ES2353908T3 - Dispositvo con elemento resonador piezoacústico y su utilización para emitir una señal en función de una frecuencia de resonancia. - Google Patents

Dispositvo con elemento resonador piezoacústico y su utilización para emitir una señal en función de una frecuencia de resonancia. Download PDF

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Abstract

Dispositivo que incluye al menos un elemento resonador piezoacústico (2) con una capa piezoeléctrica (32) y dos electrodos que están en contacto eléctrico con la capa piezoeléctrica (32), estando realizado el elemento resonador piezoacústico (2) tal que aplicando una tensión a la capa piezoeléctrica (32) mediante los electrodos, se activa una oscilación de espesor acústica de la capa piezoeléctrica (32) con la frecuencia de resonancia, en el que existe un equipo de detección de la temperatura (3) configurado con el elemento resonador piezoacústico (2), que incluye un elemento de medida configurado en la técnica de capa delgada, el equipo de detección de la temperatura (3) y el elemento resonador piezoacústico (2) en técnica de capa delgada están configurados sobre un substrato de soporte común (35) y un electrodo del elemento resonador (2) y el equipo de detección de la temperatura (3) están dispuestos como capas sobre el substrato de soporte (35), siendo el espesor de la capa del equipo de detección de la temperatura < 25 μm y estando configurado el dispositivo como elemento de sensor para detectar una sustancia con un elemento resonador piezoacústico (2), presentando el elemento resonador piezoacústico (2) un tramo de superficie para la sorción de la sustancia y dependiendo la señal de salida del elemento resonador (2) del depósito de una sustancia, estando dispuesto, para reforzar la señal acústica, entre el elemento resonador piezoacústico (31) y el sustrato de soporte (35) un espejo acústico (36), encontrándose el equipo de detección de la temperatura (3) en una posición del elemento sensor tal que el equipo de detección de la temperatura (3) durante el proceso de medida del elemento sensor se encuentra en contacto con el medio de medida en el que se encuentra la sustancia a detectar y porque el elemento de medida del equipo de detección de la temperatura (3) puede funcionar también como elemento calentador del equipo calentador, en el que un equipo evaluador (4) configurado externo o integrado en el dispositivo, está previsto para averiguar la temperatura a partir de la variación de resistencia del elemento de medida en función de la temperatura, controlándose selectivamente a través del mismo las condiciones de equilibrio del depósito de la sustancia a detectar en el tramo de superficie del elemento resonador piezoacústico (2) mediante control de la temperatura.

Description

La invención se refiere a un dispositivo que incluye al menos un elemento resonador piezoacústico con una capa piezoeléctrica y dos electrodos contiguos a la capa piezoeléctrica, estando realizado el elemento resonador piezoacústico tal que aplicando una tensión alterna a la capa piezoeléctrica mediante los electrodos, se activa una oscilación de volumen de la capa piezoeléctrica con la frecuencia de resonancia y una aplicación para emitir una señal en función de una frecuencia de resonancia.
Los elementos resonadores piezoacústicos de este tipo, en los que aplicando un campo de tensión alterna se activa una oscilación de espesor, es decir, una oscilación del volumen del cuerpo de la capa piezoeléctrica con la frecuencia de resonancia, se conocen bajo la denominación inglesa “Bulk Acoustic Wave (BAW) Piezoelectric Resonator” (resonador piezoeléctrico de onda acústica volumétrica) y se desarrollaron sobre todo para aplicaciones de alta frecuencia de la electrónica de comunicaciones.
La configuración más sencilla para realizar un resonador BAW es una capa de un material piezoeléctrico, que cuando la orientación cristalográfica es adecuada, por ejemplo con el eje c perpendicular a la superficie del electrodo, está dispuesta entre dos electrodos en estructura sandwich.
En las figuras 1 y 2 se representan esquemáticamente dos tipos básicos de resonadores BAW, tal como se muestran en el artículo de visión general de M. Dubois “Thin Film Bulk Acoustic Resonators: A Technology Overwiew” (resonadores acústicos volumétricos de capa delgada: Una visión general de la tecnología), con motivo del Congreso MEMSWAVE 03, Toulouse, Francia, 2-4 julio 2003.
La figura 1A muestra al respecto esquemáticamente un ejemplo de un llamado “Thin Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR)”. Una capa piezoeléctrica AlN 300 está aplicada
sobre un substrato de soporte en forma de una lámina de silicio 400. Sobre la cara inferior y sobre la cara superior de la capa piezoeléctrica están aplicados electrodos 100 y 200, respectivamente. Cuando mediante los electrodos 100/200 se aplica un campo eléctrico alterno a la capa piezoeléctrica 300, entonces, debido al efecto piezoeléctrico inverso, se transforma la energía eléctrica en energía mecánica. La oscilación de volumen acústica resultante se propaga dentro de la capa piezoeléctrica, siendo la dirección de avance paralela al campo eléctrico y reflejándose la onda en la superficie límite electrodo/aire. La oscilación de resonancia se logra cuando el espesor de la estructura de capa de resonador es igual a la mitad de la longitud de onda de la señal de entrada. Para evitar pérdidas acústicas en el substrato de soporte, está previsto en la cara inferior de la capa piezoeléctrica un espacio hueco, tal que las ondas acústicas pueden reflejarse en la superficie límite electrodo/aire.
La figura 1B muestra una estructura de un resonador BAW como el llamado “Solidly Mounted Resonador” (resonador sólidamente montado), SMR. A diferencia de la estructura de la figura 1, se ha previsto aquí, para evitar pérdidas acústicas en la dirección del substrato de soporte, un espejo acústico (Bragg-Reflector) 500 entre el electrodo inferior 300 y el substrato 400. Este espejo acústico está compuesto por varias capas con impedancia acústica muy diferente, dispuestas en secuencia alternada, por ejemplo capas de W/SiO2 o A1/A1N, etc. El espesor de la capa es λ/4.
En comparación con los llamados resonadores de ondas superficiales (resonadores “Surface Acoustic Wave”,SAW), que ya se aplican desde hace mucho tiempo como elementos de filtro en la técnica de la alta frecuencia, reside una diferencia básica en que en el caso de los resonadores BAW se activa una oscilación de espesor (oscilación de volumen)
de la capa piezoeléctrica, contrariamente a las ondas superficiales en los resonadores de ondas superficiales. La activación de una oscilación de volumen (oscilación de volumen del cuerpo) se realiza mediante una adecuada disposición de los electrodos en combinación con una orientación cristalográficamente adecuada de la capa piezoeléctrica. En función de la configuración la oscilación de volumen activada del elemento resonador piezoacústico puede ser una oscilación longitudinal o una oscilación de corte de espesor.
Esta diferencia básica entre resonadores de ondas superficiales (resonadores SAW) y resonadores de ondas de volumen del cuerpo (resonadores BAW) tiene, en función del campo de aplicación, considerables repercusiones sobre las características eléctricas de los componentes. Por ejemplo, en la aplicación de resonadores BAW como elemento de filtro en la gama de altas frecuencias, se realiza, debido al campo eléctrico generado entre ambos electrodos, sólo un acoplamiento mínimo con campos eléctricos fuera de las superficies metálicas. Además, muestran los filtros FBAR y BAW pérdidas eléctricas en la zona de paso inferiores a las del filtro OFW y son además considerablemente más potentes que éstos.
Resultan especiales ventajas también en la tecnología de fabricación, ya que los resonadores BAW pueden integrarse fácilmente con tecnologías IC estándar (por ejemplo CMOS, BiC-MOS, etc.) sobre un chip de semiconductores como substrato de soporte.
No obstante, básicamente se consideran como tecnologías de fabricación para resonadores BAW tanto la técnica de capa gruesa, que esencialmente se basa en técnicas de serigrafiado y que en particular es especialmente adecuada para estructuras en la gama de > 100 μm, como también la técnica de capa delgada, como por
ejemplo la separación de la fase de vapor mediante el procedimiento CVD/PVD.
En base al hecho de que mediante la técnica de capa delgada son accesibles estructuras en el orden de tamaños claramente por debajo de 10 μm hasta la zona de los sub-μm, es especialmente adecuada la misma con miras a las necesidades de la creciente integración y de la progresiva miniaturización de los distintos componentes.
Por ejemplo, en la publicación previa citada al principio de Marc-Alexandre Dubois, Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators: A Technology Overview, MEMS Wave 03, Toulouse, Francia, 3-4 julio 2003 se describe como tecnología de fabricación para resonadores BAW el sputtering (pulverización catódica) reactivo como proceso de fabricación para el crecimiento de capas de nitruro de aluminio como capa piezoeléctrica sobre los correspondientes electrodos. Así puede generarse, tal como se describe en esta publicación previa, mediante sputtering reactivo una capa de AlN de 1,8 μm de espesor con un coeficiente piezoeléctrico d33,f de 5,3 ± 0,22 pm/V, lo cual indica una elevada calidad de la capa de AlN generda mediante el proceso de sputtering.
Además de AlN pueden utilizarse básicamente por ejemplo también ZnO, PZT (titanato-circonato de plomo) o niobato de litio como capa piezoeléctrica, presentando no obstante el AlN ventajas en cuanto a sus características químicas, eléctricas y mecánicas, pero en particular también en lo referente a la ya citada integración sobre un chip de semiconductores.
Tal como se ha mencionado al principio, los resonadores BAW se desarrollaron inicialmente como componentes pasivos para la técnica de alta frecuencia, en particular para sistemas en la zona-objetivo de 1 a 10 GHz. Como ejemplos de aplicación son de mencionar en particular la fabricación de osciladores controlados por tensión
(Voltage Controlled Oscillator, VCO) o de amplificadores (Low Noise Amplifier, LNA, amplificadores de poco ruido).
Además de la aplicación como componentes de la técnica de alta frecuencia, se ha propuesto la aplicación de un resonador BAW como sensor. Por ejemplo, la solicitud WO 2004/017063 A2 de la solicitante describe un sensor para detectar el depósito de una determinada sustancia en la superficie del resonador BAW. De esta manera puede identificarse la correspondiente sustancia. Depósito puede significar entonces adsorción y/o absorción.
Estructuralmente presenta el resonador para este fin un recubrimiento sensible, por ejemplo en forma de una película polímera, aplicada sobre un electrodo del resonador. Sobre esta película polímera pueden absorberse diversas sustancias a detectar, por ejemplo hidrocarburos. La sustancia a detectar se encuentra en un fluido (gas o líquido) que sirve como medio de medida. Para la medición se pone en contacto el sensor con el medio de medida que contiene la sustancia, que puede depositarse en el recubrimiento sensible. Usualmente se utiliza un sistema microfluídico con célula de medida, a través del que fluye
el
medio de medida por el correspondiente tramo de
superficie del
sensor.
El
tramo de superficie del sector en el que se
deposita la correspondiente sustancia depende en muchos casos del tipo de sustancia a detectar, para de esta manera poder detectar una determinada sustancia selectivamente a partir de una mezcla de varias sustancias. Por ejemplo describe la antes citada solicitud de patente la detección de fragmentos DNA mediante un sensor que presenta sobre un tramo de la superficie del electrodo un recubrimiento con una secuencia de DNA elegida, que posibilita el depósito de secuencias DNA adecuadas según el principio llave- cerradura.
En la detección de DNA es decisivo que los ramales puedan diferenciarse mediante un error de coincidencia (mismatch) multibase frente a una coincidencia (match) perfecta (ramal complementario). Esto depende de manera decisiva del estado de equilibrio de la desorción de los ramales de DNA en el tramo de superficie. Este estado de
equilibrio
de la desorción viene determinado por las
circunstancias
del correspondiente sistema, como por
ejemplo
tipo de recubrimiento, concentración de las
especies que intervienen, temperatura, etc.
Mediante el depósito de una sustancia en el resonador se modifica la frecuencia de resonancia en función de la masa de la sustancia depositada. Por lo tanto, midiendo la frecuencia de resonancia puede identificarse el depósito de una sustancia. El parámetro correspondiente es la sensibilidad a la masa del resonador, que es proporcional al cuadrado de la frecuencia de resonancia del resonador.
En la citada solicitud de patente se describe la influencia positiva de un espesor de la capa piezoeléctrica extremadamente reducido en la gama de 0,1 μm hasta 20 μm, lo cual, debido a la interrelación ya mencionada entre la sensibilidad a la masa y la frecuencia de resonancia, repercute positivamente sobre la sensibilidad del sensor en la detección. Además resultan ventajas en cuanto a la densidad de integración y a la miniaturización, en particular en baterías de sensores que contienen varios de tales elementos sensores.
Puesto que la frecuencia de resonancia del resonador piezoacústico depende de la temperatura dentro de ciertos límites, puede estar sometida la señal emitida por un filtro o sensor con resonador BAW a una indeseada dependencia de la temperatura. Para solucionar este problema se ha propuesto utilizar diversos materiales con un coeficiente de temperatura positivo o bien negativo en forma de un compuesto, para de esta manera compensar la
deriva de temperatura. Esta base de solución se describe por ejemplo en la publicación de K. M. Lakin, K.T. McCarron, J. F. McDonald y J. Belsick, “Temperature Coefficient and Aging of BAW Composit Materials” (coeficiente de temperatura y envejecimiento de materiales compuestos de BAW”, 2001, Frequency Control Symp., Actas, pág. 605-608.
En la publicación de K. M. Lakin, Thin Film Resonator Technology (Tecnología de resonador de capa delgada), IEE 2003 FCS-IFTF Paper WElA, 5-8 de mayo, 2003, se describe un resonador compensado en cuanto a la evolución de la temperatura, en el que se utiliza AlN como capa piezoeléctrica y SiO2 para la compensación. Debido al coeficiente de temperatura positivo del SiO2 de +85 ppm/ºC respecto al -25 ppm/ºC del AlN, puede lograrse mediante un aumento sucesivo de la proporción de SiO2 una compensación de la deriva de temperatura.
No obstante, este principio de solución tiene inconvenientes inherentes, ya que implica limitaciones en cuanto a la composición de los materiales a utilizar o a la estructura total del elemento.
En la publicación: FERRARI V Y COLAB. “Multisensor array of mass microbalances for chemical detection base on resonant piezo-layers of screen-printed PZT” (Batería de multisensores de microequilibrios de masa para la detección química en base a piezocapas resonantes de láminas impresas PZT) SENSORS AND ACTUATORS B, ELSEVIER SEQUOIA S.A. LAUSANNE, CH, vol. 68, núm. 1-3, 25 agosto 2000 (2000-0825), páginas 81-87, se describe un dispositivo según las figuras 1 y 3, que incluye un resonador PZT configurado según la técnica de capa gruesa (elemento resonador BAW reproducido en la figura 1 o bien como batería de sensores en la figura 3), utilizándose el resonador como sensor para detectar una sustancia y estando equipado el dispositivo con un equipo de detección de la temperatura.
Es tarea de la invención proporcionar un dispositivo mejorado que incluya al menos un elemento resonador piezoacústico del tipo citado al principio que resuelva el problema de la dependencia de la frecuencia de resonancia respecto a la temperatura. En particular es tarea de la presente invención poner a disposición un tal dispositivo, que está configurado como sensor para detectar una sustancia, que tenga elevada precisión de medida y un campo de utilización ampliado.
Además, es tarea de la invención indicar un procedimiento optimizado para emitir una señal en función
de
una frecuencia de resonancia de un resonador
piezoacústico.
Esta
tarea se resuelve mediante un dispositivo con
elemento resonador piezoacústico con las características de la reivindicación 1 y mediante su utilización para emitir una señal en función de una frecuencia de resonancia de un resonador piezoacústico según la reivindicación 10.
En el marco de la invención se prevé un equipo de detección de la temperatura (3) configurado integrado con el elemento resonador piezoacústico, que sirve para la detección de la temperatura de trabajo del dispositivo.
La temperatura de trabajo del dispositivo en el sentido de la presente invención puede ser la temperatura del elemento resonador piezoacústico. No obstante, la invención no queda limitada a ello. El lugar de la temperatura de trabajo del dispositivo puede ser cualquier tramo del propio dispositivo y/o un tramo del entorno próximo al dispositivo.
En particular cuando se configura el dispositivo como sensor para detectar una sustancia, puede referirse la temperatura de trabajo al tramo de superficie en el que se deposita la sustancia a detectar. También puede ser la temperatura del medio de trabajo en el que se encuentra la
sustancia una temperatura de trabajo del dispositivo en el sentido de la presente invención.
Para integrar el equipo de detección de temperatura con el elemento resonador piezoacústico, está configurado el elemento de medida del equipo de detección de temperatura ventajosamente como capa. En una forma de ejecución preferente, puede estar compuesta la capa esencialmente por un material que puede estar configurado como calentador de resistencia también para calentar el dispositivo.
El espesor de capa del elemento de temperatura se encuentra en la gama inferior a 25 μm, siendo preferente el espesor de capa < 10 μm y muy preferente el espesor de capa < 1 μm. Un reducido espesor de la capa favorece la integración del elemento calentador con el elemento resonador piezoacústico aprovechando procedimientos de la tecnología de capa delgada, como por ejemplo procedimientos de separación mediante procesos PVD/CVD. De esta manera es posible de forma especialmente sencilla procesar el equipo de captación de la temperatura juntamente con el elemento resonador piezoacústico configurado en la técnica de capas.
En el dispositivo correspondiente a la invención está configurado el equipo de captación de temperatura configurado como capa conjuntamente con el elemento resonador piezoacústico sobre un substrato de soporte, que puede ser un substrato semiconductor.
Entonces pueden estar dispuestas entre el elemento de medida con forma de capa y el substrato de soporte capas intermedias. En el dispositivo correspondiente a la invención pueden estar dispuestos el elemento resonador piezoacústico y el elemento de medida en la técnica de capas como capas intermedias, que funcionan como espejo acústico (reflector Bragg), que reduce la pérdida acústica en la dirección del substrato.
Además del elemento de medida, puede incluir el equipo de captación de la temperatura elementos funcionales usuales, como por ejemplo medios de unión con una fuente de alimentación externa.
Preferiblemente la distancia entre el elemento de medida y la capa piezoeléctrica de resonador piezoacústico es inferior a 250 μm, más preferiblemente inferior a 150 μm, y con el máximo de preferencia inferior a 50 μm. Esto da como resultado una baja desviación de temperatura en la gama de varias décimas de grado Kelvin o menos.
Básicamente puede funcionar según la invención un electrodo del propio elemento resonador piezoacústico como elemento de medición de la temperatura.
Una posibilidad de integración y miniaturización mejorada resulta no obstante cuando se utilizan por ejemplo tecnologías de capa delgada conocidas por la técnica de semiconductores para fabricar espesores de capa en la zona sub-μm, hasta la zona de los nm. Al respecto puede tratarse de procedimientos PVD/CVD usuales.
En cuanto a la calidad del material del elemento de medida, se utiliza preferiblemente un material que puede funcionar como termómetro de resistencia de metal. En este caso puede funcionar el elemento de medida también como elemento calentador, en el que el dispositivo no sólo está equipado para detectar la temperatura a partir del valor de resistencia del elemento de medición de la temperatura, sino también para controlar la temperatura del dispositivo mediante calentamiento. En este contexto ha de mencionarse especialmente el platino, cuyo coeficiente de temperatura de la resistencia es de 3,85 × 10-3/ºC, en una gama de aplicación de -200 hasta + 850°C. También puede utilizarse níquel cuando la temperatura a medir no sobrepasa los 150 °C. El níquel ofrece ventajas frente al platino, en particular en cuanto a un precio inferior.
Mediante la configuración del dispositivo con un equipo de detección de la temperatura (microsensor) y un equipo de calentamiento en un componente, es posible una regulación de la temperatura de trabajo del elemento resonador piezoacústico en bucle cerrado, que incluye el control de la temperatura mediante el equipo calentador, la detección de la temperatura de trabajo alcanzada mediante el equipo de detección de la temperatura y la regulación que sigue a continuación de la temperatura de trabajo en función de la temperatura detectada.
De esta manera puede realizarse por ejemplo una compensación efectiva de la frecuencia de resonancia respecto a la temperatura, asegurando que el dispositivo funciona a una temperatura prescrita.
El dispositivo correspondiente a la invención, en el que está integrado un sensor de temperatura configurado con el elemento resonador piezoacústico, puede incluir un equipo evaluador con un equipo de memoria, en el que está archivada la correspondiente curva característica de la dependencia de la resistencia respecto a la temperatura para el material en cuestión, y el equipo de elección para elegir un valor de temperatura en función del valor de resistencia detectado. El equipo evaluador con el equipo de elección puede ser parte integrante de un equipo externo, que de manera adecuada está unido eléctricamente con el equipo de detección de la temperatura. Eléctricamente unido en el sentido de la presente invención puede significar también una unión inalámbrica usual y no queda limitado a un cableado convencional.
En una forma de ejecución están integrados los componentes electrónicos necesarios para el equipo evaluador en el sustrato de soporte del elemento resonador piezoacústico, para aumentar más aún la densidad de integración. Los correspondientes procedimientos y las tecnologías necesarias para ello se conocen básicamente por
el campo de la integración de componentes electrónicos. El equipo evaluador puede no obstante estar realizado también como dispositivo externo.
Además de un tal dispositivo evaluador para determinar la temperatura a partir del valor de medida proporcionado por el equipo de detección de la temperatura, puede estar integrado otro equipo evaluador para determinar la frecuencia de resonancia del resonador en el elemento resonador piezoacústico. Al respecto puede tratarse por ejemplo de un circuito eléctrico de alta frecuencia. Un tal equipo de evaluación para averiguar la frecuencia de resonancia puede integrarse de manera conocida por ejemplo mediante tecnología CMOS bipolar o BIC-MOS en un substrato semiconductor.
El dispositivo puede incluir además un equipo de corrección para corregir la señal de salida del elemento resonador piezoacústico en función de la temperatura averiguada. Para este fin puede estar archivada en el correspondiente dispositivo la evolución de la temperatura de la frecuencia de resonancia del elemento resonador piezoacústico como curva característica. También puede ser el equipo corrector un componente integrado o externo.
Según la reivindicación 1 resultan ventajas para la configuración del dispositivo correspondiente a la invención como sensor para detectar una sustancia, ya que para el control de la temperatura deben poder controlarse selectivamente las condiciones de equilibrio del depósito de la sustancia a detectar en el tramo de superficie del elemento resonador piezoacústico. De esta manera puede aumentarse la precisión de la detección del valor de medida en función de la sustancia a detectar. A la vez puede ampliarse el campo de aplicación del sensor, ya que las condiciones de sorción, que vienen determinadas, además de por la temperatura, por el medio de medida (gas, líquido), por la sustancia a detectar, así como por otras sustancias
dado el caso existentes en el medio de medida, pueden ajustarse selectivamente. De esta manera es accesible la detección de sustancias, que por ejemplo se depositan sobre el tramo de superficie del sensor sólo para una temperatura predeterminada. La “detección de una sustancia” en el sentido de la presente invención puede servir entonces para identificar una sustancia. Pero el sensor puede también estar configurado como sensor de masa para averiguar una cantidad depositada.
En el dispositivo correspondiente a la invención como sensor para detectar una sustancia puede ser ventajoso que el equipo de detección de la temperatura se encuentre en una posición del elemento sensor que asegure que el elemento de medida se encuentra en contacto con el medio de medida. De esta manera puede detectarse por ejemplo también un calentamiento del medio de medida, que por ejemplo fluye a través de una célula de flujo del sensor.
La invención incluye además la utilización para emitir una señal que depende de una frecuencia de resonancia, con las etapas:
Detección de la temperatura de trabajo de un elemento resonador piezoacústico de un dispositivo que incluye al menos un elemento resonador piezoacústico con una capa piezoeléctrica y dos electrodos que están en contacto con la capa piezoeléctrica, estando realizado el elemento resonador piezoacústico tal que al aplicar una tensión alterna a la capa pìezoeléctrica mediante los electrodos, se activa una oscilación de volumen acústica de la capa piezoeléctrica con una frecuencia de resonancia mediante un elemento de medida, activación de una oscilación de volumen de la capa piezoeléctrica del elemento resonador piezoacústico con la frecuencia de resonancia y emisión de una señal de salida en función de la temperatura medida.
Un ejemplo de ejecución especialmente ventajoso del procedimiento correspondiente a la invención consiste en un
procedimiento para detectar una sustancia que preferiblemente se realiza utilizando el dispositivo correspondiente a la invención. Este procedimiento incluye las etapas de reunir el fluido y el resonador piezoacústico tal que la sustancia puede absorberse y/o adsorberse en un tramo del resonador y de determinación de una frecuencia de resonancia del resonador, pudiendo deducirse a partir de la frecuencia de resonancia la cantidad de sustancia depositada en el tramo de superficie. En el procedimiento correspondiente a la invención se realiza antes de la etapa de determinación de la frecuencia de resonancia una detección de la temperatura de trabajo del dispositivo con el elemento resonador piezoacústico.
En el procedimiento correspondiente a la invención se controla adicionalmente la temperatura de trabajo del dispositivo con el correspondiente elemento resonador piezoacústico. Esto se realiza de manera especialmente sencilla mediante el dispositivo antes descrito, en el que a la vez están integrados un elemento de medición de la temperatura y un elemento calentador en el dispositivo. El procedimiento puede entonces incluir la etapa de la regulación de la temperatura de trabajo, es decir, el control en función de la temperatura medida.
De esta manera y en función de la sustancia a detectar puede incrementarse considerablemente la precisión del sensor. Además permite el procedimiento detectar determinadas sustancias que por ejemplo no pueden detectarse a la temperatura ambiente.
La presente invención aporta en particular las siguientes ventajas:
 debido al reducido coste adicional y de proceso, puede
integrarse con el elemento de medida otro elemento
necesario sobre el substrato de soporte (chip).
 esto tiene en cuenta, en particular cuando el sistema está fuertemente miniaturizado, sobre todo la integración.
 contrariamente a una solución discreta, puede llevarse el elemento de medida muy próximo al resonador piezoacústico, de lo que resulta la correspondiente exactitud de medida.
 en particular cuando se utiliza platino, puede proporcionarse a la vez un elemento calentador. De esta manera es posible una regulación de temperatura completa.
 mediante la captación de la temperatura de trabajo del elemento resonador piezoacústico, puede tenerse en cuenta la evolución de la temperatura de la frecuencia de resonancia.
La invención consigue resonadores piezoacústicos de sencilla constitución y que frente a los resonadores BAW conocidos aportan señales de salida completamente discriminadas respecto a la señal de fondo que resulta de la variación de temperatura del equipo. La información de temperatura necesaria para ello en la inmediata proximidad del elemento resonador bajo las condiciones de trabajo, la proporciona el equipo de detección de la temperatura, dispuesto en la inmediata proximidad del elemento resonador. Esto se realiza mediante integración del elemento resonador piezoacústico con el equipo de detección de la temperatura aprovechando tecnologías básicamente conocidas, como las conocidas por ejemplo por la técnica de capa delgada y/o la técnica de capa gruesa.
De esta manera puede aportarse un dispositivo económico que incluye un elemento resonador piezoacústico, que por ejemplo puede encontrar aplicación como elemento de filtro para aplicaciones de AF, como sensor (biosensor) o como elemento actuador (mezcladores, bombas). Además del
elemento resonador piezoacústico con el equipo de detección de la temperatura, puede incluir el dispositivo correspondiente a la invención diversos equipos evaluadores para averiguar la temperatura a partir del valor de medida aportado por el equipo de detección de la temperatura y/o de un equipo de evaluación para determinar una frecuencia de resonancia. Adicionalmente puede estar previsto un equipo corrector que permite realizar, en base a una característica predeterminada, una corrección del valor de partida del dispositivo con referencia a la temperatura que se da en la correspondiente situación de trabajo. De esta manera puede mejorarse considerablemente la precisión del dispositivo frente a dispositivos tradicionalmente conocidos de este tipo.
Ventajosas configuraciones mejoradas y otros detalles de la presente invención se describirán a continuación en base a distintos ejemplos de ejecución con referencia las figuras. Figuras 1A y B muestran esquemáticamente la estructura de
un resonador FBAR y de un resonador SMR como ejemplo de resonadores BAW conocidos por el estado de la técnica, en sección.
Figura 2 muestra esquemáticamente la estructura de un primer ejemplo de ejecución de un dispositivo correspondiente a la invención.
Figura 3 muestra una forma constructiva de un elemento resonador piezoacústico y de un equipo de captación de la temperatura integrados sobre un substrato de soporte, en sección.
Figura 4 muestra un diagrama secuencial de un ejemplo de ejecución de un procedimiento para fabricar el dispositivo correspondiente a la invención.
Figura 5 muestra un diagrama secuencial de un ejemplo
de ejecución de un procedimiento
correspondiente a la invención para emitir
un valor de señal que depende de una
frecuencia de resonancia.
La figura 2 muestra la estructura esquemática de un ejemplo de ejecución del dispositivo correspondiente a la invención. Según el mismo, incluye el dispositivo 1 correspondiente a la invención un elemento resonador piezoacústico 2, un equipo de detección de la temperatura 3, un equipo evaluador 4 para averiguar la frecuencia de resonancia del elemento resonador piezoacústico 2 y un equipo evaluador 5 para averiguar la temperatura a partir de un valor de medida proporcionado por el equipo de detección de la temperatura 3. En el presente ejemplo de ejecución se trata al respecto de la resistencia del equipo de detección de la temperatura 3. No obstante, la invención no queda limitada a ello. Más bien pueden utilizarse cualesquiera sensores de temperatura conocidos por la técnica o equipos similares para medir la temperatura, siempre que puedan integrarse según la técnica del proceso con el elemento resonador piezoacústico.
Mientras que en el ejemplo de ejecución de la figura 2 el equipo evaluador 4 para averiguar la frecuencia de resonancia se ha mostrado integrado en el dispositivo 1, la invención no queda limitada a esta forma constructiva. Más bien puede estar previsto el equipo evaluador para averiguar la frecuencia de resonancia también como dispositivo externo, con el que el dispositivo 1 está unido eléctricamente. También el equipo evaluador 5 para averiguar la temperatura puede estar previsto externamente, aún cuando el mismo en el ejemplo de ejecución presente se ha mostrado como componente integral del dispositivo 1.
Por ejemplo, en una configuración sencilla y conveniente del dispositivo correspondiente a la invención,
puede estar previsto el equipo evaluador 5 para averiguar la temperatura como equipo de memoria externo, en el que está memorizada la evolución de la temperatura de la resistencia del equipo de detección de la temperatura 3. A partir del valor de la resistencia del equipo de detección de la temperatura, puede deducirse entonces la temperatura en base a este equipo.
Los componentes básicos de ambos equipos evaluadores 4 y 5 se rigen según el correspondiente caso de ejecución (frecuencia, temperatura, etc.) y son conocidos como componentes electrónicos.
El dispositivo 1 está unido con un dispositivo 6 para corregir la frecuencia de resonancia en función de la temperatura averiguada. El dispositivo de corrección 6 está realizado como dispositivo externo e incluye un elemento de memoria 7 en el que está memorizada la evolución de la temperatura de la frecuencia de resonancia. Además, incluye el dispositivo de corrección 6 un equipo 8 para corregir la frecuencia de resonancia en base a los valores memorizados en el elemento de memoria 7. El equipo de corrección 8 está equipado para emitir esta frecuencia de resonancia corregida como valor de salida.
La figura 3 muestra la estructura esquemática de un dispositivo correspondiente a la invención 30, en el que están integrados entre sí un elemento resonador piezoacústico y un sensor de temperatura y configurados sobre un substrato de soporte. El resonador piezoacústico 31 incluye una capa piezoeléctrica 32 compuesta por ZnO, un primer electrodo de platino 33 en su cara inferior y un segundo electrodo de platino 34 en su cara superior. El electrodo de platino inferior 33 está aplicado sobre un substrato de soporte de silicio 35. Entre el elemento resonador piezoacústico 31 y el sustrato de soporte 35 está previsto un espejo acústico 36, destinado a evitar pérdidas acústicas en la dirección del substrato 35.
El espesor de los electrodos de Pt 33, 34 se encuentra en la gama de los 250 nm. El espesor de la capa piezoeléctrica (ZnO) es de 400 nm. La fabricación de la batería mostrada en la figura 3 se realizó mediante procedimientos fotolitográficos para estructurar una lámina de silicio recubierta de platino.
Juntamente con el resonador piezoacústico 31 está aplicado sobre el substrato semiconductor 35 un equipo de detección de la temperatura. El equipo de detección de la temperatura presenta una capa 37 de platino con un espesor de capa de 1 μm, que sirve como elemento de medida del equipo de detección de la temperatura. La capa de platino 37 está aislada mediante el aislamiento 38, compuesto por Al2O3, frente al resonador piezoacústico 31.
A continuación y con referencia a la figura 4 se describirá un ejemplo de ejecución de un procedimiento para fabricar el dispositivo correspondiente a la invención.
En la etapa 41 se dota un elemento de lámina de silicio, cuya capa de cubierta está compuesta por óxido de silicio (SixOy/SiO2), de una capa de Pt mediante chisporroteo.
En la etapa 42 se realiza mediante microestructuración un electrodo del resonador piezoacústico, así como un elemento de medición de la temperatura.
Las otras etapas 43 para construir un resonador BAW son básicamente conocidas por la técnica y no necesitan por lo tanto ninguna descripción detallada en este punto. Por ejemplo puede fabricarse mediante ataque químico de la cara posterior de un substrato una membrana sobre la que están dispuestos el elemento resonador y el equipo de detección de la temperatura. Otras etapas del procedimiento incluyen la separación de una capa piezoeléctrica, la aportación de un segundo electrodo, así como la correspondiente toma de contacto de los elementos para fabricar el dispositivo.
Tal como ya se ha mencionado, es especialmente ventajoso fabricar el electrodo inferior o el electrodo superior así como el elemento de medida mediante microestructuración de la misma capa de Pt. De esta manera es posible fabricar no sólo electrodos o bien el elemento de medida a partir de una capa, sino por ejemplo también adicionalmente un elemento calentador de un equipo calentador. En una configuración especialmente ventajosa pueden no obstante formarse también electrodos, elemento calentador y elemento de medida del sensor de temperatura a
partir
de un tramo de capa, que en función del
funcionamiento
deseado pueden controlarse de manera
diferente.
Con referencia la figura 5, se describirá un ejemplo de ejecución de un procedimiento para emitir una señal que depende de una frecuencia de resonancia.
En la etapa 51 se detecta una temperatura de trabajo de un dispositivo con elemento resonador piezoacústico con un equipo de detección de la temperatura.
En la etapa 52, mediante aplicación de una tensión alterna a los electrodos de la capa piezoeléctrica del elemento resonador piezoacústico, se activa una oscilación de espesor (es decir, una oscilación de volumen) con la frecuencia de resonancia.
En la etapa 53 se realiza una corrección de la frecuencia de resonancia medida en función de la temperatura medida.
En la etapa 54 se realiza la emisión de una señal de salida en función del valor corregido.
Es especialmente adecuado un tal procedimiento correspondiente a la invención cuando se configura como procedimiento para detectar una sustancia. Entonces incluye las etapas adicionales de reunir un tramo de la superficie del resonador piezoacústico equipado para la sorción de una sustancia con un fluido que contiene la correspondiente
sustancia a detectar. Tras depositarse la sustancia, se realiza la medición de la frecuencia de resonancia, que depende de la masa de la sustancia depositada. Puede tratarse al respecto de una medición diferencial, es decir, 5 una medición de la frecuencia de resonancia antes y después de depositarse la sustancia. A partir de la frecuencia de resonancia medida, puede deducirse cuál es el depósito de la correspondiente sustancia en el fluido. Detectando la temperatura de trabajo del dispositivo, puede realizarse la 10 determinación de un depósito selectivo de una determinada sustancia que sólo se deposita a una temperatura predeterminada. Este ejemplo de ejecución incluye la etapa de procedimiento de la evaluación de la frecuencia de resonancia medida para detectar la correspondiente
15 sustancia y emitir el correspondiente valor de salida.
20
25

Claims (12)

1. Dispositivo que incluye al menos un elemento resonador piezoacústico (2) con una capa piezoeléctrica (32) y dos electrodos que están en contacto eléctrico con la capa piezoeléctrica (32), estando realizado el elemento resonador piezoacústico (2) tal que aplicando una tensión a la capa piezoeléctrica (32) mediante los electrodos, se activa una oscilación de espesor acústica de la capa piezoeléctrica (32) con la frecuencia de resonancia, en el que existe un equipo de detección de la temperatura (3) configurado con el elemento resonador piezoacústico (2),
que incluye
un elemento de medida configurado en la
técnica de capa delgada,
el
equipo de detección de la temperatura (3) y
el
elemento resonador piezoacústico (2) en técnica de capa delgada están configurados sobre un substrato de soporte común (35) y un electrodo del elemento resonador (2) y el equipo de detección de la temperatura (3) están dispuestos como capas sobre el substrato de soporte (35), siendo el espesor de la capa del equipo de detección de la temperatura < 25 μm y estando configurado el dispositivo como elemento de sensor para detectar una sustancia con un elemento resonador piezoacústico (2), presentando el elemento resonador piezoacústico (2) un tramo de superficie para la sorción de la sustancia y dependiendo la señal de salida del elemento resonador
(2)
del depósito de una sustancia, estando dispuesto, para reforzar la señal acústica, entre el elemento resonador piezoacústico (31) y el sustrato de soporte
(35)
un espejo acústico (36), encontrándose el equipo de detección de la temperatura
(3)
en una posición del elemento sensor tal que el
equipo de detección de la temperatura (3) durante el
proceso de medida del elemento sensor se encuentra en
contacto con el medio de medida en el que se encuentra
la sustancia a detectar y
porque el elemento de medida del equipo de detección de
la temperatura (3) puede funcionar también como elemento
calentador del equipo calentador, en el que
un equipo evaluador (4) configurado externo o integrado
en el dispositivo, está previsto para averiguar la
temperatura a partir de la variación de resistencia del
elemento de medida en función de la temperatura,
controlándose selectivamente a través del mismo las
condiciones de equilibrio del depósito de la sustancia a
detectar en el tramo de superficie del elemento
resonador piezoacústico (2) mediante control de la
temperatura.
2.
Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el substrato de soporte (35) está compuesto por un material semiconductor.
3.
Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el elemento de medida está configurado como vía conductora metálica.
4.
Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de medida está compuesto por platino.
5.
Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque entre el substrato de soporte (35) y el elemento resonador piezoacústico (2) está dispuesto un espejo acústico (36), compuesto por varias capas.
6.
Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque la distancia lateral entre el
elemento de medida y la capa piezoeléctrica (32) es
inferior a 100 μm.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento resonador piezoacústico
(2) está configurado como batería (array), incluyendo un conjunto de capas piezoeléctricas (32) con los correspondientes electrodos y al menos un equipo de detección de la temperatura (3).
8.
Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un equipo calentador configurado integrado con el elemento resonador piezoacústico (2).
9.
Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un equipo corrector (8) para corregir la frecuencia de resonancia del elemento resonador piezoacústico (2) en base al valor captado por el equipo de detección de la temperatura (3).
10.
Utilización de un dispositivo según la reivindicación 1, para -activar una oscilación de volumen de la capa
piezoeléctrica (32) del elemento resonador piezoacústico (2) con la frecuencia de resonancia, -emisión de una señal de salida en función de la temperatura de trabajo medida.
11.
Utilización según la reivindicación 10, caracterizada por la etapa de emisión de un valor de salida en función de la frecuencia de resonancia medida.
12.
Utilización según la reivindicación 10 u 11, caracterizada porque la utilización está configurada como utilización para detectar una sustancia con la etapa de reunir un tramo de la superficie del resonador piezoacústico (31) equipado para el depósito de una
sustancia con un fluido, que contiene la sustancia a detectar, y -medición de la frecuencia de resonancia en función de
la cantidad de sustancia depositada.
5 13. Utilización según una de las reivindicaciones de utilización precedentes, caracterizada por la etapa de control de la temperatura de trabajo del elemento resonador piezoacústico (2).
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