208的下部FBAR 110的电路布置。
图3D示出在端子T1和T2之间串联连接FBAR 311和313并且还将FBAR 315与FBAR 311和313的串联组合并联连接的电路241或电路242的第二实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是(2Z2/3Z)＝2Z/3。
图3E示出在端子T1和T2之间并联连接FBAR 311和315并且还将FBAR 311与FBAR 311和315的并联组合串联连接的电路241或电路242的第三实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是(Z+Z/2)＝3Z/2。
图3F示出在端子T1和T2之间串联连接FBAR 311、313和315的电路241或电路242的第四实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是3Z。图3F说明电路242互连图3A中的DSBAR 206-208的上部FBAR 120的电路布置。
可以组合使用如上参考图3C-3F所述一对电路241和242的实施例，从而在端子143和144之间以及端子145和146之间提供具有从1∶1到1∶9的五种不同阻抗变换比的FACT 200的实施例，如表2所示。在计算不同阻抗变换比的数目时，彼此成倒数的比值例如1∶9和9∶1当作一个比值。但是，每个阻抗变换比都提供两种或更多种阻抗等级。例如，在电路241的两个不同阻抗等级下提供9∶4(或4∶9)的阻抗变换比，即2Z/3或3Z/2。
                     表2
在表2中，行标题示出电路241在端子143和144之间作为Z的倍数的阻抗，各个FBAR 311、313和315的阻抗，列标题示出电路242在端子145和146之间作为Z的倍数的阻抗，表格的列表值示出各个行标题表示的电路241的阻抗和结构与各个列标题表示的电路242的阻抗和结构之间的阻抗变换比。行标题和列标题另外还示出产生所示阻抗的相应电路的图号。行和列标题所示的阻抗以及表格主体所示阻抗变换比通过简分数表示，因为简分数比小数更精确地表征这些值。
在进行表2列出的组合时，在并联的下部FBAR上面的上部FBAR应该反向串联，在反向并联的下部FBAR上面的上部FBAR应该串联，在串联的下部FBAR上面的上部FBAR应该反向并联，在反向串联的下部FBAR上面的上部FBAR应该并联。例如，在图3A中，在反向并联的下部FBAR 110上面的DSBAR 206-208的上部FBAR 120串联连接，而在图3B中，在并联的下部FBAR 110上面的DSBAR 206-208的上部FBAR120反向并联连接。为在FACT 200的实用实施例中满足这些条件，如上所述并联的FBAR可以用反向并联来代替，如上所述串联的FBAR可以用反向串联来代替。不满足刚才所述条件使上部FBAR产生的信号被抵销。这些主题在序列号为No.10/699,481的上述美国专利申请中有更详细的描述。
图4A是根据本发明四DSBAR薄膜声耦合变压器(FACT)的第二实施例300的示意图。这些实施例由四个DSBAR组成并具有1∶16的阻抗变换比。相应于如上图参考3A所述FACT 200的元件FACT 300的元件用相同的附图标记表示，并且这里不再描述。
FACT 300另外具有悬置在衬底102上的第四层叠体声谐振器(DSBAR)209。DSBAR 209的结构类似于如上参考图2A和2B所述的DSBAR 106。在以下的文字说明中，相应于DSBAR 206的元件的DSBAR
209的元件将用相同的附图标记表示。DSBAR209由下部薄膜体声谐振器(FBAR)110、层叠在下部DSBAR上的上部FBAR 120和在该FBAR之间的声去耦器130组成。每个FBAR具有对置的平面电极和在该电极之间的压电元件。
FACT 202的电路241以反向并联的方式连接FBAR 206、207和208的下部FBAR 110，并将该下部FBAR 110连接到端子143和144，如上所述，另外还将DSBAR 209的下部FBAR 110与DSBAR 208的下部DSBAR 110反向并联连接。FACT 202的电路242以串联的形式连接DSBAR 206、207和208的上部FBAR 120，并将该上部FBAR 120连接到端子145，并且另外还将DSBAR 209的上部FBAR 120与DSBAR 206、207和208的上部FBAR串联，并将该上部FBAR 120连接到端子146。
通过刚才所述的电连接，在端子143和144之间测量的FACT 300的阻抗是DSBAR 206-209的下部FBAR 110的寄生阻抗，即每个下部FBAR 110的阻抗的四分之一。另外，在端子145和146之间测量的FACT300的阻抗是DSBAR 206-209的上部FBAR 120的串联阻抗，即每个FBAR 120的阻抗的四倍。因为FBAR 110和120的阻抗全部相等，所以FACT 300具有1∶16的阻抗变换比，如上所述。
图4B示出根据本发明四DSBAR薄膜声耦合变压器(FACT)的实施例302的另一个实施例。FACT 302也具有1∶16的阻抗变换比。在本实施例中，电路241并联连接DSBAR 206、207、208和209的下部FBAR 110，并将该下部FBAR 110连接到端子143和144。另外，电路242反向串联连接DSBAR 206、207、208和209的上部FBAR 120。
图4C-4I示意地说明各个电路布置，其中电路241的各个实施例可以互连DSBAR 206-209的下部FBAR 110，电路242的各个实施例可以互连DSBAR 206-209的上部FBAR 120。在图4C-4I的每幅图中，FBAR 311、315和317分别是DSBAR 206、207和208的下部FBAR 110，当该图表示电路241的实施例时，端予T1和T2是端子143和144；FBAR 311、313、315和317分别是DSBAR 206、207和208的上部FBAR120，当该图表示电路242的实施例时，端子T1和T2是端子145和146。在图4C-4I的文字说明中，FBAR是串联或并联或同时串联和并联。但是，在用于与FBAR的互连有关的本公开中时，术语串联被认为是包括反向串联，术语并联被认为是包括反向并联。
图4C示出在端子T1和T2之间并联连接FBAR 311、313、315和317的电路241或电路242的第一实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是Z/4，其中Z是各个FBAR 311、313、315和317的阻抗。假设FBAR 311、313和315的阻抗相等。图4C说明电路241互连图4B中的DSBAR 206-209的下部FBAR 110的结构。
图4D示出在端子T1和T2之间串联连接FBAR 311和313并且还将FBAR 315和317与FBAR 311和313的串联组合并联连接的电路241或电路242的第二实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是1/((1/Z)+(1/Z)+(1/2Z))＝2Z/5。
图4E示出在端子T1和T2之间串联连接FBAR 311、313和315并且还将FBAR 317与FBAR 311、313和315的串联组合并联连接的电路241或电路242的第三实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是(3Z2/4Z)＝3Z/4。
图4F示出在端子T1和T2之间串联连接FBAR 311和313、另外还串联FBAR 315和317、并且将FBAR 311和313的串联组合与FBAR 315和317的串联组合并联连接的电路241或电路242的第四实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是(4Z2/4Z)＝Z。
图4G示出在端子T1和T2之间并联连接FBAR 313、315和317并且还将FBAR 311与FBAR 313、315和317的并联组合串联连接的电路241或电路242的第五实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是Z+Z/3＝4Z/3。
图4H示出在端子T1和T2之间并联连接FBAR 315和317并且还将FBAR 311和313与FBAR 315和317的并联组合串联连接的电路241或电路242的第六实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是2Z+Z/2＝5Z/2。
图4I示出在端子T1和T2之间串联连接FBAR 311、313、315和317的电路241或电路242的第七实施例。在本实施例中，端子T1和T2之间的阻抗是4Z。图4I说明电路242互连图4A中的DSBAR 206-208的上部FBAR 120的结构。
可以组合使用如上参考图4C-4I所述一对电路241和242的实施例，从而在端子143和144以及端子145和146之间提供具有从1∶1到1∶16的13种不同阻抗变换比的FACT 300的实施例。在计算不同阻抗变换比的数目时，彼此成倒数的比值例如1∶16和16∶1当作一个比值。但是，每个阻抗变换比都提供一个以上的阻抗等级。例如，在电路241的四个不同阻抗等级下提供10∶3(或3∶10)的阻抗变换比，即2Z/5、3Z/4、4Z/3或5Z/2。
Figure A20048003092400211
                       表3
在表3中，行标题示出电路241在端子143和144之间作为Z的倍数的阻抗，各个FBAR 311、313、315和317的阻抗，列标题示出电路142在端子145和146之间作为Z的倍数的阻抗，表格的列表值示出各个行标题表示的电路241的阻抗和结构与各个列标题表示的电路242的阻抗和结构之间的阻抗变换比。行标题和列标题另外还示出相应的图号。行和列标题所示的阻抗以及表格主体所示阻抗变换比通过简分数表示，因为简分数比小数更精确地表征这些值。
在制造表3列出的组合时，如上所述，在并联的下部FBAR上面的上部FBAR应该反向串联，在反向并联的下部FBAR上面的上部FBAR应该串联，在串联的下部FBAR上面的上部FBAR应该反向并联，在反向串联的下部FBAR上面的上部FBAR应该并联。
表2和3示出分别用图3C-3F和图4C-4I所示的电路241和242的实施例组合可以获得的各种阻抗变换比。在具有给定的变换系数的FACT实施例中，例如通过构造FBAR的电极面积以及压电元件厚度和介电常数使得FBAR的串联、并联或混联组合具有所需的阻抗，从而在端子143和144之间获得所需的阻抗。例如，在图4C所示的结构中，通过构造DSBAR 206-209的各个FBAR使其具有200ohm的阻抗，从而在端子143和144之间获得50ohm的阻抗。
可以用如下参考图6A-6P所述方法用不同的掩模来制造FACT200、202、300和302的实施例。在这种方法中，不同的掩模在第一到第四金属层的每一层中限定三或四个等面积的电极。公共的压电材料层一般用于提供所有DSBAR 206-208或DSBAR 206-209的压电元件116和压电元件126。可选择地，该DSBAR可以具有各自的压电元件。同样，公共的声去耦层用于提供所有DSBAR 206-208或DSBAR 206-209的声去耦器130。此外，该DSBAR可以具有各自的声去耦器。
显然多于四个DSBAR可以以逐步提高的串并联组合数目的方式互连，从而提供在1∶1到1∶m2范围内的某个不连续阻抗变换比的FACT实施例，其中m是DSBAR的数目。DSBAR的FBAR以类似于上面例证的三和四DSBAR实施例的方式串并联组合地互连。
如上所述的FACT实施例具有其电容全部相同的组元FBAR，因此阻抗也相等。该FBAR一般地具有相等的电容，由于它们的电极面积和它们的压电元件厚度相同。但是，这对于本发明的这方面不是决定性的。然而，只要通过一个或多个其它决定电容的参数的相应差值来抵消一个或多个决定电容的参数的差值，其中它们的压电元件厚度和介电常数之一或者两者都不同和/或其中它们的电极面积不同的FBAR也可以电容相等。但是，每个DSBAR的FBAR的电极应该面积相等从而使DSBAR中的能量耦合最大化。
某些应用需要其阻抗变换比不同于上面例证的实施例提供的不连续阻抗变换比的FACT的实施例。此外，某些这种应用另外还需要，并且其它应用需要结构比上述三或更多DSBAR组成的实施例更简单的FACT实施例。
本发明的第二方面提供这种薄膜声耦合变压器(FACT)。发明人发现通过使DSBAR之间的FBAR的电容不同，因而阻抗也不同，可以制造具有在1∶4到大约10∶1的范围内的任何阻抗变换比的二DSBAR的FACT的实施例。杂散电容(Stray capacitance)是决定该范围上端的主要因素。一般通过使DSBAR之间的FBAR电极面积不同来制造DSBAR之间的电容不同的FBAR。可选择地，但是更不方便地，可以通过使DSBAR的压电元件的厚度和介电常数之一或两者都不同，来制造DSBAR之间的电容不同的FBAR。通常，通过使DSBAR之间的FBAR的电容不同，因而阻抗也不同，可以制造具有在1∶m到大约10∶1的范围内的任何阻抗变换比的m DSBAR的FACT的实施例。
图5A-5C分别是其中DSBAR之间的FBAR电容不同以确定FACT阻抗变换比的二DSBAR薄膜声耦合变压器(FACT)的实施例400的平面图和两个横截面图。图5D是FACT 400的电气示意图。
FACT 400由悬置在衬底102中的空腔104上的层叠体声谐振器(DSBAR)106和408组成。每个DSBAR由下部薄膜体声谐振器(FBAR)、层叠在下部FBAR上的上部FBAR和在该FBAR之间的声去耦器组成。FACT模块400另外由将DSBAR 106的下部FBAR 110互连到DSBAR 408的下部FBAR 450的电路141以及将DSBAR 106的上部FBAR 120互连到DSBAR 408的上部FBAR 460的电路142组成。
在DSBAR 106中，下部FBAR 110由对置的平面电极112和114与在该电极之间的压电元件116组成，上部FBAR 120由对置的平面电极122和124与在该电极之间的压电元件126组成。在DSBAR 408中，下部FBAR 450由对置的平面电极452和454以及在该电极之间的压电元件456组成，上部FBAR 460由对置的平面电极462和464以及在该电极之间的压电元件466组成。
在FACT 400中，DSBAR 408的电极452、454、462和464与DSBAR106的电极112、114、122和124的面积不同。因此，DSBAR 408的FBAR 450和460与DSBAR 106的FBAR 110和120的电容不同，因而阻抗也不同。FACT 400具有(r+1)2/r的阻抗变换比，其中r是DSBAR106的FBAR 110和120的阻抗与DSBAR 408的FBAR 450和460的阻抗之比。在所示的例子中，比r也是电极112、114、122和124的面积与电极452、454、462和464的面积之比。在所示的例子中，2∶1的阻抗比以及因而面积比得到4.5的阻抗变换比。如前所述，在端子143和144之间的FACT 400的阻抗取决于下部FBAR 110和450的寄生电容，在端子145和146之间的FACT 400的阻抗取决于上部DSBAR
120和460的串联电容。
在FACT 400中，在DSBAR 106中，声去耦器130位于下部FBAR 110和上部FBAR 120之间；具体地，在下部FBAR 110的电极114和上部FBAR 120的电极122之间。另外，在DSBAR 408中，声去耦器470位于FBAR 450和460之间；具体地，在下部FBAR 450的电极454和上部FBAR 460的电极462之间。由声去耦器130和470限定的声能耦合决定FACT模块400通带的频宽。
在图5A-5C所示的例子中，声去耦器130和470各自是声去耦层131的一部分。声去耦器130和470都类似于如上参考图2A-2C所述声去耦器130，这里不再描述。在图5A-5C所示的例子中提供声去耦器130和470的声去耦层131的典型声去耦材料和另一个声去耦材料也是如上所述，并且不再描述。声去耦器470也可以安装有如上所述的另一个声去耦器结构。
安装有其中整数p的额定值是零(t＝λn/4)的声去耦层131实施例的FACT 400的实施例的频率响应远比其声去耦层的额定厚度大于λn/4(p＞0)的实施例更接近理想频率响应。其声去耦层额定厚度是λn/4的FACT实施例的频率响应没有其声去耦层额定厚度大于λn/4的实施例呈现的假响应的假象。如上所述，现在已经依靠由电极114和122与声去耦器130组成的寄生电容获得平稳的频率响应，该寄生电容具有大得多的电容，并且具有平稳频率响应的实施例因而典型地具有由该电容引起的低共模抑制比。在高共模抑制比重要的实施例中，电感器或与隔流电容器串联的电感器可以和寄生电容并联，从而抵销大部分由薄的声去耦层引起的高寄生电容的影响。通过利用电感器或与隔流电容器串联的电感器抵销寄生电容的影响已经公开在John D.LarsonIII等名称为Film Acoustically-Coupled Transformer With IncreasedCommon Mode Rejection(代理人记录号No.10031284-1)序列号为No.XX/XXX,XXX的上述美国专利申请中。因此，FACT 400的实施例通过λn/4厚的声去耦层可以兼备高CMRR和平稳的频率响应。
DSBAR 106和DSBAR 408彼此相邻，悬置在衬底102中限定的空腔104上。DSBAR悬置在空腔上使得各个DSBAR中层叠的FBAR机械地谐振。使得层叠的FBAR可以机械地谐振的其它悬置方案也可以。例如，如Lakin在美国专利No.6,107,721中公开的那样，DSBAR可以位于在衬底102中或衬底102上形成的失谐声布拉格反射器(未显示)上。
图5D示意地说明FACT 400的电互联。另外参见图5A，位于衬底102主表面的结合片138提供FACT 400的电路141的信号终端143。位于衬底102主表面的结合片132和位于提供压电元件116和156的压电层117主表面的结合片172共同构成电路141的接地端子144。位于衬底主表面的互连片176、从电极452延伸到互连片176的导电迹线177、与互连片176电接触的互连片136、从电极114延伸到互连片136的导电迹线137以及从互连片176延伸到结合片138的导电迹线139构成将FBAR 110的电极114电连接到FBAR 450的电极452和信号终端143的电路141的一部分。从电极112延伸到结合片132的导电迹线133、从结合片132延伸到结合片172的导电迹线167以及从电极454延伸到结合片172的导电迹线173构成将FBAR 110的电极112与FBAR 450的电极454电连接的电路141的一部分。
位于提供压电元件126和466的压电层127主表面的结合片134和结合片174构成电路142的信号终端145和146。位于声去耦层131主表面的结合片178构成电路142的中心抽头端子147。位于压电层127主表面的结合片163和168提供额外的接地。
在声去耦层131表面上的电极122与电极462之间延伸的导电迹线171和在导电迹线171与结合片178之间延伸的导电迹线179构成电路142串联FBAR 120和FBAR 460并将FBAR 120和FBAR 460连接到中心抽头端子147的部分。在电极124与结合片134之间延伸的导电迹线135和在电极454与结合片174之间延伸的导电迹线175构成电路142将FBAR 120和FBAR 460连接到信号终端145和146的部分。导电迹线169在结合片163和提供电路142的接地端子的结合片168之间延伸。在本实施例中，导电迹线169另外延伸到结合片178，将中间抽头端子147连接到电路142的接地端。
图5E是二DSBAR薄膜声耦合变压器(FACT)的实施例500的横截面图，其中DSBAR之间的FBAR在它们的压电元件厚度方面不同，因而它们的电容也不同，从而确定FACT的阻抗变换比。FACT 500具有类似于如上参考图5D所述的电路。
FACT 500由悬置在衬底102中的空腔104上的层叠体声谐振器(DSBAR)106和508组成。每个DSBAR由下部薄膜体声谐振器(FBAR)、层叠在下部FBAR上的上部FBAR和在该FBAR之间的声去耦器组成。FACT 500另外由将DSBAR 106的下部FBAR 110与DSBAR 408的下部FBAR 550互连的电路141以及将DSBAR 106的上部FBAR 120互连到DSBAR 508的上部FBAR 560的电路142组成。
DSBAR 106的结构是如上参考图5A-5C所述的结构。在DSBAR 508中，下部FBAR 550由对置的平面电极552和454以及在该电极之间的压电元件556组成，上部FBAR 560由对置的平面电极562和564及在该电极之间的压电元件566组成。
在FACT 500中，DSBAR 508的电极152、154、162和164彼此面积相等，并且等于DSBAR 106的电极112、114、122、124的面积，但是DSBAR 508的压电元件556和566的厚度与DSBAR 106的压电元件116和126不同。因此，DSBAR 508的FBAR 550和560与DSBAR 106的FBAR 110和120的电容不同，因而阻抗也不同。FACT 500具有(r+1)2/r的阻抗变换比，其中r是DSBAR 106的FBAR 110和120的阻抗与DSBAR 508的FBAR 550和560的阻抗之比。在所示的例子中，比值r也是压电元件116和126的厚度与压电元件556和566的厚度的比值。在所示的例子中，厚度比并且导致的阻抗比是大约2∶1，因而得到4.5的阻抗变换比。如前所述，在端子143和144之间(图5D)的FACT 500的阻抗取决于下部FBAR 110和550的寄生电容，在端子145和146之间(图5D)的FACT 500的阻抗取决于上部DSBAR 120和560的串联电容。
在FACT 500中，参考图5A-5C所述DSBAR 106的声去耦器130和声去耦层570类似于如上参考图5A-5C所述的声去耦器470，因此这里不再描述。在图5E所示的例子中，声去耦器130和570分别以类似于如上参考图5A-5C所述的方式是声去耦层531的一部分。可选择地，声去耦器130和570可以彼此无关。
在所示的例子中，压电元件116和556分别是FBAR 110和550之间厚度不同的压电材料层517的一部分。同样，压电元件126和566分别是FBAR 120和560之间厚度不同的压电材料层527的一部分。可选择地，压电元件116、126、556和566可以彼此无关。
DSBAR 106和DSBAR 508以类似于如上参考图5A-5C所述的方式彼此相邻地悬置在衬底102中限定的空腔104上方。
在如上参考图3A-3F所述的FACT 200实施例和如上参考图4A-4I所述的FACT 300实施例中，可以以类似于如上参考图5A-5C所述DSBAR106和408的FBAR具有不同阻抗的方式，或以如上参考图5E所述DSBAR 106和508的FBAR具有不同阻抗的方式，DSBAR 206-208中的至少两个和DSBAR 206-209中的至少两个可以FBAR阻抗不同。在两个或更多个DSBAR当中的FBAR阻抗的这种差值可用于提供具有所需的阻抗变换比，该要求的阻抗变换比不同于所有FBAR阻抗相等产生的阻抗变换比。
下面将参考图6A-6H的平面图和图6I-6P的横截面图描述可用于制造如上参考图5A-5C所述薄膜声耦合变压器(FACT)400的方法。下面将说明其制造的FACT 400实施例的通带的额定中心频率是大约1.9GHz。用于在其它频率下工作的实施例的结构和制造相仿，但是厚度和截面尺寸不同于下面举例说明的那些。此外，用不同的掩模，该方法也可以用于制造如上面参考图3A-3F所述三DSBAR FACT 200的实施例和如上参考图4A-4I所述四DSBAR FACT 300的实施例。通过晶片规模制造一次制造成千上万个类似于FACT 400的FACT。这种晶片规模制造使得制造FACT的成本低。
提供单晶硅的晶片。对于制造的各个FACT，一部分晶片构成相应于FACT 400衬底102的衬底。图6A-6H和图6I-6P示出，并且以下的文字说明部分也说明一部分晶片中和上面的FACT 400的制造。在制造FACT 400时，同样地制造晶片上的其它FACT。
有选择地湿法蚀刻构成FACT 400的衬底102的部份晶片以形成空腔。充填材料层(未显示)淀积在晶片表面上，其厚度足以填充该空腔。然后平面化晶片表面，让该空腔装满充填材料。图6A和6I示出衬底102中填满充填材料105的空腔104。
在实施例中，充填材料是磷硅酸盐玻璃(PSG)，并且使用传统的低压化学气相淀积(LPCVD)来淀积。充填材料可选择地通过溅射或者通过旋涂而淀积。
第一金属层淀积在衬底102和充填材料105的表面上。如图6B和6J所示构图第一金属层以限定电极112、电极452、结合片132、结合片138和互连片176。该构图还在第一金属层中限定在电极112和结合片132之间延伸的导电迹线133、在电极452和互连片177之间延伸的导电迹线177以及在互连片176和结合片138之间延伸的导电迹线139。
电极112和电极452典型地在平行于晶片主表面的平面中具有非对称形状。非对称形状使该电极形成其一部分的FBAR110和FBAR 450(图2A)中的横模最小。这在Larson III等的美国专利No.6,215,3751中已经说明了。电极112和电极452让部分充填材料105的表面暴露，因此充填材料后来可以如下所述通过蚀刻除去。
另外参考图5D，如下所述，电极114和454限定在第二金属层中，电极122和462限定在第三金属层中，电极124和464限定在第四金属层中。构图其中限定了电极的第一到第四金属层，使得在平行于晶片主表面的各个平面中，FBAR 110的电极112和114具有相同形状、尺寸、方向和位置，FBAR 120的电极122和124具有相同形状、尺寸、方向和位置，FBAR 450的电极452和454具有相同形状、尺寸、方向和位置并且FBAR 460的电极462和464具有相同形状、尺寸、方向和位置。典型地，构图该金属层，使得电极114和122另外具有相同形状、尺寸、方向和位置，电极454和462另外具有相同形状、尺寸、方向和位置。根据本发明，在所示例子中，另外还构图该金属层，使得DSBAR 408的FBAR 110和120的电极452、454、462和464与DSBAR106的FBAR 110和120的电极112、114、122和124的面积不同。因此，不同电极面积使得DSBAR 408的FBAR 450和460与DSBAR 106的FBAR 110和120的电容不同，因而阻抗也不同。
在实施例中，每个金属层的材料是通过溅射到大约300nm厚而淀积的钼。在各个金属层中限定的DSBAR 106的电极是其面积都为大约12,000μm2的五边形，在各个金属层中限定的DSBAR 408的电极是其面积都为大约6,000μm2的五边形。这种电极面积得到大约2.0的面积比和1∶4.5的阻抗变换比。其它的电极面积得到其它的性能阻抗和阻抗变换比。
其它的高熔点金属例如钨、铌和钛可以可选择地用作金属层的材料。每个金属层都可以可选择地包括一种材料以上的层。在选择FACT400的电极材料时要考虑的一个因素是电极材料的声特性：FACT 400保留的金属部分的材料声特性不如其它的性能例如导电性重要。因此，FACT 400保留的金属部分的材料可以不同于电极的材料。
压电材料层如图6C和6K所示淀积和构图，从而限定提供FBAR 110的压电元件116和FBAR 450的压电元件456的压电层117。压电层117在衬底102上延伸，超出空腔104的范围。构图压电层117，从而暴露充填材料105、结合片132和138以及互连片176的部分表面。另外还构图压电层117从而限定窗119，提供到充填材料另外部分表面的通路。
在实施例中，淀积形成如下所述压电层117和压电层127的压电材料是通过溅射到大约1.4μm厚而淀积的氮化铝。压电材料通过在氢氧化钾中的湿法蚀刻或者通过氯基干刻蚀来构图。可供选择的用于压电层的材料包括氧化锌、硫化镉和极化铁电材料例如钙钛矿铁电材料，该钙钛矿铁电材料包括铅钛酸锆、偏铌酸铅和钛酸钡。
第二金属层淀积在压电层117上并且如图6D和6L所示构图，从而限定电极114、电极454、结合片172和与互连片176电接触的互连片136。该构图另外还在第二金属层中限定在电极114和互连片136之间延伸的导电迹线137、在电极454和结合片172之间延伸的导电迹线173以及在结合片132和172之间延伸的导电迹线167。
然后淀积声去耦材料层并如图6E和6M所示构图，从而限定提供声去耦器130和声去耦器470的声去耦层131。构图声去耦层131，从而至少覆盖电极114和电极454，并且暴露充填材料105、结合片132、138和172以及互连片136和176的部分表面。另外还构图声去耦层131从而限定窗119，提供到充填材料另外部分表面的通路。
在实施例中，声去耦材料是大约200nm厚的聚酰亚胺，即在聚酰亚胺中大约1,900MHz的中心频率的四分之一波长。通过旋涂淀积聚酰亚胺形成声去耦层131，并且通过光刻构图。聚酰亚胺是感光性的，因此不需要光刻胶。如上所述，可以使用其它的塑料材料作为声去耦材料。声去耦材料可以通过除旋涂之外的方法淀积。
在声去耦材料是聚酰亚胺的实施例中，在淀积和构图聚酰亚胺以后，在进行下一步的方法之前，首先在大约250℃的空气中烘焙该晶片，最后在大约415℃的惰性气氛中烘焙，该惰性气氛例如是氮气氛。烘焙使聚酰亚胺的挥发性组分蒸发，并防止这种挥发性组分在后续加工过程中的蒸发使随后淀积的层剥落。
第三金属层淀积在声去耦层131上，并如图6F和6N所示构图以限定电极122、电极462和结合片178。该构图还在第三金属层中限定在电极122和电极462之间延伸的导电迹线171，和在导电迹线171和结合片178之间延伸的导电迹线179。
淀积压电材料层并如图6G和60所示构图，从而限定提供FBAR 120的压电元件126和FBAR 460的压电元件466的压电层127。构图压电层127，从而暴露结合片132、138、178和172、互连片136和176以及部分充填材料105的表面。另外还构图压电层127从而限定窗119，提供到充填材料另外部分表面的通路。
淀积第四金属层并如图6H和60所示构图，从而限定电极124、电极464、结合片163、结合片134、结合片174和结合片168。构图还在第四金属层中限定从电极124延伸到结合片134的导电迹线135、从电极464延伸到结合片174的导电迹线175以及从结合片163和结合片168延伸到结合片178的导电迹线169。
然后各向同性地湿法蚀刻该晶片，从而从空腔104除去充填材料105。如上所述，充填材料105的部份表面例如通过窗119保持暴露状态。该蚀刻加工让FACT 400悬置在空腔104上方，如图5A和5B所示。
在实施例中，用于除去充填材料105的蚀刻剂是稀释的氢氟酸。
金保护层淀积在结合片172、138、132、163、134、178、174和168的暴露表面上。
该晶片然后被分成单个的FACT，包括FACT 400。然后每个FACT安装在组件中，并且使FACT的结合片172、132、163、134、178、174和168与作为该组件一部分的片电连接。
在另一个实施例中，声去耦层131的声去耦材料是交联聚苯撑聚合体。在构图第二金属层限定电极114和454之后，如上参考图6D和6L所述，用于交联聚苯撑聚合体的前驱物溶液以类似于如上参考图6E和6M所述的方式旋涂，但是不构图。选择交联聚苯撑聚合体的成分和旋转速度，使得聚苯撑聚合体形成大约187nm厚的层。该厚度相应于其频率等于FACT 400通带的中心频率的声信号在交联聚苯撑聚合体中的四分之一波长λn。然后在进行下一步加工之前，在从大约380℃到450℃温度范围内的惰性气氛中烘焙该晶片，该惰性气氛是例如在真空下或在氮气氛中。该烘焙首先从该前驱物溶液中分离出有机溶剂，然后使该低聚物如上所述地交联以形成交联聚苯撑聚合体。
第三金属层然后以类似于如上参考图6F和6N所述的方式淀积在交联聚苯撑聚合体层上。但是，第三金属层首先以类似图6E和6M所示的方式构图，从而限定硬掩模，该硬掩模将用于构图交联聚苯撑聚合体层，以限定声去耦层131。最初构图的第三金属层具有和声去耦层131相同的范围，并且在声去耦层131中的窗119的位置具有窗。
然后如图6E和6M所示用首先构图的第三金属层作为硬蚀刻掩模构图交联聚苯撑聚合体层。该图案在交联聚苯撑聚合体层中限定声去耦层131和窗119的范围，该窗119提供通向充填材料105另外部分表面的通路。用氧气等离子体蚀刻进行该构图。
第三金属层然后如图6F和6N所示再构图以限定电极122、电极462和结合片178。该再构图还在第三金属层中限定在电极122和电极462之间延伸的导电迹线171，和在导电迹线171和结合片178之间延伸的导电迹线179。
通过进行如上参考图6G、6H、60和6P所述的加工来完成具有交联聚苯撑聚合体声去耦层的FACT 400实施例的制造。
在实施例中，用于交联聚苯撑聚合体的前驱物溶液是Dow化学公司命名为SiLKTMJ的前驱物溶液。可选择地，该前驱物溶液可以是Dow化学公司商标为SiLK的前驱物溶液中任何一种合适的前驱物溶液。在某些实施例中，在旋涂前驱物溶液之前淀积增粘剂层。还可以现在或将来从其它供应商那获得包含固化后形成声阻抗大约为2Mrayl的交联聚苯撑聚合体的低聚物的前驱物溶液，也可以使用该前驱物溶液。
如上参考图5E所述FACT 500的实施例可以用如上所述方法的变形来制造。电极552、554、562和562与电极112、114、122、124全部面积相等。在这种实施例中，压电材料淀积在电极112和552达到第一厚度，并且还在电极552上方和附近淀积另外的压电材料。然后如上参考图6C和6K所述构图双重厚度的压电材料层，以限定压电层517。另外，压电材料淀积在电极122和562达到第一厚度，并且还在电极562上方和附近淀积另外的压电材料。然后如上参考图6G和6P所述构图双重厚度的压电材料层，以限定压电层527。这使得压电元件556和566的厚度与压电元件116和126不同，并且DSBAR 508的FBAR 550和560的电容与DSBAR 106的FBAR 110和120不同，因而阻抗也不同。在一种变形中，电极552、554、562和562的面积另外还与电极112、114、122、124不同，从而进一步增加DSBAR 508的FBAR和DSBAR 106的FBAR之间的阻抗差值。
在另一个实施例中，电极452、454、462和462与电极112、114、122、124全部面积相等。在这种实施例中，第一压电材料淀积在电极112上方，第二压电材料淀积在电极452上方。压电材料的介电常数不同。然后如上参考图6C和6K所述构图压电材料层的组合层，以限定压电层117。另外，第一压电材料淀积在电极122的上方，并且第二压电材料淀积在电极462的上方。压电材料的介电常数不同。然后如上参考图6G和6P所述构图压电材料层的组合层，以限定压电层127。这使压电元件456和466的介电常数与压电元件116和126不同。因此，DSBAR 408的FBAR 450和460与DSBAR 106的FBAR 110和120的电容不同，因而阻抗也不同。
在一种变形中，电极452、454、462和462的面积另外还与电极112、114、122、124不同，从而进一步增加DSBAR 408的FBAR和DSBAR106的FBAR之间的阻抗差值。在另外的或可选择的变形中，第一压电材料的厚度与第二压电材料不同，从而进一步增加DSBAR 408的FBAR和DSBAR 106的FBAR之间的阻抗差值。
本公开用说明性的实施例详细地描述本发明。但是，由附加的权利要求限定的本发明不局限于描述的明确实施例。

Claims (27)

1、一种薄膜声耦合变压器(FACT)，包括：
去耦层叠体声谐振器(DSBAR)，每个DSBAR包括：
一种下部薄膜体声谐振器(FBAR)和上部FBAR，该上部FBAR层叠在该下部FBAR上，每个FBAR包括对置的平面电极和在该电极之间的压电元件，和
在该FBAR之间的声去耦器；
互连该下部FBAR的第一电路；和
互连该上部FBAR的第二电路；其中：
一个DSBAR的FBAR的阻抗不同于另一个DSBAR的FBAR的阻抗。
2、权利要求1的FACT，其中一个DSBAR的FBAR的电极在面积上不同于另一个DSBAR的FBAR的电极。
3、权利要求1的FACT，其中一个DSBAR的FBAR的压电元件在厚度上不同于另一个DSBAR的FBAR的压电元件。
4、权利要求1的FACT，其中一个DSBAR的FBAR的压电元件在介电常数上不同于另一个DSBAR的FBAR的压电元件。
5、权利要求1-5中任何一个的FACT，其中：
第一电路按(a)串联和(b)反向并联之一连接该下部FBAR；和
第二电路按(a)串联和(b)反向并联中的另一种连接该上部FBAR。
6、前面权利要求中任何一个的FACT，其中DSBAR的数量大于两个。
7、前面权利要求中任何一个的FACT，其中：
该FACT的通带具有中心频率；和
每个声去耦器包括声去耦材料层，该声去耦材料层的额定厚度等于其频率等于中心频率的声信号在该声去耦材料中的四分之一波长。
8、权利要求7的FACT，其中该声去耦材料包括聚酰亚胺、paralene和交联聚苯撑聚合体之一。
9、前面权利要求中任何一个的FACT，其中：
该FACT的通带具有中心频率；和
每个声去耦器包括不同声去耦材料层，并且被构造成对其频率等于中心频率的声信号施加π/2的额定相变。
10、前面权利要求中任何一个的FACT，其中：
该DSBAR的数量大于两个；和
一个该电路在相应的下部FBAR和上部FBAR之一中提供串并联连接。
11、前面权利要求中任何一个的FACT，其中该FACT具有(1+r)2/r的阻抗变换比，其中r是一个DSBAR的FBAR阻抗和另一个DSBAR的FBAR阻抗之间的比。
12、一种薄膜声耦合变压器(FACT)，包括：
两个以上去耦层叠体声谐振器(DSBAR)，每个DSBAR包括：
第一薄膜体声谐振器(FBAR)和第二FBAR，一个FBAR层叠在另一个FBAR上，每个FBAR包括对置的平面电极和在该电极之间的压电元件，和
在该FBAR之间的声去耦器；
互连该DSBAR的第一FBAR的第一电路；和
互连该DSBAR的第二FBAR的第二电路。
13、权利要求12的FACT，其中第一电路提供在第一FBAR之间的串并联连接。
14、权利要求13的FACT，其中：
该DSBAR包括第一DSBAR、第二DSBAR和第三DSBAR；和
第一电路串联连接第一DSBAR的第一FBAR和第二DSBAR的第一FBAR形成串联组合并且将第三DSBAR的第一FBAR与该串联组合并联连接。
15、权利要求13的FACT，其中：
该DSBAR还包括第四DSBAR；和
第一电路还将第四DSBAR的第一FBAR与该第三DSBAR的第一FBAR和该串联组合并联连接。
16、权利要求13的FACT，其中：
该DSBAR还包括第四DSBAR；和
第一电路还将第四DSBAR的第一FBAR与第一DSBAR的第一FBAR和第二DSBAR的第一FBAR串联连接形成串联组合。
17、权利要求13的FACT，其中：
该DSBAR还包括第四DSBAR；和
第一电路还将第四DSBAR的第一FBAR与和该串联组合并联的该第三DSBAR的第一FBAR串联连接。
18、权利要求13的FACT，其中：
该DSBAR包括第一DSBAR、第二DSBAR和第三DSBAR；和
该第一电路并联连接第一DSBAR的第一FBAR和第二DSBAR的第一FBAR形成并联组合并且将第三DSBAR的第一FBAR与该并联组合串联连接。
19、权利要求18的FACT，其中：
该DSBAR还包括第四DSBAR；和
第一电路还将第四DSBAR的第一FBAR与第一DSBAR的第一FBAR和第二DSBAR的第一FBAR并联连接形成并联组合。
20、权利要求18的FACT，其中：
该DSBAR还包括第四DSBAR；和
第一电路还将第四DSBAR的第一FBAR与第三DSBAR的第一FBAR和该并联组合串联连接。
21、权利要求12的FACT，其中：
在第一电路布置中，第一电路互连第一FBAR；和
在不同于第一电路布置的第二电路布置中，第二电路互连第二FBAR。
22、权利要求12的FACT，其中第一电路并联连接所有DSBAR的第一FBAR。
23、权利要求12的FACT，其中第一电路串联连接所有DSBAR的第一FBAR。
24、权利要求12的FACT，其中一个DSBAR的FBAR在阻抗上不同于另一个DSBAR的FBAR。
25、一种薄膜声耦合变压器(FACT)，包括：
去耦层叠体声谐振器(DSBAR)，每个DSBAR包括：
第一薄膜体声谐振器(FBAR)和第二FBAR，一个FBAR层叠在另一个FBAR上，每个FBAR包括对置的平面电极和在该电极之间的压电元件，和
在该FBAR之间的声去耦器；
互连该第一FBAR的第一电路；和
互连该第二FBAR的第二电路；其中：
该FACT具有不同于1∶1和1∶m2的阻抗变换比，其中m是DSBAR的数目。
26、权利要求25的FACT，其中一个DSBAR的FBAR阻抗与另一个DSBAR的FBAR不同。
27、权利要求25或权利要求26的FACT，其中：
该DSBAR的数目大于两个；
在第一电路布置中，第一电路互连第一FBAR，该第一电路布置包括在第一FBAR之间的串并联连接；和
在不同于第一电路布置的第二电路布置中，第二电路互连第二FBAR。
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