DE10153434A1

DE10153434A1 - Megnetisch abstimmbares Filter

Info

Publication number: DE10153434A1
Application number: DE2001153434
Authority: DE
Inventors: Werner Ruile; Leonard Reindl
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: DE10153434C2

Abstract

Für ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, insbesondere ein Filter, wird vorgeschlagen, in engem mechanischen Kontakt zu einer piezoelektrischen Schicht eine abstimmbare Schicht mit magnetisch abstimmbarer Elastizität vorzusehen, welche aus einem GDE-Material ausgewählt ist. Über ein auf diese Schicht einwirkendes variables Magnetfeld läßt sich die Arbeitsfrequenz des Bauelements innerhalb weiter Bereiche variieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, insbesondere ein Filter, welches magnetisch abstimmbar ist.

Drahtlose Telekommunikationssysteme arbeiten weltweit mit regional unterschiedlichen Übertragungsnormen, die sich u. a. durch unterschiedliche Frequenzlagen für die Sende- und Empfangsbänder sowie durch unterschiedliche Bandbreiten auszeichnen. Da somit die Einsetzbarkeit eines nur einer Norm gehorchenden Telekommunikationsendgerätes regional begrenzt ist, wären solche Endgeräte wünschenswert, die mehr als einer Norm gehorchen. Dafür existieren bereits Multi-Band-Endgeräte bzw. kombinierte Multi-Band/Multi-Mode-Endgeräte. Diese weisen dazu in der Regel für jedes Frequenzband ein eigenes Filter auf, und können auf diese Weise zwischen unterschiedlichen Sende- und Empfangssystemen hin und her schalten. Solche Multi-Band/Multi-Mode-Endgeräte sind jedoch auf Grund der Vielzahl der dafür erforderlichen Filter und anderer Komponenten relativ teuer und schwer und laufen dem Trend zur zunehmenden Miniaturisierung mobiler Endgeräte entgegen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, für ein Multi-Band/Multi- Mode-Endgerät schaltbare Filter zu verwenden, die zwischen unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen umschalten können, um damit unterschiedliche Frequenzbänder mit einem einzelnen Filter abzudecken. Für Filter, die in Oberflächenwellentechnik (OFW-Technik)ausgeführt sind, ist es dazu bekannt, auf einem Substrat unterschiedliche Filterelemente oder unterschiedliche Elektrodensätze aufzubringen, zwischen denen umgeschaltet werden kann. Auch hier sind die stets mit elektrischen Verlusten behafteten Schalter und die zusätzliche Chipfläche von Nachteil, die bei dieser Technik benötigt werden. Außerdem erlaubt diese Technik nur das Schalten zwischen konkret vorgegebenen Schaltzuständen. Darüber hinaus sind diese Filter nicht in Halbleitertechnik integrierbar, so daß zur Herstellung schaltbarer Filter Hybridlösungen eingesetzt werden müssen. Auch besteht hier verstärkt das Problem, daß die Filter entweder eine große Bandbreite verbunden mit hoher Einfügedämpfung aufweisen, oder aber niedrige Einfügedämpfung und dafür auch eine niedrige Bandbreite aufweisen.

Weiter wurde bereits vorgeschlagen, analog durchstimmbare (Tunable) Filter zu schaffen, um damit ein Filter für unterschiedliche Frequenzen auszulegen. Herkömmliche OFW-Filter selbst sind für ihre Frequenzstabilität bekannt und daher nicht oder nur in sehr engen Grenzen abstimmbar. Dazu ist es möglich, parallel zum Filter eine variable Kapazität zu schalten, ein variables ferroelektrisches Material zu verwenden, eine in ihrer Leitfähigkeit variable Schicht einzusetzen oder variable Lasten auf einzelne Filterelemente zu geben. Die damit erreichbare durchstimmbare Bandbreite, also der maximal variierbare Frequenzbereich für solche Filter ist aber eher gering und nicht dazu ausreichend, ein OFW-Filter durch Frequenzabstimmung in unterschiedlichen Frequenzbändern betreiben zu können.

Eine weitere mit akustischen Wellen arbeitende Filtertechnik ist die FBAR- oder BAW-Filtertechnik, bei der ein Filter durch Zusammenschalten verschiedener in FBAR-Technik aufgebauter Eintorresonatoren als Bandpassefilter realisiert werden kann. Auch hier ist es möglich, für ein zwischen verschiedenen Frequenzen schaltbares Filter unterschiedliche Filterelemente wie beispielsweise unterschiedliche Elektroden oder komplett unterschiedliche Filter vorzusehen. Auch für diese FBAR- oder BAW-Filter wurde bereits vorgeschlagen, parallele variable Kapazitäten, variable ferroelektrische Materialien, variabel leitfähige Schichten oder variable Lasten für einzelne Filterelemente vorzusehen, um dadurch schaltbare oder abstimmbare Filter zu realisieren. Doch lassen sich die Frequenzen auch auf diese Art und Weise ebenso wie in der OFW-Technik in nur sehr engen Grenzen abstimmen.

In einem Artikel "APPLICATIONS OF AMORPHOUS MAGNETIC-LAYERS IN SURFACE ACOUSTIC WAVE DEVICES" von D. C. Webb et al. in IEEE transactions on magnetics, Vol. Mag-15, No. 6, Nov 1979, S. 1410ff. wird vorgeschlagen, in die Laufstrecke eines OFW Filters eine Schicht eines magnetostriktiven Materials einzubringen, um mit diesem die Phase des übertragenen Signals zu modifizieren. Ein ähnlicher Vorschlag wurde auch im Artikel "Surface acoustic waves on thin films of giant magnetostrictive alloys" von V. Koeninger et al. in Journal of Alloys and Compounds, 211/212 (1994), S. 581-584 gemacht.

Als weitere Möglichkeit wurde in dem Artikel "DESIGN METHODOLOGY FOR TUNABLE SAW DEVICES USING MAGNETOSTRICTIVE THIN FILMS" von A. Hietala und W. P. Robbins in Proc. of IEEE Ultrasonics Symposium 1986, S239 ff. vorgeschlagen, ein OFW Filter zum Teil aus einem magnetostriktiven Material zu realisieren, das bei Anlegen einer elektrischen Spannung seine elastischen Konstanten verändert. Diese Veränderung bewirkt direkt eine Änderung der Frequenzlage des Resonators, so daß der durch die Variation der anliegenden Spannung abstimmbar wird. Ebenfalls ein OFW Bauelement mit einer magnetostriktiven Schicht ist aus der US 5959388 bekannt, bei der der magnetostriktive Effekt zur Erzielung einer Dimensionsänderung genutzt wird. Diese Veränderung der elastischen Eigenschaften unter einem Magnetfeld wird auch bei nahezu allen bekannten FBAR-Resonatoren bzw. bei allen dafür verwendeten piezoelektrischen Materialien beobachtet, wobei die Effekte jedoch so gering sind, daß damit oft nicht einmal Fertigungsschwankungen und die daraus resultierenden Frequenzschwankungen aufgefangen werden können, geschweige denn ein abstimmbares Filter realisiert werden kann. Erst recht ist es auf diese Weise nicht möglich, ein abstimmbares Filter für unterschiedliche Frequenzbänder zu erhalten.

Eine große Beeinflussung von Materialkonstanten durch Anlegen eines elektrischen Feldes läßt sich an einem Phasenübergangspunkt oder in der Nähe eines solchen Punktes realisieren. Als Phasenübergang kommt dabei z. B. der Curiepunkt bei ferroelektrischen Materialien in Frage. Damit wird zwar eine größere Abstimmbandbreite erhalten, jedoch muß als Nachteil eine Instabilität in der Nähe des Phasenübergangs in kauf genommen werden, die stark temperaturabhängig ist. Außerdem können in der Nähe des Phasenübergangs starke Dämpfungen der akustischen Welle auftreten, die zu einer schlechteren Filtergüte und damit zu schlechteren Filtereigenschaften führen.

Auch sind rein elektromagnetisch arbeitende abstimmbare Filter bekannt, die allerdings für Kommunikationsendgeräte weniger geeignet sind, da sie im Vergleich zu bekannten Filtern bei den in der Kommunikation verwendeten Frequenzen zu groß sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement anzugeben, welches in seiner Frequenzlage elektrisch abstimmbar ist und welches sich auf diese Weise zur Herstellung von in verschiedenen Frequenzbändern arbeitenden Filtern eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.

Grundlegende Idee der Erfindung war es, die Abstimmbarkeit des Bauelementes dadurch zu realisieren, daß eine Materialschicht verwendet wird, die in einer Frequenz bestimmenden Eigenschaften magnetisch veränderbar und somit mit Hilfe elektromagnetischer Mittel abstimmbar ist. Erfindungsgemäß dient als magnetisch abstimmbare Materialkonstante die Elastizität. Erst kürzlich wurden besonders stark in ihrem E- Modul variierbare Materialien aufgefunden, die zur Kategorie der sogenannten GDE-Materialien (GIANT DELTA E-Effect) gezählt werden (siehe dazu beispielsweise: "ΔE effect in rareearth RPO₄" von Z. A. Kazei und N. P. Kolmakova in JETP 76(1), January 1993, S. 172-177; "Metallic glasses and sensing applications" von A. Hernando et al. in J. Phys. E.-Sci. Instrum. 21 (1998), S. 1129-1139; "Giant magnetoelastic effects in amorphous ribbons by exciting standing torsional waves" von A. Hernando et al. in Appl. Phys. Lett. 43 (8), 15 October 1983, S. 799-801; "ΔE EFFECT IN OPLIQUELY FIELD ANNEALED METGLAS" von P. T. Squire et al. in IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL 25, No. 5 September 1989, S. 3614-3616; "A Model for the ΔE Effect in Magnetostrictive Transducers" von M. J. Dapino et al. in Smart Structures and Materials 2000: Smart Structures and Integrated Systems, Norman M. Werely, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 3985 (2000), S. 174-185). Ein erfindungsgemäßes Bauelement umfaßt daher eine piezoelektrische Schicht, die in herkömmlicher Weise mit Elektroden versehen und zur Erzeugung einer akustischen Welle in dem Bauelement geeignet ist. Zum Erzielen einer Abstimmbarkeit steht die piezoelektrische Schicht in engem mechanischem Kontakt zur genannten abstimmbaren Schicht aus einem GDE- Material.

Um die abstimmbare Schicht in ihrer Elastizität zu variieren, sind Mittel zur Erzeugung eines auf die abstimmbare Schicht einwirkenden Magnetfeldes vorgesehen. Diese Mittel können in oder auf dem Bauelement integriert sein oder in der Nähe des Bauelementes so vorgesehen werden, daß das Magnetfeld auf die abstimmbare Schicht einwirken kann. Dabei ist es bevorzugt, solche Mittel zu verwenden, die elektrisch verlustarm oder gar verlustfrei arbeiten.

Die Geschwindigkeit einer akustischen Welle in einem Material ist direkt proportional zur Wurzel aus dem E-Modul. Mit bereits heute bekannten GDE-Materialien lassen sich Veränderungen des E-Moduls um bis zu 100 Prozent erzielen. Auf Grund der Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle und damit der Resonanzfrequenz vom E-Modul lassen sich erfindungsgemäße Bauelemente in ihrer Arbeitsfrequenz um zumindest 5 Prozent verschieben, mit einigen der bereits bekannten GDE-Materialien sogar um bis zu 40 Prozent. Die maximale Abstimmbarkeit eines erfindungsgemäßen Bauelements steht in Abhängigkeit vom Bauelementtyp, insbesondere in Abhängigkeit vom Dickenverhältnis von piezoelekrischer Schicht zu abstimmbarer Schicht und vom ausgewählten GDE-Material.

Erfindungsgemäße Bauelemente haben den Vorteil, daß die große Abstimmbarkeit nicht mit der Instabilität eines Phasenübergang des frequenzbestimmenden Materials erkauft wird, so daß eine ausreichende Temperaturstabilität erfindungsgemäßer Bauelemente gegeben ist. Auch sind die GDE-Materialien vorzugsweise so ausgewählt, daß sie keinen oder einen nur geringen magnetostriktiven Effekt aufweisen. Da ein magnetostriktives Material auf das Anlegen eines magnetischen Feldes mit einer Dimensionsänderung reagiert, die ebenfalls Auswirkungen auf die Arbeitsfrequenz des Bauelementes hat und außerdem amplitudenabhängig ist, führen Materialien mit magnetostriktiven Effekt zu Bauelementen mit unerwünschtem nichtlinearem Verhalten und werden daher vermieden. Erfindungsgemäße Bauelement nutzen nur die vom E-Modul abhängige Wellenausbreitungsgeschwindigkeit als frequenzbestimmenden Parameter, nicht aber eine durch den magnetostriktiven Effekt bewirkte Dimensionsänderung. Letztere beeinflußt den Fingerabstand bei OFW Bauelementen oder die Schichtdicke bei BAW- oder FBAR- Resonatoren und damit auch die Frequenz. Dieser Effekt wird durch den erfindungsgemäß eingesetzten GDE Effekt erheblich übertrofffen.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann in unterschiedlichen Techniken ausgeführt sein und beispielsweise als BAW- oder FBAR-Resonator realisiert sein. Ein solcher Resonator umfaßt zum Beispiel eine zwischen zwei Elektroden angeordnete piezoelektrische Schicht. Da bei einem solchen Resonator der gesamte, piezoelektrische Schicht und Elektroden umfassende Resonator schwingt, ist der Resonator entweder über einer als akustischer Spiegel wirkenden Schichtkombination geeigneter Dicke und geeigneter Impedanz angeordnet, um eine Abstrahlung der akustischen Energie in das Substrat zu vermeiden, oder nur an seinen Enden frei schwingend gelagert oder auf einer Membran angeordnet, die ebenfalls zwischen äußeren Auflagepunkten frei schwingen kann. Bei einem erfindungsgemäßen als FBAR- oder BAW-Resonator ausgebildeten Bauelement besteht vorzugsweise zumindest eine der beiden Elektroden aus einem GDE-Material. Dies ist möglich, da die meisten der in Frage kommenden GDE-Materialien metallischen Charakter und damit eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, zumindest eine Teilschicht des akustischen Spiegels aus einem GDE-Material auszubilden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, wenigstens eine magnetisch abstimmbare Schicht aus GDE-Material zwischen zwei piezoelektrischen Schichten anzuordnen und diesen Verbund an zwei Außenflächen mit Elektroden zu versehen. Allgemein wird die magnetisch abstimmbare Schicht an einer Stelle im Bauelement vorgesehen bzw. angeordnet, an der ausreichend akustische Energie vorhanden ist. Je mehr akustische Energie in der magnetisch abstimmbaren Schicht lokalisiert ist, desto größer ist die erfindungsgemäß genutzte Veränderung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit.

Die Wirkung der magnetisch abstimmbaren Schicht innerhalb eines FBAR-Resonators besteht darin, daß sich die Geschwindigkeit der akustischen Welle durch die magnetische abstimmbare Elastizität der abstimmbaren Schicht variieren läßt und damit die Resonanzfrequenz des FBAR-Resonators. Auch eine als Elektrode eingesetzte magnetisch abstimmbare Schicht beeinflußt das Schwingungsverhalten und damit die Resonanzfrequenz des Resonators. Wird die magnetisch abstimmbare Schicht als Teil des akustischen Spiegels eingesetzt, so läßt sich der akustische Spiegel in seinen Impedanzeigenschaften und damit seiner Reflektivität schalten, wobei Teilschichten dem Spiegel zu oder weg geschaltet werden können, wodurch die Resonanzfrequenz des Resonators abstimmbar ist. Dies kann erreicht werden, wenn durch Veränderung des E-Moduls die akustische Impedanz der magnetisch abstimmbaren Schicht so verändert wird, daß die akustische Welle am Übergang zu einer benachbarten Schicht keine Phasengrenze mehr sieht, die reflektierend wirken kann. Umgekehrt kann eine Phasengrenze (akustischer Impedanzunterschied) auch durch magnetische Abstimmung erst erzeugt werden.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann auch als Oberflächenwellenfilter ausgestaltet sein. Bei einem solchen sind auf einer Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht die Bauelementstrukturen wie insbesondere Elektroden (Interdigitalwandler) und ggf. Reflektoren angeordnet. Die piezoelektrische Schicht ist erfindungsgemäß über der magnetisch abstimmbaren Schicht angeordnet. Vorzugsweise ist die piezoelektrische Schicht dazu als Dünnschicht ausgebildet, die direkt über der magnetisch abstimmbaren Schicht abgeschieden ist. Als Dünnschichtbauelement hat das Oberflächenwellenfilter den Vorteil, daß die frequenzbestimmende Wirkung des E-Moduls der magnetisch abstimmbaren Schicht stärker zur Geltung kommt, da nur bei dünnen piezoelektrischen Schichten die Oberflächenwelle vorzugsweise in der magnetisch abstimmbaren Schicht verlaufen kann, und die akustische Energie der Welle dann dort konzentriert ist. Damit wird ein maximaler Effekt erzielt, also eine maximale Verschiebung der Resonanz- oder Mittenfrequenz.

Die magnetisch abstimmbare Schicht wiederum kann eine frei tragende Schicht sein und somit das Substrat des Bauelementes darstellen. Möglich ist es jedoch auch, die magnetisch abstimmbare Schicht auf einem herkömmlichen Bauelementsubstrat, beispielsweise einem Glas- oder Keramikträger oder einem Halbleiter aufzubauen. Letztere Möglichkeit hat den Vorteil, daß sich im Halbleiter Mittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes integrieren lassen, insbesondere Schaltelemente zum Aufbau und Ansteuern des Magnetfeldes. Dies ermöglicht die platz- und kostensparende Integration elektrischer, akustischer und magnetischer Komponenten.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Bauelementes ist wesentlich von der Auswahl des GDE-Materials abhängig, also des Materials, welches unter Einfluß eines Magnetfeldes eine große Änderung seines Elastizitätsmoduls erfährt. Eine große Steifigkeitsänderung durch Anlegen eines Magnetfeldes werden beispielsweise mit bestimmten metallischen Gläsern, sogenannten Metgläsern erreicht, die hauptsächlich aus den Metallen Eisen, Nickel und Kobalt bestehen. So weisen beispielsweise Metgläser der Zusammensetzung Fe₈₁Si_3,5B_13,5C₂, FeCuNbSiB, Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆, Fe₅₅Co₃₀B₁₅ oder Fe₈₀ mit Si und Cr einen starken Delta E Effekt auf. Solche Metgläser sind beispielsweise unter dem Markennamen VITROVAC® 4040 der Vakuumschmelze oder unter der Bezeichnung Metglas® 2605 SC (Fe₈₁Si_3,5B_13,5C₂) bekannt.

Auch Multilayer-Systeme mit amorpher Struktur auf der Basis gemischter Metalloxide sind geeignet, beispielsweise das Zweischichtsystem Fe₅₀Co₅₀/Co₅₀B₂₀.

Auch binäre und pseudobinäre Systeme aus seltenen Erdenmetallen, wie Tb Fe₂ oder Tb_0,3Dy_0,7Fe₂ kommen in Betracht.

Auch Einkristallsysteme wie Terfenol in der Zusammensetzung Tb_xDy_1-xFe_y mit 0,27 ≤ x ≤ 0,3 und 1,9 ≤ y ≤ 1,95 oder F₁₄Nd₂B zeigen einen starken ΔE-Effekt.

Eine weitere Substanzklasse mit hohem AS-Effekt sind die Phosphate RPO₄ von seltenen Erden. Dabei steht R für die seltenen Erden von Tb bis Y, beispielsweise für TbPO₄, TmPO₄ und DyPO₄. Diese Zusammensetzungen weisen eine polykristalline Struktur auf, können aber auch in tetragonaler einkristalliner Form eingesetzt werden.

Alle diese genannten Stoffe ändern ihre elastischen Eigenschaften durch Anlegen eines Magnetfeldes um bis zu 100 Prozent, ohne dabei in der Nähe eines Phasenübergangs zu arbeiten.

Die magnetisch abstimmbare Schicht kann mit herkömmlichen piezoelektrischen Schichten kombiniert werden, wie beispielsweise Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder Ähnlichen, wobei die piezoelektrische Schicht auf dieser GDE Material Schicht aufgebracht wird. Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann auch mehr als eine magnetisch abstimmbare Schicht in einem Mehrschichtaufbau enthalten.

In vorteilhafter Weise weist ein erfindungsgemäßes Bauelement ein weiteres Mittel zur Abstimmung der Arbeitsfrequenz des Bauelements auf. Ein solches weiteres Mittel kann ein variables externes Schaltelement umfassen, beispielsweise eine parallel zum Resonator oder Filter geschaltete variable Kapazität. Mit einer solchen variablen Kapazität oder einem solchen variablen externen Schaltelement läßt sich eine zusätzliche Feinabstimmung der Arbeitsfrequenz des Bauelements erzielen, so daß neben der groben Abstimmung über die magnetisch abstimmbare Schicht eine exakte Einstellung der Arbeitsfrequenz des erfindungsgemäßen Bauelements möglich ist.

Ein weiterer Vorteil der magnetisch abstimmbaren Schichten in erfindungsgemäßen Bauelementen ist, daß bei hohen Signalpegeln fast keine Wechselwirkungen zwischen dem Feld, das die akustische Welle führt, und dem magnetischen Feld, das zur Steuerung der elastischen Eigenschaften der abstimmbaren Schicht dient, besteht. Damit sind in erfindungsgemäßen Bauelementen unerwünschte Nichtlinearitäten bei der Signalverarbeitung vernachlässigbar.

Eine bevorzugte Verwendung finden erfindungsgemäße Bauelemente als Frontendfilter zur Kanalselektion in drahtlosen Kommunikationsendgeräten. Erfindungsgemäße Bauelemente in OFW- Technik können dabei direkt als Filter ausgebildet sein, während mehrere Eintorresonatoren in FBAR- oder BAW-Technik erst zu einem Filter zusammenzuschalten sind, beispielsweise zu einem Filter in Abzweigtechnik, insbesondere in Ladder Type- oder Lattice Struktur. Auf diese Weise ist es möglich, Software- bzw. Mikrokontroller gesteuert mit einem einzigen Filter eine Kanalselektion vorzunehmen, wobei die Kanalabstimmung über einen Frequenzbereich erfolgen kann, der beispielsweise bis zu 30 Prozent der Basisfrequenz betragen kann. Mit einem Filter können daher sämtliche heute üblichen Frequenzbänder innerhalb einer Oktave (Beispielsweise 1 Gigahertzbereich oder 2 Gigahertzbereich) abgedeckt werden. So gelingt es bei der Erfindung mit 2 erfindungsgemäßen Frontendfiltern sämtliche Frequenzbänder momentan existierender Kommunikationssysteme abzudecken.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Kanalselektion in einem solchen Endgerät allein durch die Software zu bestimmen, ohne das dazu die Hardware geändert werden muß bzw. ohne daß dazu auf eine andere Hardware umgeschaltet werden muß. Dies ergibt eine deutlich höhere Flexibilität bei der Konstruktion und Funktionsfähigkeit der Endgeräte, die es auch erlaubt, zusätzliche, bisher nicht bekannte Dienste zu integrieren. Insbesondere gilt dies für die ab der dritten Generation von Endgeräten eingebaute breitbandige Übertragungstechnik, die für eine einzige Kommunikationsverbindung mehrere Kanäle erfordern kann. Mit der Erfindung wird eine solche breitbandige Informationsübertragung wesentlich vereinfacht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen zwölf Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts den allgemeinen Aufbau eines BAW-Resonators
Fig. 2 zeigt im schematischen Querschnitt einen alternativen erfindungsgemäßen BAW-Resonator
Fig. 3 bis 6 zeigen anhand schematischer Querschnitte Ausschnitte erfindungsgemäßer BAW-Resonatoren
Fig. 7 und 8 zeigen ausschnittsweise den oberen Bereich erfindungsgemäßer BAW-Resonatoren anhand schematischer Querschnitte
Fig. 9 und 10 zeigen erfindungsgemäße Ausführungen auf Membran montierter erfindungsgemäßer FBAR-Resonatoren
Fig. 11 zeigt den Aufbau eines akustischen Spiegels im schematischen Querschnitt.
Fig. 12 zeigt im schematischen Querschnitt ein erfindungsgemäßes OFW Bauelement
In Fig. 1 ist anhand eines schematischen und daher nicht maßstabsgetreuen Querschnitts ein erfindungsgemäßer BAW- Resonator dargestellt. Dieser ist beispielsweise auf einem Substrat S aufgebaut, welches üblicherweise aus Glas oder einem Halbleiter wie z. B. Si besteht, jedoch auch ein anderes Substratmaterial umfassen kann. Geeignet können weiterhin sein: Keramik, Metall, ein anderer Halbleiter, Kunststoff oder andere Materialien sowie ein Mehrlagenaufbau aus zumindest zwei unterschiedlichen Schichten. Vorzugsweise ist das Substrat S mechanisch stabil und in seinen thermomechanischen Eigenschaften, insbesondere im thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den darüber aufgebrachten Schichtaufbau angepaßt. Der BAW-Resonator selbst umfaßt als wesentlichen Bestandteil eine piezoelektrische Schicht P die zwischen einem oberen Schichtaufbau O und einem unteren Schichtaufbau U angeordnet ist. In einem oder beiden aus oberem und unterem Schichtaufbau O, U ist eine magnetisch abstimmbare Schicht M angeordnet, vorzugsweise in der Nähe der piezoelektrischen Schicht P. Im allgemeinsten Fall besteht einer aus oberem und unterem Schichtaufbau O, U nur aus einer als Elektrode fungierenden Schicht.
Fig. 2 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts eine Variation des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen BAW- Resonators. Auch dieser ist auf einem Substrat 5 angeordnet und umfaßt einen unteren Schichtaufbau U und einen oberen Schichtaufbau O. Die piezoelektrische Schicht P ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch in zwei Teilschichten P1 und P2 aufgeteilt, zwischen denen eine magnetisch abstimmbare Schicht M angeordnet ist. Diese besteht aus einem GDE-Material, für das die bereits erwähnte Auswahl gilt. Die piezoelektrische Schicht P ist vorzugsweise aus Zinkoxid oder Aluminiumnitrid aufgebaut, kann jedoch auch andere in Dünnschichttechnik erzeugbare piezoelektrische Materialien umfassen, beispielsweise Galliumnitrid, Indiumnitrid, Siliziumkarbid, Galliumarsenid oder Cadmiumsulfid. Auch organische piezoelektrische Schichten, beispielsweise aus PVD sind geeignet.
Die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht P oder der piezoelektrischen Teilschichten P1 und P2 wird in Abhängigkeit von der gewünschten Resonanzfrequenz des BAW-Resonators gewählt. Die Resonanzfrequenz bestimmt sich gemäß der Formel

f_r = v/λ

wobei f_r die Resonanzfrequenz des Resonators ist, v die Geschwindigkeit der akustischen Welle innerhalb der piezoelektrischen Schicht und λ die Wellenlänge der akustischen Welle ist. Eine Resonanz ergibt sich dann, wenn die Dicke des Resonatorkörpers z. B. λ/2 beträgt. Eine Resonanz bei einer harmonischen kann auch mit Schichtdicken erhalten werden, die ein entsprechendes Vielfaches von λ/2 betragen (z. B. λ, 3λ/2 usw.). Bei Mehrschichtaufbauten, bei denen der schwingende Grundkörper aus mehreren Schichten zusammengesetzt ist, ist die für die Resonanzfrequenz maßgebliche Schichtdicke diejenige des Resonatorsvolumes. Zuzurechnen sind alle Teilschichten, in den die akustische Energie zumindest ein e-tel (e = Eulersche Zahl) der maximalen (ursprünglichen) akustischen Energie beträgt. Wird der BAW-Resonator für ein HF-Filter verwendet, das eine Resonanzfrequenz im Gigahertzbereich aufweist, so liegt die erforderliche Schichtdicke des Resonators im Resonatorvolumes im µm Bereich.
Auch in Fig. 2 gilt für den unteren und den oberen Schichtbereich U, O die selbe Definition wie für die entsprechenden Teile in Fig. 1. Mit der Ausnahme, daß hier keine magnetisch abstimmbare Schicht im unteren oder oberen Schichtaufbau O, U vorhanden sein muß, da eine magnetisch abstimmbare Schicht M bereits innerhalb der piezoelektrischen Schicht P bzw. den piezoelektrischen Teilschichten P1 und P2 angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen BAW-Resonator, wie der untere Schichtbereich U aufgebaut sein kann. Dieser umfaßt direkt über dem Substrat S einen akustischen Spiegel A, dessen genauer Aufbau im Weiteren noch erläutert wird. Direkt über dem akustischen Spiegel A ist eine magnetisch abstimmbare Schicht M1 angeordnet. Diese kann eine beliebige Schichtdicke aufweisen, wobei die erzielbare maximale Abstimmbandbreite mit zunehmender Schichtdicke bis hin zu einem Grenzwert ansteigt. Bei Schichtdicken oberhalb dieses Grenzwertes wird keine weitere Verbesserung bzw. keine höhere Abstimmbarkeit des BAW- Resonators mehr erzielt.
Über der magnetisch abstimmbaren Schicht M1 ist die untere Elektrode E1 angeordnet. Diese ist beispielsweise aus Aluminium gefertigt, welches durch Aufsputtern aufgebracht werden kann. Möglich ist es jedoch auch, die erste Elektrode E1 aus Gold, Wolfram oder Molybdän zu fertigen. Als alternative Aufbringverfahren sind auch CVD-Verfahren oder Aufdampfverfahren geeignet. Für einen bei zwei Gigahertz arbeitenden BAW- Resonator werden beispielsweise 200 nm Aluminium aufgesputtert.
Oberhalb der ersten Elektrodenschicht E1 wird die piezoelektrische Schicht P bzw. eine piezoelektrische Teilschicht P1 aufgebracht, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Der untere Schichtaufbau U umfaßt in diesem Fall einen akustischen Spiegel A, eine magnetisch abstimmbare Schicht M1 und eine untere Elektrodenschicht E1.
Fig. 4 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts eine weitere Variation der Erfindung, bei der über dem akustischen Spiegel A eine elektrisch gut leitende magnetisch abstimmbare Schicht ME1 erzeugt wird, die gleichzeitig als Elektrode unterhalb der piezoelektrischen Schicht P dienen kann. Gegenüber der Ausführung in Fig. 3 ist hier also auf die zusätzliche Elektrodenschicht E1 verzichtet.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die magnetisch abstimmbare Schicht ME1 ebenfalls die Funktion der Elektrodenschicht mit übernimmt, gleichzeitig auf Grund ihrer Schichtdicke jedoch zusätzlich ein Teil des akustischen Spiegels A ist.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der oberhalb der magnetisch abstimmbaren Schicht M1 zwar eine zusätzlich erste Elektrodenschicht E1 vorgesehen ist, bei der jedoch die magnetisch abstimmbare Schicht M1 zusammen mit einem darunterliegenden Schichtaufbau den akustischen Spiegel A bildet.
Eine mögliche Ausgestaltung des oberen Schichtaufbaus O ist in Fig. 7 anhand eines schematischen Querschnitts dargestellt. Oberhalb der piezoelektrischen Schicht P ist beispielsweise eine zweite Elektrodenschicht E2 aufgebracht, die bezüglich Materialauswahl und Schichtdicke der ersten Elektrodenschicht E1 entsprechen kann. Oberhalb der zweiten Elektrodenschicht E2 ist eine magnetisch abstimmmbare Schicht M2 angeordnet, die bezüglich Schichtdicke und Materialauswahl der ersten magnetischen Schicht M1 entsprechen kann.
Fig. 8 zeigt eine weitere Variation dieser Ausführungsform, bei der eine elektrisch leitende magnetisch abstimmbare Schicht ME2 die Funktionen der oberen Elektrodenschicht mit übernimmt. In Verbindung mit einer nahe der piezoelektrischen Schicht P angeordneten magnetisch abstimmbaren Schicht bzw. in Verbindung mit einer im unteren Schichtaufbau O enthaltenen magnetisch abstimmbaren Schicht ist es auch möglich, im oberen Schichtaufbau O auf eine magnetisch abstimmbare Schicht zu verzichten.
Die eben beschriebenen erfindungsgemäßen BAW-Resonatoren sind fest auf einem Substrat aufgebaut und benötigen daher einen akustischen Spiegel A. Möglich ist es jedoch auch, wie in Fig. 9 und 10 dargestellt, einen FBAR-Resonator auf einer dünnen Membranschicht anzuordnen, beispielsweise auf einem Substrat S-, das unterhalb des den Resonator bildenden Schichtaufbaus in einem Bereich D bis auf Membranstärke gedünnt ist. Nur so ist ein ungestörtes Schwingen des Resonators bei seiner Resonanzfrequenz f_r möglich. In Fig. 9 ist oberhalb des Substrats S- bzw. oberhalb der Membran eine Zwischenschicht Z angeordnet, die zumindest eine untere Elektrodenschicht E1 umfaßt, unter der jedoch noch zusätzlich eine magnetisch abstimmbare Schicht M angeordnet sein kann. In einer bevorzugten Alternative besteht die Zwischenschicht Z aus einer elektrisch gut leitenden magnetisch abstimmbaren Schicht, die zusätzlich die Funktion der unteren Elektrode übernehmen kann. Darüber ist die piezoelektrische Schicht P angeordnet. Abschließend ist über der piezoelektrischen P ein oberer Schichtaufbau O angeordnet, dessen Zusammensetzung so sein kann, wie bereits anhand der Fig. 7 und 8 erläutert.
Fig. 10 zeigt eine weitere Variante, bei der als Substrat MSE ein magnetisch abstimmbares GDE-Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit gewählt wird. In diesem Fall stellt die Membran im Bereich D Trägerfunktion und Elektrodenfunktion zur Verfügung und dient gleichzeitig als magnetisch abstimmbare Schicht. Für weniger gut elektrisch leitende GDE- Materialien kann oberhalb des als Substrat verwendeten GDE- Materials noch eine zusätzliche Elektrodenschicht E1 unterhalb der piezoelektrischen Schicht P angeordnet werden.
Fig. 11 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts den Aufbau eines an sich bekannten akustischen Spiegels, wie er für die Ausführungsformen gemäß der Fig. 1 bis 6 verwendet werden kann. Ein solcher akustischer Spiegel läßt sich in einfacher Weise aus zumindest zwei, meist aber 4 und mehr Paaren aus Lamdaviertelschichten fertigen, deren Dicke einem Viertel der Wellenlänge der in dem Material ausbreitungsfähigen akustischen Welle ist. Die Lamdaviertelschichten bestehen dabei aus zumindest zwei unterschiedlichen Materialien unterschiedlicher akustischer Impedanz und sind beispielsweise alternierende Schichten von Wolfram und Siliziumoxid, Wolfram und Silizium, Aluminiumnitrid und Siliziumoxid, Silizium und Siliziumoxid, Molybdän und Siliziumoxid oder andere Schichtenpaare, für die gilt, daß sie unterschiedliche akustische Impedanz aufweisen und sich in Dünnschichttechniken wechselseitig übereinander abscheiden lassen. Die Anzahl der für eine ausreichende Reflektivität des akustischen Spiegels erforderlichen Schichtenpaare ist von der Materialauswahl abhängig, da unterschiedliche Schichtenpaare unterschiedliche Reflektivität aufweisen.
Besonders bevorzugt für den akustischen Spiegel sind Lamdaviertelschichten die alternierend aus Wolfram und Siliziumoxid aufgebaut sind. Diese Kombination weist eine hohe Differenz ihrer akustischen Impedanzen auf. Je höher die Impedanzdifferenz, desto weniger Paare von Lamdaviertelschichten sind ausreichend, um 100 Prozent der akustischen Welle zu reflektieren. Für die zuletzt vorgestellte Materialkombinationen sind beispielsweise zwei Paare von Lamdaviertelschichten ausreichend.
In der Fig. 11 ist die Teilschicht des akustischen Spiegels mit hoher Impedanz mit A_H bezeichnet, die Teilschicht des akustischen Spiegels mit niedriger Impedanz als A_l. Der dargestellte akustische Spiegels A weist beispielsweise n Schichtenpaare von Lamdaviertelschichten auf. Der akustische Spiegel A kann auch aus mehreren unterschiedlichen Lamdaviertel Schichtpaaren A_h A_l mit unterschiedlichen Materialkombinationen bestehen, insbesondere dann, wenn die obere Teilschicht des akustischen Spiegels aus einem GDE-Material besteht, welches die erfindungsgemäße magnetisch abstimmbare Schicht darstellt.
Ein erfindungsgemäßer FBAR-Resonator kann so optimiert sein, daß er über einen maximalen Frequenzbereich abstimmbar ist. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn sowohl im oberen als auch im unteren Schichtabbau und wahlweise auch innerhalb der piezoelektrischen Schicht P jeweils eine magnetisch abstimmbare Schicht vorgesehen wird. Eine andere Optimierungsmöglichkeit besteht dahin, die Anzahl unterschiedlicher Schichten in erfindungsgemäßen FBAR-Resonatoren zu minimieren. Dazu werden solche Materialien ausgewählt, die mehr als eine Funktion erfüllen können. Beispielsweise wird die magnetisch abstimmbare Schicht als Funktionsschicht ausgebildet, insbesondere als Elektrodenschicht. Ist dies die untere Elektrode, so kann die magnetisch abstimmbare Schicht zusätzlich noch Teil des akustischen Spiegels sein, so daß die Anzahl der erforderlichen Schichten weiter reduziert ist. Für die Schichtkombinationen gilt allgemein, daß sich die Schichtfolgen übereinander homogen abscheiden lassen. Dies ist in der Regel für alle vorgeschlagenen Schichten möglich. Insbesondere ist eine in der Fläche homogene Abscheidbarkeit unabdingbar, da nur so eine hohe Schichtdickengleichmäßigkeit erzielt werden kann. Eine hohe Frequenzgenauigkeit bzw. exakt bemessene Schichtdicken des FBAR-Resonators sind prinzipiell nicht erforderlich, da ein erfindungsgemäßes Bauelement ja in seiner Frequenz abstimmbar ist.
Fig. 12 zeigt im schematischen Querschnitt ein erfindungsgemäßes OFW Bauelement. Auch hier ist eine piezoelektrische Schicht P über einer magnetisch abstimmbaren Schicht M angeordnet. Diese kann auch einem herkömmlichen Substratmaterial angeordnet sein, oder bei entsprechender Dicke auch selbst das Substratmaterial darstellen. Über der dünnen piezoelektrischen Schicht sind wie bei bekannten OFW Bauelementen die Bauelement-Strukturen BS, insbesondere Interdigitalwandler, Reflektoren usw. angeordnet.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist ein als OFW Bauelement ausgebildetes erfindungsgemäßes Bauelement zusätzliche Mittel zur Unterdrückung des Übersprechens auf. Übersprechen kann durch kapazitive Verkopplung von Ein- und Ausgangswandlern über die elektrisch leitfähige magnetisch abstimmbare Schicht oder allgemein durch gegenseitige elektromagnetische Beeinflußung von stromführenden Teilen auf dem Bauelement, die zum Ein- oder Ausgang des Filters gehören, über diese Schicht erfolgen.
Zur Unterdrückung des Übersprechens kann die magnetisch abstimmbare Schicht zwischen unterschiedlichen Filterkomponenten elektrisch aufgetrennt sein, beispielsweise zwischen Ein- und Ausgangswandlern oder zwischen unterschiedlichen OFW- Resonatoren, z. B. in einem OFW Reaktanzfilter. Möglich ist es jedoch auch, das Übersprechen durch Verschaltungen mit unterschiedlicher Symmetrie zu beseitigen, um einmal Addition der Signale und einmal das Differenzsignal zu erhalten. Auf diese Weise läßt sich das in gleicher Weise auf alle Komponenten wirkende Übersprechen messen und eliminieren.
Da die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt werden konnte, ist sie nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung noch weitere Variationsmöglichkeiten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Lehre Gebrauch machen und durch die Ansprüche gedeckt sind.

Claims

1. Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement,
mit einer piezoelektrischen Schicht (P),
mit Elektroden (E1, E2; ME1, ME2) auf der piezoelektrischen Schicht zur Erzeugung von akustischen Wellen in dem Bauelement,
mit einer in engem mechanischen Kontakt zur piezoelektrischen Schicht stehenden abstimmbaren Schicht (M, M1, ME), welche aus einem GDE Material ausgewählt ist und eine magnetisch abstimmbare Elastizität aufweist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem Mittel zur Erzeugung eines auf die abstimmbare Schicht (M, M1, ME) einwirkenden Magnetfelds vorgesehen sind.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bauelement über die abstimmbare Schicht (M, M1, ME) in seiner Arbeitsfrequenz abstimmbar ist, und bei dem das GDE Material so ausgewählt ist, daß sich durch die Abstimmung die Arbeitsfrequenz um zumindest 5% verschieben läßt.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als FBAR Resonator, bei dem zumindest eine der Elektroden (ME1, ME2) als abstimmbare Schicht (M) ausbildet ist.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgebildet als FBAR Resonator, bei dem ein akustischer Spiegel (A) vorgesehen ist, der zumindest eine abstimmbaren Schicht (M, ME) umfaßt.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als Oberflächenwellen Bauelement, bei dem die piezoelektrische Schicht (P) über der abstimmbaren Schicht (M, ME) angeordnet ist und bei dem Interdigitalwandler umfassende Bauelementstrukturen auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet sind.

7. Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die abstimmbare Schicht (M, ME) in mehrere elektrisch nicht miteinander verbundene Teilflächen aufgetrennt ist, um ein Übersprechen zu unterdrücken.

8. Bauelement nach Anspruch 7, bei die abstimmbare Schicht (M, ME) elektrisch zwischen den Teilflächen aufgetrennt ist, die unter solchen Bauelementstrukturen angeordnet sind, zwischen denen ein Übersprechen zu unterdrücken ist.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die abstimmbare Schicht (M, ME) auf einem Substrat (S) angeordnet ist.

10. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das GDE Material der abstimmbaren Schicht (M, ME) ausgewählt ist aus einem metallischen Glas (Metglas), einem Fe₅₀Co₅₀/Co₅₀B₂₀-Multilayersystem, TbFe₂, Tb_0,3Dy_0,7Fe₂, Tb_xDy_1-xFe_y mit 0,27 ≤ x ≤ 0,3 und 1,9 ≤ y ≤ 1,95, Fe₁₄Nd₂B, oder einem Selten Erden-Phosphat.

11. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das GDE Material bei Raumtemperatur ausreichend von einer Phasengrenze entfernt ist und keinen oder einen nur kleinen magnetostriktiven Effekt aufweist.

12. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein weiteres Mittel zur Abstimmung der Arbeitsfrequenz vorgesehen ist, welches ein variables externes Schaltelement umfaßt.

13. Frontendfilter für ein drahtloses Kommunikationsendgerät, mit einem Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit Mitteln zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Frequenzbändern durch Einwirkung eines Magnetfeldes auf die abstimmbare Schicht.

14. Frontendfilter nach Anspruch 13, welches aus in Ladder-type Struktur miteinander verschalteten FBAR Resonatoren mit jeweils einer abstimmbaren Schicht aufgebaut ist.

15. Frontendfilter nach Anspruch 13, umfassend ein OFW Filter mit einer abstimmbaren Schicht (M, ME).