DE-102024210640-A1 - Volumenakustisches Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines volumenakustischen Bauelements

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein volumenakustisches Bauelement (100) mit einer ringförmigen piezoelektrischen Schicht (10) mit Radius R, Dicke d und Breite b und einer Elektrodenanordnung mit mindestens einer Kathode (12) und mindestens einer Anode (11). Die ringförmige piezoelektrische Schicht (10) weist mindestens eine Lamb-Wave Mode mit Ausbreitungsrichtung entlang der azimutalen Richtung der ringförmigen piezoelektrische Schicht (10) auf.

Inventors

• Andreas LASSL
• Serafin Benedikt Fischer-Kennedy
• Peter Degenfeld-Schonburg
• Simon Schneider

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (8)

1. Volumenakustisches Bauelement (100), umfassend: eine ringförmige piezoelektrische Schicht (10) mit Radius R, Dicke d und Breite b; und eine Elektrodenanordnung mit mindestens einer Kathode (12) und mindestens einer Anode (11), wobei: die ringförmige piezoelektrische Schicht (10) mindestens eine Lamb-Wave Mode mit Ausbreitungsrichtung entlang der azimutalen Richtung der ringförmigen piezoelektrische Schicht (10) aufweist.
2. Volumenakustisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 , welches einen volumenakustischen Resonator darstellt.
3. Volumenakustisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Elektrodenanordnung zwei oder mehr Paare bestehend aus einer Kathode (12) und einer Anode (11) umfasst.
4. Volumenakustisches Bauelement (100) nach Anspruch 3 , wobei die Kathoden (12) und Anoden (11) jeweils abwechselnd und mit gleichem Abstand entlang des Umfangs der ringförmigen piezoelektrischen Schicht (10) angeordnet sind.
5. Volumenakustisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Kathode (12) eine ringförmige Schicht mit Radius R, Dicke d2 und Breite b ist; die Anode (11) eine ringförmige Schicht mit Radius R, Dicke d1 und Breite b ist; und die piezoelektrische Schicht (10) zwischen der Kathode (12) und der Anode (11) angeordnet ist.
6. Volumenakustisches Bauelement (100) nach Anspruch 5 , wobei: die Dicke d1 der Anode (11) gleich der Dicke d2 der Kathode (12) ist; und/oder die Dicke d1 der Anode (11) gleich der Dicke d der piezoelektrischen Schicht (10) ist; und/oder die Dicke d2 der Kathode (12) gleich der Dicke d der piezoelektrischen Schicht (10) ist.
7. Volumenakustisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , wobei die piezoelektrische Schicht (10) aus Aluminium-Nitrid oder Lithiumniobat besteht.
8. Verfahren zum Herstellen eines volumenakustischen Bauelements (100), umfassend die Schritte: Ausbilden einer ringförmigen piezoelektrischen Schicht (10) mit Radius R, Dicke d und Breite b; und Ausbilden einer Elektrodenanordnung auf der piezoelektrischen Schicht (10), wobei die Elektrodenanordnung mindestens einer Kathode (12) und mindestens einer Anode (11) umfasst, wobei: die ringförmige piezoelektrische Schicht (10) mindestens eine Lamb-Wave Mode mit Ausbreitungsrichtung entlang der azimutalen Richtung der ringförmigen piezoelektrische Schicht (10) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein volumenakustisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines volumenakustischen Bauelements. Stand der Technik Volumenakustische Bauelemente („Bulk-Acoustic-Wave“, BAW-Resonatoren) können als Resonatoren in Filtern und Oszillatoren genutzt werden, wobei die Arbeitsfrequenzen durch eine Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht und der Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Material bestimmt werden können. Damit höhere Arbeitsfrequenzen erreicht werden können, kann deren Schichtdicke verringert werden. Es kann sich hierbei jedoch bei geringerer Schichtdicke eine Kapazität des Bauelements erhöhen. Für den Fall, dass die Wellenimpedanz dabei beibehalten werden soll, kann es notwendig sein, gleichzeitig die Bauelementfläche zu verringern, wobei jedoch am Rand des Bauelements akustische Energie verlorengehen kann und mit einer Verkleinerung des Bauelements die Randverluste quadratisch mit der Arbeitsfrequenz ansteigen können. Hierbei kann es wünschenswert sein, eine Eignung volumenakustischer Bauelemente für einen Bereich über 10 GHz zu erhöhen. Beispielsweise in der US 2018/085787 A1 wird ein gattungsgemäßes volumenakustisches Bauelement beschrieben. Industriell gefertigte BAW-Resonatoren finden beispielsweise Anwendung im Bereich der RF-Filter, vor allem im 5G FR1-Frequenzbereich (1 bis 7 GHz). Die Arbeitsfrequenz solcher BAW-Resonatoren wird in erster Linie durch die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht und der Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Material bestimmt. Um höhere Arbeitsfrequenzen (>20 GHz) im sogenannten Millimeter-Wellenlängen (mmW) Bereich zu erreichen, muss die Schichtdicke verringert werden. Es gibt einige konzeptionelle Ansätze, um den mmW Bereich innerhalb der technologischen Möglichkeiten zu erreichen. Dennoch gibt es noch kein gängiges Konzept, welches den Reifegrad für eine industrielle Herstellbarkeit mit entsprechender ökonomischer Sinnhaftigkeit erreicht hat. Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft ein volumenakustisches Bauelement nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines volumenakustischen Bauelements nach Anspruch 8. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche, der Zeichnungen sowie der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Vorteile der Erfindung Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ein volumenakustisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines volumenakustischen Bauelements anzugeben, wobei eine Eignung des volumenakustischen Bauelements zum Betrieb in hohen Frequenzbereichen verbessert werden kann. Bei dem volumenakustischen Bauelement handelt es sich vorzugsweise um einen volumenakustischen Resonator bzw. BAW-Resonator. Durch das genannte volumenakustische Bauelement kann ein alternativer Technologiepfad für die Erschließung höherer Frequenzbereiche erzielt werden und gleichzeitig ein Fertigungsaufwand minimiert werden und eine Kontrollmöglichkeit über die Fertigung verbessert werden, insbesondere durch eine Wahl der Schichtdicken im Schichtstapel als Vielfaches von einer halben Wellenlänge. Das erfindungsgemäße volumenakustisches Bauelement umfasst eine ringförmige piezoelektrische Schicht mit Radius R, Dicke d und Breite b. Indem eine besonders dünne ringförmige piezoelektrische Schicht mit geringer Breite b und geringer Dicke d ausgebildet wird, kann in vorteilhafter Weise eine besonders hohe Frequenz der Resonator-Mode erreicht werden. Beispielhafte Wertebereiche für den Radius R, die Dicke d und die Breite b betragen:b~0,1 bis 10 μmd~10 bis 1.000 nmR~10 bis 1.000 μm Das volumenakustisches Bauelement umfasst eine Elektrodenanordnung mit mindestens einer Kathode und mindestens einer Anode. Kathode und Anode werden immer paarweise bereitgestellt. Die Anzahl der Kathoden-Anoden-Paare wird mit einer natürlichen Zahl N angegeben. Die Elektroden dienen insbesondere zum Anregen der Resonatormoden im volumenakustischen Bauelement. Die Anzahl der Kathoden-Anoden Paare N kann hoch gewählt werden, so dass eine effizienten Flächenausnutzung der erfindungsgemäßen Struktur erreicht werden kann. Hierdurch kann die effektive piezoelektrische Kopplung erhöht werden, die vorteilhaft mit N skaliert. Der Wert von N kann beispielsweise einige 10 bis ca. 100 betragen. Erfindungsgemäß weist die ringförmige piezoelektrische Schicht mindestens eine Lamb-Wave Mode mit Ausbreitungsrichtung entlang der azimutalen Richtung der ringförmigen piezoelektrische Schicht auf. Hierdurch können alle bekannten Vorteile eines Lamb-Wave-Resonators erreicht werden. Die Elektrodenanordnung umfasst vorzugsweise zwei oder mehr Paare bestehend aus einer Kathode und einer Anode. In einer bevorzugten Ausführung können beispielsweise vier Paare von Elektroden auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Die einzelnen Elektroden können beispielsweise eine insbesondere rechteckige Streifenform aufweisen. Besonderes vorzugsweise sind die Elektroden radia