CN101594140A - 一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法及电路，主要是设置一含温度敏感电阻的电桥以及为所述的电桥供电的直流稳压源，所述的电桥的两个输出端分别通过第一高阻抗电阻器和第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体声波振荡器的频率温度系数α与频率电压系数β之比为U₀λ，其中U₀为所述的直流稳压源的直流电压，λ为电桥的电阻温度系数参考值。本发明对薄膜体声波振荡器(FBAR)由于温度引起的频率偏差进行了有效补偿，也可以达到完全的无偏补偿，从而克服由于温度变化引起的各种系统误差的问题，提高了FBAR在无线通信和质量传感方面的应用效果和产品生产率。本发明结构简单，实现方式灵活。

Description

一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法和电路

技术领域

本发明涉及微电子领域，尤其涉及一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法和电路。

技术背景

薄膜体声波振荡器(FBAR)由于其高工作频率，高灵敏度，优良滤波特性，低插入损耗，高功率承载能力，与集成电路工艺良好的兼容等特性，近年来被广泛应用于无线通信系统中，如无线通信射频前端的双工器、振荡器、谐振器及其他频率相关组件。另外，FBAR因为其高质量变化灵敏度，易于封装，而且制造成本低等特点也越来越广泛地用做微质量传感器，应用于化学和生物领域。

大多数FBAR器件具有由中心频率表征的带通特性频率响应，其频率响应特性由谐振频率表征。FBAR的在无线通信和质量传感方面的应用就主要基于其频率特性。但FBAR的工作频率往往受温度影响而产生漂移，其中以氮化铝(AlN)作为压电材料，以钼(Mo)作为电极材料，工作在2GHz左右的FBAR器件实用实施例中，FBAR的谐振频率具有从约-20ppm/℃到约-35ppm/℃的温度系数。这样的温度系数降低了FBAR器件能满足其通带宽度规定的温度范围，还会降低制造产量，例如移动终端应用中，由于温度导致的频率漂移，要求通带窗的设计比应该的频带大，以确保FBAR在其整个工作温度范围内能满足带宽规定，这往往引起降低插入损耗，提高工艺要求，从而降低生产率。

目前，也出现了针对FBAR在高GHz如C波段(4-8GHz)、X波段(8-12GHz)等无线系统中的应用的研究。其中，温度对FBAR的谐振工作频率仍然有很大的影响。有文献报道，对于基于AlN的，工作在8GHz左右的FBAR，其频率温度系数大概为-18ppm/℃。

目前已经开发出多种技术用于提供薄膜体声波谐振器FBAR温度漂移的补偿。在美国专利US7,408,428，B2中公开了一种克服FBAR装置温度漂移的方法。在该文献中，通过向FBAR的结构中增加与FBAR相反温度系数的温度补偿层，来进行FBAR的温度补偿。这种方法需要对FBAR的工艺进行改进，增加FBAR制程步骤，而且对补偿层材料的电学及化学性能要求较高。

美国专利US 10/882,510中，在FBAR附近放置一个测量温度的温度传感器，检测到的温度变化后，根据计算送到一个电压控制器，电压控制器根据温度的升降，提供与温度引起FBAR的频率漂移相反方向的偏压引起的频率漂移，从而进行温度补偿。该方法的缺点在于：需要为FBAR振荡器配备专门的温度传感器和相应的传感驱动电路，另外还需电压控制器，电路复杂，集成实现难度大。

因此，存在对提供FBAR温度漂移补偿的简单方法和电路的需求。

发明内容

本发明提供一种薄膜体声波振荡器(FBAR)的温度漂移补偿方法和电路，解决了现有的FBAR振荡器，特别是工作在C波段和X波段的FBAR振荡器因在不同温度下的频率漂移而引起的各种系统误差的问题，提高在无线通信和质量传感方面的应用效果和产品生产率。

一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法，设置一含温度敏感电阻的电桥以及为所述的电桥供电的直流稳压源，所述的电桥的两个输出端分别通过第一高阻抗电阻器和第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体声波振荡器的频率温度系数α与频率电压系数β之比为U₀λ，其中U₀为所述的直流稳压源的直流电压，λ为电桥的电阻温度系数的参考值，其正负极性与所应用于的FBAR的频率电压系数的正负极性有关。

λ反映了在所述的电桥的工作电压U₀一定时，电桥的输出电压(向薄膜体声波振荡器输出)随温度变化的系数。

所述的电桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻、第二电阻、第四电阻和第三电阻依次首尾相接成环，第一电阻和第三电阻相接端点接所述的直流稳压源的正极，第二电阻和第四电阻相接端点接所述的直流稳压源的负极，第一电阻和第二电阻相接端点通过所述的第一高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的上电极，第三电阻和第四电阻相接端点通过所述的第二高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的下电极。

所述的电桥在温度为常温T₀时输出偏置电压V₀＝0，在温度为T时输出的偏置电压V为

$V=U_0[\frac{R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}{R_1(1+{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{\ΔT})+R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}-\frac{R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}{R_3(1+{\mathrm{\λ}}_3\mathrm{\ΔT})+R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}]$

其中：

U₀为电桥直流供电电压；

ΔT＝T-T₀为温度变化量；

R₁、R₂、R₃、R₄分别为电桥中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值；

λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的的温度系数，且至少有一个不为0。

作为优选，所述的R₁＝R₂＝R₃＝R₄，λ₁＝-λ₂＝-λ₃＝λ₄＝λ≠0。

本发明还提供了一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿电路，所述的温度漂移补偿电路由含温度敏感电阻的电桥以及为所述的电桥供电的直流稳压源构成，所述的电桥的两个输出端分别通过第一高阻抗电阻器和第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体声波振荡器的频率温度系数α与频率电压系数β之比为U₀λ，其中U₀为所述的直流稳压源的直流电压，λ为电桥的电阻温度系数参考值，其正负极性与所应用于的FBAR的频率电压系数的正负极性有关。

所述的电桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻、第二电阻、第四电阻和第三电阻依次首尾相接成环，第一电阻和第三电阻相接端点接所述的直流稳压源的正极，第二电阻和第四电阻相接端点接所述的直流稳压源的负极，第一电阻和第二电阻相接端点通过所述的第一高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的上电极，第三电阻和第四电阻相接端点通过所述的第二高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的下电极。

所述的电桥在温度为常温T₀时输出偏置电压V₀＝0，在温度为T时输出的偏置电压V为

$V=U_0[\frac{R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}{R_1(1+{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{\ΔT})+R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}-\frac{R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}{R_3(1+{\mathrm{\λ}}_3\mathrm{\ΔT})+R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}]$

其中：

U₀为电桥直流供电电压；

ΔT＝T-T₀为温度变化量；

R₁、R₂、R₃、R₄分别为电桥中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值；

λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的的温度系数，且至少有一个不为0。

作为优选，所述的R₁＝R₂＝R₃＝R₄，λ₁＝-λ₂＝-λ₃＝λ₄＝λ≠0。

本发明所述的第一高阻抗器和第二高阻抗器为高阻抗RF扼流器或电阻器，加在FBAR和电桥之间，用以防止高频情况下的短路。

本发明温度漂移补偿方法和电路，由等效的四个电阻构成电源对称电桥，其中包含对温度敏感的电阻，放置在FBAR振荡电路附近，电桥的输出为振荡器提供偏置电压，以提供补偿温度漂移所需的DC偏压。温度变化引起温度敏感的电阻值的变化，故引入电桥输出偏置电压的变化，合理选择电阻温度系数，使电桥输出电压导致的振荡器频率的漂移与温度变化直接引起的振荡器频率漂移方向相反，进而补偿温度导致的频率漂移。

用于温度补偿的电桥中至少有一个温度敏感的电阻，四个电阻的温度系数和位置安排要满足：电桥输出电压用以提供补偿温度漂移所需的DC偏压，该偏压引起的FBAR的频率漂移，与温度变化直接引起的FBAR的频率漂移方向相反。

确定电桥相关参数时首先确定补偿温度漂移所需的DC偏压，通过公式：

$\mathrm{\ΔV}=-\frac{\mathrm{\α\ΔT}}{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中，ΔV为补偿温度漂移所需的DC偏压；α为所述FBAR内给定压电薄膜的频率温度系数(TCF)；β为给定压电薄膜的频率电压系数(VCF)；ΔT＝T-T₀为温度变化量，T₀为常温。

接下来是选择U₀、R₁、R₂、R₃、R₄、λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的过程，使电桥输出的偏置电压与补偿温度漂移所需的DC偏压相等，实现无偏补偿，即

V＝ΔV    (2)

其中，V为温度为T时电桥输出的偏置电压；ΔV为补偿温度漂移所需的DC偏压。

本发明为在资源和效果之间达到最佳平衡，也可采取折中方案，不限制电桥输出的偏置电压与补偿温度漂移所需的DC偏压完全相等，只要电桥输出偏置电压趋近补偿温度漂移所需的DC偏压，达到有效补偿，即

$V=\⇒\mathrm{\ΔV}---\left(3\right)$

所述电桥中的四个等效电阻的值，需要在常温(如25℃)时满足如下等式：

R₁R₃＝R₂R₄                (4)

即 $V_0=U_0(\frac{R_2}{R_1+R_2}-\frac{R_4}{R_3+R_4})=0---\left(5\right)$

其中，V₀为温度为常温T₀时电桥输出偏置电压。

所述电桥中的四个等效电阻的温度系数的选择，需要温度为T时，满足需如下等式：

$V=U_0[\frac{R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}{R_1(1+{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{\ΔT})+R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}-\frac{R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}{R_3(1+{\mathrm{\λ}}_3\mathrm{\ΔT})+R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}]---\left(6\right)$

其中，V为温度为T时电桥输出偏置电压。

可对电桥的等效电阻及其温度系数进行优化，以提高补偿性能，选择电阻值满足

R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R              (7)

各电阻温度系数满足

λ₁＝-λ₂＝-λ₃＝λ₄＝λ≠0    (8)

则四个电阻构成两个差动对称的全桥工作形式，输出电压摆幅增大，电桥灵敏度进一步提高。将(7)、(8)代入(6)得到

$V=U_0[\frac{R(1-\mathrm{\λ}\mathrm{\ΔT})}{R(1+\mathrm{\λ}\mathrm{\ΔT})+R(1-\mathrm{\λ}\mathrm{\ΔT})}-\frac{R(1+\mathrm{\λ}\mathrm{\ΔT})}{R(1-\mathrm{\λ}\mathrm{\ΔT})+R(1+\mathrm{\λ}\mathrm{\ΔT})}]---\left(9\right)$

简化得

V＝-U₀λΔT                    (10)

综合(2)、(10)计算得

$\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}=U_0\mathrm{\λ}---\left(11\right)$

选择电桥直流供电电压U₀，电桥中各等效电阻及对应温度系数满足以上等式，即可实现FBAR振荡器的无偏温度补偿。一般情况下，FBAR的频率温度系数为负，电桥供电电压U₀为正。所以，若补偿电路所应用的FBAR频率电压系数为正，则电桥的电阻温度系数参考值λ为负；反之，若补偿电路所应用的FBAR频率电压系数为负，则电桥的电阻温度系数参考值λ为正。电桥中各电阻所选温度系数可据此得出。

本发明薄膜体声波振荡器(FBAR)的温度漂移补偿方法及电路，可以应用于无线通信、质量传感等多种领域，而无线通信射频前端的双工器、振荡器、谐振器及其他频率相关组件常常由一组FBAR构成，因此该本发明振荡电路还包括可操作地连接的两个或多个所述薄膜体声波谐振器。单一FBAR振荡器的实现方式有多种，比如，Colpitts结构，共基极结构，电流重利用交叉耦合结构等等。

本发明具备的有益效果在于：对薄膜体声波振荡器(FBAR)由于温度引起的频率偏差进行了有效补偿，也可以达到完全的无偏补偿，从而克服由于温度变化引起的各种系统误差的问题，提高了FBAR在无线通信和质量传感方面的应用效果和产品生产率。本发明结构简单，实现方式灵活。

附图说明：

图1是本发明接入FBAR正反馈振荡器的温度漂移补偿电路示意图；

图2是温度导致的FBAR频率漂移示意图；

图3是DC偏压导致的FBAR频率漂移示意图；

图4是对FBAR进行温度补偿过后的频率漂移示意图。

具体实施方式

薄膜体声波振荡器(FBAR)是一个由压电薄膜层和上、下极板构成的三明治结构，可被用作振荡器、滤波器、质量传感器等。

FBAR振荡电路一般包括FBAR装置和射频电压源。射频电压源向FBAR的上电极和下电极施加RF电压，FBAR即产生振荡，其谐振频率由压电薄膜的厚度确定，计算公式为：

$F\≈\frac{v}{2d}---\left(1\right)$

其中F为FBAR谐振频率，

v为压电层的声速，

d为压电层的厚度。

图1以一个FBAR的简单振荡电路20为例，整体上由未加温度补偿电路时的FBAR振荡电路14、温度补偿电路15以及为温度补偿电路15供电的直流电源7构成。

FBAR振荡电路14由放大器11，耦合电容12和薄膜体声波振荡器10构成，温度补偿电路15部分为由第一电阻1、第二电阻2、第四电阻4和第三电阻3依次首尾相接构成一个电源对称电桥，其中第一电阻1和第三电阻3相接端点接直流稳压源7正极，第二电阻2和第四电阻4相接端点接直流电源7负极，第一电阻1和第二电阻2相接于端点5，然后通过第一高阻抗电阻器8接到FBAR 10的上电极，第四电阻4和第三电阻3相接于端点6，然后通过第二高阻抗电阻器9接到FBAR 10的下电极。

本实施例中，

薄膜体声波振荡器的频率温度系数α为-18ppm/℃

薄膜体声波振荡器的频率电压系数β为72ppm/V

直流稳压源的直流电压u₀为25V

电桥的电阻温度系数λ为-1×10^-2；

第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值R₁、R₂、R₃、R₄分别为5K(这里电阻越大，偏置电路的能耗越小，但电路面积也会相应增大，所以根据经验权衡)

第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的的温度系数λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分别为-1×10^-2、1×10^-2、1×10^-2、-1×10^-2；

薄膜体声波振荡器的频率温度系数α与频率电压系数β之比为u₀λ，通过对薄膜体声波振荡器施加DC偏压提供相反方向的频率漂移，以补偿温度变化导致薄膜体声波振荡器的频率漂移。若温度升高，则FBAR频率降低，为了补偿频率随温度的漂移，加在FBAR两端的直流补偿电压应该减小；反之，应该增加。

参见图2、3，FBAR具有负的频率温度系数，对于工作在8.5GHz左右的基于AlN压电薄膜的FBAR，其频率温度系数大约为-18ppm/℃。图2图解温度对FBAR谐振频率的影响。由图可见，在温度10℃到90℃之间，频率随温度的升高而降低，大概成一个线性关系。

对于工作在8.5GHz左右的基于AlN压电薄膜的FBAR，频率电压系数约为72ppm/V。图3图解偏压对FBAR谐振频率的影响。由图可见，在-40V到40V的直流电压范围内，频率随电压的升高而线性升高。

参见图4，采用本发明方法对薄膜体声波振荡器进行温度漂移补偿，0～90度范围内，薄膜体声波振荡器的振荡频率随温度变化减小，进行温度漂移补偿后振荡电路的频率温度系数约为-1.5ppm/℃，有了明显改善，保证了电路的稳定工作。

Claims (8)

1、一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法，其特征在于，设置一含温度敏感电阻的电桥以及为所述的电桥供电的直流稳压源，所述的电桥的两个输出端分别通过第一高阻抗电阻器和第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体声波振荡器的频率温度系数α与频率电压系数β之比为U₀λ，其中U₀为所述的直流稳压源的直流电压，λ为电桥的电阻温度系数参考值。

2、如权利要求1所述的温度漂移补偿方法，其特征在于，所述的电桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻、第二电阻、第四电阻和第三电阻依次首尾相接成环，第一电阻和第三电阻相接端点接所述的直流稳压源的正极，第二电阻和第四电阻相接端点接所述的直流稳压源的负极，第一电阻和第二电阻相接端点通过所述的第一高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的上电极，第三电阻和第四电阻相接端点通过所述的第二高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的下电极。

3、如权利要求2所述的温度漂移补偿方法，其特征在于，所述的电桥在温度为常温T₀时输出偏置电压V₀＝0，在温度为T时输出的偏置电压V为

$V=U_0[\frac{R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}{R_1(1+{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{\ΔT})+R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}-\frac{R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}{R_3(1+{\mathrm{\λ}}_3\mathrm{\ΔT})+R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}]$

其中：

U₀为电桥直流供电电压；

ΔT＝T-T₀为温度变化量；

R₁、R₂、R₃、R₄分别为电桥中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值；

λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的的温度系数，且至少有一个不为0。

4、如权利要求3所述的温度漂移补偿方法，其特征在于，所述的R₁＝R₂＝R₃＝R₄，λ₁＝-λ₂＝-λ₃＝λ₄＝λ≠0。

5、一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿电路，其特征在于，所述的温度漂移补偿电路由含温度敏感电阻的电桥以及为所述的电桥供电的直流稳压源构成，所述的电桥的两个输出端分别通过第一高阻抗电阻器和第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体声波振荡器的频率温度系数α与频率电压系数β之比为U₀λ，其中U₀为所述的直流稳压源的直流电压，λ为电桥的电阻温度系数参考值。

6、如权利要求5所述的温度漂移补偿电路，其特征在于，所述的电桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻、第二电阻、第四电阻和第三电阻依次首尾相接成环，第一电阻和第三电阻相接端点接所述的直流稳压源的正极，第二电阻和第四电阻相接端点接所述的直流稳压源的负极，第一电阻和第二电阻相接端点通过所述的第一高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的上电极，第三电阻和第四电阻相接端点通过所述的第二高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的下电极。

7、如权利要求6所述的温度漂移补偿电路，其特征在于，所述的电桥在温度为常温T₀时输出偏置电压V₀＝0，在温度为T时输出的偏置电压V为

$V=U_0[\frac{R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}{R_1(1+{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{\ΔT})+R_2(1+{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ΔT})}-\frac{R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}{R_3(1+{\mathrm{\λ}}_3\mathrm{\ΔT})+R_4(1+{\mathrm{\λ}}_4\mathrm{\ΔT})}]$

其中：

U₀为电桥直流供电电压；

ΔT＝T-T₀为温度变化量；

R₁、R₂、R₃、R₄分别为电桥中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值；

λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的的温度系数，且至少有一个不为0。

8、如权利要求7所述的温度漂移补偿电路，其特征在于，所述的R₁＝R₂＝R₃＝R₄，λ₁＝-λ₂＝-λ₃＝λ₄＝λ≠0。

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