CN100554903C - 带有运动板的薄膜体声波谐振器 - Google Patents

带有运动板的薄膜体声波谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于测量目标环境变量(TEV)的装置和方法，其采用带有运动板的薄膜体声波谐振器。该薄膜体声波谐振器(FBAR)包括形成在FBAR晶片中的具有一个表面的声学反射器。第一电极形成在声学反射器的表面上并具有一个表面。压电层形成在第一电极的表面上并具有一个表面。第二电极形成在压电层的表面上。运动板被悬挂在相对于第二电极的表面预定距离的空中，并电容耦合到FBAR。

Description

带有运动板的薄膜体声波谐振器
技术领域
本发明涉及带有运动板的薄膜体声波谐振器。
背景技术
电容压力传感器在本领域中是公知的。典型的压力传感器包括一个固定的元件，该固定元件具有形成基本平行的平板电容器的一个极板的刚性平面导电表面。可移位(相对于固定元件)导电构件(例如金属膜片)或者镀膜非导电构件(例如金属化陶瓷膜片)形成该电容器的另一个极板。
膜片沿边缘得到支撑，以使中央部分基本平行于固定极板，并且与该固定极板相对。因为传感器一般具有平板电容器的形式，所以该传感器的特征电容C可由下述公式近似：C＝(ε*A)/d，其中ε是平行极板之间的材料的介电常数，A是平行极板的表面积，d表示极板之间的间隔。注意，该特征电容与膜片中央部分和固定元件的导电表面之间的间隔成反比。为了允许在膜片两侧形成压力差，膜片一侧的区域通常与相对侧的区域密封开。
膜片的弹性被选择为使膜片两侧在感兴趣的特定范围内的压力差导致该膜片的中央部分产生位移。这些压力差所引起的位移导致两个电容器极板之间的间隔d产生相应的变化，从而使传感器电容器产生电容变化。为了得到相对较高的灵敏度，这种传感器要求响应于相对较小的间隔改变而产生较大的电容改变。
在一种现有方法中，由固定导电表面和膜片形成的传感器电容器通过导体被电耦合到振荡器电路。振荡器电路一般包括电感器，该电感器与传感器电容器一起形成储能电路。该LC储能电路向振荡器电路提供参考频率；振荡器电路的输出频率是储能电路的谐振频率的直接函数。储能电路的谐振频率又是电感器的电感L和传感器电容器的电容C的直接函数。本领域的技术人员都知道，简单LC储能电路的谐振频率(ω0)由下述公式给出：
ω 0 = 1 LC .
只要电感器和电容器的值都保持固定，则振荡器电路的输出频率保持恒定。但是，由于传感器电容器的电容作为施加到膜片的压力的函数而变，所以振荡器电路的输出频率也作为所施加的压力的直接函数而变。这种配置所产生的信号的频率表示出施加到远程传感器的压力。
利用这种配置的电容压力传感器的一个缺点是振荡器电路工作的谐振频率较低。利用这种配置的电容压力传感器的另一个缺点是传感器电容器和振荡器电路的制造通常很复杂。
现有电容压力传感器的又一个缺点是所得到的传感器电容器和振荡电路常常体积庞大，空间利用率低。因此，这些现有电容压力传感器不能满足便携式应用或其他紧凑应用苛刻的尺寸和空间要求。
基于前述原因，需要克服了上述缺点的装置和方法，用于检测目标环境变量(TEV)。
发明内容
根据本发明的一个实施例，描述了用于测量目标环境变量(TEV)的装置和方法，其采用带有运动板的薄膜体声波谐振器。薄膜体声波谐振器(FBAR)包括形成在FBAR晶片中的具有一个表面的声学反射器。第一电极形成在该声学反射器的表面上并具有一个表面。压电层形成在该第一电极的表面上并具有一个表面。第二电极形成在该压电层的表面上。运动板悬挂在相对第二电极的表面预定距离的空中，并被电容地耦合到FBAR。
附图说明
在附图的图形中，以示例方式而非限制方式示出了本发明，附图中的相同标号指代相似元件。
图1示出了根据本发明一个实施例的目标环境变量(TEV)测量装置100，该装置利用了带有运动板的FBAR。
图2示出了根据本发明另一实施例的目标环境变量(TEV)测量装置100，该装置利用了带有相关固定板的第一FBAR和带有运动板的第二FBAR。
图3示出了根据本发明一个实施例的用于沿着第一轴检测加速度的加速计应用的运动板的仰视图。
图4示出了根据本发明一个实施例的用于沿着第二轴检测加速度的加速计应用的运动板的仰视图。
图5示出了根据本发明一个实施例的用于压力感知应用的运动板和支架的仰视图。
图6的流程图根据本发明一个实施例示出了用于通过利用至少一个FBAR和运动板来检测环境变量的方法。
图7是阻抗与频率关系图，该图根据本发明一个实施例，示出了两个波形以及运动板对FBAR的谐振频率的影响。
图8根据本发明一个实施例更详细示出了图7的波形的一部分。
图9示出了根据本发明一个实施例的带有运动板的FBAR的第一电路表示。
图10示出了根据本发明另一实施例的带有运动板的FBAR的第二电路表示。
具体实施方式
下面将描述带有运动板的薄膜体声波谐振器(FBAR)。在下面的描述中，出于解释目的，阐述了大量具体细节以提供对本发明的全面理解。但是，本领域的技术人员将清楚，可以在没有这些特定细节的情况下实现本发明。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和器件，以免不必要地混淆了本发明。
目标环境变量(TEV)检测装置100
图1示出了根据本发明一个实施例的目标环境变量(TEV)检测装置100，该装置利用了带有运动板130的薄膜体声波谐振器(FBAR)114。该TEV检测装置100感知、检测或测量至少一个目标环境变量(TEV)102，该目标环境变量102例如可以是压力、加速度、声音或振动。
TEV检测装置100包括形成在FBAR晶片110上的薄膜体声波谐振器(FBAR)结构114(在下文中也被称为“FBAR”或“谐振器”)。FBAR晶片110可以是其中形成有气隙112(这里也被称为“游泳池”或“空腔”)的衬底。在一个实施例中，FBAR 114被形成在FBAR晶片110上的气隙112上方。
注意，气隙112用于在声学上使FBAR 114与下层的FBAR晶片110相隔离。还要注意，FBAR 114和FBAR晶片110之间的声学隔离可以利用其他技术来实现。例如，不像图1所示那样将FBAR114置于空腔或气隙112上方，而是可以通过在FBAR 114下面制作声学反射器(例如Bragg声学反射器)来实现FBAR 114和FBAR晶片110之间的隔离。例如，声学反射器可以包括由固体刚性材料制成的层。在一个实施例中，利用交替的高声速层和低声速层来实现Bragg声学反射器。在一个实施例中，Bragg声学反射器包括六对交替的高声速层和低声速层。
FBAR谐振器114包括第一电极116(这里也被称为“底电极”)、压电层118和第二电极120(这里也被称为“顶电极”)。
FBAR 114通过使用本领域普通技术人员所公知的制造工艺而形成在FBAR晶片110上。例如，Ruby等人(2000)的题为“SBAR structuresand method of fabrication of SBAR/FBAR film processing techniques for themanufacturing of SBAR/FBAR filters”的美国专利No.6,060,818和Ruby等人(2000)的题为“Methods of making tunable thin film acousticresonators”的美国专利No.5,873,153都描述了制作或制造FBAR的示例性方法。
一般而言，每个FBAR包括两个导体层(例如两个金属层)，这两个导体层之间夹着一个压电(PZ)层，该压电层例如可以利用氮化铝(AlN)制造。
TEV检测装置100还包括运动板130(这里也被称为“运动的板”)。在一个实施例中，运动板相对于FBAR114而被放置或定位，以便在FBAR114和运动板130之间实现电容耦合。例如，运动板130可以被悬挂在FBAR114上方基本平行于FBAR114平面的平面中。
在一个实施例中，运动板130可以利用一个或多个锚定或耦合到FBAR晶片110的第一支架134而被悬挂于FBAR114上方。可替换地，运动板130可以利用一个或多个锚定或耦合到第二晶片140的第二支架132而被悬挂于FBAR 114上方。注意，锚定或耦合到第一晶片110的支架和锚定或耦合到第二晶片140的支架的组合可以被用于悬挂运动板130。差别在于运动板130可以仅仅耦合或附接于第一晶片110，第二晶片140，或被耦合或附接于第一晶片110和第二晶片140两者。
注意，运动板130可以由以下材料制成：包括但不限于导电硅材料、多晶硅、钼、金、铝以及半导体制作和制造领域的普通技术人员公知的其他导电材料。
例如，运动板130可以由与适合用作电极116、120的同种类型材料制成。支架132、134可以由以下材料制成：包括但不限于二氧化硅、氮化硅、钨、导电性材料或半导体制作和制造领域的普通技术人员所公知的其他材料。
在一个实施例中，运动板130和支架132、134由不同材料制成。例如，用于运动板130的支架132、134可以由比用作运动板130的材料硬得多的材料制成。在另一实施例中，运动板130和支架132、134由相同材料制成。在此情况下，运动板130的某些部分被去掉或切除，以形成允许运动板130相对于支架伸缩或弯曲的较薄区域或柔性部分。
运动板130的厚度131可以在大约0.1微米到大约100微米的范围内，并且运动板130和第二电极120之间的距离138可以在大约0.1微米到大约5微米的范围内。注意，用于制成运动板130和支架132、134的材料可以相同或不同。
还要注意，运动板130可以如图所示那样被置于FBAR 114的上方(例如完全重叠)，也可以被放置为使得运动板130的一部分与FBAR114重叠，或者以运动板130与FBAR 114没有重叠这样的方式被放置。例如，FBAR和运动板可以被配置为使运动板130和FBAR 114之间存在部分重叠，只要运动板130和FBAR 114之间存在电容耦合或电耦合即可。
当运动板130和FBAR 114之间没有重叠，并且运动板130和FBAR114之间由于彼此之间的距离而无法实现电容耦合时，运动板可以相对于代表FBAR的顶电极的信号的导电区域(例如导电盘)而被放置。例如，运动板130可以相对于被电耦合到顶电极的上表面的导电盘而被放置。以这种方式，即使FBAR和运动板在物理上被设置为彼此分离，也可以保持运动板和FBAR之间的电容或电容耦合。
FBAR 114具有谐振频率。运动板130和FBAR 114之间的电容(例如C_EXT)致使谐振频率改变或偏离初始值(例如运动板位移前的值)。当运动板130发生位移时，运动板130和FBAR 114之间的电容(例如C_EXT)改变，从而致使FBAR谐振器114的谐振频率改变或变化。运动板130的物理位移或运动可以沿着基本在运动板130平面内的轴(例如x轴164)，沿着在基本垂直或基本正交于运动板130平面的平面内的轴(例如z轴162)，或者对于陀螺仪(gyroscope)应用围绕一个轴(例如x轴164)旋转。例如，图3(在下文中将更详细描述)所示运动板的运动是沿着基本在运动板130平面内的轴(例如图1中的轴164和图3中的轴302)。图4和5(在下文中将更详细描述)所示运动板的运动是沿着在基本垂直或基本正交于运动板130平面的平面内的轴(例如沿着图1中的轴162)。
继续参考图1，注意，当驱动FBAR 114时，施加的用于驱动FBAR114的驱动功率应该足够低，以使运动板130不会由于位移而脱离FBAR114和运动板130之间的静电引力。
运动板130例如可以是检测质量(proof mass)或悬浮质量(suspended mass)。检测质量例如可以被电容耦合到FBAR 114，并通过该电容耦合而变更或改变谐振器114的谐振属性。这些谐振属性可以包括，但不局限于，谐振器114的谐振频率或品质因子(Q)。注意，运动板130(例如悬浮质量)可以被置于FBAR 114的下方或上方。
在一个实施例中，装置100包括第二晶片140(这里也被称为“封装晶片”、“封顶晶片”或“微型盖(microcap)”)，该第二晶片140用于在制成FBAR谐振器114之后封装FBAR 114。焊材150(例如Au)可以被用于结合FBAR晶片110和封装晶片140。一个或多个隔离装置160也可以被用于保持FBAR晶片110和和封装晶片140之间的固定分隔距离。封装晶片(也被称为微型盖)的制造和使用是本领域普通技术人员公知的。例如，Ruby等人(2001)的题为“Microcap wafer-level package”的美国专利No.6,265,246、Ruby等人(2002)的也题为“Microcap wafer-level package”的美国专利No.6,228,675以及Ruby等人(2001)的题为“Microcap wafer-level package with vias”的美国专利No.6,376,280都描述了制造微型盖晶片级封装的示例性方法。
在图1所示实施例中，运动板130被悬挂在第二晶片140(这里也被称为“封装晶片”、“封顶晶片”或“微型盖”)下面，该第二晶片140被用于在制成FBAR谐振器114之后封装FBAR114。
在一个实施例中，底电极116和运动板130都被耦合到第一电势170(例如地电势)。顶电极120被耦合到电极(例如导电盘)172以接收输入信号174(例如I_in)。图9示出了具有这些电气连接的带有运动板的FBAR的第一电路表示。在替换实施例中，底电极116被耦合到第一电势(例如地电势)，而顶电极120悬空。运动板130被耦合到电极(例如导电盘)以接收输入信号(例如I_in)。图10示出了具有这些电气连接的带有运动板的FBAR的第二电路表示。
在此实施例中，运动板130可以与FBAR114分开制造。以这种方式，运动板可以被设计和制造用于提供如下位移，该位移被设置用于检测目标环境变量(TEV)(例如加速度、压力和振动)的期望改变。
在替换实施例中，封装晶片被制造、生产或配置为包括支架部分、柔性部分和运动板部分。由于封装晶片的一部分(即运动板部分)充当运动板，因此在此实施例中不需要单独的运动板。例如，封装晶片中充当运动板的部分这里被称为运动板部分。例如，封装晶片的运动板部分可以相对于FBAR变形或移动。
封装晶片的柔性部分充当弯曲部件(在下文中也被称为柔性部分)，该部件是柔性的，以允许运动板部分相对于封装晶片的支架部分移动。封装晶片中充当运动板的运动板部分的厚度可以在大约0.1微米到大约100微米的范围内。在下文中将参考图5更详细描述的一种或多种技术(压力感知应用)，这些技术可以被用于构造封装晶片的支架部分、柔性部分和运动板部分，并使微型盖晶片的运动板部分充当运动板。
在图1所示实施例中，由运动板130和微型盖晶片140构成的空腔或空间136被密封，以使运动板130的面对第二晶片140的第一表面不会受外部TEV(例如压力)的改变所影响。但是，形成在第二晶片140中的开口142(例如入口)使FBAR 114和运动板130的面对FBAR114的第二表面暴露于大气中。因此，运动板130由于其第二表面受到TEV的影响而沿着轴162移动，而运动板130的第一表面与TEV隔离。以这种方式，外部TEV(例如压力)的改变导致FBAR114的谐振频率改变。
在替换实施例中，运动板130后面的空腔136打开，而其余的FBAR结构被密封，以确保运动板130的第一表面和第二表面不都暴露于相同的环境条件或变量(例如大气)中。例如，在位于运动板130上方的第二晶片140中形成开口(未示出)，以使空腔136不密封，而是暴露于大气中，并且第二晶片140的其余部分与大气密封开(即端口142关闭)。当运动板的两侧暴露于不同的大气条件或环境变量(例如一侧与环境密封开，而另一侧暴露于环境中)时，运动板130可以被用于感知TEV的改变。
注意，运动板130的形状或几何外形可以与FBAR 114的形状或几何外形基本相同。例如，在一个实施例中，运动板130和FBAR 114的几何外形都基本上是五边形。但是注意，运动板130和FBAR 114并不局限于这种几何外形，而是可以具有其他的几何外形或形状。而且，运动板130的形状或几何外形可以不同于FBAR 114的形状或几何外形。
下文将参考图3到5更详细描述，带有运动板的FBAR可以被用于感知或检测对于相应应用(例如压力传感器、麦克风、加速计或振动计)的不同目标环境变量(TEV)。由于FBAR谐振器是Q非常高的谐振器，因此该谐振器的谐振频率的基本相位噪声非常低。低基本相位噪声使采用了根据本发明的带有运动板的FBAR的TEV检测装置能够检测到谐振频率中非常小的变化。因此，运动板非常好地响应于目标环境变量(TEV)(例如压力、加速度或其他环境因素)的变化。在一个实施例中，FBAR的谐振频率由于运动板的位移而改变或变化，这是因为在运动板和FBAR谐振器之间存在电容耦合。
采用一对FBAR的TEV测量装置
图2示出了根据本发明另一实施例的目标环境变量(TEV)测量装置200，该装置利用了带有相关固定板250的第一FBAR 210和带有运动板260的第二FBAR 220。在此实施例中，第一FBAR 210和第二FBAR 220以并排配置被分别构造在第一晶片210中的气隙212、222上方。
根据本发明的另一实施例，第二FBAR可以与与其对应的任意板一起使用。第二FBAR充当可用于考虑与目标环境变量不相关的因素(例如非目标环境变量)的控制或参考。
此外，注意，固定板250并不局限于“非移动”板，而可以是可移动的控制板或参考板，只要运动板在除了该控制板平面之外的至少一个方向上运动，从而使在额外方向上的运动可以被用于检测TEV即可。
第一FBAR 210包括两个导电层(例如第一导电层214和第二导电层218)，这两个导电层中间夹着可以由压电材料(例如氮化铝(AlN))制成的压电(PZ)层216。类似地，第二FBAR 220包括两个导电层(例如第一导电层224和第二导电层228)，这两个导电层中间夹着可以由压电材料(例如氮化铝(AlN))制成的压电(PZ)层226。第一电极214、224在这里也被称为“底电极”，而第二电极218、228在这里也被称为“顶电极”。焊材270用于将第一晶片210(“FBAR晶片”)耦合到第二晶片240(“封装晶片”)。
固定板250被示为通过一个或多个支架232而仅仅耦合或附接于第二晶片240。类似地，运动板260被示为通过一个或多个支架234而仅仅耦合或附接于第二晶片240。注意，固定板250和运动板260也可以通过其他支架(未示出)而被仅仅耦合或附接于第一晶片210或仅被第一晶片210所支撑，或通过各自的支架被第一晶片210和第二晶片220的组合所支撑。
一种用FBAR之一检测或感知目标环境变量(TEV)而另一FBAR不感知TEV的方式是将FBAR之一暴露于TEV，而使另一FBAR与TEV隔离。例如，可以在第二晶片240中制成开口242(例如入口)以允许TEV影响运动板260或使之发生位移，而置于固定板250上方的第二晶片不具有开口，以便使TEV与固定板250隔离或防止TEV影响固定板250或使之发生位移。可替换地，如果两个FBAR都暴露于TEV，则固定板250与运动板260之间的构造、设计或其两者的差异也可以实现使FBAR之一感知TEV的目的。例如，可以对固定板250使用比运动板260更坚硬的支架，或将固定板250制成比运动板260更沉。
通过利用带有与之相对放置的固定或非移动运动板250的第一FBAR210和带有与之相对放置的运动板260的第二FBAR 220，从而差分消除不想要的信号(例如噪声、由于不同工作温度引起的不想要的影响、漂移以及与目标环境变量(TEV)的测量不相关的其他信号)，从而剩余更准确地代表要检测或感知的TEV的输出信号。
具体而言，根据本发明一个实施例，带有相关固定板(例如与第一FBAR 210相对应的不能自由移动的板250)的第一FBAR 210和带有相关运动板(例如与第二FBAR 220相对应的能够自由移动的板)的第二FBAR 220被提供。第一FBAR 210具有第一谐振频率，而第二FBAR 220具有第二谐振频率。运动板260的运动或位移可以通过观察两个振荡器(例如第一FBAR 210和第二FBAR 220)的拍频而被检测或测量。例如，在第一FBAR 210的谐振频率上的第一信号可以与在第二FBAR 220的谐振频率上的第二信号相混合，以检测运动板260的位移。以这种方式，第二FBAR 220的谐振频率的非常小的改变都可以被检测到。
本实施例相对于只包括单个FBAR和运动板的实施例的一个优点在于两个FBAR随温度类似地漂移，从而当来自两个FBAR的两个信号被混合在一起时，由于温度改变而引起的FBAR的谐振频率的任何改变都以差分方式被消除。
压力感知应用
在一个实施例中，带有运动板的FBAR可以被用于测量压力的改变。在此实施例中，入口被设置在FBAR中，以允许感知外部条件或因素(例如周围环境中的压力变化)。在下文中将参考图5更详细描述，带有运动板的FBAR可以被用于检测或感知由于环境压力变化而导致的运动板的变形。
加速计应用
在一个实施例中，带有运动板的FBAR被用于实现感知加速度的加速计。在一个实施例中，入口未被设置在FBAR中。下文将更详细描述，在两个不同方向上的加速度可以通过使用本发明的相应实施例而被测量。可在其中实现根据本发明的TEV检测装置的不同类型加速计的示例包括，但不局限于，低g加速计、高g加速计、单轴加速计、双轴加速计等等。这些加速计被用于测量各种不同应用中的震动、振动、倾斜、位置和运动，所述各种不同应用例如是传感器应用、汽车应用(例如汽车安全和前方与侧方安全气囊系统)、体育运动相关设备、医疗设备、笔记本硬盘驱动保护系统和数字投影仪的校正。
图3示出了可以用于沿着第一轴(例如x轴)感知或检测加速度的带有运动板的FBAR。图4示出了可以用于沿着第二轴(例如z轴)感知或检测加速度的带有运动板的FBAR。在一个实施例中，用于加速计应用的运动板比在下文将更详细描述的用于压力感知应用的运动板更沉。
用于X轴加速计应用的示例性运动板实施例
图3示出了根据本发明一个实施例的用于沿着第一轴302(例如沿着x轴)检测加速度的x轴加速计应用300的运动板304的仰视图。在此实施例中，运动板304以允许其沿着第一轴302(例如X轴)运动或位移的方式被支撑。例如，第一轴302可以在基本平行于FBAR晶片或封装晶片的平面的平面中。
在此实施例中，运动板304被耦合或附接到封装晶片308的下表面。运动板304包括直接或间接耦合到相应支架的连接部分(例如330、332、334和336)。应用300包括一个或多个支架(例如第一支架310、第二支架312、第三支架314和第四支架316)。支架可以被耦合或锚定到如图所示的封装晶片或FBAR晶片中。例如，运动板304的连接部分可以直接附接到支架，或通过弯曲部分间接附接到支架。
在此实施例中，应用300包括将运动板304连接到各个支架(例如支架310、312、314、316)的一个或多个弯曲部分(例如第一弯曲部分320、第二弯曲部分322、第三弯曲部分324和第四弯曲部分326)。每个弯曲部分包括耦合到运动板304的连接部分的第一末端部分和耦合到封装晶片308的第二末端部分。注意，运动板304还可以悬挂到FBAR晶片或由FBAR晶片支撑(例如通过利用被耦合到FBAR晶片的支架)。
弯曲部分允许运动板304基本上沿着X轴302移动(例如基本上平行于FBAR晶片或封装晶片的平面的偏移)。弯曲部分可以是基本直的梁、弯曲的梁、带有一个或多个弯折部分的梁、或者具有其他形状或配置的梁。在一个实施例中，弯曲部分是弯折梁状弯曲部分，这些弯曲部分允许运动板304基本平行于FBAR晶片或封装晶片的平面而移动。
在一个实施例中，支架(310、312、314和316)是置于封装晶片和弯曲部分之间或FBAR晶片和弯曲部分之间的刚性支架。注意，支架的数量和弯曲部分的数量可以多于或少于图示的数量，并且可以被调整或变化，以适应特定应用的需求。
在此实施例中，注意，运动板304相对于第一和第二FBAR来定位，以使运动板304被置于一对FBAR上方，同时在运动板304移动之前，该运动板304与这对FBAR具有相同的重叠。还要注意，用于结合FBAR晶片和封装晶片的材料和FBAR晶片与封装晶片之间的隔离装置在此图中未示出。
用于Z轴加速计应用的示例性运动板实施例
图4示出了根据本发明一个实施例的用于沿着第二轴402检测加速度的z轴加速计应用400的运动板的仰视图。在此实施例中，运动板404以允许其沿着第二轴402(例如Z轴)运动或位移的方式被支撑。例如，第二轴402一般可以正交或垂直于FBAR晶片或封装晶片的平面(例如进入纸张和离开纸张的方向)。
Z轴加速计应用400感知或检测沿着Z轴402的加速度。运动板404包括多个连接部分(例如第一连接部分412、第二连接部分414、第三连接部分416、第四连接部分418和第五连接部分419)。一个或多个支架被提供以支撑或悬挂运动板404。在一个实施例中，连接部分被耦合到各个支架(例如第一支架410、第二支架420、第三支架430、第四支架440和第五支架450)。连接部分可以与运动板404形成为一体，或可以是耦合或附接到运动板404的单独部分。
一个或多个弯曲部分也可以用于将支架连接或耦合到运动板。每个弯曲部分包括耦合或附接到支架的第一端和耦合或附接到运动板的连接部分的第二端。存在多种不同类型的弯曲部分可被用于将运动板的连接部分连接或耦合到各个支架。在一种情况下，第一支架410无需弯曲部分而直接耦合到运动板404的第一连接部分412。在另一示例中，第二支架420通过使用第一类型的弯曲部分422而耦合到第二连接部分414，所述第一类型的弯曲部分422是具有弯折部分的梁。在另一示例中，第三支架430通过使用另一类型的弯曲部分424而耦合到第三连接部分416，该弯曲部分424可以是各种几何形状或其组合中的一种。在另一示例中，第四支架440通过使用第三类型的弯曲部分432而耦合到第四连接部分418，该第三类型的弯曲部分432是不带有弯折部分的基本直梁。在另一示例中，第五支架450通过使用第四类型的弯曲部分442而耦合到第五连接部分419，该第四类型的弯曲部分442是具有弧形部分的弧形梁。注意，可以将单个类型的弯曲部分用于所有到支架的连接，或者将不同类型的弯曲部分的组合用于到各个支架的连接。
在一个实施例中，可以在运动板404中提供一个或多个开口或孔450，以减轻挤压油膜阻尼(squeeze film damping)的影响。应用400可以包括向运动板404提供信号(例如输入信号或功率信号)的信号盘464。用于将FBAR晶片结合到封装晶片的隔离装置460和焊材470也被示出。注意，可以利用多个隔离装置460，并且可能存在多个焊材的矩形迹线。
用于压力测量应用的示例性运动板实施例
图5示出了根据本发明一个实施例的用于压力感知应用500的运动板520的仰视图。该运动板520充当响应于环境中的压力变化而移动的隔膜。
运动板520包括中心部分522、柔性部分524和耦合到支架510的外侧部分526。在此实施例中，支架510可以由置于封装晶片508和运动板520之间的基本刚性支架510实现。
柔性部分524可以包括伸缩体(bellow)530，它允许中心部分522沿着Z轴502移动或位移，所述Z轴502一般正交或垂直于封装晶片508的平面(例如进入纸张或离开纸张的方向)。可替换地，柔性部分524的厚度可以被制成为小于外侧部分526或中心部分522的厚度。通过将运动板520制成为具有较薄柔性部分524，中心部分522可以比在运动板520的整个不同区域(522、534、526)具有统一厚度时更容易地沿Z轴502移动或位移。
这些方法或其他技术的组合可以用于允许或使运动板520的中心部分522能够沿着z轴502移动或位移。
在此实施例中，运动板520一般具有圆形的几何外形。但是，注意，可以将其他几何外形用于运动板520。
例如，当运动板520被设计成响应于目标环境变量(TEV)移动或位移时，可以在封装晶片508中设置一个或多个开口509(例如孔)，以使运动板520暴露于外部环境，并且更具体而言，暴露于正被检测的目标环境变量。注意，可选开口528可以被设置在封装晶片508中直接处于运动板520上方的区域中，或者不由运动板520的周长的轮廓或投影在封装晶片508上限定的区域中。还要注意，开口的数量和这些开口的几何形状可以变化，以适应于特定应用的需求。
当配置固定板时，可以使用类似于图5的结构。在一个实施例中，柔性部分524被基本刚性部分所取代，该刚性部分基本上限制了中心部分522沿着Z轴502的运动或位移。在替换实施例中，柔性部分524不是较薄的(即该板的所有不同区域具有基本相同的厚度)。在另一实施例中，封装晶片中未设立开口(例如509、528)，从而限制了TEV对固定板的影响。这些方法或其他技术的组合可以用于限制固定板沿着z轴502的运动。
利用用于检测环境变量的变化的FBAR的方法
图6的流程图示出了根据本发明一个实施例用于通过利用至少一个FBAR和运动板来检测环境变量的方法。根据本发明一个实施例的方法利用一个或多个FBAR来测量或检测一个或多个环境变量或因素的变化。在步骤610中，外部变量导致运动板的位置改变。例如，压力或加速度的变化导致运动板的位移。在步骤620中，运动板的位置改变导致运动板和FBAR之间的电容发生改变。
在步骤630中，电容改变导致FBAR的谐振频率发生改变。在步骤640中，FBAR的谐振频率的改变被确定(即被测量)。例如，FBAR的谐振频率的改变可以用于代表或指示外部变量(例如压力、振动计、加速度和麦克风)的变化。
图7是阻抗与频率关系图，该图根据本发明一个实施例，示出了FBAR的频率响应、串联谐振频率(fs)和并联谐振频率(fp)。图7示出了两个不同的波形，这两个不同的波形由于分配给z轴和y轴的比例而彼此叠加。第一波形710是在运动板处于相对于FBAR的初始位置时生成的。第二波形720是在运动板由于目标环境变量而处于相对于FBAR的“被移动”或被位移位置时生成的。
注意，当运动板如图9那样被电连接时，FBAR的较低谐振频率(被称为FBAR的“串联谐振频率”(fs))不会受到运动板位移的严重影响。被标记为“fs”的“串联谐振频率”(fs)大约为2GHz。但是，当运动板相对于FBAR被移动或位移时，被称为“并联谐振频率”的FBAR的较高谐振频率受到影响或向左偏移。第一和第二波形在并联谐振频率附近的扩展部分在图8中示出，以便示出第一波形和第二波形之间大约1MHz的并联谐振频率的频率偏移。
图8是阻抗与频率关系图，该图根据本发明一个实施例，更详细示出了图7的一部分以及运动板对FBAR的并联谐振频率的影响。实线的曲线示出了阻抗与频率关系的第一图710(例如初始图)。第二图(虚线曲线)720示出了当由于运动板的运动导致的外部电容增大时，阻抗与频率关系的第一图(例如后续图)。第一图710向左移而成为第二图720。第一图710的并联谐振频率(fp)大约为2.05GHz。第二图720的并联谐振频率(fp)大约为2.049GHz，存在大约1MHz的频移。例如，阻抗的改变(例如外部电容C_ext增大)致使谐振频率改变或偏移。带有运动板的FBAR的示例性电路表示在图9和10中被示出。
注意，FBAR和运动板可以被配置为只影响或导致串联谐振频率改变，只影响或导致并联谐振频率改变(图7和8)，或者影响或导致串联谐振频率和并联谐振频率都改变。
图9示出了根据本发明一个实施例的带有运动板的FBAR的第一电路表示。FBAR通常由与包括串联的电感器(L)、电容器(C)和电阻器(R)的支路并联的内部电容器(C_int)所代表。外部电容器(C_ext)代表由于运动板而产生的电容。在此实施例中，外部电容器与内部电容(C_int)并联的放置。
图10示出了根据本发明另一实施例的带有运动板的FBAR的第二电路表示。该FBAR通常由与包括了串联的电感器(L)、电容器(C)和电阻器(R)的支路并联的内部电容器(C_int)所代表。外部电容器(C_ext)代表由于运动板而产生的电容。在此实施例中，外部电容器与内部电容(C_int)串联。
根据测量装置的另一实施例，采用一个或多个带有运动板的FBAR的TEV检测设备还包括低功率无线电。注意，带有运动板的FBAR可以利用与低功率发射机(例如无线电)相同的制造工艺的实现。将低功率无线电与带有运动板的FBAR集成在一起使TEV检测装置能够被查询设备远程查询。作为响应，TEV检测装置可以将检测到的频移发送到查询设备。由于FBAR无线电相对小巧，而利用了带有运动板的FBAR的TEV检测装置也相对小巧，因此根据本发明的无线电和TEV检测装置设备的整体封装也相对小巧。
通过采用根据本发明的带有运动板的FBAR来检测目标环境变量(TEV)的装置和方法可以实现在其中要求精确可靠的环境变量测量的各种不同的客户应用、工业应用和军事应用中。这些应用包括但不限于汽车气囊和安全应用、汽车安全性应用，运动检测应用、电子刹车系统、精密导航系统、工业设备稳定性补偿、生理监控(医学仪器/诊断设备)以及天线系统的稳定/倾斜校正。
在上述说明中，已经参考本发明的特定实施例描述了本发明。但是，显而易见，在不脱离本发明的较宽范围的情况下，可以对本发明作出各种修改和变化。因此，说明书和附图应被看作示例性的，而非限制性的。

Claims (20)

1.一种利用带有运动板的薄膜体声波谐振器来检测目标环境变量的改变的方法，该方法包括：
在第一晶片上形成包括一个表面和至少一个谐振属性的薄膜体声波谐振器；
在空间中悬挂运动板；
在所述运动板和所述薄膜体声波谐振器之间形成电容连接；
其中在所述运动板和所述薄膜体声波谐振器之间的电容改变导致所述薄膜体声波谐振器的谐振属性发生改变；以及
通过采用所述薄膜体声波谐振器和运动板检测所述薄膜体声波谐振器的谐振属性的改变，来检测所述目标环境变量的改变。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述薄膜体声波谐振器的谐振属性包括以下之一：所述薄膜体声波谐振器的谐振频率和所述薄膜体声波谐振器的品质因子。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述第一晶片上形成包括一个表面和至少一个谐振属性的第二薄膜体声波谐振器；以及
在采用了所述薄膜体声波谐振器和所述第二薄膜体声波谐振器的空间中悬挂固定板，以测量所述第二薄膜体声波谐振器的谐振属性的改变。
4.如权利要求3所述的方法，其中
所述固定板被电容耦合到所述第二薄膜体声波谐振器；以及
其中所述固定板和所述第二薄膜体声波谐振器之间的电容的改变导致所述第二薄膜体声波谐振器的谐振属性发生改变；以及
通过采用所述第二薄膜体声波谐振器和所述固定板测量所述第二薄膜体声波谐振器的谐振属性的改变，来检测压力、加速度和其他环境变量中的一种环境变量的改变。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述运动板的物理位移可以通过以下方式之一来检测：测量所述薄膜体声波谐振器和所述第二薄膜体声波谐振器的拍频，以及将处于所述薄膜体声波谐振器的谐振频率上的信号与处于所述第二薄膜体声波谐振器的谐振频率上的信号相混合。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述运动板与所述薄膜体声波谐振器并联耦合或与所述薄膜体声波谐振器串联耦合。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述运动板沿着基本平行于所述薄膜体声波谐振器的平面的第一轴移动，沿着基本垂直于所述薄膜体声波谐振器的平面的第二轴移动，或者围绕一个旋转轴旋转。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述运动板被置于距所述薄膜体声波谐振器预定距离，或者被置于距电耦合到所述薄膜体声波谐振器的顶电极的导电盘预定距离。
9.一种目标环境变量检测装置，包括：
包括薄膜体声波谐振器晶片的第一薄膜体声波谐振器；形成在所述薄膜体声波谐振器晶片中的包括一个表面的声学反射器；
形成在所述声学反射器的所述表面上的第一电极；其中所述第一电极包括一个表面；
形成在所述第一电极的所述表面上的压电层；其中所述压电层包括一个表面；
形成在所述压电层的所述表面上的第二电极；以及
悬挂在空间中的运动板；其中所述运动板被电容耦合到所述第一薄膜体声波谐振器。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述运动板与所述第一薄膜体声波谐振器并联耦合或与所述第一薄膜体声波谐振器串联耦合。
11.如权利要求9所述的装置，其中所述运动板沿着基本平行于所述第一薄膜体声波谐振器的平面的第一轴移动，沿着基本垂直于所述第一薄膜体声波谐振器的平面的第二轴移动，或者围绕一个旋转轴旋转。
12.如权利要求9所述的装置，其中所述运动板被置于距所述第一薄膜体声波谐振器预定距离，或者被置于距电耦合到所述第一薄膜体声波谐振器的顶电极的导电盘预定距离。
13.如权利要求9所述的装置，其中所述声学反射器是气隙和Bragg声学反射器中的一种；其中所述装置还包括将所述运动板耦合到所述薄膜体声波谐振器晶片的支架结构。
14.如权利要求9所述的装置，还包括：
封装所述第一薄膜体声波谐振器的微型盖晶片；以及
将所述运动板耦合到所述微型盖晶片的支架结构。
15.如权利要求9所述的装置，还包括：
形成在所述薄膜体声波谐振器晶片中的包括一个表面的第二声学反射器；
形成在所述第二声学反射器的所述表面上的第三电极；其中所述第三电极包括一个表面；
形成在所述第三电极的所述表面上的第二压电层；其中所述第二压电层包括一个表面；
形成在所述第二压电层的所述表面上的第四电极。
16.如权利要求15所述的装置，还包括：
悬挂在空间中的被电容耦合到所述第二薄膜体声波谐振器的固定板；其中所述固定板沿比所述运动板至少少一个的运动轴移动。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述固定板与所述第二薄膜体声波谐振器并联耦合，或与所述第二薄膜体声波谐振器串联耦合。
18.如权利要求16所述的装置，其中所述固定板被置于距所述第一薄膜体声波谐振器预定距离，或者被置于距电耦合到所述第二薄膜体声波谐振器的顶电极的导电盘预定距离。
19.如权利要求9所述的装置，其中所述第一薄膜体声波谐振器包括谐振频率、品质因子和谐振属性；并且其中所述运动板和所述第一薄膜体声波谐振器之间的电容改变致使所述第一薄膜体声波谐振器的谐振频率、品质因子和谐振属性中的一个发生改变。
20.如权利要求9所述的装置，其中所述装置被实现为压力传感器、麦克风、加速计和振动计之一。
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