DISPOSITIVO Y FILTRO DE ONDA ACÚSTICA.

Dispositivo y filtro de onda acústica.

El dispositivo comprende dos o más electrodos (1,

2), una capa activa piezoeléctrica (3) y unos medios de compensación de señales que comprenden como mínimo una capa compensatoria dieléctrica (4) configurada y ubicada para compensan señales espurias generadas, al aplicar una señal de entrada a dichos electrodos (1, 2), por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura, inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de al menos dicha capa activa (3).

Para un ejemplo de realización los medios de compensación comprenden una fuente de tensión continua (Vdc) en conexión eléctrica con unas capas de alta conductividad (1, 2) entre las que se encuentra la capa compensatoria dieléctrica (4), para aplicar una tensión continua que varíe sus propiedades de elasticidad no lineales.

El filtro comprende uno o más dispositivos como el propuesto por la invención.

Dispositivo y filtro de onda acústica.

Sector de la técnica La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un dispositivo de onda acústica con una o más capas compensatorias dieléctricas que compensan unas señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por el mismo, y en particular a un dispositivo de onda acústica cuya capa o capas compensatorias están previstas para compensar señales espurias generadas por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un filtro que comprende uno o más dispositivos según el primer aspecto de la invención.

Estado de la técnica anterior

La elasticidad de los materiales usados para construir dispositivos de onda acústica, en los electrodos y en la capa piezoeléctrica que incorporan, en adelante capa activa, es una propiedad especialmente importante en tanto que define la relación entre las tensiones mecánicas y la deformación del material provocada por la onda mecánica. Esto hace que cualquier variación de la elasticidad con el campo externo aplicado se traduzca en un comportamiento no lineal intrínseco del dispositivo generando efectos indeseados: generación de harmónicos, productos de intermodulación, desintonización y saturación.

El creciente uso del espectro radioeléctrico debido al surgimiento de nuevos estándares de comunicación hace necesario el uso de dispositivos con prestaciones óptimas en tanto que a aprovechamiento del canal se refiere. Este incremento de prestaciones implica un incremento de la selectividad de los filtros que forman parte de las cabeceras de radiofrecuencia cuya misión es la de eliminar las señales indeseadas a frecuencias diferentes de las usadas en el enlace de comunicaciones. Por otro lado, es creciente el número de transceptores que operan a diferentes bandas de frecuencia, lo que implica la necesidad de construir dispositivos (filtros, amplificadores, etc.) cada vez más reducidos en peso y volumen para su integración en un único terminal. Con este objetivo se persigue la integración en chip de los circuitos pasivos que debido a sus elevadas dimensiones o a su proceso de fabricación suelen ser habitualmente componentes externos al chip.

Es en este contexto que los dispositivos pasivos electro-acústicos con dimensiones comparables a la longitud de onda acústica, mucho menor que la longitud de onda electromagnética a la misma frecuencia, tienen un enorme potencial para la fabricación de resonadores y filtros para cabezales de radiofrecuencia.

Según si la onda acústica se propaga por la superficie o se propaga hacia el interior del sustrato los resonadores o filtros acústicos se pueden clasificar en dispositivos SAW y dispositivos BAW respectivamente. Los primeros permiten realizar filtros hasta 2 GHz y no son compatibles con los procesos CMOS. De entre los dispositivos BAW destacan los cristales de cuarzo de uso extendido y los resonadores acústicos de película delgada (FBAR) . Estos últimos tienen un enorme potencial ya que permiten una mayor frecuencia de operación que los SAW y son compatibles con los procesos CMOS.

Uno de los mayores problemas que presentan estas tecnologías (SAW y BAW) es la no linealidad inherente de los materiales actualmente utilizados para la construcción de resonadores, es decir que las propiedades de los materiales usados dependen del nivel de las magnitudes eléctricas o acústicas que intervienen. Esto conlleva que los resonadores y/o filtros introduzcan efectos no lineales: saturación, desintonización y generación de señales indeseadas como productos de intermodulación y harmónicos, que degradan las prestaciones de los circuitos.

Para evitar dichos efectos o bien se actúa con acciones de prevención, por ejemplo limitando la potencia a la que pueden operar, incrementando las bandas de guarda entre canales, etc., o bien se aplican técnicas que permitan fabricar dispositivos más lineales.

El comportamiento no lineal de la elasticidad del material piezoeléctrico y los efectos de auto-calentamiento son las principales causas de las no linealidades en los dispositivos acústicos.

La elasticidad no lineal, conocida como no linealidad intrínseca, puede ser modelada por un desarrollo en series de Taylor en función de la tensión mecánica, de manera que los términos significativos son un coeficiente de primer orden y otro coeficiente mucho menor de segundo orden, que dependen de la tensión mecánica directamente y al cuadrado respectivamente. Ambos términos generan harmónicos y productos de intermodulación cuando el dispositivo es alimentado con dos tonos, siendo especialmente nocivos los productos de intermodulación de tercer orden por aparecer habitualmente a frecuencias dentro de la banda de operación en un sistema de comunicaciones.

También es destacable la contribución a la intermodulación de tercer orden que se genera por un efecto de auto-calentamiento del dispositivo. Es lo que se conoce como no linealidades extrínsecas. La disipación de potencia en el interior del material se traduce en un incremento de la temperatura con un comportamiento de filtro paso-bajo, debido al tiempo que tarda la temperatura en estabilizarse (constante de relajación térmica) . Estas variaciones de temperatura, que siguen la envolvente de la señal, y por tanto son variaciones lentas, hacen variar la elasticidad provocando intermodulación de tercer orden.

Actualmente se usan diferentes técnicas para disminuir el nivel de los harmónicos. La más sencilla aparece descrita en US20080252397, y consiste en incorporar inductancias externas al filtro de manera que, debido a la naturaleza capacitiva de un filtro de resonadores BAW fuera de resonancia, se limite la transmisión justo a las frecuencias donde deberían aparecer los harmónicos. Esta técnica tiene el inconveniente que aumenta las dimensiones del dispositivo.

En la patente US7365619B2 se describe otra técnica con el mismo fin aplicada a un dispositivo BAW, la cual consiste en subdividir cada resonador en dos de iguales dimensiones pero conectados en anti-paralelo. La polarización intrínseca del material hace que las no linealidades de primer orden tengan signos diferentes en los dos resonadores y por tanto se cancele el segundo harmónico. Esta técnica no incrementa las dimensiones del filtro aunque requiere de un diseño muy preciso y complica la geometría del dispositivo. En los dispositivos SAW la conexión antiparalela inherente de los electrodos IDT (Interdigital Transducers) reduce ya de por sí la generación de harmónicos en la zona de los electrodos, pero no en la zona de propagación de la onda acústica entre los electrodos.

En cuanto a la intermodulación no existe actualmente ninguna técnica diseñada específicamente para disminuirla. Sí que existe una técnica para compensar el resonador en temperatura para prevenir que el resonador o filtro se desajuste en frecuencia, de manera que se incorpora una capa de material fino cuya variación elástica con la temperatura es inversa a la del material piezoeléctrico principal, consiguiendo que el conjunto se mantenga estable en temperatura.

Tal técnica aparece descrita en la patente US3965444, aplicada a resonadores SAW, con una capa compensatoria de dióxido de Silicio, y, para resonadores BAW, en las patentes US7345410, donde la capa incorporada es de dióxido de Silicio combinado con Boro, y en la patente US7408428, donde se reivindica que dicha capa es de un material ferroeléctrico, seleccionable de entre tres compuestos muy específicos, y se encuentra dispuesta entre los electrodos de un resonador FBAR de membrana.

Esta técnica, aunque no fue originalmente concebida para ello, indirectamente puede disminuir el nivel de intermodulación generado mediante auto-calentamiento, en tanto que la variación de temperatura puede afectar mucho menos al dispositivo. No obstante no cancela las no linealidades intrínsecas ni los efectos indeseados generados por éstas, al ser dichas no linealidades intrínsecas independientes de la temperatura.

Explicación de la invención Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, en particular relativas a la carencia de dispositivos de onda acústica previstos para compensar los efectos indeseados provocados por las no linealidades intrínsecas mencionadas, con el fin de cancelarlos.

Para ello la presente invención aporta un dispositivo de onda acústica que comprende dos o más electrodos, una o más capas activas de material piezoeléctrico y unos medios de compensación de señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por como mínimo parte de dicho...

1. Dispositivo de onda acústica del tipo que comprende al menos dos electrodos (1, 2) , al menos una capa activa (3) constituida por material piezoeléctrico, y unos medios de compensación de señales espurias generadas por unas no linealidades sufridas por al menos parte de dicho dispositivo de onda acústica, donde dichos medios de compensación comprenden al menos una capa compensatoria dieléctrica (4) en contacto con al menos una capa de dicho dispositivo de onda acústica, estando éste caracterizado porque dichos medios de compensación están previstos, mediante al menos la configuración y ubicación de dicha capa compensatoria dieléctrica (4) , que es al menos una, para compensar señales espurias generadas, al aplicar una señal de entrada a dichos electrodos (1, 2) , que son al menos dos, por unas no linealidades intrínsecas sustancialmente independientes de la temperatura, inherentes a las propiedades de elasticidad no lineales del material de al menos dicha capa activa (3) , que es al menos una, de dicho dispositivo de onda acústica caracterizado porque dicha capa compensatoria dieléctrica (4) , que es al menos una, está configurada para, por sí sola o en colaboración con al menos otras capas compensatorias dieléctricas (5) incluidas en los medios de compensación, tener unas propiedades de elasticidad no lineales que, en función también de su ubicación, produzcan unas señales espurias, al aplicarse dicha señal de entrada, que sean iguales en magnitud y estén en contrafase con las provocadas por la capa o capas activas (3) del dispositivo de onda acústica en ausencia de capas compensatorias.

2. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende varias capas compensatorias dieléctricas (4, 5) , cada una de ellas configurada para compensar un respectivo coeficiente no lineal elástico.

3. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 2, caracterizado porque al menos una de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) está configurada para compensar una no linealidad de primer orden y al menos otra de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) está configurada para compensar una no linealidad de segundo orden.

4. Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha configuración de dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) se refiere al menos al dimensionado de las mismas, incluyendo su espesor.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) han sido construidas con unas tensiones mecánicas preestablecidas.

6. Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dichos medios de compensación comprenden al menos una fuente de estimulación externa conectada a dicha o dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) , o a unas capas de otro material en contacto con las mismas, para aplicarles una señal de estimulación que varíe sus propiedades de elasticidad no lineales.

7. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 6, caracterizado porque dicha fuente de estimulación, que es al menos una, es una fuente de estimulación eléctrica, magnética o mecánica, o una combinación de las mismas.

8. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 7, caracterizado porque dicha fuente de estimulación eléctrica es una fuente de tensión continua (Vdc) en conexión eléctrica con al menos dos capas de alta conductividad entre las que se encuentra al menos una de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) , para aplicar una tensión continua entre dichas dos capas de alta conductividad.

9. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 8, caracterizado porque dichas capas de alta conductividad son unos electrodos (1, 2) de dicho dispositivo de onda acústica.

10. Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos un resonador de onda acústica en volumen, o resonador BAW.

11. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 10, caracterizado porque el material de dicha o dichas compensatorias dieléctricas (4, 5) es al menos uno del grupo que incluye los siguientes materiales ferroicos: material ferromagnético, material ferroeléctrico y material ferroelástico, o una combinación de los mismos, con coeficientes no lineales opuestos a los de la capa o capas activas (3) del dispositivo.

12. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho resonador de onda acústica en volumen, que es al menos uno, es de tipo membrana, o FBAR.

13. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho resonador de onda acústica en volumen, que es al menos uno, es del tipo que se encuentra montado en un soporte sólido, o SMR.

14. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 13, caracterizado porque la capa o capas de material ferroico (4, 5) están ubicadas en el espejo acústico (6) de dicho resonador BAW tipo SMR, que es al menos uno.

15. Dispositivo de onda acústica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque 5 comprende al menos un resonador de onda acústica de tipo superficial, o resonador SAW.

16. Dispositivo de onda acústica según la reivindicación 15, caracterizado porque el material de la capa o capas compensatorias (4, 5) es un material dieléctrico no ferroico con coeficientes elásticos no lineales opuestos a los de la capa o capas activas (3) del dispositivo.

17. Dispositivo de onda acústica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado 10 porque comprende al menos dos resonadores de onda acústica conectados en paralelo, al menos uno de los cuales incluye una o más de dichas capas compensatorias dieléctricas (4, 5) .

18. Filtro de onda acústica, caracterizado porque comprende al menos un dispositivo de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.