Titelaufnahme

Titel
Abstimmbare Oberflächenwellenresonatoren auf multifunktionalen Schichtsystemen / Philipp Smole
VerfasserSmole, Philipp
Begutachter / BegutachterinPohl, Alfred ; Pongratz, Peter
Erschienen2004
Umfang166 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2004
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-11744 Persistent Identifier (URN)
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Abstimmbare Oberflächenwellenresonatoren auf multifunktionalen Schichtsystemen [10.88 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Eine Vielzahl unterschiedlicher Filterkomponenten werden zur Herstellung mobiler Multiband Telefone benötigt. Zur Reduktion der Anzahl dieser Einzelfilter und damit zur Steigerung der Integration im Frontend sowie der Flexibilität des Mobilteils in Richtung eines 'software defined radios' wäre ein einzelnes abstimmbares Filter mit gleicher Funktionalität wünschenswert. Sowohl elektrische als auch akustische Lösungen zur Realisierung solcher Filter werden untersucht.

Geringe Güten und hoher Platzbedarf verhindern den Einsatz abstimmbarer elektrischer Filter für den Mobilfunk. Akustische Filter hingegen weisen die benötigte hohe Güte und geringen Platzbedarf auf, aufgrund der Kristallstabilität jedoch ist ihre Mittenfrequenz fixiert. Akustische Bauteile mit geringer Abstimmbarkeit der Verzögerungszeit oder der Phase wurden zwar realisiert, die Mittenfrequenz allerdings blieb unverändert.

In dieser Arbeit werden in der Frequenz abstimmbare akustische Resonatoren, die als elementare Bausteine für Filter benutzt werden können, sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Die Abstimmbarkeit in der Frequenz wird durch ein Substratmaterial realisiert, dessen Steifigkeit sich durch ein angelegtes Magnetfeld ändert ([Delta]E-Effekt). Die Anregung der Oberflächenwelle selbst wird mit einer piezoelektrischen ZnO-Schicht erreicht. Für amorphe magnetostriktive Materialien wie FeCoSiB sind Steifigkeitsänderungen von mehr als 100 % publiziert. Somit sind theoretisch Frequenzverschiebungen von bis zu 30 % realisierbar. Die Eigenschaften von Oberflächenwellen in diesem Schichtsystem wurden mit Hilfe des kommerziellen FEM-Code ANSYS simuliert. Untersucht wurde die optimale Schichtkonfiguration in Bezug auf die piezoelektrische Kopplung und die maximale Abstimmbarkeit. Zur Herstellung von Proben wurden zwei Aufbauvarianten, ein direktes Schicht auf Schicht sowie ein neu entwickeltes Opferschichtverfahren, verwendet. Das direkte Verfahren verursacht eine Rekristallisation der amorphen FeCoSiB-Schicht und daher eine Reduktion des [Delta]E-Effektes und der erreichbaren Frequenzverschiebung. Mit dem Opferschichtverfahren wird diese Rekristallisation verhindert, eine bessere c-Achsen Orientierung der ZnO-Schicht und damit eine Steigerung der piezoelektrischen Kopplung erreicht. Mit einer Abstimmbarkeit von 1.2 % bei einer Mittenfrequenz von 1.2 GHz des Resonators übertrifft der hier gemessene Wert bisher erreichte um einen Faktor 100. Eine weitere Steigerung ist durch die Optimierung der magnetischen Schicht möglich. Die bei der Frequenzabstimmung gleichzeitig auftretende Dämpfung der OFW limitiert jedoch die maximal erreichbare Abstimmbarkeit. Die Dämpfung kann durch die Substitution der magnetostriktiven Schicht durch ein Schichtsystem aus magnetostriktiven und isolierenden Schichten mit kleiner effektiver magnetischer Permeabilität bei der Anregungsfrequenz der OFW reduziert werden. Dieser Aufbau wird zur Realisierung von Bauteilen mit großer Abstimmbarkeit und geringen Verlusten vom Autor vorgeschlagen.

Zusammenfassung (Englisch)

Up to now cellular multiband phones require a multitude of different filter components. For higher integration, a reduction of the number of components in the front end and an increase of flexibility and functionality of the wireless terminals, towards software radio applications, one single tunable filter would be highly desirable.

Different approaches to realize tunable filters include electrical filters on the one hand and acoustical solutions on the other hand. Due to the low achieved quality factors and the large size of tunable electrical filters this technique fails for mobile phone applications.

On the other hand acoustical filters combining high quality factors with low size exhibit a fixed center frequency due to crystal stability.

However, tunable acoustic device with small tuning ranges were realized, but only the delay time or phase dependency was altered while the center frequency remained unchanged. This works describes the synthesis of a frequency tunable acoustic resonator as a basic filter element. A new approach is used to directly change the propagation velocity and thus the center frequency of a surface acoustic wave (SAW) underneath the interdigital transducer. This is achieved by using a smart layer structure combining a piezoelectric layer for the SAW excitation and a magnetostrictive layer exhibiting the [Delta]E-effect. By an external magnetic field the elastic stiffness is varied and hence the propagation velocity. Amorphous magnetostrictive materials like FeCoSiB show stiffness changes up to 100 %. Therefore a frequency shift of about 30 % should be feasible, theoretically. To simulate the SAW propagation behavior in such a layer structure the standard FEM code ANSYS was applied. The optimum layer configuration concerning the piezoelectric coupling coefficient and the attainable tunability of the device was investigated for two different fabrication techniques. Both a layer by layer deposition and a sacrificial layer technique were used to realize samples. By applying the conventional layer by layer deposition a crystallization of the previously amorphous FeCoSiB layer occurs. The increase in crystallinity causes a decrease in the magnitude of [Delta]E-effect and thus a reduction of the achievable tuning effect. This is avoided using the sacrificial layer technique, which additionally leads to a higher c-axis orientation of the ZnO and thus an increase in piezoelectric coupling coefficient. The measured maximum tuning range was 1.2 % at a center frequency of 1.2 GHz, which is by a factor 100 more than has been achieved so far for SAW devices, but may still be enhanced by optimizing the magnetostrictive layer. A direct correlation between the tuning of center frequency and SAW attenuation was observed, which limits the frequency tuning to small ranges with the applied material system. By substituting the single magnetostrictive layer by a multi layered system, combining magnetostrictive and isolating layers with low or vanishing magnetic permeability, regardless in the frequency range of operation of the SAW device damping effects may be overcome. Such a setup is suggested by the author to realize a device combining high tuning range with low loss effects.