CN107941391B - 一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法 - Google Patents

一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法。一方面，将现有发射机的薄膜体声波传感器替换为一对并联的密封和非密封薄膜体声波器件；另一方面，将现有的有线有源的温度补偿的方法替换为无线无源的温度补偿的方法。相比于传统的压阻式压力传感器和电容式压力传感器，拥有高灵敏度和高分辨率，且通过频率的形式变现出来，具有受电磁干扰等影响较小的特点。

Description

一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法
技术领域
本发明涉及声波传感器技术领域，具体涉及一种用于薄膜体声波(FBAR)压力传感器的无线无源温度补偿方法。
背景技术
高温环境以及复杂环境下温度、压力等参数的检测是石油、化工、汽车、航天、军事等工业和国防领域的一项重要任务。薄膜体声波(FBAR)振荡器由于其高工作频率、高灵敏度、优良的特性、低插入损耗、高功率承载能力、集成电路工艺兼容、易于封装、制造成本低等特性，近来被广泛应用于各个领域中。但薄膜体声波(FBAR)的工作频率往往受到温度影响而产生漂移。首先，在多种复杂环境下，往往检测其中一个参数会掺杂着其他参数(尤其是环境温度)对传感器的影响，大大降低了传感器检测的精度。其次，在一些特殊的场合，例如不易测量的场合、高温情况下电池不能使用等等，在这些场合下，严重制约了常规等有线有源传感器的使用范围。因此研究基于薄膜体声波(FBAR)的无线无源温度补偿压力传感器是非常有意义的。
现有在解决薄膜体声波(FBAR)压力传感器的温度补偿方法大致分为如下几种。
2015年，Manohar B.Nagaraju等在ISSCC上发表了一篇“A 0.8mm3±0.68psiSingle-Chip Wireless Pressure Sensor for TPMS Applications”。在该论文里面，作者提出了一种采用有线有源方式来达到薄膜体声波压力传感器的温度补偿的效果。该论文薄膜体声波压力传感器首先将两片薄膜体声波传感器封装在一块底板上；其次，在其中一片薄膜体声波传感器下面开一个凹槽，使传感器底面暴露在空气中；然后，通过振荡电路激励两片薄膜体声波传感器工作；最后通过对两个输出的频率先分频再进行温度补偿。该方案，一方面受到有源的影响，限制了使用场合和传输距离；另一方面，薄膜体声波传感器的频率输出与温度补偿均在同一电路中，降低了整体结构的鲁棒性。
2017年，贾英茜等在半导体技术(刊号TN713)期刊上发表了，一种以二氧化硅材料作为温度补偿的S波段温度补体声波谐振器。研究了二氧化硅层厚度对FBAR温度漂移特性的影响，对不同厚度二氧化硅层的温度补偿特性进行仿真。采用MEMS工艺制备了温度补偿型FBAR谐振器，在三温下(常温25℃、高温85℃、低温-55℃)对谐振器进行S参数进行了测试。结果比未加入温度补偿的谐振器相比频率温度系数改善明显。
2014年，中国工程物理研究院电子工程研究所申请的专利201410430093.1，公开了具有温度补偿和谐振频率修调功能的FBAR及滤波器，其中FBAR包括衬底、温度补偿和谐振频率修调层、支撑层、底电极、顶电极和压电薄膜；温度补偿和谐振频率修调层的底部中间设置有凹槽，衬底设置于凹槽两边的下面，衬底和温度补偿和谐振频率修调层的底面形成有一空腔；支撑层设置于温度补偿和谐振频率修调层的上面；底电极与顶电极之间设置压电薄膜；该FBAR及滤波器能够有效降低由于负温度系数压电薄膜造成的温度-频率漂移，从而提高FBAR的温度稳定性；在后处理工艺中，通过控制FBAR叠层中温度补偿和谐振频率修调层的刻蚀时间来调整其厚度，能有效降低由于工艺误差造成的频率漂移。
2009年，在全国半导体集成电路硅材料学术会议上，赵士恒、董树荣等研究还发现，薄膜体声波FBAR工作的偏置电压也能引起其工作频率的变化。即利用此特性，创新性地设计了含特定温度敏感电阻的惠斯通电桥，一方面对FBAR的工作温度进行检测，一方面输出偏置电压施于FBAR的上下电极，该电压会使FBAR产生与温度引起的FBAR的频率漂移相反方向的频率变化，从而完成频率漂移的自动补偿。
在2004年申请的专利US7408428 B2报道了一种用温度补偿的薄膜体声波谐振器(FBAR)器件包括FBAR器件和温度补偿元件。压电元件具有至少部分为谐振频率的温度系数所依赖的温度系数。其中温度补偿元件具有和压电元件的温度系数相反的温度系数。
鉴于以上所述公开的基于薄膜体声波FBAR的温度补偿的思路和方法，大致分为两种。第一种是制造工艺上的该进，通过改变内部的结构、厚度等等，来抵消温度带来的影响，最终达到温度补偿的效果。这种方案实现起来较为麻烦，且不易控制。良品率低。另一种是通过外围电路的特性来做温度补偿。利用外界的温敏器件或者是电路结构如偏置电压等等方式对薄膜体声波器件的谐振频率做一个补偿的手段。这种方案对电路要求高、实现起来困难、抗干扰能力差。因此，需要考虑一种简单、效果优良的方式去实现薄膜体声波(FBAR)压力传感器的温度补偿。
发明内容
本发明的目的是针对薄膜体声波(FBAR)压力传感器的开发和应用中的温度补偿难题，提供一种用于薄膜体声波(FBAR)压力传感器的无线无源温度补偿方法：一方面，将现有发射机的薄膜体声波(FBAR)传感器替换为一对并联的密封和非密封薄膜体声波(FBAR)器件；另一方面，将现有的有线有源的温度补偿的方法替换为无线无源的温度补偿的方法。
本发明方法具体采用以下技术方案：
1)将现有发射机的薄膜体声波(FBAR)传感器替换为一对并联的密封和非密封薄膜体声波(FBAR)传感器，且共同置于待测环境中。
2)外界发送一个激励的问询信号，若问询信号的频率与薄膜体声波(FBAR)传感器的谐振频率一致，则此时传感器接收到的能量最大，激励传感器工作。
3)传感器工作后，产生一个应答信号(包含温度、压力信息)通过天线发送至接收电路部分；接收电路对应答信号进行解析和处理，得到密封传感器和非密封传感器各自的频率值。
此处的接收电路对应答信号的解析和处理属于常规技术，故不详解。
4)通过获得的非密封薄膜体声波传感器频率和已知的非密封薄膜体声波传感器温度系数，求出非密封薄膜体声波传感器的温度，即为当前传感器所处的环境温度；利用上述得到的环境温度，配合已知的密封薄膜体声波器件的温度系数和压力系数，进而求出密封薄膜体声波器件的压力值，即为当前传感器所处的环境压力值；从而实现了基于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法。
所述的非密封薄膜体声波(FBAR)传感器包括Si基底、SiO2氧化层、下电极层、压电层、上电极层；Si基底的上下表面铺设SiO2氧化层；设置在Si基底上表面的SiO2氧化层上表面部分铺设下电极层；在下电极层的上表面制备压电层，并通过腐蚀压电层，暴露出部分下电极；上述压电层为不间断结构，即下电极上的压电层与SiO2氧化层上表面的压电层连接设置。在压电层的上表面铺设上电极层；Si基底以及设置在Si基底下表面的SiO2氧化层开有凹槽，且整个凹槽必须设置在下电极层下方。非密封的薄膜体声波(FBAR)器件由于其不密封，器件的上表面和下边面受到的力相互抵消，进而不会在压力的外界作用下而改变谐振频率。
所述的密封薄膜体声波(FBAR)传感器在整个非密封薄膜体声波(FBAR)传感器的下方设置密封圈，使得非密封薄膜体声波(FBAR)传感器的凹槽形成空气隙型谐振腔。该空气隙型谐振腔的目的是使得传感器受环境压力影响。密封的薄膜体声波(FBAR)器件因为环境温度、压力的外界作用会改变器件的谐振频率。
优选地，通过合理的参数设计薄膜体声波传感器，具体的包括：上下电极的材质、压电层的厚度、压电层的材料等部分，这最终会影响薄膜体声波的谐振频率。
优选地，发射机与接收电路所在的基板为硬质PCB板或柔性材质基板。
优选地，薄膜体声波(FBAR)传感器的温度系数、压力系数选择线性度比较高的。可以参考f1＝A1T+C1和f2＝A2T+BF+C2两个公式来计算。其中，f1为接收到的非密封传感器的谐振频率，f2为接收到的密封传感器的谐振频率，A1为非密封传感器的温度系数，A2为密封传感器的温度系数，B为密封传感器的压力系数，C1为非密封传感器的初始谐振频率，C2为密封传感器的初始谐振频率，T表示传感器环境温度，F表示传感器受到的压力值。
优选地，密封型FBAR器件的下表面覆盖的密封圈为耐温耐压材料。
优选地，外界问询信号的频率范围大于两个薄膜体声波传感器的工作频率。
优选地，天线为外接的定向天线，其中心频率为500MHz～10GHz，通过SMA射频转接头与所述阻抗匹配网络连接。
本发明的优点在于：
(1)本发明属于对现有薄膜体声波(FBAR)压力传感器的温度补偿方法的补充，从而实现了基于无线无源的背景下对薄膜体声波(FBAR)压力传感器的温度补偿。与现有的温度补偿的方法(力求零温度系数特性)相比，具有实现简单，易于封装，温度补偿范围宽等优势。与现有的有线有源的温度补偿方法相比，使用无线无源的方式，达到了实时测量数据，提高了使用的灵活性，延长了使用寿命。通过算法对频率数据进行处理来达到消除温度对传感器的影响，可以在不增加其他附加的条件下，达到更好的温度补偿的效果，这对薄膜体声波(FBAR)压力传感器的研发与应用具有更加重要的意义。
(2)本发明基于薄膜体声波(FBAR)压力传感器相比于传统的压阻式压力传感器和电容式压力传感器，拥有高灵敏度和高分辨率，且通过频率的形式变现出来，具有受电磁干扰等影响较小的特点。再加上其价格便宜，性能稳定等等优点，在石油管道、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、国防军工等行业有着广泛的应用前景。
(3)本发明的基板可以是柔性等材料并且实现温度补偿的方式是无线无源的，在特殊结构如弯曲表面、可穿戴设备、特殊场合如电池不易使用等等方面，具有独特的优势和应用前景。
附图说明
图1为本发明基于非密封薄膜体声波谐振器的制备工艺分步示意图；
图2为本发明在其中非密封薄膜的体声波谐振器的制备工艺的基础上增加密封圈的示意图；
图3为本发明实施例1的结构示意图；
图4为本发明实施例2的结构示意图；
图1、2中：1为二氧化硅薄膜，2为硅片，3为铝电极(包含上电极和下电极)，4为氧化锌层，5为空气隙腔；
图3中：6为发射机基板，7为接收机基板，8为射频开关，9为密封薄膜体声波传感器，10为非密封薄膜体声波传感器，11为定向天线，12为定向天线，13为定向天线，14为定向天线；
图4中：15为接收机基板，16为频谱分析仪，17为密封薄膜体声波传感器，18为发射机基板，19为非密封薄膜体声波传感器，20定向天线，21定向天线。
具体实施方式
通过阅读参照以下附图所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述：
非密封、密封薄膜体声波传感器的制备方法包括以下几个步骤：
步骤(1)、双面抛光硅片并清洗，然后经过丙酮、乙醇、去离子水的顺序，最后由氮气进行干燥，如图1(a)所示。
步骤(2)、在步骤(1)的基础上，采用60-500纳米厚的铝(也可以采用金、铝、钨，钼等)，利用光刻和刻蚀形成FBAR器件的下电极，如图1(b)所示。
步骤(3)、在步骤(2)的基础上，采用50-5000纳米厚的氧化锌(也可以是氮化铝、铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋等)来做压电层，利用溅射的方法使其形成沉积膜，如图1(c)所示。
步骤(4)、在步骤(3)的基础上，采用稀释的盐酸溶液来暴露下电极的孔，如1(d)所示。
步骤(5)、在步骤(4)的基础上，采用溅射沉积电极层，形成上电极。
步骤(6)、在步骤(5)的基础上，采用反应离子刻蚀，将背面硅移除，其中二氧化硅层作为蚀刻的阻挡层以及薄膜体声波谐振器的支持层。上述步骤完成之后，构成非密封的膜体声波谐振器，如1(e)所示。
步骤(7)、在步骤(6)的基础上，采用密封材料，将背面进行密封，形成空气腔，构成密封的薄膜体声波谐振器。如图2所示。
实施例1，如图3：
a.外界通过定向天线12和定向天线14接收的无线脉冲问询信号，激励密封薄膜体声波传感器9和非密封薄膜体声波传感器10工作；
b.受到激励的密封薄膜体声波传感器9受到环境中温度和压力而发生频偏。受到激烈非密封薄膜体声波传感器10受到环境中温度而发生频偏。此时，若外界的问询信号的频率和某一个薄膜体声波传感器的谐振频率一致时，此时该薄膜体声波传感器的能量最大。最后，收到环境影响的薄膜体声波传感器的谐振频率会作为应答信号分别从定向天线11和定向天线13发射出去。
c.通过接受端的定向天线11和定向天线13，经过射频切换开关8，分别接受两个薄膜体声波传感器的应答信号。利用非密封薄膜体声波传感器10的应答信号和非密封薄膜体声波传感器10的温度系数，来计算出温度。见公式f1＝A1T+C1(其中，f1为接收到的非密封传感器的谐振频率，A1为非密封传感器的温度系数，C1为非密封传感器的初始谐振频率，T表示传感器环境温度。)
d.根据密封薄膜体声波传感器9的温度系数、压力系数和上步骤计算出的温度来计算压力的大小。见公式f2＝A2T+BF+C2(其中，f2为接受到的密封传感器的谐振频率，A2为密封器件的温度系数，B为密封传感器的压力系数，C2为密封传感器的初始谐振频率，T表示传感器环境温度，F表示传感器受到的压力值。)将非密封传感器所计算得到的温度值代入密封传感器的表达式中,此时由于事先已经测得密封传感器的温度系数以及压力系数的数值。通过上述公式可以计算出当前环境的压力大小，进而达到温度补偿的效果。
该实例1在实现温度补偿的方式，仅仅只用两个并联的薄膜体声波传感器，提高了电路的鲁棒性，最终达到了基于无线无源薄膜体声波压力传感器的温度补偿的效果。
实施例2：
密封薄膜体声波(FBAR)传感器和非密封薄膜体声波(FBAR)传感器两个谐振频率不同，且谐振频率低的薄膜体声波(FBAR)传感器在正常工作范围内发生的频偏，应小于两个薄膜体声波(FBAR)传感器谐振频率差，以免频率之间发生干扰(本实例设定非密封薄膜体声波传感器19作为谐振频率低的传感器方便来描述实例，应当指出不限定19为谐振频率低的薄膜体声波传感器)。下面结合图4对本发明的应用图进行描述：
a.外界通过天线21接收的无线脉冲问询信号，激励密封薄膜体声波传感器17和非密封薄膜体声波传感器19工作。
b.受到周围环境温度和压强的影响，此时的密封薄膜体声波传感器17和非密封薄膜体声波传感器19谐振频率将会改变。若此时外界的无线脉冲问询信号的频率和某一薄膜体声波传感器的谐振频率一样，此时该薄膜体声波传感器的能量最大。此时，薄膜体声波(FBAR)传感器的谐振频率将会以应答信号的形式通过天线21发送出去。
c.通过天线20接受到薄膜体声波传感器的应答信号，并发送至频谱分析仪16。由于接收到的是时间和幅度的关系，通过使用快速傅里叶变换转化为频率与振幅的关系，即时域转换成频域，最终得到频率值。
e.利用非密封薄膜体声波传感器19的温度系数和其应答信号来计算出温度，再根据密封薄膜体声波传感器17的温度系数、压力系数和计算出的温度来计算压力的值。具体的过程如下：接收到的非密封传感器应答信号频率f1＝A1T+C1(其中，f1为接收到的非密封传感器的谐振频率，A1为非密封传感器的温度系数，C1为非密封传感器的初始谐振频率，T表示传感器环境温度。)，可以计算出传感器当前的环境温度。接收到的密封传感器应答信号频率f2＝A2T+BF+C2(其中，f2为接受到的密封传感器的谐振频率，A2为密封传感器的温度系数，B为密封传感器的压力系数，C2为密封传感器的初始谐振频率，T表示传感器环境温度，F表示传感器受到的压力值。)通过已经求得的环境温度，带入上述公式，即可求得当前环境得压力值。
该实例2通过无线无源的温度补偿方式，无需从制作工艺上面力求零温度系数，也扩大了电路的使用场合，最终达到了基于无线无源薄膜体声波压力传感器的温度补偿的效果。
以上对本发明所提供的一种用于薄膜体声波(FBAR)压力传感器的温度补偿的方法、密封和不密封薄膜体声波(FBAR)制备方法和电路结构进行了详细介绍。本文中列举了国内外、论文以及专利对薄膜体声波(FBAR)温度补偿所采用的方法应用了具体实施例对本发明的结构和制备方法进行了阐述，并且结合附图，进一步阐述本发明。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于该方法具体是：
1）将现有发射机的薄膜体声波压力传感器替换为一对并联的密封和非密封薄膜体声波传感器，且共同置于待测环境中；其中非密封薄膜体声波传感器仅受环境温度影响频率，密封薄膜体声波传感器仅受环境温度和压力影响频率；
2）外界发送一个激励的问询信号，若问询信号的频率与密封和非密封薄膜体声波传感器的谐振频率一致，则此时密封和非密封薄膜体声波传感器接收到的能量最大，激励密封和非密封薄膜体声波传感器工作；
3）密封和非密封薄膜体声波传感器工作后，产生一个应答信号通过天线发送至接收电路部分；接收电路对应答信号进行解析和处理，得到密封薄膜体声波传感器和非密封薄膜体声波传感器各自的频率值；
4）通过获得的非密封薄膜体声波传感器频率和已知的非密封薄膜体声波传感器温度系数，求出非密封薄膜体声波传感器的温度，即为当前密封和非密封薄膜体声波传感器所处的环境温度；利用上述得到的环境温度，配合已知的密封薄膜体声波传感器的温度系数和压力系数，进而求出密封薄膜体声波传感器的压力值，即为当前密封和非密封薄膜体声波传感器所处的环境压力值。
2.如权利要求1所述的一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于应答信号包含温度、压力信息。
3.如权利要求1所述的一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于所述的非密封薄膜体声波传感器包括Si基底、SiO2氧化层、下电极层、压电层、上电极层；Si基底的上下表面铺设SiO2氧化层；设置在Si基底上表面的SiO2氧化层上表面部分铺设下电极层；在下电极层的上表面铺设压电层，并通过腐蚀压电层，暴露出下电极；在压电层的上表面铺设上电极层；Si基底以及设置在Si基底下表面的SiO2氧化层开有凹槽，且整个凹槽必须设置在下电极层下方。
4.如权利要求3所述的一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于所述的密封薄膜体声波传感器在整个非密封薄膜体声波传感器的下方设置密封圈，使得非密封薄膜体声波传感器的凹槽形成空气隙型谐振腔。
5.如权利要求1所述的一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于所述的密封和非密封薄膜体声波传感器中上下电极的材质、压电层的厚度、压电层的材料决定密封和非密封薄膜体声波传感器谐振频率大小。
6.如权利要求1所述的一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于发射机与接收电路所在的基板为硬质PCB板或柔性材质基板。
7.如权利要求4所述的一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于密封薄膜体声波传感器的下表面覆盖的密封圈为耐温耐压材料。
8.如权利要求1所述的一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于外界问询信号的频率范围大于密封和非密封薄膜体声波传感器的工作频率。
9.如权利要求1所述的一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法，其特征在于天线为外接的定向天线，其中心频率为500MHz～10GHz，通过SMA射频转接头与阻抗匹配网络连接。
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