DE112017003939T5

DE112017003939T5 - Durchstimmbare Lithiumniobatresonatoren und -filter mittels Lithiierung und Delithiierung

Info

Publication number: DE112017003939T5
Application number: DE112017003939.8T
Authority: DE
Inventors: Ashwin Samarao
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-05-09
Also published as: CN109643981A; WO2018046561A1; CN109643981B; US20180069166A1; US10581404B2

Abstract

Eine Akustische-Oberflächenwelle(SAW)-Vorrichtung beinhaltet ein Siliciumsubstrat,
ein piezoelektrisches Substrat, das aus Lithiumniobat gebildet ist, eine Aluminiumoxidschicht, die zwischen dem Siliciumsubstrat und dem piezoelektrischen Substrat dazwischenliegt, und wenigstens eine Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Akustische-Oberflächenwelle-Vorrichtungen und insbesondere Systeme und Verfahren zum Durchstimmen von Akustische-Oberflächenwelle-Vorrichtungen.
HINTERGRUND
SAW-Vorrichtungen (SAW: Surface Acoustic Wave - akustische Oberflächenwelle) sind eine Klasse von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), die auf der Modulation von akustischen Oberflächenwellen zum Erfassen eines physischen Phänomens basieren. Der Sensor wandelt ein eingegebenes elektrisches Signal in eine mechanische Welle um, die im Gegensatz zu einem elektrischen Signal einfach durch physische Phänomene beeinflusst werden kann. Die Vorrichtung wandelt dann diese Welle zurück in ein elektrisches Signal. Änderungen von Amplitude, Phase, Frequenz oder Zeitverzögerung zwischen den eingegebenen und ausgegebenen elektrischen Signalen können verwendet werden, um die Anwesenheit des gewünschten Phänomens zu messen.
SAW-Technologie nutzt den piezoelektrischen Effekt in ihrem Betrieb. Eine grundlegende SAW-Vorrichtung besteht aus einem piezoelektrischen Substrat und einem oder mehreren Interdigitalwandlern (IDTs: Interdigital Transducers). Das piezoelektrische Substrat ist aus einem piezoelektrischen Material, wie etwa Quarz, Lithiumtantalit (LiTaO₃) oder Lithiumniobat (LiNbO₃), gebildet. Ein IDT ist aus zwei metallischen kammartigen Strukturen gefertigt, die auf eine fingerartig verschränkte Weise auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet sind.
SAW-Vorrichtungen weisen typischerweise zwei IDTs, d. h. einen Eingang-IDT und einen Ausgang-IDT, auf. Akustische Oberflächenwellen werden durch Anlegen einer Wechselspannung über den Eingang-IDT erzeugt. Der Eingang-IDT wird mit einem sinusförmigen elektrischen Eingangssignal gespeist, das eine alternierende Polarität zwischen den Fingern des fingerartig verschränkten Wandlers erzeugt. Dies erzeugt alternierende Gebiete aus Zug- und Druckspannung zwischen Fingern der Elektrode durch den piezoelektrischen Effekt, wodurch eine mechanische Welle bei der Oberfläche erzeugt wird, die als eine akustische Oberflächenwelle bekannt ist.
Die Welle wird durch den Ausgang-IDT empfangen, der die mechanische Energie von der Welle unter Verwendung des piezoelektrischen Effekts zurück in ein elektrisches Feld umwandelt. Jegliche Änderungen, die die mechanische Welle erfahren hat, werden in dem elektrischen Ausgangssignal wiedergegeben, weil die Charakteristiken der akustischen Oberflächenwelle durch Änderungen der Oberflächeneigenschaften des piezoelektrischen Substrats modifiziert werden.
SAW-Vorrichtungen weisen eine Resonanzfrequenz auf, die eine Funktion der Beabstandung zwischen den Eingang- und Ausgang-IDTs und der Geschwindigkeit der akustischen Welle des Materials ist. Wenn eine akustische Oberflächenwelle bei oder nahe der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Materials erzeugt wird, kann die Einfügedämpfung der SAW-Vorrichtung minimiert werden. Dies bedeutet jedoch auch, dass die Frequenzantwort der Vorrichtung während der Herstellung eingerichtet wird. Die Fähigkeit, die Frequenzantwort von SAW-Vorrichtungen nach der Herstellung anzupassen oder „durchzustimmen“, ist begrenzt. Folglich ist die Nutzung von SAW-Vorrichtungen typischerweise auf Anwendungen begrenzt, bei denen die Frequenzantwort fest ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer durchstimmbaren SAW-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine schematische Aufrissansicht der SAW-Vorrichtung aus 1.
3 ist ein Graph, der eine Frequenzantwortkurve für eine SAW-Vorrichtung mit einem Siliciumsubstrat, wie etwa in 1 dargestellt, und eine SAW-Vorrichtung ohne ein Siliciumsubstrat zeigt.
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer durchstimmbaren SAW-Vorrichtung, wie etwa in 1 dargestellt, mit einem Durchstimmungsschaltkreis.
5 ist ein Graph, der die Richtung einer Änderung der Resonanzfrequenz für eine durchstimmbare SAW-Vorrichtung, wie etwa in 4 dargestellt, aufgrund des Durchstimmungsschaltkreises für einen Delithiierungs- und einen Lithiierungsprozess angibt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Zum Zwecke der Förderung eines Verständnisses der Prinzipien der Offenbarung wird nun auf die in den Zeichnungen veranschaulichten und in der folgenden schriftlichen Spezifikation beschriebenen Ausführungsformen Bezug genommen. Es versteht sich, dass dadurch keine Beschränkung des Schutzumfangs der Offenbarung beabsichtigt wird. Es versteht sich weiterhin, dass die vorliegende Offenbarung jegliche Abwandlungen und Modifikationen an den veranschaulichten Ausführungsformen beinhaltet und weitere Anwendungen der Prinzipien der Offenbarung beinhaltet, wie sie einem Durchschnittsfachmann des technischen Gebiets, zu welchem diese Offenbarung gehört, normalerweise in den Sinn kommen würden.
1 stellt eine SAW(akustische Oberflächenwelle)-Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, die dazu in der Lage ist, auf eine einfache und kosteneffektive Weise durchgestimmt zu werden. Die durchstimmbare SAW-Vorrichtung 100 beinhaltet ein piezoelektrisches Substrat 102, wenigstens eine Interdigitalelektrode 106, ein Siliciumsubstrat 108 und eine Metalloxidschicht 110. Das piezoelektrische Substrat ist aus Lithiumniobat gebildet. Eine oder mehrere Interdigitalelektroden sind auf dem piezoelektrischen Substrat zum Erzeugen und/oder Empfangen akustischer Oberflächenwellen in dem piezoelektrischen Substrat gebildet. Die Elektroden sind aus einem leitfähigen Metall, wie etwa Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Platin, Tantal oder einem beliebigen anderen geeigneten leitfähigen Metall, gebildet. Bei der Ausführungsform aus 1 ist eine einzige Interdigitalelektrode gezeigt. Die Interdigitalelektroden beinhalten Knoten 104 zum Verbinden der Elektroden 106 mit einer anderen Schaltungsanordnung, wie etwa Signalerzeugungs- und -empfangsschaltkreisen und Signalauswertungsschaltkreisen, die nicht gezeigt sind.
Bei einer Ausführungsform ist das Trägersubstrat aus Silicium gebildet. Siliciumsubstrate weisen eine niedrigere akustische Impedanz auf und sind dafür bekannt, akustische Wellen zu leiten, die zu einem höheren Gütefaktor und einer niedrigeren Einfügedämpfung führen. Das Siliciumsubstrat trägt auch eine Beständigkeit zu der Vorrichtungskonstruktion bei und ermöglicht die Integration anderer Schaltkreiselemente in die Vorrichtung für die SAW-Vorrichtung, wie etwa Resonatoren und Filter. 3 ist ein Graph, der die Änderung der Frequenzantwort einer SAW-Vorrichtung mit einem Siliciumsubstrat, wie etwa in 1 dargestellt, und einer SAW-Vorrichtung ohne ein Siliciumsubstrat veranschaulicht.
Wie in 3 gesehen werden kann, weist die als 112 beschriftete Kurve, die die Frequenzantwort für eine SAW-Vorrichtung mit einem Siliciumsubstrat aufweist, eine schmälere Breite als die als 114 beschriftete Kurve auf, die die Frequenzantwort einer SAW-Vorrichtung ohne ein Siliciumsubstrat repräsentiert, was angibt, dass die SAW-Vorrichtung mit einem Siliciumsubstrat einen höheren Gütefaktor (Q) als die Vorrichtung ohne ein Siliciumsubstrat aufweist. Die Spitzen der Kurven sind auf der Resonanzfrequenz für die jeweiligen Vorrichtungen zentriert. Die höhere Spitze der Frequenzantwortkurve 112 für die SAW-Vorrichtung mit Siliciumsubstrat korreliert mit einer niedrigeren Einfügedämpfung für die SAW-Vorrichtung mit Siliciumsubstrat als die SAW-Vorrichtung ohne ein Siliciumsubstrat.
Wieder unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird, um das Durchstimmen der SAW-Vorrichtung 100 zu ermöglichen, eine Metalloxidschicht 110 zwischen dem Siliciumträgersubstrat 108 und dem piezoelektrischen Substrat 102 eingefügt. Bei einer Ausführungsform wird die Metalloxidschicht 110 aus Aluminiumoxid, oder „Alumina“, gebildet. Die Aluminiumoxidschicht 110 kann auf eine beliebige geeignete Weise abgeschieden werden. Bei einer Ausführungsform wird die Aluminiumoxidschicht unter Verwendung eines ALD-Prozesses abgeschieden. Die Aluminiumoxidschicht kann mit einer Dicke in einem Bereich von näherungsweise 10 nm bis 1000 µm abgeschieden werden, obwohl eine beliebige geeignete Dicke verwendet werden kann, einschließlich Dicken, die außerhalb dieses Bereichs liegen.
Die Aluminiumoxidschicht 110 zwischen dem Lithiumniobatsubstrat 102 und dem Siliciumsubstrat 108 erzeugt eine Struktur ähnlich einer Lithiumionenbatterie, wobei das Lithiumniobat als die Kathode fungiert, das Silicium als die Anode fungiert und das Aluminiumoxid als der Elektrolyt, spezieller ein fester Elektrolyt, fungiert. Wenn Lithiumionenbatterien aufgeladen werden, legt eine positive (+) Spannungsquelle ein positives (+) Spannungspotential an die Kathode an. Das positive (+) Spannungspotential zwingt die Li-Ionen aus dem LiCoO₂-Komplex, über den Elektrolyten zu migrieren und in das Anodenmaterial zu interkalieren (sich selbst in Zwischengitterstellen oder anderen Leerstellen einzufügen). Diese ionische Bewegung von der Kathode über den Elektrolyten zu der Anode wird durch eine elektronische Bewegung von der Kathode über einen externen Stromkreis zu der Anode ausgeglichen. Dieser elektrochemische Prozess wird als Delithiierung bezeichnet. Gleichermaßen wird, wenn eine Lithiumionenbatterie entladen wird, eine elektrische Last zwischen der Anode und Kathode verbunden. Beim Verbinden einer elektrischen Last diffundieren die Li-Ionen von der Anode über den Elektrolyten zurück zu der Kathode, ausgeglichen durch einen elektronischen Fluss durch die elektrische Last von der Anode zu der Kathode. Dieser elektrochemische Prozess wird als Lithiierung bezeichnet.
Unter Bezugnahme auf 1 migrieren Lithiumionen von dem Lithiumniobat, wenn eine positive (+) DC-Vorspannung an das Lithiumniobatsubstrat 102 angelegt wird, von dem Lithiumniobat zu dem Silicium des Siliciumsubstrats 108, ähnlich dem Lithiierungsprozess für Lithiumionenbatterien. Wenn eine elektrische Last, z. B. eine resistive Last, zwischen dem Lithiumniobatsubstrat 102 und dem Siliciumsubstrat 108 verbunden ist, bewegen sich Lithiumionen von dem Siliciumsubstrat 108 zurück zu dem Lithiumniobatsubstrat 102, ähnlich dem Delithiierungsprozess für Lithiumionenbatterien. Indem bewirkt wird, dass sich Li-Ionen von dem Lithiumniobatsubstrat in das Siliciumsubstrat bewegen (d. h. Lithiierung), werden positive und negative Ladungszentren in einem piezoelektrischen Material, wie etwa Lithiumniobat, verschoben. Diese Verschiebung der positiven und negativen Ladungszentren ändert die elektrochemische Kopplung des piezoelektrischen Lithiumniobatsubstrats. Dies wiederum ändert die akustische Resonanzfrequenz des Lithiumniobatsubstrats und ändert als eine Konsequenz die Resonanzfrequenz der SAW-Vorrichtung 100. Die Konfiguration der SAW-Vorrichtung 100 in der Art einer Lithiumionenbatterie ermöglicht dementsprechend, dass die gleichen elektrochemischen Prozesse, die zum Aufladen und Entladen einer Lithiumionenbatterie verwendet werden, d. h. Delithiierung und Lithiierung, verwendet werden, um die Resonanzfrequenz der SAW-Vorrichtung steuerbar und selektiv anzupassen.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine schematische Veranschaulichung der SAW-Vorrichtung 100 dargestellt, die zum Durchstimmen über Delithiierungs- und Lithiierungsprozesse konfiguriert ist. Zum Durchstimmen der SAW-Vorrichtung 100 ist die SAW-Vorrichtung 100 mit einem Durchstimmungsschaltkreis 120 versehen, der zwischen dem Lithiumniobatsubstrat 102 und einem Referenzpotential, z. B. Masse (GND), verbunden ist. Der Durchstimmungsschaltkreis 120 kann in dem Siliciumsubstrat oder auf einem separaten Substrat implementiert sein und kann elektrisch mit der SAW-Vorrichtung 100 auf eine beliebige geeignete Weise verbunden sein.
Der Durchstimmungsschaltkreis 120 beinhaltet eine Spannungsquelle 122 (zur Delithiierung) und/oder ein elektrisches Widerstandselement 124 (zur Lithiierung). Die Spannungsquelle 122 ist elektrisch mit dem Lithiumniobatsubstrat 102 verbunden und ist dazu konfiguriert, eine positive (+) DC-Vorspannung an das Lithiumniobatsubstrat 102 anzulegen. Die Spannungsquelle 122 kann auf eine beliebige geeignete Weise implementiert sein und kann dazu konfiguriert sein, einen beliebigen geeigneten Spannungspegel an das Substrat zum Erzielen einer gewünschten Verschiebung der Ladungszentren des Lithiumniobatsubstrats anzulegen. Die durch die positive (+) DC-Vorspannung verursachte Delithiierung führt zu einer Zunahme, z. B. „Hochstimmen“, der Resonanzfrequenz f_R der SAW-Vorrichtung, wie durch Bezugnahme auf die als 130 beschriftete Kurve in dem in 5 dargestellten Graphen gesehen werden kann.
Das elektrische Widerstandselement umfasst ein oder mehrere resistive Schaltkreiselemente, die so konfiguriert sind, dass sie einen vorbestimmten elektrischen Widerstand aufweisen, wenn sie mit dem Lithiumniobatsubstrat verbunden sind. Bei einer Ausführungsform umfasst das elektrische Widerstandselement einen durchstimmbaren Widerstand, obwohl ein beliebiger geeigneter Typ von resistivem Element oder Widerstand verwendet werden kann. Der vorbestimmte Widerstand des elektrischen Widerstandselements kann ein beliebiger geeigneter Widerstand zum Erzielen einer gewünschten Verschiebung der Ladungszentren des Lithiumniobatsubstrats sein. Die durch das elektrische Widerstandselement verursachte Lithiierung führt zu einer Abnahme, z. B. „Herunterstimmen“, der Resonanzfrequenz f_R' der SAW-Vorrichtung, wie durch Bezugnahme auf die als XXX beschriftete Kurve in dem in 5 dargestellten Graphen gesehen werden kann.
Obgleich die Offenbarung in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und ausführlich beschrieben wurde, sollte diese in ihrem Charakter als veranschaulichend und nicht einschränkend angesehen werden. Es versteht sich, dass nur die bevorzugten Ausführungsformen präsentiert wurden und dass alle Änderungen, Modifikationen und weiteren Anwendungen, die in das Wesen der Offenbarung fallen, als zu schützen gewollt sind.

Claims

Akustische-Oberflächenwelle(SAW)-Vorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Siliciumsubstrat mit einer Hauptoberfläche; ein piezoelektrisches Substrat, das aus Lithiumniobat gebildet ist; eine Metalloxidschicht, die zwischen dem Siliciumsubstrat und dem piezoelektrischen Substrat dazwischenliegt; und wenigstens eine Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht aus Aluminiumoxid gebildet ist.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Elektrode wenigstens ein Paar aus Interdigitalwandlern umfasst.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Durchstimmungsschaltkreis umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein Ladungszentrum des piezoelektrischen Substrats zu verändern.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Durchstimmungsschaltkreis einen Widerstand und/oder eine Spannungsquelle umfasst, der/die elektrisch mit dem piezoelektrischen Substrat verbunden ist.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Widerstand ein durchstimmbarer Widerstand ist.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Durchstimmungsschaltkreis die Spannungsquelle beinhaltet, wobei die Spannungsquelle dazu konfiguriert ist, eine vorbestimmte Spannung an das piezoelektrische Substrat anzulegen.
SAW-Vorrichtung nach Anspruch 3, die ferner ein Paar von Reflektoren auf dem piezoelektrischen Substrat umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Paares von Interdigitalwandlern positioniert sind.
Verfahren zum Fertigen einer durchstimmbaren Akustische-Oberflächenwelle(SAW)-Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Abscheiden einer Metalloxidschicht auf einem Siliciumsubstrat; Anbringen eines piezoelektrischen Substrats an der Metalloxidschicht, wobei das piezoelektrische Substrat aus Lithiumniobat gebildet ist; und Bilden wenigstens einer Elektrode auf einer Seite des piezoelektrischen Substrats, die der Metalloxidschicht gegenüberliegt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Metalloxidschicht eine Aluminiumoxidschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Aluminiumoxidschicht unter Verwendung eines Atomlagenabscheidungsprozesses abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die wenigstens eine Elektrode wenigstens ein Paar aus Interdigitalwandlern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner Folgendes umfasst: Verbinden eines Durchstimmungsschaltkreises mit dem piezoelektrischen Substrat, wobei der Durchstimmungsschaltkreis dazu konfiguriert ist, ein Ladungszentrum des piezoelektrischen Substrats selektiv zu verändern.
Verfahren zum Betreiben einer durchstimmbaren Akustische-Oberflächenwelle(SAW)-Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: elektrisches Verbinden eines Durchstimmungsschaltkreises mit der durchstimmbaren SAW-Vorrichtung, wobei die durchstimmbare SAW-Vorrichtung Folgendes beinhaltet: ein Siliciumsubstrat; ein piezoelektrisches Substrat, das aus Lithiumniobat gebildet ist; und eine Aluminiumoxidschicht, die zwischen dem Siliciumsubstrat und dem piezoelektrischen Substrat dazwischenliegt; wenigstens eine Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat auf einer Seite des piezoelektrischen Substrats, die der Aluminiumoxidschicht gegenüberliegt, Aktivieren des Durchstimmungsschaltkreises, um selektiv ein Ladungszentrum des piezoelektrischen Substrats zu verändern, so dass eine Resonanzfrequenz der SAW-Vorrichtung geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Durchstimmungsschaltkreis einen Widerstand und/oder eine Spannungsquelle umfasst, der/die elektrisch mit dem piezoelektrischen Substrat verbunden ist.