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Dokumentenidentifikation DE10047379B4 15.07.2004
Titel Bauelement mit akustisch aktivem Material
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Korden, Christian, 81247 München, DE;
Ostertag, Thomas, 85464 Finsing, DE;
Ruile, Werner, Dr., 80636 München, DE
DE-Anmeldedatum 25.09.2000
DE-Aktenzeichen 10047379
Offenlegungstag 25.04.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.07.2004
IPC-Hauptklasse H03H 9/145
IPC-Nebenklasse H03H 9/54   H03H 9/64   H01L 41/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem akustisch aktivem Material sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Bauelementes.

Da die Normen bei mobilen Telekommunikationssystemen weltweit verschieden sind, aber auch innerhalb eines Sendegebietes je nach benötigter Bandbreite immer mehr verschiedene Normen angeboten werden, möchte man ein mobiles Telekommunikationsgerät haben, das alle diese Normen oder zumindest einen Teil davon abdecken kann. Dabei besteht das Problem, dass die Sende- und Empfangsbänder in verschiedenen Frequenzen liegen und darüber hinaus noch verschiedene Bandbreiten haben. Deshalb ist ein elektronisch abstimmbares Filter für Telekommunikationsgeräte erstrebenswert, so dass man per Software das Telefon auf die gewünschte Norm einstellen kann.

Bisher gibt es keine abstimmbaren Filter, die das obige Problem lösen. Man behilft sich heute damit, die in der Telekommunikationstechnik bewährten Oberflächenwellenfilter (OFW-Filter) einzusetzen und zwischen diesen Filtern je nach Bedarf hin- und herzuschalten. OFW-Bauelemente kommen in vielen Variationen als funkabfragbare oder selbstsendende Sensoren, Identifikationsmarken oder Filter zum Einsatz. Ausführungsformen nach dem Stand der Technik sind zum Beispiel in DE 198 60 058 C1, EP 0 746 775 B1, EP 0 655 701 B1, EP 0 651 344 B1, EP 0 619 906 B1, US 5 691 698, US 5 841 214, US 5 966 008, US 5 910 779, US 6 029 324, US 6 084 503 offenbart.

OFW-Filter selbst sind wegen ihrer Stabilität bekannt und deshalb leider nicht oder nur in sehr engen Grenzen abstimmbar. Der Einsatz mehrerer Filter in einem Gerät führt natürlich zu größerem Platzbedarf und erhöhten Kosten, da für jede Norm ein eigenes Filter gebraucht wird. Weil diese OFW-Filter zudem nicht in die Halbleitertechnik integrierbar sind, müssen Hybridlösungen verfolgt werden.

Um wenigstens von diesen Hybridlösungen wegzukommen, werden immer wieder FBARS (Film Bulk Acoustic Resonators), die mit akustischen Volumenwellen arbeiten, vorgeschlagen, die, zumindest zum Teil, CMOS-kompatibel hergestellt werden können. Aber auch hier wird für jede Norm ein eigenes oder sogar mehrere Filter benötigt. Das Hautproblem bei dieser Lösung besteht aber darin, dass die erforderliche Frequenzgenauigkeit herstellungstechnisch nicht beherrscht wird, so dass eine Massenfertigung und damit niedrige Preise nicht verfügbar sind.

Aus EP 0 834 989 A2 ist ein FBAR bekannt, dessen elastische Konstanten zumindest teilweise veränderbar sind. Diese Veränderungen sind allerdings so klein, dass damit Fertigungsschwankungen nicht aufgefangen werden können, geschweige denn ein abstimmbares Filter realisiert werden kann.

Aus US 3,840,826 ist Oberflächen- und Volumenwellenbauelemente bekannt, bei denen die Domänengrenze zwischen zwei entgegengesetzt polarisierten ferroelektrischen Domänen durch Anlegen einer Spannung verschoben werden kann.

Aus US 4,464,639 ist ein Oberflächenwellenbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement vorzuschlagen, das sich als Filter einsetzen lässt und dessen akustische Konstanten in einem solchen Maße veränderbar sind, dass es sich mit Hilfe einer Steuerung auf den Frequenzbereich der jeweils gewünschten Telekommunikationsnorm einstellen lässt. Unter akustischen Konstanten werden dabei insbesondere die elastischen Konstanten, wie die Steifigkeit, und die Dichte verstanden. Diese Materialkonstanten bestimmen die Schallgeschwindigkeit und damit die Frequenz einer akustischen Schwingung im akustisch aktiven Material.

Die Aufgabe wird durch ein Bauelement bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine große Veränderung der akustischen Konstanten an einem Phasenübergangspunkt und/oder in der Nähe eines derartigen Punktes des Materials erzielen lässt. Durch die Veränderung der akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials lässt sich die Frequenz der darin laufenden akustischen Wellen in gewünschter Weise einstellen. Das akustisch aktive Material des Bauelementes ist zumindest teilweise ein piezoelektrisches Material. Der Phasenübergangspunkt ist der Phasenübergangspunkt zwischen der ferroelektrischen Phase und der parelektrischen Phase.

Es können Elektroden auf zwei gegenüberliegenden Seiten des akustisch aktiven Materials bei Volumenwellenbauelementen aufgebracht sein.

Die Nähe zum Phasenübergangspunkt ist gegeben, wenn sich die akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials so beeinflussen lassen, dass sich eine Geschwindigkeitsänderung von etwa mindestens 0,5 % ergibt. Dies reicht aus, um Fertigungsschwankungen des Resonators auszugleichen. Für weiterreichende Anwendungen ist aber eine minimale Geschwindigkeitsänderung von 1 %, 5 % und insbesondere 10 % bevorzugt.

Hier sind die akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials, insbesondere durch die Änderung der piezoelektrischen Kopplung, in einem weiten Rahmen veränderbar. Um weiterhin den piezoelektrischen Effekt zur Ankopplung elektromagnetischer Wellen an die akustischen Wellen im akustisch aktiven Material ausnutzen zu können, sollte dabei bevorzugt auf der Seite der ferroelektrischen Phase des Phasenübergangspunktes gearbeitet werden.

Befindet sich ein räumlich definierter Teil des akustisch aktiven Materials in der ersten Phase, während sich ein anderer räumlich definierter Teil in der zweiten Phase befindet, so kann die gemäß der Kramers-Kronig-Relation auftretende Dämpfung direkt am Phasenübergangspunkt vermieden werden.

Vorzugsweise enthält das Bauelement Mittel zur Veränderung der akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials und/oder Anschlüsse für solche Mittel. Diese Mittel können zum Beispiel Elemente zum Anlegen einer elektrischen Spannung, insbesondere an das akustisch aktive Material, aufweisen, mittels derer die akustischen Konstanten des Materials veränderbar sind. Diese Elemente zum Anlegen einer elektrischen Spannung können zum Beispiel in Form von Elektroden ausgebildet sein, die an dem Bauelement und insbesondere an dem akustisch aktiven Material angeordnet sind. Für Wechselspannungen sind aber auch Elemente vorstellbar, die induktiv arbeiten.

Die Mittel zur Veränderung der akustischen Konstanten können auch Elemente zum Einstellen der Temperatur, insbesondere in dem akustisch aktiven Material, aufweisen, mittels derer die akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials veränderbar sind. Solche Elemente können in jeglicher Art von Heizungs- und/oder Kühlvorrichtungen ausgebildet sein. Insbesondere ist die Anordnung von Peltier-Elementen denkbar.

Weiterhin können die Mittel zur Veränderung der akustischen Konstanten auch Elemente zum Einstellen weiterer thermodynamischer Größen, wie etwa des Drucks, insbesondere in dem akustisch aktiven Material, aufweisen, mittels derer die akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials veränderbar sind.

Das Bauelement wird, insbesondere hinsichtlich seines akustisch aktiven Materials, so dimensioniert, dass es als Filter in den gewünschten Frequenzbereichen einsetzbar ist.

Bei dem beanspruchten Verfahren zum Betrieb eines Bauelementes mit einem akustisch aktiven Material werden die akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials verändert, wobei sich das akustisch aktive Material zumindest teilweise an einem Phasenübergangspunkt und/oder in der Nähe eines Phasenübergangspunktes befindet.

In diesem Verfahren wird vorteilhafterweise ein Bauelement der oben beschriebenen Art eingesetzt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Dabei zeigt

1 ein Bauelement mit akustisch aktivem Material und

2 eine Schaltung zur Regelung dieses Bauelementes.

In 1 erkennt man ein Bauelement 1 mit einem akustisch aktiven Material 2. Das akustisch aktive Material 2 besteht aus einer piezoelektrischen Substanz wie zum Beispiel LiNbO3, LiTaO3, Bi12GeO20, Li2B4O7, AlPO4, GaAs, ZnO und/oder Quarz.

Das akustisch aktive Material befindet sich zumindest teilweise an einem Phasenübergangspunkt und/oder in der Nähe eines Phasenübergangspunktes: Dieser Phasenübergangspunkt ist der Curiepunkt des ferroelektrischen Materials. Es ist bekannt, dass sich die dielektrischen Konstanten &egr; in der Nähe des Curiepunktes mit der Temperatur, aber auch mit dem angelegten elektrischen Feld sehr stark ändert. Diese Änderung verändert mittels der piezoelektrischen Kopplung die Steifigkeit c des Materials:

Dabei steht c0 als Steifigkeit des akustischen Materials ohne piezoelektrischen Effekt und d für die piezoelektrischen Konstanten des akustisch aktiven Materials. Die dielektrischen Konstanten &egr;, die Steifigkeiten c, c0 und die piezoelektrischen Konstanten d sind in der Regel Tensoren.

Ist also der Wert für &egr; sehr groß, wie es in der Nähe des Curiepunktes der Fall ist, so fällt die piezoelektrische Versteifung (piezoelectric stiffening) d2/&egr;, die das akustische Material durch den piezoelektrischen Effekt erfährt, weg und man erhält die Steifigkeiten, als ob kein Piezoeffekt vorhanden wäre. Sinkt umgekehrt &egr; ab, so tritt eine verstärkte Steifigkeit auf. Hierbei wird das akustisch aktive Material in seinem gesamten betroffenen Volumen selbst verändert.

Mit dieser Veränderbarkeit der akustischen Konstanten ist eine große Instabilität verbunden, insbesondere was die Temperatur betrifft. Eine weitere Instabilität kommt von der Fertigung, aber auch von einer eventuellen Alterung. Um alle diese Instabilitäten zu beherrschen, ist eine feste Referenz notwendig, auf die man sich in einer Regelung beziehen kann. Dabei sind die Zeitkonstanten für die Instabilitäten sehr unterschiedlich. Die fertigungsbedingte Instabilität ist zeitunabhängig und kann deshalb durch Korrekturwerte UFertigung für die anzulegende Spannung U kompensiert werden, die in einem festen Speicher abgelegt werden. Die Korrekturwerte zur Kompensation der Alterungsstabilität UAlterung brauchen nur von Zeit zu Zeit auf den neuesten Stand gebracht werden. In diesen Alterungseffekten sind dann natürlich auch alle Effekte eingeschlossen, die von der Elektronik selbst herkommen. Die Korrekturwerte zur Kompensation der Temperatur UTempera tur müssen dagegen laufend erneuert werden, da nicht nur die sich langsam veränderbare Umgebungstemperatur eine Rolle spielt, sondern die Temperatur sich auch im Betrieb selbst verändern kann (Selbsterwärmung).

Neben diesen Korrekturspannungen muss im Falle eines durchstimmbaren Filters schließlich auch die Frequenz selbst durchgestimmt werden können, um das entsprechende Frequenzband bzw. die Sollfrequenz fsoll einstellen zu können. Dafür wird eine Spannung Ufsoll angelegt.

Insgesamt wird an den beiden am akustisch aktiven Material 2 flächig angeordneten Elektroden 3, 4 die Überlagerung aller oben aufgeführten Spannungen angelegt: UFBAR = Ufsoll + UAlterung + UFertigung + UTemperatur + URest

Die von dem als FBAR ausgeführten Bauelement 1 erzeugte Frequenz fist wird auf eine feste Referenzfrequenz fReferenz bezogen. Die Spannung UFBAR wird dabei so lange nachgeregelt, bis fist – fReferenz den gewünschten Wert fsoll – fReferenz annimmt. Dabei werden auch noch alle etwaigen restlichen Effekte kompensiert, die oben nicht speziell aufgeführt wurden.

An dem akustisch aktiven Material 2 ist weiterhin ein Peltier-Element 5 angeordnet, über das eine Temperaturkompensation durch Heizen oder Kühlen des akustisch aktiven Materials erfolgt. Bei guter thermischer Isolierung und kleiner Wärmekapazität (Membran) ist dabei die Zeitkonstante für die Erhitzung bzw. Abkühlung des akustisch aktiven Materials klein.

Neben dem Einsatz von FBARS als Volumendickenschwingern besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, die akustisch veränderbare Schicht in elektrostatisch gekoppelten Membranschwingern (MEMS) einzusetzen, wie sie zum Beispiel aus Clark T.-C. Nguyen: „Micromachining Technologies for Miniaturized Communication Devices", Proceedings of SPIE, Santa Clara, California, 1998, S. 24-38 sind. Dabei wird die Steifigkeit in der schwingenden Membran verändert und damit ebenfalls eine Frequenzverstimmung erzielt. Der Einsatz dieser Resonatoren wird eher im Zwischenfrequenzbereich liegen, im Gegensatz zu Dickenschwingern, die im Frontendbereich eingesetzt werden. Mit dieser Weiterbildung ergibt sich nicht nur für Frontendfilter, sondern auch für Zwischenfrequenzfilter die Möglichkeit zur Integration in die Halbleitertechnik mit allen damit verbundenen Vorteilen. Frontend- und Zwischenfrequenzfilter können sogar auf einem Chip mit einer zum Teil gemeinsam genutzten Steuerung und Regelung hergestellt werden.

Ein Beispiel für eine Regelung zeigt 2. Dabei sind zwei erfindungsgemäße Bauelemente 1, 1' als Eintorresonatoren ausgeführt und zu einem abstimmbaren Laddertypefilter angeordnet. Über einen Eingang 6 wird ein Eingangssignal in das abstimmbare Laddertypefilter eingegeben, in dem ein Bauelement 1' im Signalweg in Serie geschaltet ist, während das andere Bauelement 1 in Parallelschaltung zur Masse führt. Die akustischen Konstanten der beiden Bauelemente und damit deren Frequenzen werden in der oben beschriebenen Weise über Steuerspannungen U1, U2 geregelt. Die Steuerspannungen U1, U2 werden über D/A-Wandler 7, 8 von einem Mikrocontroller 9 geregelt. An einem Ausgang 12 des abstimmbaren Laddertypefilters kann ein in gewünschter Weise gefiltertes Nutzsignal abgegriffen werden.

Am Ausgang des zum Signalweg in Serie geschalteten Bauelementes 1' befindet sich eine Vorrichtung 10 zur Messung der Empfangsfeldstärke. Die von der Vorrichtung 10 zur Messung der Empfangsfeldstärke gemessene Empfangsfeldstärke wird über einen A/D-Wandler 11 zum Mikrokontroller 9 geführt.

Das aus den Bauelementen 1, 1' aufgebaute und dem Empfangszug vorgeschaltete Laddertypefilter wird vom Mikrocontroller 9 in seiner Mittenfrequenz so lange verstimmt, bis das Maximum der Empfangsfeldstärke am Ausgang der Vorrichtung 10 zur Messung der Empfangsfeldstärke erreicht wird.

Auch ist nicht unbedingt das gesamte für die derzeitige mobile Telekommunikation von 800 MHz bis 2,5 GHz reichende Frequenzband lückenlos abzudecken. Es genügt, die Bereiche um 900 MHz und 2 GHz abzudecken. Hier bietet sich bei den FBARS die Verwendung von harmonischen Oberwellen an. Der untere Frequenzbereich wird von der Grundwelle abgedeckt, während für den oberen Bereich die erste harmonische Schwingung eingesetzt wird. Durch eine geeignete Elektrodenkonfiguration in der Membranstruktur eines FBARS und eine entsprechende Ansteuerung kann eine Modenselektion erreicht werden, also das Filter bevorzugt entweder auf der Grundwelle oder der einer harmonischen Schwingung betrieben werden.


Anspruch[de]
  1. Bauelement mit einem akustisch aktiven Material (2), dessen akustische Konstanten zumindest teilweise veränderbar sind und das zumindest teilweise ein piezoelektrisches Material ist, wobei sich das akustisch aktive Material zumindest teilweise an einem Phasenübergangspunkt und/oder in der Nähe eines Phasenübergangspunktes befindet und der Phasenübergangspunkt der Phasenübergangspunkt zwischen der ferroelektrischen und der parelektrischen Phase ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) ein Volumenwellenbauelement und/oder ein Membranschwinger ist.
  2. Bauelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des akustisch aktiven Materials (2) sich in der einen Phase befindet, während ein anderer Teil des akustisch aktiven Materials (2) sich in der anderen Phase befindet.
  3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) Mittel (3, 4, 5) zur Veränderung der akustischen Konstanten und/oder Anschlüsse für solche Mittel aufweist.
  4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (3, 4) zur Veränderung der akustischen Konstanten Elemente zum Anlegen einer elektrischen Spannung aufweisen, mittels derer die akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials (2) veränderbar sind.
  5. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (5) zur Veränderung der akustischen Konstanten Elemente zum Einstellen der Temperatur aufweisen, mittels derer die akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials (2) veränderbar sind.
  6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) ein Filter ist.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Bauelementes (1) mit einem akustisch aktiven Material (2), bei dem

    – ein Bauelement (1) eingesetzt wird, das ein Volumenwellenbauelement und/oder ein Membranschwinger ist,

    – das akustisch aktive Material (2) zumindest teilweise ein piezoelektrisches Material ist,

    – die akustischen Konstanten des akustisch aktiven Materials (2) verändert werden,

    – das akustisch aktive Material (2) zumindest teilweise an einem Phasenübergangspunkt und/oder in der Nähe eines Phasenübergangspunktes betrieben wird und

    – der Phasenübergangspunkt der Phasenübergangspunkt zwischen der ferroelektrischen und der parelektrischen Phase ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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