CN110166013B - 一种声波器件及其制备方法、温度控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种声波器件及其制备方法、声波器件的温度控制方法。制备方法包括：分别提供第一基板和第二基板；在第一基板上形成声波结构与测温电阻；在第二基板上形成TEC器件；将第一基板与第二基板进行金属熔融键合，即完成声波器件的制备。此外，通过TEC器件的加热或制冷作用进行调整声波器件内的实际温度，进而实现对声波器件的温度控制，使声波器件具有稳定的工作温度。

Description

一种声波器件及其制备方法、温度控制方法
技术领域
本发明涉及一种微电子器件，具体涉及一种声波器件、声波器件制备方法及声波器件温度控制方法。
背景技术
随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求越来越高，与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。为了满足数据率的需求，必须充分利用频谱，同时为了满足数据率的需求，从4G开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对射频系统的各种性能也提出了严格的需求。
在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用，它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。随着通信协议越来越复杂，对频带内外的要求也越来越高，且随着手机中接收与传输日益增大的数据流，需要更多能处理更高频率信号且耗能低的滤波器。对于射频滤波器和构成滤波器的谐振器，要求具有较好的频率温度系数，频率温度系数越接近于零，温度对声波器件的性能影响越小，声波器件的滤波性能越好。
目前，现有的技术实现全温度范围内的零温度系数比较困难，现有的声波器件在功率承受能力上存在一定的限制，当输入功率增大时，由于器件散热受限，将导致器件温度升高，引起器件频率出现漂移以及产生非线性，大大影响器件的性能。因此，提出一种具有良好温度稳定性的声波器件很有必要。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种声波器件、声波器件制备方法、以及声波器件温度控制方法。
本发明的第一方面，提供一种声波器件制备方法，包括以下步骤：
S110、分别提供第一基板和第二基板；
S120、在所述第一基板上形成声波结构；
S130、在所述第一基板上形成测温电阻；
S140、在所述第二基板上形成TEC器件；
S150、将所述第一基板与所述第二基板进行金属熔融键合，以完成所述声波器件的制备。
可选的，步骤S120中，所述声波结构包括基于空气隙的射频体声波结构，该射频体声波结构包括依次形成在所述第一基板上的下电极、压电层、上电极、位于所述第一基板与所述下电极之间的空气隙、贯穿所述压电层并与所述下电极电连接的下电极引出线，以及与所述上电极电连接的上电极引出线。
可选的，步骤S120中，所述声波结构包括基于布拉格反射栅的射频体声波结构，该射频体声波结构包括依次形成在所述第一基板上的下电极、压电层、上电极、位于所述第一基板与所述下电极之间的布拉格反射栅、贯穿所述压电层并与所述下电极电连接的下电极引出线，以及与所述上电极电连接的上电极引出线。
可选的，步骤S120中，所述声波结构包括基于衬底深刻蚀的射频体声波结构，该射频体声波结构包括依次形成在所述第一基板上的下电极、压电层、上电极、贯穿所述第一基板并与所述下电极对应的衬底深刻蚀通道、贯穿所述压电层并与所述下电极电连接的下电极引出线，以及与所述上电极电连接的上电极引出线。
可选的，步骤S130中，在所述第一基板上形成金属层；
可选的，在所述金属层进行光刻蚀，以形成Pt测温电阻；
可选的，步骤S150中，在所述第一基板上形成键合用的金属薄膜并图形化，以形成若干个主键合凸点；
在所述第二基板上形成键合用的金属薄膜并图形化，以形成若干个副键合凸点与若干个金属过孔；
所述测温电阻和所述声波结构均通过部分所述主键合凸点与对应的所述金属过孔电连接；
所述第一基板通过另外部分所述主键合凸点与对应的所述副键合凸点与所述第二基板金属熔融键合，以完成声波器件的制备。
可选的，在第一基板上形成六个所述主键合凸点，分别为第一主键合凸点、第二主键合凸点、第三主键合凸点、第四主键合凸点、第五主键合凸点及第六主键合凸点；
在第二基板上形成两个所述副键合凸点与四个所述金属过孔，分别为第一副键合凸点和第二副键合凸点，第一金属过孔、第二金属过孔、第三金属过孔及第四金属过孔；
其中，所述第一主键合凸点和第六主键合凸点位于所述第一基板沿长度方向的两个端部处，并分别于所述第一副键合凸点和所述第二副键合凸点相对应；
所述第二主键合凸点和第三主键合凸点设置在所述测温电阻上，并分别于所述第一金属过孔和所述第二金属过孔相对应；
所述第四主键合凸点设置在所述下电极引出线上，并与所述第三金属过孔对应。
所述第五主键合凸点设置在所述上电极引出线上，并与所述第四金属过孔对应。
可选的，在步骤S150中，所述金属薄膜采用TiW/Au、Cr/Au、Cu、Sn或Ag。
本发明的第二个方面，提供一种声波器件，采用本发明上述方法制得。
本发明的第三个方面，提供一种声波器件的温度控制方法，所述TEC器件包括第一电流端口和第二电流端口，所述测温电阻包括第一测温电极和第二测温电极，所述第二基板上设置有第一金属过孔和第二金属过孔；
其中，所述第一测温电极与所述第一金属过孔电连接，所述第二测温电极与所述第二金属过孔电连接；所述第一电流端口与精准电压源的第一极电连接，所述第二电流端口与精准电压源的第二极电连接，精准电压源的控制极与微控制器的输出端电连接，微控制器的第一输入端与所述第一金属过孔电连接，微控制器的第二输入端与所述第二金属过孔电连接；
声波器件的温度控制方法包括如下步骤：
S110’、基于所述测温电阻的测温电路测量声波器件内的实际温度；并判断该实际温度是否满足预设温度，若是，结束调温，若否，执行步骤S120’；
S120’、微控制器根据测量得到的所述声波器件内的实际温度，调整所述精准电压源的输出电压大小和极性方向；
S130’、所述TEC器件根据所述精准电压源输出的电压的极性方向，对所述声波器件的一侧进行加热或制冷；根据输出的电压大小控制加热量或制冷量，并重复执行步骤S110’。
本发明制备了一种带有TEC调温器件与测温电阻的声波器件，利用TEC器件的帕尔帖效应，并结合Pt测温电阻，可以对声波器件进行制冷或加热处理，并进而进行控温，可以大大改善声波器件的频率温度系数，控温精度最高可达到0.01度，使声波器件具有稳定的工作温度，使器件的性能稳定，可以大大提高声波器件的功率容量。
附图说明
图1为本发明声波器件的制备流程图；
图2为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤1；
图3(a)～图3(c)为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤2；
图4为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤3；
图5为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤4；
图6为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤5；
图7为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤6；
图8为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤7；
图9为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤8；
图10为本发明第一实施例中的制备工艺流程步骤9；
图11为本发明第二实施例中声波器件温度控制的使用电学连接示意图；
图12为本发明第二实施例中声波器件温度控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的第一方面为声波器件的制备方法，具体包括以下步骤：
S110、分别提供第一基板和第二基板；
S120、在所述第一基板上形成声波结构；
S130、在所述第一基板上形成测温电阻；
S140、在所述第二基板上形成TEC器件；
S150、将所述第一基板与所述第二基板进行金属熔融键合，以完成所述声波器件的制备。
本发明制备了一种带有TEC调温器件与测温电阻的声波器件，利用TEC器件的帕尔帖效应，并结合Pt测温电阻，可以对声波器件进行制冷或加热处理，并进而进行控温，可以大大改善声波器件的频率温度系数，控温精度最高可达到0.01度，使声波器件具有稳定的温度，使器件的性能稳定，可以大大提高声波器件的功率容量。
下文将以具体实施例进行详细说明：
实施例：
图2-10为本发明第一实施例的一种声波器件制备工艺流程图，该制备流程包括：
步骤1：准备单面或双面抛光的第一基板100，该第一基板100可以是硅片，也可以是SiC等基板，具有良好的热导率，其中抛光面向上，单面抛光面可以为第一基板任何一面，进行标准清洗，参见图2。
步骤2：在第一基板100的上表面形成声波结构，包括以下几种：
第一种，基于空气隙的射频体声波结构，如图3(a)所示，包括下电极203、压电层204、上电极205、空气隙101a、下电极引出线201和上电极引出线202，在下电极203下方和上电极205上方也可以有钝化层；
第二种，基于布拉格反射栅的射频体声波结构，如图3(b)所示，包括下电极203、压电层204、上电极205、布拉格反射栅101b、下电极引出线201和上电极引出线202，在上电极205上方也可以有钝化层；
第三种，基于衬底深刻蚀的射频体声波结构，如图3(c)所示，包括下电极203、压电层204、上电极205、衬底深刻蚀通道101c、下电极引出线201和上电极引出线202，在下电极203下方和上电极205上方也可以1有钝化层；
此外，除了上述三种结构以外，声波结构也可以是射频声表面波结构；甚至可以在第一基板100的上表面制备基于射频体声波结构的滤波器或者基于声表面波结构的滤波器等。
需要说明的是，本发明以基于空气隙的射频体声波结构为声波器件的组成结构做进一步详细说明，当然，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些具体声波结构制作形成声波器件，在此并不作具体限定。
步骤3：在第一基板100的上表面沉积Pt金属并光刻刻蚀形成Pt测温电阻300，如图4所示。
步骤4：在第一基板100的上表面沉积键合用的金属薄膜并图形化，形成若干主键合凸点，分别为第一主键合凸点401、第二主键合凸点402、第三主键合凸点403、第四主键合凸点404、第五主键合凸点405及第六主键合凸点406，其中第二主键合凸点402和第三主键合凸点403作为Pt测温电阻300的两个测温电极，参见图5。其中，键合用的金属薄膜可以是TiW/Au、Cr/Au、Cu、Sn、Ag等可以进行金属键合的材料。
步骤5：准备单面或双面抛光的第二基板500，该第二基板可以是硅片，也可以是SiC等基板，具有良好的热导率，其中抛光面向上，单面抛光面可以为第二基板任何一面，进行标准清洗，参见图6。
步骤6：在第二基板500的上表面粘接TEC器件700，其中粘接剂具有绝缘且导热良好的性能，TEC器件700上包含第一电流端口701和第二电流端口702，参见图7。
步骤7：对第二基板500进行深刻蚀并涂覆金属，形成若干金属过孔，分别为第一金属过孔602、第二金属过孔603、第三金属过孔604及第四金属过孔605，以及第一副键合凸点601和第二副键合凸点606，如图8所示。
步骤8：将第一基板100和第二基板500进行对准，如图9所示。
步骤9：将第一基板100和第二基板500进行金属熔融键合，完成声波器件制备，如图10所示。
本实施例中，声波器件的压电三明治结构的上电极和下电极的材料可以相同也可以不同，例如包括如下材料及其组合：钨、银、锆、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铜、钛、铬、铪、铝。其中压电层材料可以为氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅、氧化锌、四硼酸锂以及其掺杂薄膜或组合。
第二方面，根据上述制备方法形成一种声波器件，该声波器件同时具有TEC器件及测温电阻，可以有效的通过测温电阻的测温电路测量声波器件内的实际温度，再通过TEC器件进行温度控制，达到维持温度稳定的效果，具体制备方法参考前文相关记载，在此不作赘述。
第三方面，提供一种声波器件的温度控制方法，下面结合实施例进行具体说明。
实施例：
图11描述了本发明一种声波器件的使用电学连接示意图，其中，TEC器件700包括第一电流端口701和第二电流端口702，第二主键合凸点402和第三主键合凸点403作为Pt测温电阻300的两个测温电极，分别对应第一测温电极和第二测温电极。
其中，第一测温电极402与第一金属过孔602电连接，第二测温电极403与第二金属过孔603电连接；所述第一电流端口701与精准电压源1100的第一极(例如：正极)电连接，所述第二电流端口702与精准电压源1100的第二极(例如：负极)电连接，精准电压源1100的控制极与微控制器1000的输出端电连接，微控制器1000的第一输入端与所述第一金属过孔602电连接，微控制器1000的第二输入端与所述第二金属过孔603电连接，如图11所示。
图12描述了声波器件温度控制方法流程图，包括：
S110’、基于Pt测温电阻300的测温电路测量声波器件内的实际温度；并判断该实际温度是否满足预设温度，若是，结束调温，若否，执行下述步骤S120’；
S120’、微控制器1000根据测量得到的声波器件内的实际温度，与预设温度进行比较，以进一步调整精准电压源1100的输出电压大小和极性方向；
S130’、TEC器件700根据精准电压源1100输出电压极性方向相应的电流方向，对声波器件的一侧进行加热或制冷；TEC器件700根据输出电压值对应的流经TEC器件700的电流大小，控制TEC的加热量或制冷量；
在TEC器件700的加热或制冷作用下，声波器件温度升高或降低；基于Pt测温电阻300的测温电路测量声波器件的实际温度，再次重复上述步骤S110’进行动态调整。
本实施例详细描述了声波器件的温度控制方法，当声波器件的射频输入功率增大时，产生的热量可以通过TEC器件抽取走，并对声波器件进行控温。因此，通过TEC器件的加热或制冷作用进行调整声波器件内的实际温度，从而使声波器件在工作的全温度范围内保持稳定，提高器件的温度稳定性，大大提高声波器件的功率容量。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种声波器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110、分别提供第一基板和第二基板；
S120、在所述第一基板上形成声波结构；
S130、在所述第一基板上形成测温电阻；
S140、在所述第二基板上形成TEC器件；
S150、将所述第一基板与所述第二基板进行金属熔融键合，以完成所述声波器件的制备；
步骤S150具体包括：在所述第一基板上形成键合用的金属薄膜并图形化，以形成若干个主键合凸点；在所述第二基板上形成键合用的金属薄膜并图形化，以形成若干个副键合凸点与若干个金属过孔；所述测温电阻和所述声波结构均通过部分所述主键合凸点与对应的所述金属过孔电连接；所述第一基板通过另外部分所述主键合凸点与对应的所述副键合凸点与所述第二基板金属熔融键合，以完成声波器件的制备；
在所述第一基板上形成六个所述主键合凸点，分别为第一主键合凸点、第二主键合凸点、第三主键合凸点、第四主键合凸点、第五主键合凸点及第六主键合凸点；在所述第二基板上形成两个所述副键合凸点与四个所述金属过孔，分别为第一副键合凸点和第二副键合凸点，第一金属过孔、第二金属过孔、第三金属过孔及第四金属过孔；
其中，所述第一主键合凸点和第六主键合凸点位于所述第一基板沿长度方向的两个端部处，并分别与所述第一副键合凸点和所述第二副键合凸点相对应；
所述第二主键合凸点和第三主键合凸点设置在所述测温电阻上，并分别与所述第一金属过孔和所述第二金属过孔相对应；
所述第四主键合凸点设置在下电极引出线上，并与所述第三金属过孔对应；
所述第五主键合凸点设置在上电极引出线上，并与所述第四金属过孔对应。
2.根据权利要求1所述的声波器件制备方法，其特征在于，步骤S120具体包括：所述声波结构包括基于空气隙的射频体声波结构，该射频体声波结构包括依次形成在所述第一基板上的下电极、压电层、上电极、位于所述第一基板与所述下电极之间的空气隙、贯穿所述压电层并与所述下电极电连接的下电极引出线，以及与所述上电极电连接的上电极引出线。
3.根据权利要求1所述的声波器件制备方法，其特征在于，步骤S120具体包括：所述声波结构包括基于布拉格反射栅的射频体声波结构，该射频体声波结构包括依次形成在所述第一基板上的下电极、压电层、上电极、位于所述第一基板与所述下电极之间的布拉格反射栅、贯穿所述压电层并与所述下电极电连接的下电极引出线，以及与所述上电极电连接的上电极引出线。
4.根据权利要求1所述的声波器件制备方法，其特征在于，步骤S120具体包括：所述声波结构包括基于衬底深刻蚀的射频体声波结构，该射频体声波结构包括依次形成在所述第一基板上的下电极、压电层、上电极、贯穿所述第一基板并与所述下电极对应的衬底深刻蚀通道、贯穿所述压电层并与所述下电极电连接的下电极引出线，以及与所述上电极电连接的上电极引出线。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的声波器件制备方法，其特征在于，步骤S130具体包括：在所述第一基板上形成金属层；在所述金属层进行光刻蚀，以形成Pt测温电阻。
6.根据权利要求1所述的声波器件制备方法，其特征在于，在步骤S150中，所述金属薄膜采用TiW/Au、Cr/Au、Cu、Sn或Ag。
7.一种声波器件，其特征在于，声波器件采用权利要求1～6任意一者所述制备方法制作形成。
8.一种声波器件的温度控制方法，其特征在于，所述声波器件采用权利要求7所述的声波器件，所述TEC器件包括第一电流端口和第二电流端口，所述测温电阻包括第一测温电极和第二测温电极，所述第二基板上设置有第一金属过孔和第二金属过孔；
其中，所述第一测温电极与所述第一金属过孔电连接，所述第二测温电极与所述第二金属过孔电连接；所述第一电流端口与精准电压源的第一极电连接，所述第二电流端口与精准电压源的第二极电连接，精准电压源的控制极与微控制器的输出端电连接，微控制器的第一输入端与所述第一金属过孔电连接，微控制器的第二输入端与所述第二金属过孔电连接；
声波器件的温度控制方法包括如下步骤：
S110’、基于所述测温电阻的测温电路测量声波器件内的实际温度；并判断该实际温度是否满足预设温度，若是，结束调温，若否，执行步骤S120’；
S120’、微控制器根据测量得到的所述声波器件内的实际温度，调整所述精准电压源的输出电压大小和极性方向；
S130’、所述TEC器件根据所述精准电压源输出的电压的极性方向，对所述声波器件的一侧进行加热或制冷；根据输出的电压大小控制加热量或制冷量，并重复执行步骤S110’。
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