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Electromagnetic Modelling of Barium Strontium Titanate and Magnesium Borate Bulk Composite Varactors - Tunability and Acoustic Resonances Suppression

Agrawal, Prannoy (2024)
Electromagnetic Modelling of Barium Strontium Titanate and Magnesium Borate Bulk Composite Varactors - Tunability and Acoustic Resonances Suppression.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026971
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Electromagnetic Modelling of Barium Strontium Titanate and Magnesium Borate Bulk Composite Varactors - Tunability and Acoustic Resonances Suppression
Language: English
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf ; Meinert, Prof. Dr. Markus
Date: 9 April 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 2, x, 123 Seiten
Date of oral examination: 2 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026971
Abstract:

Barium strontium titanate (BST) composite ceramic varactors find their application in high-power impedance matching circuits in low-frequency ISM bands, particularly around 13.56 MHz. In this work, the modeling and in-house development of such varactors are presented, with emphasis on capacitance tunability and acoustic resonance behavior. These matching circuits are critical for plasma processes in the semiconductor industry, as they increase integrability and reduce the size of integrated circuits (ICs). Currently, mechanically-tuned varactors dominate implementation in these matching circuits because they are extremely low-loss and exhibit high linearity. However, they suffer from a limited tuning time of more than 1 ms, which opens up the possibility of implementing fast-tunable and comparatively compact tunable ferroelectrics such as pure BST-based varactors. In comparison, these varactors usually have higher losses. Consequently, to match the low-loss standards of mechanically tuned varactors, this work aims for BST-based composite varactors, where a low-loss and linear elastic dielectric such as magnesium borate (MBO) is added to the BST to reduce the material loss. BST losses are composed of two major components: dielectric loss and acoustic resonance loss. While dielectric loss has been extensively studied in the past, acoustic resonances due to electrostrictively induced piezoelectricity are less studied so far. Hence, they are one of the main focuses of modeling in this work. Another aspect of BST composites, tunability, has also been extensively researched, as previous models were either not sufficiently accurate or the tunability deviated significantly from experiments. Therefore, modeling of tunability becomes another focus area. A first distinct model is proposed that accurately and precisely predicts the tunable behavior of the BST composite varactor for arbitrary volume compositions of BST and MBO. Subsequently, the models are validated with the extracted measurements from the in-house electrical and Curie temperature TC characterization setup. The tunability calculated from the electromagnetic simulations show massive differences compared to the measured tunability. As a result, an in-house solution is formulated for incorporating Curie temperature shifts into the model due to the material changes during mixing, which helps to mitigate the massive deviations in tunability. For the 80 vol-% BST varactor, the tunability deviation between simulations and measurements decreases from 32% to about 2%, indicating the importance of integrating Curie temperature shifts. Moreover, in modeling acoustic resonances, a multiphysics approach consisting of RF and structural mechanics domains is implemented to mimic the effects of induced piezoelectricity under the influence of bias electric fields, which is responsible for such resonances. The model confirms the presence of acoustic resonances at the same frequencies as in the measurements. A quasi-complete suppression of acoustic resonances is achieved in the BST composite varactor. A decrease of the equivalent series resistance from about 60 Ω to 10 Ω in the simulations and an increase of the Q-factor Qε from about 5 to 300 at 10 MHz under electric fields of 1.1 kV/mm, showing the crucial advantage of adding MBO to the BST material.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Barium-Strontium-Titanat (BST)-Komposit-Keramikvaraktoren finden ihre Anwendung in Hochleistungsimpedanzanpassungsschaltungen in niederfrequenten ISM Bändern, insbesondere um 13,56 MHz. In dieser Arbeit wird die Modellierung und hausinterne Entwicklung solcher Varaktoren vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf der Kapazitätsabstimmbarkeit und dem akustischen Resonanzverhalten liegt. Diese Abstimmungskreise sind für Plasmaprozesse in der Halbleiterindustrie von entscheiden der Bedeutung, da sie die Integrierbarkeit erhöhen und die Größe integrierter Schaltungen (ICs) verringern. Derzeit werden in diesen Anpassungsschaltungen überwiegend mechanisch abgestimmte Varaktoren eingesetzt, da sie extrem verlustarm sind und eine hohe Linearität aufweisen. Sie leiden jedoch unter einer begrenzten Abstimmzeit von 1 ms, was die Möglichkeit eröffnet, schnell abstimmbare und vergleichsweise kompakte abstimmbare Ferroelektrika wie Varaktoren auf BST-Basis zu implementieren. Im Vergleich dazu haben diese Varaktoren höhere Verluste, und um die verlustarmen Standards von mechanisch abgestimmten Varaktoren zu erreichen, werden BST-basierte Verbundvaraktoren verwendet. In solchen Verbundvaraktoren wird dem BST ein verlustarmes und linear-elastisches Dielektrikum wie Magnesiumborat (MBO) hinzugefügt, um den Materialverlust zu verringern. Die BST-Verluste setzen sich aus zwei Hauptkomponenten zusammen: dielektrische Verluste und akustische Resonanzverluste. Während der dielektrische Verlust in der Vergangenheit ausgiebig untersucht wurde, sind akustische Resonanzen, die auf elektrostriktiv induzierte Piezoelektrizität zurückzuführen sind, noch weniger untersucht. Sie sind einer der Hauptschwerpunkte der Modellierung in dieser Arbeit. Ein weiterer Aspekt von BST-Verbundwerkstoffen, die Durchstimmbarkeit, wurde ebenfalls umfassend erforscht, da frühere Modelle entweder nicht genau genug waren oder die Durchstimmbarkeit erheblich von Experimenten abwich. Daher wird die Modellierung der Abstimmbarkeit zu einem weiteren Schwerpunktbereich. Es wird ein erstes eindeutiges Modell vorgeschlagen, das das abstimmbare Verhalten des BST-Verbundvaraktors für beliebige Volumenzusammensetzungen von BST und MBO genau und präzise vorhersagt. Die aus den elektromagnetischen Simulationen berechnete Abstimmbarkeit zeigt massive Unterschiede im Vergleich zur gemessenen Abstimmbarkeit. In-folgedessen wird eine hausinterne Lösung entwickelt, um Verschiebungen der Curie-Temperatur TC in das Modell einzubeziehen, die auf die Materialveränderungen während des Mischens zurückzuführen sind, was dazu beiträgt, die massiven Abweichungen in der Abstimmbarkeit zu mildern. Für den 80 Vol-% BST-Varaktor sinkt die Abweichung der Abstimmbarkeit zwischen Simulationen und Messungen von 32% auf etwa 2%, was auf die Bedeutung der Integration von TC Verschiebungen hinweist. Darüber hinaus wird bei der Modellierung akustischer Resonanzen ein multiphysikalischer Ansatz, bestehend aus HF- und strukturmechanischen Domänen, implementiert, um die Auswirkungen der induzierten Piezoelektrizität unter dem Einfluss elektrischer Vorspannungsfelder nachzuahmen, die für solche Resonanzen verantwortlich sind. Das Modell bestätigt das Vorhandensein von akustischen Resonanzen bei denselben Frequenzen wie bei den Messungen. Die akustischen Resonanzen werden im BST-Verbundvaraktor nahezu vollständig unterdrückt. Ein Rückgang des äquivalenten Serienwiderstands von etwa 60 Ω auf 10 Ω in den Simulationen und ein Anstieg des Q-Faktors Qε von etwa 5 auf 300 bei 10 MHz unter elektrischen Feldern von 1,1 kV/mm zeigen den entscheidenden Vorteil des Zusatzes von MBO zum BST-Material.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-269712
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 621.3 Electrical engineering, electronics
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics (IMP) > Microwave Engineering
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics (IMP)
Date Deposited: 09 Apr 2024 11:32
Last Modified: 10 Apr 2024 05:57
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26971
PPN: 51700786X
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