CN103326689A

CN103326689A - 一种单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器

Info

Publication number: CN103326689A
Application number: CN2013102021262A
Authority: CN
Inventors: 董树荣; 卞晓磊; 胡娜娜; 郭维
Original assignee: JIANGSU ALLENMOORE MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: JIANGSU ALLENMOORE MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，设置一个直流偏压单元为薄膜体声波谐振器提供偏压电压，直流偏压单元输出端分别连接内嵌肖特基结的薄膜体声波谐振器的上、下电极，直流偏压单元与薄膜体声波谐振器集成在一个硅片CELL单元内。偏压装置施加一定偏压给薄膜体声波谐振器，改变肖特基势垒二极管电容和电导，从而补偿FBAR本身谐振频率的温飘。本发明对薄膜体声波谐振器由于温度引起的频率偏差实现了有效甚至无偏补偿，可以克服由于温度变化引起的各种系统误差的问题，提高了FBAR在无线通信和传感器方面应用的可靠性。采用CMOS集成技术实现单芯片的温补薄膜体声波谐振器，结构简单，实现方式灵活，应用广泛。

Description

一种单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器

技术领域

本发明涉及射频谐振器技术领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器的温度漂移补偿方法和电路。

背景技术

薄膜体声波谐振器（FBAR）由于其高工作频率，高灵敏度，组成的滤波器后具有优良滤波特性，低插入损耗，高功率承载能力等特性，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、振荡器等相关组件。此外，FBAR因其高灵敏度特点，也越来越广泛的应用到传感器领域。

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在无线通信和质量传感方面的应用主要基于其频率特性但FBAR的工作频率受温度影响会产生漂移，其中以氧化锌（ZnO）作为压电材料，以金（Au）作为电极材料，工作在1.5GHz左右的FBAR器件实用实施例中，FBAR的谐振频率具有约-60ppm/℃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，在例如移动终端的应用中，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，降低生产率的后果。

目前提出的用于薄膜体声波谐振器的温度漂移补偿技术，主要是通过向FBAR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。

因此，存在这种提供FBAR温度漂移补偿的简单方法的需求。

发明内容

本发明基于一种集成肖特基二极管的新型薄膜体声波谐振器（FBAR），提供了FBAR的温度补偿方法和电路，解决了现有的FBAR因不同温度下的频率漂移而引起的各种系统误差问题，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。

一种单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，设置一个直流偏压单元为薄膜体声波谐振器提供偏压电压，所述的直流偏压单元输出端分别连接内嵌肖特基结的薄膜体声波谐振器的上、下电极，所述直流偏压单元与薄膜体声波谐振器集成在一个硅片CELL单元内。

所述的薄膜体声波谐振器采用薄膜堆叠结构，包含集成一体的压电振荡堆和声反射层，所述的声反射层可以是布拉格声反射层、表面气隙结构或表面牺牲层结构中的一种，所述压电振荡堆包括上电极、半导体薄层、压电层及下电极。因此，所述的薄膜体声波谐振器包含依次堆叠于基板上集成一体的声反射层、下电极、压电层、半导体薄层以及上电极。所述上电极和半导体薄层构成肖特基势垒二极管，所述的上电极为Au或Cr等，所述的压电层使用具有压电效应的压电材料，压电材料为ZnO、AlN、GaAs或CdS等，所述的半导体薄层是载流子浓度在10¹²~10¹⁹cm^-3的压电半导体材料，包括N型ZnO等。

所述的直流偏压单元为温度敏感电阻和普通电阻串联组成的偏压电路，并通过外接芯片电源实现直流偏压，它可以是由温度敏感的电阻、普通电阻和稳压电源组成的电阻网络分压电路，也可以是由包含温敏电阻的电桥差动偏压电路组成。

所述温敏电阻为温度敏感的多晶硅电阻、阱电阻、n+/p+电阻或n+ poly/p+ poly 电阻等。

所述的直流偏压单元使用普通CMOS工艺与薄膜体声波谐振器和其他电路一起制备在硅片表面，所述的薄膜体声波谐振器制备在直流偏压单元的钝化层上方。薄膜体声波谐振器和直流偏压单元以及基片中的集成电路，通过垂直通孔实现电路连接。

所述直流稳压源的电压为U₀，薄膜体声波谐振器的温度频率系数为α，电压频率系数为β，温度敏感单元的温敏系数为λ。通过合理的设置使温度敏感单元的输出电压为V_R。V_R为补偿薄膜体声波谐振器温漂所需的偏置电压，由薄膜体声波谐振器的温度频率系数α和电压频率系数β决定。施加电压的极性根据需求决定，当施加的偏压使肖特基结反偏时，FBAR具有正电压频率系数（随偏压绝对值增大，谐振频率增大）；当施加的偏压使肖特基结正偏时，FBAR具有负电压频率系数（随偏压绝对值增大，谐振频率减小）。当温度发生变化时，可以通过温度敏感单元输出端电压产生的薄膜体声波谐振器的频率漂移，有效的补偿因温度变化引起的薄膜体声波谐振器的频率漂移。

本发明所达到的有益效果：相比已有的薄膜体声波谐振器温度补偿技术，本发明结构简单，实现方式灵活，采用CMOS工艺，能够使整个温度补偿薄膜体声波谐振器系统集成在一个硅片CELL单元内。而且，采用直流偏置补偿能够有效精确的补偿温度漂移，甚至实现完全无偏补偿，同时所需偏压低，增加的功耗小，且不明显影响谐振器的Q值。本发明能有效提升薄膜体声波谐振器产品的应用效果和产品生产效率。

本发明对薄膜体声波谐振器由于温度引起的频率偏差实现了有效甚至无偏补偿，可以克服由于温度变化引起的各种系统误差的问题，提高了FBAR在无线通信和传感器方面应用的可靠性。

附图说明

图1是本发明单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器的示意图；

图2是直流偏置补偿单元中的一种实例，阱电阻构成的分压电路示意图；

图3是直流偏置补偿单元中的另一种实例，温敏电阻构成的电桥差动电压电路示意图。

具体实施方式

图1 是本发明单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器的示意图。这里采用空气隙型FBAR说明。直流偏置单元8为包含温敏电阻的电路单元，可以使用普通CMOS工艺与其他电路一起制备在基片7表面，并外接芯片电源11，为薄膜体声波谐振器提供偏置电压，输出的电压分别加到薄膜体声波谐振器的上下两电极。本发明薄膜体声波谐振器由上电极1、半导体薄层2、压电层3、下电极4以及声反射层即空气隙5组成。上电极(Au或Cr)1和半导体薄层（n-ZnO，N_d=10¹³~10¹⁴cm^-3）2组成肖特基势垒二极管。施加电压的极性根据需求决定，当施加的偏压使肖特基结反偏时，FBAR具有正电压频率系数（随偏压绝对值增大，谐振频率增大）；当施加的偏压使肖特基结正偏时，FBAR具有负电压频率系数（随偏压绝对值增大，谐振频率减小）。薄膜体声波谐振器制备在直流偏置单元8上方的钝化层（Si₃N₄或SiO₂）6上，并通过垂直通孔21、22和基片7上的直流偏压单元8、基片7中的集成电路实现电路连接。

谐振频率由FBAR及其串联的肖特基势垒二极管共同决定，直流偏置单元施加一定偏压给肖特基势垒二极管，改变肖特基势垒二极管电容和电导，从而补偿FBAR本身谐振频率的温飘。

图2 是本发明中一种直流偏置单元实例电路图，由金属电阻R₀9、阱电阻R_N10，以及外接芯片直流电源U₀11组成直流分压电路。其中，阱电阻10具有较大的温度系数，所以温度对金属电阻的影响可以忽略。温敏电阻即阱电阻10两端输出电压加到薄膜体声波谐振器的上、下电极。当外界温度变化引起阱电阻R_N阻值变化，这样施加到集成肖特基结的薄膜体声波谐振器12上的偏压发生变化，根据FBAR的温度频率系数α和电压频率系数β，可以选取合适的金属电阻R₀、阱电阻R_N阻值和直流电源U₀电压，对薄膜体声波谐振器进行有效的温度补偿。

图3 是本发明中另一种直流偏置单元实例电路图，它通过由温敏电阻构成的电桥差动偏压电路为薄膜体声波谐振器提供偏置电压。所述的电桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻R₁14、第二电阻R₂15、第三电阻R₃16和第四电阻R₄17依次首尾相接成环，第一电阻14和第四电阻17相接端点接直流稳压源U₀11的正极，第二电阻15和第四电阻16相接端点接所述的直流稳压源11的负极，第一电阻14和第二电阻15相接端点通过第一阻抗高阻器18接到薄膜体声波谐振器12的上电极，第三电阻16和第四电阻17相接端点通过第二阻抗高阻器19接到薄膜体声波谐振器12的下电极。

第一阻抗高阻器18和第二阻抗高阻器19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。用于温度补偿的电桥，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。采用电桥电路作为偏置单元，可以实现温度漂移的无偏补偿。

本发明单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，结构简单，能够和直流偏压单元8集成在一个硅片CELL单元内，方便可靠。本发明可用于无线通信、传感器等多种领域，能够有效抑制温度漂移，减小包含薄膜体声波谐振器振荡器、双工器、滤波器等的系统误差，同时也可以提高薄膜体声波谐振器传感器的精度，具有广阔的应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1. 一种单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，设置一个直流偏压单元为薄膜体声波谐振器提供偏压电压，所述的直流偏压单元输出端分别连接内嵌肖特基结的薄膜体声波谐振器的上、下电极，所述直流偏压单元与薄膜体声波谐振器集成在一个硅片CELL单元内。

2.如权利要求1所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的薄膜体声波谐振器采用薄膜堆叠结构，包含依次堆叠于基板上集成一体的声反射层、下电极、压电层、半导体薄层以及上电极。

3.如权利要求1所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的直流偏压单元为温敏电阻和普通电阻串联组成的偏压电路，并通过外接芯片电源实现直流偏压。

4.如权利要求1 所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，直流偏压单元是由温度敏感的电阻、普通电阻和稳压电源组成的电阻网络分压电路，或是由包含温敏电阻的电桥差动偏压电路组成。

5.如权利要求3所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的温敏电阻为温度敏感的多晶硅电阻、阱电阻、n+/p+电阻或n+ poly/p+ poly 电阻。

6.如权利要求2所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的声反射层是布拉格声反射层、表面气隙结构或表面牺牲层结构中的一种。

7.如权利要求1所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的直流偏压单元使用普通CMOS工艺与薄膜体声波谐振器一起制备在硅片表面，所述的薄膜体声波谐振器制备在直流偏压单元的钝化层上方；薄膜体声波谐振器和直流偏压单元以及基片中的集成电路，通过垂直通孔实现电路连接。

8.如权利要求2所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的压电层采用具有压电效应的压电材料，所述压电材料为ZnO、AlN、GaAs或CdS。

9.如权利要求2所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的半导体薄层是载流子浓度在10¹²－10¹⁹cm^-3的压电半导体材料。

10.如权利要求2所述的单芯片集成温度补偿的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的半导体薄层和所述的上电极形成构成肖特基接触的势垒二极管，所述上电极为Au或Cr。