DE102022203971A1 - Volumenakustische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine volumenakustische Vorrichtung umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnetes piezoelektrisches Element, wobei das piezoelektrische Element derart ausgebildet ist, dass ein in die erste Elektrode eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode rückgewandelt wird. Das piezoelektrisches Element umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten befindliche Zwischenschicht. Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten und der Zwischenschicht entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine volumenakustische Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung.
• Stand der Technik
• In der Hochfrequenztechnik finden volumenakustische (englisch: bulk acoustic wave, BAW) Bauelemente Anwendung als Resonatoren in Filtern und Oszillatoren. Die Arbeitsfrequenz der Bauelemente wird in erster Linie durch die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht und durch die Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Material bestimmt. Um höhere Arbeitsfrequenzen zu erreichen, muss die Schichtdicke verringert werden. Die Toleranzen werden dadurch immer wichtiger.
• Mit geringerer Schichtdicke des piezoelektrischen Materials erhöht sich die Kapazität des BAW-Bauelements. Damit die Wellenimpedanz beibehalten werden kann, muss daher gleichzeitig die Bauelementfläche verringert werden. Am Rand des Bauelements geht jedoch akustischen Energie verloren. Bei einer Verkleinerung des Bauelements wachsen die Randverluste quadratisch mit der Arbeitsfrequenz an. Die Technik von herkömmlichen BAW-Bauelementen (BAW) stößt daher bei ca. 10 GHz an ihre Grenzen.
• Aus den Schriften US 2018/085787 A1 und US 2013/193808 A1 ist ein BAW-Bauelement bekannt, bei dem die Kapazität durch Stapeln zweier verschiedener Piezomaterialien mit gegensinniger Polarität auch bei höheren Betriebsfrequenzen niedrig gehalten werden kann, sodass sich die Randverluste verringern und höhere Arbeitsfrequenzen im Millimeterwellenbereich realisierbar werden.
• Die Herstellung heterogener piezoelektrischer Bilagen ist schwer zu beherrschen. Weiter treten aufgrund von Temperatureinflüssen auf die verschiedenen Piezomaterialien bimorphe Effekte auf, was thermisches Driften zur Folge haben kann. Schließlich besitzen die Piezomaterialien verschiedene Piezoeigenschaften, was die Auslegung von verlustarmen Bauelementen erheblich erschwert.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung stellt eine volumenakustische Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
• Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
• Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine volumenakustische Vorrichtung, mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, und einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten piezoelektrischen Element, wobei das piezoelektrische Element derart ausgebildet ist, dass ein in die erste Elektrode eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode rückgewandelt wird. Das piezoelektrische Element umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten bevorzugt desselben Materials mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten befindliche Zwischenschicht. Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten und der Zwischenschicht entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals.
• Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung. Dabei wird ein Substrat bereitgestellt. Weiter werden eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnetes piezoelektrisches Element auf dem Substrat angeordnet, wobei das piezoelektrische Element derart ausgebildet wird, dass ein in die erste Elektrode eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode rückgewandelt wird. Das piezoelektrische Element umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten befindliche Zwischenschicht. Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten und der Zwischenschicht entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals.
• Vorteile der Erfindung
• Die erfindungsgemäße volumenakustische Vorrichtung ermöglicht die Erschließung höherer Frequenzbereiche mit einem hinsichtlich thermischer Drift verbesserten Verhalten. An der ersten Elektrode der volumenelektrischen Vorrichtung kann ein (eintreffendes) Hochfrequenzsignal eingespeist werden. Bei dem Hochfrequenzsignal handelt es sich um eine erste elektromagnetische Welle, welche an der ersten Elektrode von dem piezoelektrischen Element in eine akustische Welle und an der gegenüber liegenden zweiten Elektrode zurück in eine zweite elektromagnetische Welle umgewandelt wird. Bei gegebener elektromagnetischer bzw. akustischer Frequenz ergibt sich die akustische Wellenlänge λ_a über die Schallgeschwindigkeit c_s des jeweiligen Schichtmaterials gemäß folgender Formel: $${\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}={\text{c}}_{\text{s}}\text{/f}\text{.}$$

  
• Insofern die akustischen Schichtdicken d_p der piezoelektrischen Schichten und des Zwischenschichtstapels dabei einem Vielfachen (1x, 3x, ...) einer halben akustische Wellenlänge der umgewandelten elektromagnetischen Welle (d. h. es akustischen Signals) entsprechen, d. h.: $${\text{d}}_{\text{p}}=\left(\text{n}+\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)*{\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}$$

  

  für n = {0, 1, ... t, wird das einlaufende Signal transmittiert und sonst reflektiert. Die volumenakustische Vorrichtung kann somit als volumenakustischer Resonator dienen.
• Gemäß einer Ausführungsform kann eine Vielzahl solcher Resonatoren geeignet in Schaltungen zu sogenannten Leiter- und/oder Gitterkonfigurationen zusammengeschaltet werden. Dadurch lassen sich Filterbauelemente realisieren, die für definierte Frequenzbereiche durchlässig sind, und beispielsweise in der Mobilkommunikation für jedes Frequenzband ausgelegt werden können. Mittels dieser Filter können Signalinterferenzen zwischen Sende- und Empfangskanälen sowohl in den Kommunikationsmodulen der mobilen Endgeräte als auch in den Basisstationen vermieden werden.
• Höhere Frequenzen erfordern geringere Schichtdicken, was beispielsweise zu höheren Anforderungen hinsichtlich der Schichtdickengenauigkeit führt. Herkömmlich müssten die Lateraldimensionen der Resonatoren mit abnehmender Schichtdicke gleichzeitig herunterskaliert werden, um den durch Verringerung der Schichtdicke bedingten Kapazitätsanstieg zu kompensieren und den Zielimpedanzwert von beispielsweise 50Ω beibehalten zu können. Die Verkleinerung hätte jedoch höhere akustische Energieverluste zur Folge, weil damit das Verhältnis von Peripherie zur Fläche der Resonatoren zunimmt.
• Erfindungsgemäß wird daher die Kapazität durch Einfügen mindestens einer zusätzlichen Zwischenschicht und einer weiteren piezoelektrischen Schicht verringert. Das Einfügen der zusätzlichen piezoelektrische Schicht und der zusätzlichen mindestens einen Zwischenschicht entspricht einem Hintereinanderschalten zusätzlicher Serienkapazitäten, welche nun einzeln jeweils größere Werte annehmen dürfen, da sich bei Hintereinanderschaltungen die Kehrwerte der Einzelkapazitäten zur reziproken Gesamtkapazität addieren. Auf diese Weise können die Resonatoren lateral größer dimensioniert werden als dies ohne Zwischenschichten der Fall wäre. Es treten infolgedessen geringere Randverluste auf und die Resonatoren können für höhere Frequenzen ausgelegt und eingesetzt werden.
• Um die Resonanz nicht zu zerstören, wird die akustische Gesamtschichtdicke der Zwischenschicht der akustischen Zielwellenlänge in der Zwischenschicht angepasst. Die akustische Gesamtschichtdicke des piezoelektrischen Elements entspricht somit einem ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) der halben akustischen Wellenlänge. Darunter ist insbesondere auch die halbe akustische Wellenlänge selbst umfasst (d.h. 1x).
• Die mindestens eine weitere an der zweiten Elektrode befindliche piezoelektrische Schicht dient der effizienten Rückwandlung der akustischen in eine elektromagnetische Welle an der zweiten Elektrode.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die volumenakustische Vorrichtung eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, wobei sich zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Schichten eine Zwischenschicht befindet.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung ist die Zwischenschicht durch eine Einzelschicht gebildet. Die akustische Schichtdicke der Einzelschicht entspricht dabei einem ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals, d.h. der Zielwellenlänge.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung besteht die mindestens eine Zwischenschicht aus einer Vielzahl von Teilschichten, wobei die Summe von akustischen Schichtdicken der Teilschichten einem ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals entspricht. Beispielsweise umfasst die Zwischenschicht zwei Teilschichten mit Wellenlängen: $${\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}4+{\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}4={\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}2$$

  

  oder: $${\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}4+5{\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}4=3{\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}2$$

  

  oder: $$\mathrm{3}{\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}4+3{\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}4=3{\mathrm{\lambda }}_{\text{a}}\text{/}2.$$

  
• Hier gibt der erste Summand jeweils die akustische Schichtdicke der ersten Teilschicht und der zweite Summand die akustische Schichtdicke der zweiten Teilschicht an. Das Prinzip kann jedoch in analoger Weise auf mehr als zwei Teilschichten übertragen werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung entsprechen die akustischen Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten und der Zwischenschicht jeweils der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals. Mit anderen Worten beträgt erfindungsgemäß die akustische Gesamtschichtdicke des piezoelektrischen Elements dann 3·λ_a/2. Dadurch tritt eine fundamentale Resonanz (d.h. n = 0, niedrigste Ordnung) in der Zwischenschicht und in den piezoelektrischen Schichten auf. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Fall die höchsten Qualitätsfaktoren auftreten, die Filterkanten besonders steil und die Einfügungsverluste besonders klein werden können.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung umfasst ein Material der Zwischenschicht Dielektrika, wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid oder DLC (diamondlike carbon). Bevorzugte Materialien weisen intrinsisch geringe dielektrische und/oder akustische Dämpfung und einen angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung ist die mindestens eine Zwischenschicht mehrlagig aufgebaut, beispielsweise aus akustischen Bragg-Reflektorschichten mit ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) von λ_a/4-Schichtdicken. Geeignete Materialpaare für Reflektorschichten zeichnen sich durch Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit der Materialien und geringe Materialdämpfung aus. Mögliche Materialien sind, z. B. Ti, Ta oder Cu für niedrige Schallgeschwindigkeiten bzw. Al, Ni, W oder Mo für hohe Schallgeschwindigkeiten.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung sind Kombinationen aus dielektrischen und halbleitenden und/oder metallischen Schichten als Zwischenschicht oder als Zwischenschichten vorgesehen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung können die zuvor beschriebenen verschiedenen Zwischenschichten miteinander in beliebiger Kombination auftreten. Zum Beispiel kann das piezoelektrische Element mehr als zwei piezoelektrische Schichten und mehr als eine Zwischenschicht aufweisen. In diesem Fall kann wenigstens eine der Zwischenschichten aus einer einzelnen Schicht mit einer ungeradzahligen λ_a/2-Schichtdicke und wenigstens eine weitere Zwischenschicht aus mehrlagigen akustischen Bragg-Reflektorschichten mit ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) von λ_a/4-Schichtdicken gebildet werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung können die zuvor beschriebenen Zwischenschichten nicht nur zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet sein, sondern zusätzlich auch zwischen einer und/oder beiden außen liegenden piezoelektrischen Schichten und den Elektroden bzw. den mehrlagigen akustischen Bragg-Reflektorschichten angeordnet werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung umfasst ein Material der piezoelektrischen Schicht AlN oder ScAlN. Dies ist vorteilhaft aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeit, die eine vergleichsweise große Schichtdicke erlaubt. Weitere mögliche Materialien sind beispielsweise ZnO₂, LiNbO₃ oder LiTaO₃.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung sind die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode als akustischer Bragg-Reflektor - wie zuvor bereits für die Zwischenschicht beschrieben - ausgebildet. Dabei kann eine Bragg-Reflektorschicht zwischen Substrat und das piezoelektrische Element eingefügt werden, wodurch ein Verlust von akustischer Energie ins Substrat vermieden werden kann, um Einfügungsverluste (englisch: insertion loss) klein zu halten. Es handelt sich dabei um eine SMR (solidly mounted resonator)-Architektur. Die SMR-Architektur ist wegen der guten Wärmeankopplung ans Substrat vorteilhaft einsetzbar in Anwendungen, bei denen hohe Leistungen verarbeitet werden müssen, z. B. in Basisstationen und im Sendepfad eines Mobilfunkgeräts.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung wird die erste und/oder zweite Elektrode (und somit das piezoelektrische Element) freigestellt. Es handelt sich dabei um eine FBAR (film bulk acoustic resonator)-Architektur. In diesem Fall wird die akustische Welle an der Oberfläche Elektrode-Luft reflektiert, weshalb die FBAR-Architektur geringe Einfügungsverluste aufweist, was für größere Bandbreiten und für den Empfangspfad im Mobilfunkgerät günstig ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die volumenakustische Vorrichtung als hochpräziser Timing-Oszillator, in Filterbauelementen für Frequenzen im GHz-Bereich (insbesondere auch >10GHz) oder als gravimetrischer Resonanz-Sensor einsetzbar. Die volumenakustische Vorrichtung kann insbesondere für Hochfrequenz-Systeme, etwa im Mobilfunkbereich (20GHz-100GHz) oder Radarbereich, eingesetzt werden.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• 2 eine schematische Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
• 3 eine schematische Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
• 4 eine schematische Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
• 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
• Die dargestellten Figuren sind als beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Es sei explizit darauf hingewiesen, dass auch die Kombination verschiedener Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele durchaus im Rahmen dieser Erfindung liegen.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung 100. Die volumenakustische Vorrichtung 100 umfasst ein Substrat 4, auf welchem ein zweiter akustischer Bragg-Reflektor 2a angeordnet ist. Dieser umfasst eine Vielzahl von Teilschichten 21 bis 26 mit abwechselnd hoher und niedriger Schallgeschwindigkeit bzw. akustischer Impedanz. Weiter ist ein erster akustischer Bragg-Reflektor 1a vorgesehen, welcher ähnlich aufgebaut sein kann.
• Der erste Bragg-Reflektor 1a besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material und dient als erste Elektrode und der zweite Bragg-Reflektor 2a besteht ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material und dient als zweite Elektrode.
• Zwischen dem zweiten Bragg-Reflektor 2a und dem ersten Bragg-Reflektor 1a ist ein piezoelektrisches Element 3a angeordnet. Ein über eine erste Zuleitung 6 in den ersten Bragg-Reflektor 1a bzw. die erste Elektrode eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal wird im Betrieb in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element 3 umgewandelt. Das akustische Signal wird wiederum in ein zweites elektromagnetisches Signal in dem zweiten Bragg-Reflektor 2a bzw. der zweiten Elektrode rückgewandelt, welches über eine Durchkontaktierung 9 und eine zweite Zuleitung 5 ausgegeben wird, sofern eine akustische Resonanzbedingung erfüllt wird.
• Das piezoelektrische Element 3a umfasst zwei im Wesentlichen identische piezoelektrische Schichten 31, 33 mit gleichgerichteter Polarität und eine zwischen den zwei piezoelektrischen Schichten 31, 33 befindliche Zwischenschicht 32a. Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten 31, 33 und der Zwischenschicht 32a entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals, d.h. einer vorgegebenen akustischen Wellenlänge (entsprechend einer vorgegebenen Durchlassfrequenz der volumenakustischen Vorrichtung). Bevorzugt passen als fundamentale erste Resonanz des piezoelektrischen Elements 3a jeweils eine halbe akustische Wellenlänge der gewünschten Durchlassfrequenz in die piezoelektrischen Schichten 31, 33 und in die Zwischenschicht 32a (vgl. angedeutete Welle).
• Der erste Bragg-Reflektor 1a, der zweite Bragg-Reflektor 2a, das piezoelektrische Element 3a und die Durchkontaktierung 9 sind von einem Dielektrikum 7 umgeben. Auf den Zuleitungen 5, 6 und dem Dielektrikum 7 befindet sich eine Passivierschicht 8 zum Schutz vor Umwelteinflüssen.
• Beispielsweise kann ein Resonator für eine Resonanzfrequenz von 24GHz im Millimeterwellenfrequenzbereich wie in Tabelle 1 ausgelegt sein. Tabelle 1

  Bezugszeichen	Schicht	Schallgeschwindigkeit cs	Akustische Schichtdicke
  31, 33	Piezoelektrisches AlN	11400 m/s	238 nm (λa/2)
  32a	Zwischenschicht SiC	13006 m/s	271 nm (λa/2)
  21, 23, 25	Bragg-Reflektorschicht Ti	4140 m/s	43 nm (λa/4)
  22, 24, 26	Bragg-Reflektorschicht W	5174 m/s	54 nm (λa/4)

• Es soll hier explizit darauf hingewiesen werden, dass eine zusätzliche Zwischenschicht 32a etwa zwischen äußerer piezoelektrischer Schicht 31 und erstem Bragg-Reflektor 1a und/oder äußerer piezoelektrischer Schicht 33 und zweitem Bragg-Reflektor 2a angeordnet werden kann und dies durchaus im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu sehen ist.
• 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren volumenakustischen Vorrichtung 200. Im Unterschied zur in 1 gezeigten volumenakustischen Vorrichtung 100 umfasst das piezoelektrische Element 3b vier parallel polarisierte piezoelektrische Schichten 31, 33, 35, 37, wobei sich zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Schichten 31, 33, 35, 37 eine Zwischenschicht 32a, 34, 36 befindet.
• 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren volumenakustischen Vorrichtung 300. Im Unterschied zur in 1 gezeigten volumenakustischen Vorrichtung 100 umfasst das piezoelektrische Element 3c eine Zwischenschicht 32b, welche aus zwei λ_a/4-Bragg-Reflektorschichten besteht, wobei λ_a die Zielwellenlänge bezeichnet, welche transmittiert werden soll, welche also einer gewünschten Durchlassfrequenz entspricht.
• Die Dicken der Piezoschichten 31, 33 und der Zwischenschicht 32b sind so gewählt, dass als fundamentale erste Resonanz des Gesamtstapels jeweils eine halbe akustische Wellenlänge der gewünschten Durchlassfrequenz hineinpasst. Die Vorrichtung kann analog wie in 2 dargestellt auch mehr als zwei piezoelektrische Schichten 31, 33 und/oder mehr als eine Zwischenschicht 32b aufweisen.
• Es soll hier explizit darauf hingewiesen werden, dass die in diesem Fall zwei λ_a/4-Bragg-Reflektorschichten eine anderen Materialpaarung als die begrenzenden äußeren Bragg-Reflektorschichten der Bragg-Reflektoren 1a und 2a aufweisen können.
• Des Weiteren soll darauf hingewiesen werden, dass auch Mischformen aus 2 und 3, d. h. Kombinationen aus Zwischenschichten 32a und 32b in einer Vorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
• 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren volumenakustischen Vorrichtung 400. Im Unterschied zur in 1 gezeigten volumenakustischen Vorrichtung 100 sind hier metallische Elektroden 1b, 2b vorgesehen, welche nicht als Bragg-Reflektor ausgestaltet sind. Die zweite Elektrode 2b ist dabei freigestellt, es ist somit eine Kavität 10 ausgebildet worden. Die Dicke der Elektroden 1b, 2b passt zur Wellenlänge der Durchlassfrequenz. Der Einschluss der akustischen Welle durch Reflexion erfolgt in diesem Falle an den Oberflächen der Elektroden (bzw. Passivierung) zur Umgebungsluft.
• Auch hier soll nochmals explizit darauf hingewiesen werden, dass verschiedene Mischformen hinsichtlich der Ausformung von Elektroden (metallischen Elektroden 1b/2b bzw. Bragg-Reflektoren 1a/2a) in einer Vorrichtung miteinander kombiniert werden können und im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
• 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung. Insbesondere kann eine der in den 1 bis 4 gezeigten volumenakustischen Vorrichtungen 100 bis 400 hergestellt werden.
• In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Substrat 4 bereitgestellt, etwa aus Silizium.
• In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden eine erste Elektrode 1a, 1b, eine zweite Elektrode 2a, 2b, und ein zwischen der ersten Elektrode 1a; 1b und der zweiten Elektrode 2a; 2b angeordnetes piezoelektrisches Element 3a; 3b; 3c auf dem Substrat 4 ausgebildet. Hierzu kann zunächst die zweite Elektrode 2a auf dem Substrat 4 ausgebildet werden. Anschließend wird das piezoelektrische Element 3a; 3b; 3c auf der zweiten Elektrode 2a, 2b ausgebildet. Schließlich wird die erste Elektrode 1a, 1b auf dem piezoelektrischen Element 3a; 3b; 3c ausgebildet. Weiter können ein Dielektrikum 7 sowie Zuleitungen 5, 6 und eine Passivierschicht 8 ausgebildet werden.
• Das piezoelektrische Element 3a, 3b, 3c wird derart ausgebildet, dass ein in die erste Elektrode 1a, 1b eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element 3a, 3b, 3c umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode 2a, 2b rückgewandelt wird. Das piezoelektrische Element 3a, 3b, 3c umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten 31, 33 (35, 37) mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten 31, 33, 35, 37 befindliche Zwischenschicht 32a (34, 36, 32b). Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten 31, 33, 35, 37 und der Zwischenschicht 32a, 34, 36; 32b entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen (1x, 3x, ...) einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 2018085787 A1 [0004]
• US 2013193808 A1 [0004]

Claims (10)

1. Volumenakustische Vorrichtung (100; 200; 300; 400), mit einer ersten Elektrode (1a; 1b) und einer zweiten Elektrode (2a; 2b); und einem zwischen der ersten Elektrode (1a; 1b) und der zweiten Elektrode (2a; 2b) angeordneten piezoelektrischen Element (3a; 3b; 3c), wobei das piezoelektrische Element (3a; 3b; 3c) derart ausgebildet ist, dass ein in die erste Elektrode (1a; 1b) eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element (3a; 3b; 3c) umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode (2a; 2b) rückgewandelt wird; wobei das piezoelektrische Element (3a; 3b; 3c) mindestens zwei piezoelektrische Schichten (31, 33, 35, 37) mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) befindliche Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) umfasst; und wobei akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) und der Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals entsprechen.
2. Volumenakustische Vorrichtung (200) nach Anspruch 1, mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37), wobei sich zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) eine Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) befindet.
3. Volumenakustische Vorrichtung (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (32b) aus einer Vielzahl von Teilschichten besteht, und wobei die Summe von akustischen Schichtdicken der Teilschichten einem ungeradzahligen Vielfachen der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals entspricht.
4. Volumenakustische Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die akustischen Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) und der Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) jeweils der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals entsprechen.
5. Volumenakustische Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (1a) und/oder die zweite Elektrode (2a) als akustischer Bragg-Reflektor ausgebildet sind.
6. Volumenakustische Vorrichtung (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (1a; 1b) und/oder zweite Elektrode (2a; 2b) freigestellt sind.
7. Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung (100; 200; 300; 400), mit den Schritten: Bereitstellen (S1) eines Substrats (4); und Ausbilden (S2) einer ersten Elektrode (1a; 1b), einer zweiten Elektrode (2a; 2b), und eines zwischen der ersten Elektrode (1a; 1b) und der zweiten Elektrode (2a; 2b) angeordneten piezoelektrischen Elements (3a; 3b; 3c) auf dem Substrat (4), wobei das piezoelektrische Element (3a; 3b; 3c) derart ausgebildet wird, dass ein in die erste Elektrode (1a; 1b) eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element (3a; 3b; 3c) umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode (2a; 2b) rückgewandelt wird; wobei das piezoelektrische Element (3a; 3b; 3c) mindestens zwei piezoelektrische Schichten (31, 33, 35, 37) mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) befindliche Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) umfasst; und wobei akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) und der Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals entsprechen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) ausgebildet wird, wobei sich zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) eine Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) befindet.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (32b) aus einer Vielzahl von Teilschichten ausgebildet wird, wobei die Summe von akustischen Schichtdicken der Teilschichten einem ungeradzahligen Vielfachen der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals entspricht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die erste Elektrode (1a; 1b) und/oder zweite Elektrode (2a; 2b) freigestellt werden.

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