CN1977449A

CN1977449A - 频率稳定克服温度漂移的薄膜体声谐振器装置

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Publication number: CN1977449A
Application number: CNA2005800212907A
Authority: CN
Inventors: V·劳; Q·马; Q·特兰; D·辛; L·-P·王
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: JP2007535883A; CN1977449B; US20060001329A1; EP1784915A1; WO2006011968A1

Abstract

薄膜体声谐振器(FBAR)包括夹在顶部电极和底部电极之间的压电薄膜。提供温度传感器以检测温度，从而为FBAR确定温度导致的频率漂移。操作上连接到温度传感器的电压控制器提供直流(DC)偏压给FBAR，以引入相反的电压导致的频率漂移，从而补偿温度导致的频率漂移。

Description

频率稳定克服温度漂移的薄膜体声谐振器装置

技术领域

本发明的实施例涉及薄膜体声谐振器(FBAR)，并且更具体地说，涉及稳定克服温度漂移的这种装置。

背景技术

薄膜体声谐振器(FBAR)技术在现代无线系统中可以用作形成许多频率分量的基础。例如，FBAR技术可以用来形成滤波器装置、振荡器、谐振器、以及大量其它频率相关组件。FBAR与例如表面声波(SAW)和传统的晶体振荡器技术的其它谐振器技术相比具有优点。具体地说，不同于晶体振荡器，FBAR装置可以集成在芯片上，并且一般比表面声波器件具有更好的功率处理特征。

给予该技术的描述性名称FBAR可能对描述它的一般原理有用。简而言之，“薄膜”指的是薄的压电膜，比如夹在两个电极之间的氮化铝(AlN)。压电薄膜具有在存在电场时机械震动以及如果机械震动则产生电场的特性。“体”指的是夹层的主体或厚度。当交流电压施加在电极上时，薄膜开始震动。“声”指的是在装置的“体”内(正好与表面声波器件相反)谐振的这种机械振动。

FBAR装置的频率特性往往受到温度的影响，这一点可能不符合无线电通信应用的需要。例如，对于蜂窝电话应用，工作温度规范可以在-35℃和+85℃之间。这种极端温度变化可以在例如可放置蜂窝电话的关闭汽车中碰到。由于温度导致的频率漂移，通带窗一般设计为明显比它们应该的频带大，并且过渡带较尖。这样的设计限制往往引起降低插入损耗，并且需要更严格的工艺要求，导致降低生产率。这些约束可以在当前的FBAR滤波器设计中说明，其中仅仅存在由通信标准和材料性质决定的12MHz(兆赫)频率变化预算。从-35℃到+85℃的温度变化可能导致FBAR滤波器中的频率漂移，它消耗大约6MHz，由此仅仅留出6MHz用于工艺变化。

附图说明

图1是薄膜体声谐振器(FBAR)的剖视图；

图2是图1所示的薄膜体声谐振器(FBAR)的电路示意图；

图3是图解温度导致的FBAR频率漂移的图表；

图4是图解DC偏压导致的FBAR频率漂移的图表；

图5是实例FBAR振荡电路，包括用于补偿温度导致的频率漂移的偏压源；

图6是实例FBAR滤波器电路，包括用于补偿温度导致的频率漂移的偏压源；以及

图7是图6所示的FBAR滤波器电路的实例物理布局。

具体实施方式

FBAR装置10用示意图显示在图1中。FBAR装置10可以形成在诸如硅的衬底12的水平面上，并且可包括SiO₂层13。第一金属层14放置在衬底12上，然后压电层16放置在金属层14上。压电层16可以是氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)或任何其它压电材料。第二金属层18放置在压电层14上。第一金属层14充当第一电极14，并且第二金属层18充当第二电极18。第一电极14、压电层16以及第二电极18形成堆栈20。如图所示，堆栈可以是例如大约1.8μm厚。堆栈20之后或者之下的一部分衬底12可以利用背侧体硅蚀刻去除，以形成开口22。背侧体硅蚀刻可以利用深阱反应离子蚀刻或利用晶向依赖的蚀刻比如氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)以及乙二胺-焦儿茶酚混合物(EDP)进行。

得到的结构是一个水平放置的、夹在位于衬底12中开口22之上的第一电极14和第二电极16之间的压电层16。简而言之，FBAR 10包括在水平衬底12中的开口22上悬着的隔膜装置。

图2图解电路30的示意图，电路30包括薄膜体声谐振器10。电路30包括射频″RF″电压源32。RF电压源32经电路径34连接到第一电极14，并且经第二电路径36连接到第二电极18。当施加在谐振频率的RF电压32时，整个堆栈20可以在Z方向31自由地谐振。谐振频率由隔膜的厚度或压电层16的厚度确定，该厚度在图2中用字母“d”或者尺寸“d”表示。谐振频率由以下公式确定：

f₀≈V/2d，其中：

f₀＝谐振频率，

V＝压电层的声速，以及

d＝压电层的厚度。

应该注意，图1和2中描述的结构可以被用作谐振器或者滤波器。为了形成FBAR，诸如ZnO、PZT和AlN的压电薄膜16可以用作活性材料。这些薄膜的材料性质，比如纵向压电系数和声损耗系数，都是谐振器性能的参数。性能因数包括品质因数、插入损耗以及电/机械耦合。为了制造FBAR，压电薄膜16可以利用例如反应溅射放置在金属电极14上。得到的薄膜是c轴纹理方向的多晶体。换句话说，c轴垂直于衬底。

如上所述，FBAR装置10的频率随着温度漂移。这是大部分无线应用不希望有的，因为在装置预计操作的范围内，稳定的频率特性是更可取的。图3图解漂移现象。对于在50℃大约1587MHz的中心频率，如果温度跌至0℃，则FBAR装置的频率可以漂移至高达1589MHz，并且如果温度升至100℃，则FBAR装置的频率可以下降到1586MHz。漂移在一个给定温度范围下相当线性的发生。虽然此漂移可能不大，但它对于设计者可能是麻烦的，因为现代无线装置在密集的频率范围内操作。对于基于AlN的FBAR，频率温度系数(TCF)α大约为-25ppm(百万分率)每摄氏度。

根据本发明的实施例，直流(DC)偏压可以施加到FBAR装置上，以补偿温度导致的频率漂移，因为FBAR的频率也可以受到压电薄膜中强电场的影响。对于在～1.6GHz的基于AlN的FBAR，所测量的频率电压系数(VCF)β为～-9ppm/V。它与AlN厚度成反比(与电场强度成比例)，并且因此对于给定偏压与谐振频率成比例。

图4图解DC偏压对FBAR装置的影响。注意到，在-100到100V的直流电压范围间的电压导致的频率漂移大约是接近线性的。在此实例中，对于1587.7MHz的中心频率，线性函数可以表示为y＝-0.0144x+1587.7。因而，根据本发明的实施例，施加的DC偏压可用来以相反的方向提供电压导致的频率漂移，以补偿温度导致的频率漂移。

图5显示利用FBAR 50的简单振荡电路。振荡电路可以用于诸如蜂窝电话51的无线装置。振荡器可包含放大器52，它具有连接到地的第一输入端54，以及连接到反馈环58的第二输入端56，反馈环58包括连接到输出端62的电容器60以及连接在输出端62和地之间的分路电容器64。耦合电容器66可以将FBAR 50连接到反馈环58。诸如热敏电阻的温度传感器60可放置为邻近FBAR 50，以检测影响FBAR 50的温度。控制器62确定适于补偿任何温度导致的FBAR 50的频率漂移的DC偏压。其后，适当的DC偏压可施加到FBAR 50。高阻抗RF扼流器或电阻器64可用在FBAR 50和电压源控制器62之间，以防止在高频下短路。DC偏压可按如下计算：

V = \frac{α (T - T_{o})}{β}

其中，V＝DC偏压；

α＝给定压电薄膜的频率温度系数(TCF)；

β＝给定压电薄膜的频率电压系数(VCF)；以及

T-T₀＝检测的温度变化。

图6显示用于形成诸如也可在无线装置中找到的滤波器的FBAR装置。所示的特定滤波器是梯型滤波器，它包括在输入端72和输出端74之间串联的多个FBAR装置70，以及在输入端72和输出端74之间并联的多个FBAR装置80。耦合电容器82可以用在并联的FBAR装置80和地之间。如上所述，温度传感器60可用来实时地监控影响FBAR装置70和80的温度。控制器62可利用来自传感器60的温度数据计算适于补偿温度导致的频率漂移的DC偏压。

图6的梯型滤波器可以配置为使得所有FBAR装置的压电极化方向都一样。也就是说，用空心圆表示的节点84连接到控制器62的正端子86，而用实心圆表示的那些节点88连接到控制器62的负端子90，使得直流电场以对于所有FBAR装置70和80相同的方向施加。直流电压随着温度改变可以反转极性，以补偿在任一方向从中心频率的频率漂移。各个节点84和88可经高阻抗射频(RF)扼流器或电阻器64连接到直流控制器62。

图7显示参考图6所讨论的梯型滤波器的实例物理布局，其中与之前描述的附图相同的项用相同的附图标记表示。具体地说，多个串联的FBAR装置70和并联的FBAR装置80连接在输入端72和输出端74之间。各个FBAR装置可包含底部金属电极14、压电薄膜16以及顶部金属电极18。当沉积压电薄膜16时，所有谐振器(70和80)的压电极化方向被定向为或者自下而上或者自上而下，根据特定的材料而定。用这种方式，FBAR的顶部电极18连接到邻近FBAR的顶部电极。同样地，FBAR的底部电极14连接到邻近FBAR的底部电极。尽管布局可以变化，但各个FBAR的顶部电极18应该一致地连接到V+86，并且底部电极14连接到V-90，以便对于某一施加的偏压，以同一方向改变所有FBAR装置(70和80)的频率。连接线92和94可由低电阻率金属，比如Al、Au、Pt、Cu、Mo或W组成。高阻抗射频(RF)扼流器或电阻器64可包含阻抗线，其可由高电阻率材料，比如多晶硅TiN组成。

本发明的图解实施例的上述描述，包括摘要中的描述，并不旨在穷举本发明或者将本发明限制在公开的精确形式。尽管本发明的特定实施例以及实例出于说明性目的在本文进行了描述，但各种等效修改都可能在本发明的范围内，这一点本领域技术人员都理解。

根据以上详细说明可以对本发明进行这些修改。用于下列权利要求的术语将不应视为将本发明限制到在本说明书和权利要求书中公开的特定实施例。相反地，本发明的范围全部由以下权利要求确定，下面的权利要求将视为根据建立的权利要求解释的准则。

Claims

1.一种设备，包括：

薄膜体声谐振器(FBAR)，包括夹在顶部电极和底部电极之间的压电薄膜；

温度传感器；以及

电压源控制器，可操作地连接到所述温度传感器，以在所述FBAR的所述顶部电极和底部电极上施加直流(DC)偏压，从而补偿温度导致的频率漂移。

2.如权利要求1所述的设备，还包括：

可操作地连接在一起的两个或更多个所述薄膜体声谐振器(FBAR)；

具有同一极化方向的各个所述两个或更多个FBAR中的压电薄膜；

具有同一方向的所述两个或更多个FBAR的所述顶部电极和底部电极上的DC偏压。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述DC偏压选择为：

V = \frac{α ({T - T}_{0})}{β}

其中，V＝DC偏压；

α＝给定压电薄膜的频率温度系数(TCF)；

β＝给定压电薄膜的频率电压系数(VCF)；以及

T-T₀＝温度变化。

4.如权利要求1所述的设备，还包括：

连接在所述电压源控制器和所述FBAR之间的高阻抗电阻器。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述设备包括用于无线装置的振荡电路

6.如权利要求2所述的设备，其中所述设备包括射频(RF)滤波器。

7.一种方法，包括：

检测薄膜体声谐振器(FBAR)的温度；

确定所述FBAR的温度导致的频率漂移；

确定补偿所述温度导致的频率漂移的直流(DC)偏压；以及

对所述FBAR施加所述DC偏压。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述DC偏压确定为：

V = \frac{α ({T - T}_{0})}{β}

其中，V＝DC偏压；

α＝所述FBAR内给定压电薄膜的频率温度系数(TCF)；

β＝给定压电薄膜的频率电压系数(VCF)；以及

T-T₀＝温度变化。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：

在振荡电路中包括所述FBAR装置；以及

通过高阻抗线向所述FBAR提供所述DC偏压。

10.如权利要求8所述的方法，还包括：

在电路中连接多个所述FBAR；

对各个所述FBAR内的压电薄膜定向，以具有同一极化方向；及

将所述DC偏压施加到具有相同电压极化的所述多个FBAR中的每个FBAR。

11.如权利要求9所述的方法，还包括：

放置所述振荡电路在无线电话内。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述电路包括滤波器。

13.一种系统，包括：

无线通信装置；

薄膜体声谐振器(FBAR)，包括在所述无线通信装置中的电路内夹在顶部电极和底部电极之间的压电薄膜；

温度传感器，用于检测温度，从而为所述FBAR确定温度导致的频率漂移；以及

电压控制器，可操作地连接到所述温度传感器，以向所述FBAR提供直流(DC)偏压，从而引入电压导致的频率漂移来补偿所述温度导致的频率漂移。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述电路包括振荡电路。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述电路包括滤波电路。

16.如权利要求13所述的系统，其中所述DC偏压电压确定为：

V = \frac{α ({T - T}_{0})}{β}

其中，V＝DC偏压；

α＝给定压电薄膜的频率温度系数(TCF)；

β＝给定压电薄膜的频率电压系数(VCF)；以及

T-T₀＝温度变化。

17.如权利要求15所述的系统，还包括：

多个FBAR，每个FBAR具有同一极化方向的压电薄膜；以及

DC偏压，连接到具有相同电压极化的所述多个FBAR中的每个FBAR。

18.如权利要求13所述的系统，还包括：

射频扼流器，用于将所述DC偏压连接到所述FBAR。

19.如权利要求13所述的系统，其中所述温度传感器包括热敏电阻。

20.如权利要求13所述的系统，其中所述无线通信装置包括蜂窝电话。