DE10153434C2

DE10153434C2 - Magnetisch abstimmbares Filter

Info

Publication number: DE10153434C2
Application number: DE2001153434
Authority: DE
Inventors: Werner Ruile; Leonnard Reindl
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: DE10153434A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem mit akustischen Wellen ar beitenden Bauelement, insbesondere einem Filter, welches ma gnetisch abstimmbar ist, wie es aus der Druckschrift US 5,959,388 bekannt ist.

Drahtlose Telekommunikationssysteme arbeiten weltweit mit re gional unterschiedlichen Übertragungsnormen, die sich u. a. durch unterschiedliche Frequenzlagen für die Sende- und Emp fangsbänder sowie durch unterschiedliche Bandbreiten aus zeichnen. 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 wei sen dazu in der Regel für jedes Frequenzband ein eigenes Fil ter auf, und können auf diese Weise zwischen unterschiedli chen 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 Kompo nenten relativ teuer und schwer und laufen dem Trend zur zu nehmenden 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 da mit unterschiedliche Frequenzbänder mit einem einzelnen Fil ter abzudecken. Für Filter, die in Oberflächenwellentechnik (OFW-Technik) ausgeführt sind, ist es dazu bekannt, auf einem Substrat unterschiedliche Filterelemente oder unterschiedli che Elektrodensätze aufzubringen, zwischen denen umgeschaltet werden kann. Auch hier sind die stets mit elektrischen Verlu sten behafteten Schalter und die zusätzliche Chipfläche von Nachteil, die bei dieser Technik benötigt werden. Außerdem erlaubt diese Technik nur das Schalten zwischen konkret vor gegebenen Schaltzuständen. Darüber hinaus sind diese Filter nicht in Halbleitertechnik integrierbar, so daß zur Herstel lung schaltbarer Filter Hybridlösungen eingesetzt werden müs sen. Auch besteht hier verstärkt das Problem, daß die Filter entweder eine große Bandbreite verbunden mit hoher Einfüge dämpfung 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 unter schiedliche 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 verwen den, eine in ihrer Leitfähigkeit variable Schicht einzusetzen oder variable Lasten auf einzelne Filterelemente zu geben. Die damit erreichbare durchstimmbare Bandbreite, also der ma ximal variierbare Frequenzbereich für solche Filter ist aber eher gering und nicht dazu ausreichend, ein OFW-Filter durch Frequenzabstimmung in unterschiedlichen Frequenzbändern be treiben 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 aufge bauter Eintorresonatoren als Bandpaßfilter realisiert werden kann. Auch hier ist es möglich, für ein zwischen verschiede nen Frequenzen schaltbares Filter unterschiedliche Filterele mente 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 ein zelne Filterelemente vorzusehen, um dadurch schaltbare oder abstimmbare Filter zu realisieren. Doch lassen sich die Fre quenzen 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. 1410 ff. wird vorgeschlagen, in die Laufstrecke eines OFW Filters eine Schicht eines magnetostriktiven Materials einzu bringen, 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 magnetostric tive 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, S. 239 ff. vorgeschlagen, ein OFW Filter zum Teil aus einem magnetostriktiven Material zu rea lisieren, das bei Anlegen einer elektrischen Spannung seine elastischen Konstanten verändert. Diese Veränderung bewirkt direkt eine Änderung der Frequenzlage des Resonators, so daß dieser durch die Variation der anliegenden Spannung abstimm bar wird. Ebenfalls ein OFW Bauelement mit einer magneto striktiven Schicht ist aus der US 5959388 bekannt, bei der der magnetostriktive Effekt zur Erzielung einer Dimensionsän derung genutzt wird. Diese Veränderung der elastischen Eigen schaften 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 Fertigungs schwankungen und die daraus resultierenden Frequenzschwankun gen aufgefangen werden können, geschweige denn ein abstimmba res Filter realisiert werden kann. Erst recht ist es auf die se Weise nicht möglich, ein abstimmbares Filter für unter schiedliche Frequenzbänder zu erhalten.

Eine große Beeinflussung von Materialkonstanten durch Anlegen eines elektrischen Feldes läßt sich an einem Phasenübergangs punkt oder in der Nähe eines solchen Punktes realisieren. Als Phasenübergang kommt dabei z. B. der Curiepunkt bei ferro elektrischen Materialien in Frage. Damit wird zwar eine grö ßere 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 akusti schen Welle auftreten, die zu einer schlechteren Filtergüte und damit zu schlechteren Filtereigenschaften führen.

Auch sind rein elektromagnetisch arbeitende abstimmbare Fil ter bekannt, die allerdings für Kommunikationsendgeräte weni ger 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 akusti schen 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 mit einem Bauelement nach Anspruch 1 ge löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.

Grundlegende Idee der Erfindung war es, die Abstimmbarkeit des Bauelementes dadurch zu realisieren, daß eine Material schicht verwendet wird, die in einer die Frequenz bestimmen den Eigenschaft magnetisch veränderbar und somit mit Hilfe elektromagnetischer Mittel abstimmbar ist. Erfindungsgemäß dient als magnetisch abstimmbare Materialkonstante die Ela stizität. Erst kürzlich wurden besonders stark in ihrem E- Modul variierbare Materialien aufgefunden, die zur Kategorie der sogenannten GDE-Materialien (GIANT DELTA E-Effect) ge zählt werden (siehe dazu beispielsweise: "ΔE effect in rare earth RPO₄" von Z. A. Kazei und N. P. Kolmakova in JETP 76(1), January 1993, S. 172-177; "Metallic glasses and sensing appli cations" von A. Hernando et al. in J. Phys. E.-Sci. Instrum. 21 (1998), S. 1129-1139; "Giant magnetoelastic effects in amor phous 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 piezoelek trische 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 Kon takt 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 be reits heute bekannten GDE-Materialien lassen sich Veränderun gen des E-Moduls um bis zu 100 Prozent erzielen. Auf Grund der Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflä chenwelle und damit der Resonanzfrequenz vom E-Modul lassen sich die beanspruchten Bauelemente in ihrer Arbeitsfrequenz um zumindest 5 Prozent verschieben, mit einigen der bereits bekannten GDE-Materialien sogar um bis zu 40 Prozent. Die ma ximale Abstimmbarkeit eines solchen Bauelements steht in Ab hängigkeit vom Bauelementtyp, insbesondere in Abhängigkeit vom Dickenverhältnis von piezoelekrischer Schicht zu abstimm barer Schicht und vom ausgewählten GDE-Material.

Die beanspruchten Bauelemente haben den Vorteil, daß die gro ße Abstimmbarkeit nicht mit der Instabilität eines Phasen übergangs frequenzbestimmenden Materials erkauft wird, so daß eine ausreichende Temperaturstabilität der Bauelemente gegeben ist. Auch sind die GDE-Materialien vorzugsweise so ausgewählt, daß sie keinen oder einen nur geringen magneto striktiven Effekt aufweisen. Da ein magnetostriktives Materi al auf das Anlegen eines magnetischen Feldes mit einer Dimen sionsänderung reagiert, die ebenfalls Auswirkungen auf die Arbeitsfrequenz des Bauelementes hat und außerdem amplituden abhängig ist, führen Materialien mit magnetostriktiven Effekt zu Bauelementen mit unerwünschtem nichtlinearem Verhalten und werden daher vermieden. Die beanspruchten Bauelemente nutzen nur die vom E-Modul abhängige Wellenausbreitungsgeschwindig keit als frequenzbestimmenden Parameter, nicht aber eine durch den magnetostriktiven Effekt bewirkte Dimensionsände rung. Letztere beeinflußt den Fingerabstand bei OFW Bauele menten oder die Schichtdicke bei BAW- oder FBAR-Resonatoren und damit auch die Frequenz. Dieser Effekt wird durch den GDE Effekt erheblich übertroffen.

Ein solches 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 piezoelek trische Schicht. Da bei einem solchen Resonator der gesamte, piezoelektrische Schicht und Elektroden umfassende Resonator schwingt, ist der Resonator entweder über einer als akusti scher 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 als FBAR- oder BAW-Resonator ausgebildeten Bauelement besteht vorzugsweise zumindest eine der beiden Elektroden aus einem GDE-Material. Dies ist mög lich, da die meisten der in Frage kommenden GDE-Materialien metallischen Charakter und damit eine gute elektrische Leit fähigkeit 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 Elek troden zu versehen. Allgemein wird die magnetisch abstimmbare Schicht an einer Stelle im Bauelement vorgesehen bzw. ange ordnet, an der ausreichend akustische Energie vorhanden ist. Je mehr akustische Energie in der magnetisch abstimmbaren Schicht lokalisiert ist, desto größer ist die genutzte Verän derung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit.

Die Wirkung der magnetisch abstimmbaren Schicht innerhalb ei nes FBAR-Resonators besteht darin, daß sich die Geschwindig keit der akustischen Welle durch die magnetische abstimmbare Elastizität der abstimmbaren Schicht variieren läßt und damit die Resonanzfrequenz des FBAR-Resonators. Auch eine als Elek trode 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 akusti sche Spiegel in seinen Impedanzeigenschaften und damit seiner Reflektivität schalten, wobei Teilschichten dem Spiegel zu oder weg geschaltet werden können, wodurch die Resonanzfre quenz des Resonators abstimmbar ist. Dies kann erreicht wer den, wenn durch Veränderung des E-Moduls die akustische Impe danz der magnetisch abstimmbaren Schicht so verändert wird, daß die akustische Welle am Übergang zu einer benachbarten Schicht keine Phasengrenze mehr sieht, die reflektierend wir ken kann. Umgekehrt kann eine Phasengrenze (akustischer Impe danzunterschied) auch durch magnetische Abstimmung erst er zeugt werden.

Ein beanspruchtes Bauelement kann auch als Oberflächenwellen filter ausgestaltet sein. Bei einem solchen sind auf einer Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht die Bauelement strukturen wie insbesondere Elektroden (Interdigitalwandler) und ggf. Reflektoren angeordnet. Die piezoelektrische Schicht ist über der magnetisch abstimmbaren Schicht angeordnet. Vor zugsweise ist die piezoelektrische Schicht dazu als Dünn schicht ausgebildet, die direkt über der magnetisch abstimm baren Schicht abgeschieden ist. Als Dünnschichtbauelement hat das Oberflächenwellenfilter den Vorteil, daß die frequenzbe stimmende Wirkung des E-Moduls der magnetisch abstimmbaren Schicht stärker zur Geltung kommt, da nur bei dünnen piezo elektrischen Schichten die Oberflächenwelle vorzugsweise in der magnetisch abstimmbaren Schicht verlaufen kann, und die akustische Energie der Welle dann dort konzentriert ist. Da mit 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 ab stimmbare 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 beanspruchten Bauelementes ist wesentlich von der Auswahl des GDE-Materials abhängig, also des Materi als, welches unter Einfluß eines Magnetfeldes eine große Än derung seines Elastizitätsmoduls erfährt. Eine große Steifig keitsänderung durch Anlegen eines Magnetfeldes werden bei spielsweise mit bestimmten metallischen Gläsern, sogenannten Metgläsern erreicht, die hauptsächlich aus den Metallen Ei sen, 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 star ken 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) be kannt.

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 Erdenmetal len, 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 AB-Effekt.

Eine weitere Substanzklasse mit hohem ΔE-Effekt sind die Phosphate RP04 von seltenen Erden. Dabei steht R für die sel tenen Erden von Tb bis Y, beispielsweise für TbPO₄, TmPO₄ und DyPO₄. Diese Zusammensetzungen weisen eine polykristalline Struktur auf, können aber auch in tetragonaler einkristalli ner Form eingesetzt werden.

Alle diese genannten Stoffe ändern ihre elastischen Eigen schaften durch Anlegen eines Magnetfeldes um bis zu 100 Pro zent, ohne dabei in der Nähe eines Phasenübergangs zu arbei ten.

Die magnetisch abstimmbare Schicht kann mit herkömmlichen piezoelektrischen Schichten kombiniert werden, wie beispiels weise Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder ähnlichen, wobei die piezoelektrische Schicht auf dieser GDE Materialschicht auf gebracht wird. Das beanspruchte Bauelement kann auch mehr als eine magnetisch abstimmbare Schicht in einem Mehr schichtaufbau enthalten.

In vorteilhafter Weise weist das beanspruchte Bauelement ein weiteres Mittel zur Abstimmung seiner Arbeitsfrequenz auf. Ein solches weiteres Mittel kann ein variables externes Schaltelement umfassen, beispielsweise eine parallel zum Re sonator oder Filter geschaltete variable Kapazität. Mit einer solchen variablen Kapazität oder einem solchen variablen ex ternen Schaltelement läßt sich eine zusätzliche Feinabstim mung der Arbeitsfrequenz des Bauelements erzielen, so daß ne ben der groben Abstimmung über die magnetisch abstimmbare Schicht eine exakte Einstellung der Arbeitsfrequenz des Bauelements möglich ist.

Ein weiterer Vorteil der magnetisch abstimmbaren Schichten 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 Eigen schaften der abstimmbaren Schicht dient, besteht. Damit sind unerwünschte Nichtlinearitäten bei der Signalverarbeitung vernachlässigbar.

Eine bevorzugte Verwendung finden die beanspruchten Bauele mente als Frontendfilter zur Kanalselektion in drahtlosen Kommunikationsendgeräten. Sie können dabei in OFW-Technik direkt als Filter ausgebildet sein, während mehrere Eintorre sonatoren in FBAR- oder BAW-Technik erst zu einem Filter zu sammenzuschalten sind, beispielsweise zu einem Filter in Ab zweigtechnik, insbesondere in Ladder Type- oder Lattice Struktur. Auf diese Weise ist es möglich, Software- bzw. Mi krokontroller gesteuert mit einem einzigen Filter eine Kanal selektion 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 inner halb einer Oktave (Beispielsweise 1 Gigahertzbereich oder 2 Gigahertzbereich) abgedeckt werden. So gelingt es mit 2 Frontendfiltern, sämtliche Frequenzbänder momentan existie render Kommunikationssysteme abzudecken.

Es ist auch möglich, die Kanalselektion in einem solchen End gerät 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 Funkti onsfähigkeit 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 Infor mationsübertragung wesentlich vereinfacht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen und den 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 Aus schnitte erfindungsgemäßer BAW-Resonatoren

Fig. 7 und 8 zeigen ausschnittsweise den oberen Bereich erfindungsgemäßer BAW-Resonatoren anhand schematischer Quer schnitte

Fig. 9 und 10 zeigen erfindungsgemäße Ausführungen auf Membran montierter erfindungsgemäßer FBAR-Resonatoren

Fig. 11 zeigt den Aufbau eines akustischen Spiegels im sche matischen Querschnitt.

Fig. 12 zeigt im schematischen Querschnitt ein erfindungsge mäßes 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 ei nem 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 zumin dest zwei unterschiedlichen Schichten. Vorzugsweise ist das Substrat S mechanisch stabil und in seinen thermomechanischen Eigenschaften, insbesondere im thermischen Ausdehnungskoeffi zienten 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 Schichtauf bau 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 BAW-Resonators. Auch dieser ist auf einem Substrat S 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 er wähnte Auswahl gilt. Die piezoelektrische Schicht P ist vor zugsweise aus Zinkoxid oder Aluminiumnitrid aufgebaut, kann jedoch auch andere in Dünnschichttechnik erzeugbare piezo elektrische Materialien umfassen, beispielsweise Galliumni trid, Indiumnitrid, Siliziumkarbid, Galliumarsenid oder Cad miumsulfid. Auch organische piezoelektrische Schichten, bei spielsweise aus PVD sind geeignet.

Die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht P oder der piezoelektrischen Teilschichten P1 und P2 wird in Abhängig keit 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 Ge schwindigkeit der akustischen Welle innerhalb der piezoelek trischen Schicht und λ die Wellenlänge der akustischen Welle ist. Eine Resonanz ergibt sich dann, wenn die Dicke des Reso natorkörpers z. B. λ/2 beträgt. Eine Resonanz bei einer Harmo nischen 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 dieje nige des Resonatorvolumens. Zuzurechnen sind alle Teilschich ten, in denen 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 auf weist, so liegt die erforderliche Schichtdicke des Resonators im Resonatorvolumen im µm Bereich.

Auch in Fig. 2 gilt für den unteren und den oberen Schicht bereich U, O dieselbe 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 ge nauer Aufbau im Weiteren noch erläutert wird. Direkt über dem akustischen Spiegel A ist eine magnetisch abstimmbare Schicht M1 angeordnet. Diese kann eine beliebige Schichtdicke aufwei sen, wobei die erzielbare maximale Abstimmbandbreite mit zu nehmender Schichtdicke bis hin zu einem Grenzwert ansteigt. Bei Schichtdicken oberhalb dieses Grenzwertes wird keine wei tere 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 Alumi nium 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 Auf bringverfahren sind auch CVD-Verfahren oder Aufdampfverfahren geeignet. Für einen bei zwei Gigahertz arbeitenden BAW- Resonator werden beispielsweise 200 nm Aluminium aufgesput tert.

Oberhalb der ersten Elektrodenschicht E1 wird die piezoelek trische Schicht P bzw. eine piezoelektrische Teilschicht P1 aufgebracht, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Der un tere 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 un terhalb der piezoelektrischen Schicht P dienen kann. Gegen über der Ausführung in Fig. 3 ist hier also auf die zusätz liche Elektrodenschicht E1 verzichtet worden.

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 zusätzliche 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 darge stellt. Oberhalb der piezoelektrischen Schicht P ist bei spielsweise eine zweite Elektrodenschicht E2 aufgebracht, die bezüglich Materialauswahl und Schichtdicke der ersten Elek trodenschicht E1 entsprechen kann. Oberhalb der zweiten Elek trodenschicht 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 enthalte nen magnetisch abstimmbaren Schicht ist es auch möglich, im oberen Schichtaufbau O auf eine magnetisch abstimmbare Schicht zu verzichten.

Die eben beschriebenen 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 Membran schicht 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 Resonanzfre quenz 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 Alterna tive 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 0 ange ordnet, dessen Zusammensetzung so sein kann, wie bereits an hand der Fig. 7 und 8 erläutert.

Fig. 10 zeigt eine weitere Variante, bei der als Substrat MSE ein magnetisch abstimmbares GDE-Material mit guter elek trischer Leitfähigkeit gewählt wird. In diesem Fall stellt die Membran im Bereich D Trägerfunktion und Elektrodenfunkti on zur Verfügung und dient gleichzeitig als magnetisch ab stimmbare Schicht. Für weniger gut elektrisch leitende GDE- Materialien kann oberhalb des als Substrat verwendeten GDE- Materials noch eine zusätzliche Elektrodenschicht E1 unter halb 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 verwen det 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 ein Viertel der Wellenlänge der in dem Material ausbreitungsfähi gen akustischen Welle ist. Die Lamdaviertelschichten bestehen dabei aus zumindest zwei unterschiedlichen Materialien unter schiedlicher akustischer Impedanz und sind beispielsweise al ternierende Schichten von Wolfram und Siliziumoxid, Wolfram und Silizium, Aluminiumnitrid und Siliziumoxid, Silizium und Siliziumoxid, Molybdän und Siliziumoxid oder andere Schich tenpaare, für die gilt, daß sie unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen und sich in Dünnschichttechniken wech selseitig übereinander abscheiden lassen. Die Anzahl der für eine ausreichende Reflektivität des akustischen Spiegels er forderlichen Schichtenpaare ist von der Materialauswahl ab hängig, da unterschiedliche Schichtenpaare unterschiedliche Reflektivität aufweisen.

Besonders bevorzugt für den akustischen Spiegel sind Lamda viertelschichten die alternierend aus Wolfram und Siliziu moxid aufgebaut sind. Diese Kombination weist eine hohe Dif ferenz ihrer akustischen Impedanzen auf. Je höher die Impe danzdifferenz, desto weniger Paare von Lamdaviertelschichten sind ausreichend, um 100 Prozent der akustischen Welle zu re flektieren. Für die zuletzt vorgestellte Materialkombinatio nen 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 dar gestellte akustische Spiegels A weist beispielsweise n Schichtenpaare von Lamdaviertelschichten auf. Der akustische Spiegel A kann auch aus mehreren unterschiedlichen Lamdavier tel Schichtpaaren A_h A_l mit unterschiedlichen Materialkombina tionen bestehen, insbesondere dann, wenn die obere Teil schicht des akustischen Spiegels aus einem GDE-Material be steht, welches die magnetisch abstimmbare Schicht darstellt.

Ein FBAR-Resonator kann so optimiert sein, daß er über einen maximalen Frequenzbereich abstimmbar ist. Dies wird insbeson dere dann erreicht, wenn sowohl im oberen als auch im unteren Schichtaufbau und wahlweise auch innerhalb der piezoelektri schen Schicht P jeweils eine magnetisch abstimmbare Schicht vorgesehen wird. Eine andere Optimierungsmöglichkeit besteht darin, die Anzahl unterschiedlicher Schichten in den FBAR- Resonatoren zu minimieren. Dazu werden solche Materialien ausgewählt, die mehr als eine Funktion erfüllen können. Bei spielsweise wird die magnetisch abstimmbare Schicht als Funk tionsschicht ausgebildet, insbesondere als Elektrodenschicht. Ist dies die untere Elektrode, so kann die magnetisch ab stimmbare Schicht zusätzlich noch Teil des akustischen Spie gels sein, so daß die Anzahl der erforderlichen Schichten weiter reduziert ist. Für die Schichtkombinationen gilt all gemein, daß sich die Schichtfolgen übereinander homogen ab scheiden lassen. Dies ist in der Regel für alle vorgeschlage nen 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 erfindungsge mäßes OFW Bauelement. Auch hier ist eine piezoelektrische Schicht P über einer magnetisch abstimmbaren Schicht M ange ordnet. Diese kann auch auf einem herkömmlichen Substratmate rial angeordnet sein, oder bei entsprechender Dicke auch selbst das Substratmaterial darstellen. Über der dünnen pie zoelektrischen Schicht sind wie bei bekannten OFW Bauelemen ten die Bauelement-Strukturen BS, insbesondere Interdigital wandler, Reflektoren usw. angeordnet.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist ein als OFW Bau element ausgebildetes Bauelement zusätzliche Mittel zur Un terdrückung 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 erfol gen.

Zur Unterdrückung des Übersprechens kann die magnetisch ab stimmbare Schicht zwischen unterschiedlichen Filterkomponen ten 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 unter schiedlicher Symmetrie zu beseitigen, um einmal die Addition der Signale und einmal das Differenzsignal zu erhalten. Auf diese Weise läßt sich das in gleicher Weise auf alle Kompo nenten wirkende Übersprechen messen und eliminieren.

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 Bau element,
mit einer in mechanischem Kontakt zur piezoelektrischen Schicht stehenden abstimmbaren Schicht (M, M1, ME), welche aus einem GDE Material besteht, dessen Elastizitätsmodul in so hohem Maße in Abhängigkeit von einem äußeren Magnet feld variiert, daß sich die Arbeitsfrequenz des Bauele ments durch Einstellen des Magnetfelds um mindestens 5% verschieben läßt.

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, ausgebildet als FBAR Resonator, bei dem zumindest eine der Elektroden (ME1, ME2) als abstimmbare Schicht (M) ausbildet ist.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als FBAR Resonator, bei dem ein akustischer Spie gel (A) vorgesehen ist, der zumindest eine abstimmbare Schicht (M, ME) umfaßt.

5. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, ausgebildet als Oberflächenwellenbauelement, bei dem die pie zoelektrische Schicht (P) über der abstimmbaren Schicht (M, ME) angeordnet ist und bei dem Interdigitalwandler umfas sende Bauelementstrukturen auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet sind.

6. Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die abstimmbare Schicht (M, ME) in mehrere elektrisch nicht miteinander verbundene Teilflächen aufgetrennt ist, um ein Übersprechen zu unterdrücken.

7. Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die abstimmbare Schicht (M, ME) elektrisch zwischen den Teilflächen aufgetrennt ist, die unter solchen Bauele mentstrukturen angeordnet sind, zwischen denen ein Überspre chen zu unterdrücken ist.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die abstimmbare Schicht (M, ME) auf einem Substrat (S) angeordnet ist.

9. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das GDE Material der abstimmbaren Schicht (M, ME) aus gewählt ist aus einem metallischen Glas (Metglas), einem Fe₅₀Co₅₀/Co₅₀B₂₀-Multilayersystem, TbFe_2,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.

10. 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.

11. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein weiteres Mittel zur Abstimmung der Arbeitsfre quenz vorgesehen ist, welches ein variables externes Schalte lement umfaßt.

12. Verwendung eines Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche für ein Frontendfilter in einem drahtlosen Kom munikationsendgerät mit Mitteln zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Fre quenzbändern durch Einwirkung eines Magnetfeldes auf die abstimmbare Schicht.

13. Verwendung eines Bauelements nach Anspruch 12 für ein Frontendfilter, welches aus in Ladder-type Struktur miteinander verschal teten FBAR Resonatoren mit jeweils einer abstimmbaren Schicht aufgebaut ist.

14. Verwendung eines Bauelements nach Anspruch 12 für ein Frontendfilter, das ein OFW Filter mit einer abstimmbaren Schicht (M, ME) umfaßt.