Thermoakustischer Phasenmodulator basierend auf Y36-geschnittenem LiNbO3-Dünnfilm

Xuankai Xu¹, Yushuai Liu1,2,3, Lihui Jin¹, Peng Wu, Yitao Liao und Tao Wu1,2,3,4

E-Mail: xuxk2022@shanghaitech.edu.cn; wutao@shanghaitech.edu.cn

¹School of Information Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai, China

²Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shanghai, China

³Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, China

⁴Shanghai Engineering Research Center of Energy Efficient and Custom AI IC, Shanghai, China

⁵Xuzhou Liyu Advanced Technology Co. Ltd., Xuzhou, Jiangsu, China

Veröffentlicht in: 2024 IEEE Ultraschall-, Ferroelektrika- und Frequenzkontroll-Gemeinschaftssymposium (UFFC-JS)

DOI: 1 0.1109/UFFC-JS60046.2024.10793939

Online veröffentlicht: 18. Dezember 2024

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Abstrakt

Akustische Mikrowellenkomponenten weisen höhere Qualitätsfaktoren und weniger Übersprechen auf als elektromagnetische Komponenten. Eine effiziente Modulation akustischer Geräte ist für den Aufbau groß angelegter multifunktionaler akustischer Schaltkreise unerlässlich. Hier demonstrieren wir einen thermoakustischen Phasenmodulator, der auf einer Y36-geschnittenen LiNbO₃ (LN)-Dünnschichtplattform basiert. Die vorgeschlagene Struktur integriert eine akustische Verzögerungsleitung im 460-MHz-SH₀-Modus und eine On-Chip-Mikroheizung zur lokalen Änderung der Temperatur und damit zur Steuerung der Phase des ADL. Mit diesem Ansatz erreichen wir eine Phasenänderung von mehr als 281° bei einer Heizleistung von 20 mW und eine Modulationsfähigkeit von 17 °/mW im linearen Modulationsbereich, was einer 6,5-fachen Verbesserung gegenüber zuvor berichteten Bulk-LN-Plattformen entspricht. Unsere thermoakustischen Modulatoren ermöglichen eine rekonfigurierbare akustische Signalverarbeitung für drahtlose Kommunikations- und Mikrowellensysteme der nächsten Generation.

Schlüsselwörter: Thermoakustischer Phasenmodulator, akustische Verzögerungsleitung im SH₀-Modus, dünner LiNbO₃-Film

I. EINFÜHRUNG

Mikrowellenakustische Geräte werden in fortschrittlichen Kommunikationssystemen und in der innovativen Mikrowellensignalverarbeitungsforschung immer wichtiger [1]-[12]. Dieses wachsende Interesse ist auf die deutlich geringere Geschwindigkeit akustischer Wellen im Vergleich zu elektromagnetischen Wellen gleicher Frequenz zurückzuführen, mit einem Geschwindigkeitsunterschied von fünf Größenordnungen. Folglich weisen akustische Mikrowellengeräte viel kleinere Wellenlängen auf als ihre elektromagnetischen Gegenstücke. Diese Geräte haben erfolgreich Betriebsfrequenzen im Dutzend-Gigahertz-Bereich erreicht [13], [14], was sie zu einer vielversprechenden Plattform für die fortschrittliche Mikrowellensignalverarbeitung in der drahtlosen Kommunikation der nächsten Generation macht. Die steigende Nachfrage nach anspruchsvollen Kommunikations- und Signalverarbeitungslösungen hat ein erhebliches Interesse an abstimmbaren akustischen Mikrowellengeräten geweckt, insbesondere für die On-Chip-Akustikwellenmodulation [15]–[19].

Obwohl elektroakustische (EA) Modulationstechniken untersucht wurden, erfordern sie im Allgemeinen sehr hohe Spannungen, um signifikante Phasenverschiebungen zu erzeugen [15], [16]. Alternativ bietet die thermoakustische (TA) Modulation eine vielversprechende Alternative, indem sie die notwendige Antriebsspannung deutlich reduziert. Aktuelle thermoakustische Phasenmodulatoren, die auf Oberflächenwellenplattformen (SAW) basieren, stoßen jedoch auf Herausforderungen wie begrenzte Betriebsfrequenz, geringe Modulationseffizienz und langsame Reaktionszeiten [17]. Hängende akustische Dünnschichtgeräte haben sich aufgrund ihres geringeren akustischen Verlusts und der verbesserten elektromechanischen Kopplung als vielversprechende Lösung erwiesen [20]–[23]. Darüber hinaus bieten hängende Dünnschicht-Wärmegeräte eine hervorragende Wärmeisolierung und eine geringe Wärmekapazität, was zu einem geringeren Stromverbrauch und schnelleren Reaktionszeiten führt [24]–[27].

In dieser Studie stellen wir einen thermoakustischen Phasenmodulator vor, der auf einer Y36-geschnittenen LiNbO₃ (LN)-Dünnschichtplattform basiert. Unser Design umfasst eine akustische Verzögerungsleitung (ADL) im 460-MHz-SH₀-Modus und eine On-Chip-Mikroheizung, die eine präzise Temperatursteuerung und Phasenanpassung der ADL ermöglicht. Diese Methode erreicht eine Phasenänderung von über 281° bei einer Heizleistung von 20 mW mit einer Modulationsfähigkeit von 17 °/mW im linearen Modulationsbereich, was eine 6,5-fache Verbesserung gegenüber zuvor berichteten Massen-LN-Plattformen darstellt. Unsere thermoakustischen Modulatoren bieten eine vielseitige Lösung für die rekonfigurierbare akustische Signalverarbeitung in drahtlosen Kommunikations- und Mikrowellensystemen der nächsten Generation.

II. DESIGN UND ANALYSE

A. Design eines thermoakustischen Phasenmodulators

Das schematische Diagramm eines Phasenmodulators, der Y36-geschnittenes Dünnschicht-LN verwendet, ist in Abb. 1 dargestellt. Diese Modulatorkonfiguration umfasst zwei einphasige unidirektionale Wandler (SPUDTs), die als Zwei-Port-Gerät fungieren, mit einer zentral positionierten Mikroheizung. Der Modulationsmechanismus beinhaltet die Aktivierung der Mikroheizung innerhalb des Modulationsbereichs, was eine lokale Erwärmung induziert. Diese thermische Störung führt zu einer Verringerung der elastischen Konstanten sowohl des LN-Substrats als auch des Aluminium (Al)-Mikroheizers, was anschließend zu einer Verringerung der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Geräts führt. Dadurch verkürzt sich die akustische Wellenlänge im Vergleich zu ihrem unmodulierten Zustand, wodurch nach der Modulation eine Phasenverschiebung induziert wird.

Abb. 1. Schema des thermoakustischen Phasenmodulators. Das HF-Signal wird über einen einphasigen unidirektionalen Wandler (SPUDT) in eine akustische Welle umgewandelt und über eine Heizung moduliert. Wenn die Heizung eingeschaltet wird, nimmt die elastische Konstante ab, wodurch die Schallgeschwindigkeit abnimmt, was zu einer kürzeren Wellenlänge im Modulationsbereich und schließlich zu einer Phasenverzögerung führt.

B. Analyse akustischer Moden

Die effiziente Übertragung akustischer Wellen bildet die Grundlage unseres Phasenmodulators. Eine große piezoelektrische Konstante verbessert die effektive Übertragung akustischer Wellen. Der Y36-geschnittene LN-Dünnfilm wird aufgrund seiner beträchtlichen piezoelektrischen Konstante e₁₆ entlang der x-Ausbreitungsrichtung ausgewählt. Um den effektivsten akustischen Modus zu identifizieren, wird die Dispersionskurve von Y36-geschnittenem LN simuliert. Abb. 2(a) zeigt die Ergebnisse von Simulationen der Finite-Elemente-Analyse (FEA) und veranschaulicht die Dispersionseigenschaften eines 750 nm dicken Y36-geschnittenen LN-Dünnfilms. Abb. 2(b) zeigt die berechneten Werte des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (k²) und die Modenformen der Grundmoden und zeigt, dass der SH₀-Modus unter den Grundmoden eine überlegene Anregungseffizienz aufweist.

Abb. 2. FEA-Simulation eines Y36-geschnittenen LN-Dünnfilms. (a) FEA-simulierte Dispersionskurve eines 750 nm Y36-geschnittenen LN-Dünnfilms; (b) Der berechnete elektromechanische Kopplungskoeffizient (k²), der SH₀-Modus besitzt den höchsten k² unter allen Grundmoden, die effektiv angeregt werden können.

C. Modulationssimulation

Um die Phasenmodulationsfähigkeit zu bewerten, haben wir die Phasengeschwindigkeiten einer 100-nm-Al- und einer 750-nm-LN-Stapelschicht bei verschiedenen Heiztemperaturen simuliert. Die in der Simulation verwendeten Materialeigenschaften sind in Tabelle I [28] aufgeführt. Wie in Abb. 3(a) dargestellt, nehmen die Schallgeschwindigkeiten mit zunehmender Temperatur ab, mit einer Bewertungsrate von 0,34 km/(s·K). Die erforderliche Modulationslänge bei einer Heiztemperatur von 100 K für eine Phasenverschiebung von 180 ° ist in Abb. 3 (b) dargestellt. Höhere Frequenzen erfordern aufgrund höherer Phasengeschwindigkeiten und kürzerer Wellenlängen kürzere Modulationslängen, was zu größeren kumulativen Phasenänderungen führt. Abb. 3(c) zeigt die Entwurfsparameter und elektrischen Konfigurationen des SPUDT-Aufbaus. Die Breite einer Elementarzelle beträgt λ, wobei die Breite der angeregten Elektroden und der reflektierenden Masse 1/8 λ bzw. 3/8 λ beträgt. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt 1/8 λ. Abb. 3(d) zeigt den simulierten S₂₁ der akustischen Verzögerungsleitung mit einer Wellenlänge von 8 µm (λ) und 10 Zellen (Ncell). 10.]

Abb. 3. Simulationsanalyse der thermischen Modulationsleistung und Übertragungsleistung der SPUDT-Verzögerungsleitung. (a) Phasengeschwindigkeiten einer 100-nm-Al- und einer 750-nm-LN-Stapelschicht bei unterschiedlichen Heiztemperaturen. (b) Die erforderliche Modulationslänge bei einer Heiztemperatur von 100 K für eine Phasenverschiebung von 180°. (c) Schematische Darstellung der SPUDT-Designparameter und der elektrischen Konfiguration. (d) Die simulierte Leistung einer akustischen SPUDT-Verzögerungsleitung mit λ von 8 µm und Ncell von 10.

TABELLE I. IN DER SIMULATION VERWENDETE MATERIALEIGENSCHAFTEN.

Abb. 4. Das optische Foto des hergestellten thermoakustischen Modulators und schematische Darstellung des Testaufbaus. Die HF-Übertragungscharakteristik wird über einen Vektornetzwerkanalysator (VNA) gemessen, die Leistung der Heizung wird von einem Quellenmessgerät bereitgestellt.

III. EXPERIMENTERGEBNIS

A. Gerät und Versuchsaufbau

Der Herstellungsprozess begann mit einem 750 nm Y36-geschnittenen LN auf einem Siliziumwafer. Zunächst werden die Freisetzungsgrenzen des Geräts mit dem Fotolack AZ5214 definiert, dann wurden die freigelegten Bereiche durch Ionenstrahlätzen (IBE) mit einer Vorspannung von 300 V geätzt. In einem zweiten Lithographieschritt werden Elektroden definiert und eine 100 nm dicke Al-Schicht aufgesputtert, gefolgt von einem Lift-off-Prozess. Schließlich wurde das Silizium unter dem Gerät über XeF₂ freigesetzt, wodurch eine schwebende LN-Plattform entstand. Das optische Bild des hergestellten thermoakustischen Phasenmodulators und der Versuchsaufbau sind in Abb. 4 dargestellt. Die S-Parameter der Geräte wurden mit einem Vektornetzwerkanalysator (Keysight N5234B) gemessen, der mit zwei Ports ausgestattet ist, die mit RF-Sonden mit Masse-Signal-Masse (GSG) verbunden sind. Zur Beurteilung der DC-Vorspannungsphasensteuerung wurde ein DC-Quellenmessgerät (Keysight B2901A) zur Bereitstellung der DC-Spannung verwendet. In diesem Aufbau wird ein HF-Signal durch einen SPUDT an Port1 in eine horizontale Scherwelle umgewandelt. Diese akustische Welle breitet sich dann durch den Modulationsbereich aus und wird von einem weiteren SPUDT an Port2 empfangen, wo sie zur Auswertung der Phasenänderung wieder in ein HF-Signal umgewandelt wird. Die Designparameter des hergestellten Geräts sind in Tabelle II aufgeführt. Die Ausbreitungslänge (LPropagation) und die Modulationslänge (LModulation) sind auf 400 µm bzw. 200 µm ausgelegt. Die Wellenlänge (λ) ist auf 8 µm ausgelegt und zielt auf einen Betrieb bei einer Frequenz von etwa 460 MHz ab. Die Anzahl der Zellen (Ncell) ist auf 10 eingestellt, um eine effektive Übertragung der akustischen Welle zu gewährleisten.

TABELLE II. DESIGNPARAMETER

Abb. 5. (a) Die gemessenen S21-Parameter bei unterschiedlicher Eingangsleistung des Heizgeräts. (b) Die unverpackten Phasenwinkel. (c) Die Phasenwinkelverzögerung im Vergleich zum unmodulierten Phasenwinkel.

B. DC-Phasenmodulation

Die gemessenen S21-Parameter bei verschiedenen Heizleistungen sind in Abb. 5 (a) dargestellt. Die Testergebnisse zeigen trotz Änderungen der Modulationsleistung einen stabilen Frequenzgang, was darauf hindeutet, dass die thermische Energie effektiv um den Modulationsbereich herum lokalisiert ist und nur minimale Auswirkungen auf den SPUDT-Bereich hat. Abb. 5(b) zeigt die unverpackten Phasenwinkel und die Phasenwinkelverzögerung im Vergleich zum unmodulierten Phasenwinkel und veranschaulicht die akustische Phasenverschiebung mit zunehmender Modulationsleistung. Diese Verschiebung weist darauf hin, dass die Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle mit steigender Modulationstemperatur abnimmt. Abb. 5(c) zeigt die modulierten Phasen relativ zur unmodulierten Phase über die Arbeitsfrequenzen. Bemerkenswert ist die Stabilität der modulierten Phase über diese Frequenzen hinweg, da sie darauf hindeutet, dass der Modulator über einen Frequenzbereich hinweg konsistent arbeiten kann. Bemerkenswert ist, dass bei einer Modulationsleistung von 20 mW, was einer Heizspannung von 1 V entspricht, der Modulationsphasenwinkel 281° erreicht. Der thermoakustische Dünnschicht-LN-Modulator weist eine signifikante Modulationsfähigkeit von 17 °/mW auf, was eine 6,5-fache Verbesserung im Vergleich zu zuvor berichteten Bulk-LN-Plattformen darstellt. Die Verbesserung der Modulationsfähigkeit wird auf die einzigartigen Eigenschaften der schwebenden Dünnschichtstruktur zurückgeführt. Das Dünnschichtdesign bietet eine hervorragende Wärmeisolierung, die die Ableitung von Wärmeenergie an umliegende Bereiche minimiert, und eine geringe Wärmekapazität, die schnelle und effiziente Temperaturänderungen bei minimalem Leistungsaufwand ermöglicht. Diese Eigenschaften führen zu einem deutlich reduzierten Stromverbrauch und einer erhöhten Modulationsfähigkeit, was den thermoakustischen Dünnschicht-LN-Modulator zu einer attraktiven Option für hocheffiziente Modulationsanwendungen mit geringem Stromverbrauch in fortschrittlichen HF- und Schallwellengeräten macht.

IV. ABSCHLUSS

In dieser Studie demonstrieren wir einen thermoakustischen Phasenmodulator, der auf einer Y36-geschnittenen LN-Dünnschichtplattform basiert. Die vorgeschlagene Struktur integriert eine akustische Verzögerungsleitung im 460-MHz-SH₀-Modus und eine On-Chip-Mikroheizung zur lokalisierten Temperaturmodulation. Durch die Nutzung der bedeutenden piezoelektrischen Eigenschaften von Y36-geschnittenem LN und der lokalen Erwärmung durch den integrierten Mikroheizer weist unser Gerät verbesserte Phasenmodulationsfähigkeiten auf. Bei einer Heizleistung von 20 mW und einer Modulationsfähigkeit von 17 °/mW erreichen wir eine Phasenänderung von über 281°. Diese Leistung stellt eine 6,5-fache Verbesserung gegenüber zuvor gemeldeten Bulk-LN-Plattformen dar. Unsere thermoakustischen Modulatoren ebnen den Weg für eine rekonfigurierbare akustische Signalverarbeitung in drahtlosen Kommunikations- und Mikrowellensystemen der nächsten Generation.

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