專利名稱：一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子領(lǐng)域，尤其涉及一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移 補償方法和電^^。
背景技術(shù)：
薄膜體聲波振蕩器(FBAR)由于其高工作頻率，高靈#文度，優(yōu)良濾 波特性，低插入損耗，高功率承載能力，與集成電路工藝良好的兼容等特 性，近年來被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，如無線通信射頻前端的雙工器、 振蕩器、諧振器及其他頻率相關(guān)組件。另外，F(xiàn)BAR因為其高質(zhì)量變化靈 敏度，易于封裝，而且制造成本低等特點也越來越廣泛地用做微質(zhì)量傳感 器，應(yīng)用于化學(xué)和生物領(lǐng)域。
大多數(shù)FBAR器件具有由中心頻率表征的帶通特性頻率響應(yīng)，其頻率 響應(yīng)特性由諧振頻率表征。FBAR的在無線通信和質(zhì)量傳感方面的應(yīng)用就 主要基于其頻率特性。但FBAR的工作頻率往往受溫度影響而產(chǎn)生漂移， 其中以氮化鋁(A1N)作為壓電材料，以鉬(Mo)作為電極材料，工作在 2GHz左右的FBAR器件實用實施例中，F(xiàn)BAR的諧 振頻率具有從約 -2(^ 01/1:到約-35 111廠0的溫度系數(shù)。這樣的溫度系數(shù)降低了 FBAR器件 能滿足其通帶寬度規(guī)定的溫度范圍，還會降低制造產(chǎn)量，例如移動終端應(yīng) 用中，由于溫度導(dǎo)致的頻率漂移，要求通帶窗的設(shè)計比應(yīng)該的頻帶大，以 確保FBAR在其整個工作溫度范圍內(nèi)能滿足帶寬規(guī)定，這往往引起降低插 入損耗，提高工藝要求，從而降低生產(chǎn)率。目前，也出現(xiàn)了針對FBAR在高GHz如C波段(4-8GHz)、 X波段 (8-12GHz)等無線系統(tǒng)中的應(yīng)用的研究。其中，溫度對FBAR的諧振工作 頻率仍然有很大的影響。有文獻報道，對于基于A1N的，工作在8GHz左 右的FBAR,其頻率溫度系數(shù)大概為-18ppm廠C。
目前已經(jīng)開發(fā)出多種技術(shù)用于提供薄膜體聲波諧振器FBAR溫度漂移 的補償。在美國專利US7,408,428，B2中公開了 一種克服FBAR裝置溫度 漂移的方法。在該文獻中，通過向FBAR的結(jié)構(gòu)中增加與FBAR相反溫度 系數(shù)的溫度補償層，來進行FBAR的溫度補償。這種方法需要對FBAR的 工藝進行改進，增加FBAR制程步驟，而且對補償層材料的電學(xué)及化學(xué)性 能要求較高。
美國專利US 10/882,510中，在FBAR附近i丈置一個測量溫度的溫度傳 感器，檢測到的溫度變化后，根據(jù)計算送到一個電壓控制器，電壓控制器 根據(jù)溫度的升降，提供與溫度？ 1起FBAR的頻率漂移相反方向的偏壓引起 的頻率漂移，從而進行溫度補償。該方法的缺點在于需要為FBAR振蕩 器配備專門的溫度傳感器和相應(yīng)的傳感驅(qū)動電路，另外還需電壓控制器， 電路復(fù)雜，集成實現(xiàn)難度大。
因此，存在對提供FBAR溫度漂移補償?shù)暮唵畏椒ê碗娐返男枨蟆?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種薄膜體聲波振蕩器(FBAR)的溫度漂移補償方法和 電路，解決了現(xiàn)有的FBAR振蕩器，特別是工作在C波段和X波段的FBAR 振蕩器因在不同溫度下的頻率漂移而引起的各種系統(tǒng)誤差的問題，提高在 無線通信和質(zhì)量傳感方面的應(yīng)用效果和產(chǎn)品生產(chǎn)率。
一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法，設(shè)置一含溫度敏感電阻的電橋以及為所述的電橋供電的直流穩(wěn)壓源，所述的電橋的兩個輸出端分 別通過第一高阻抗電阻器和第二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的 上電極和下電極，其中薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度系數(shù)"與頻率電壓系
數(shù)/ 之比為t/。；i，其中f/。為所述的直流穩(wěn)壓源的直流電壓，A為電橋的電
阻溫度系數(shù)的參考值，其正負極性與所應(yīng)用于的FBAR的頻率電壓系數(shù)的 正負極性有關(guān)。
義反映了在所述的電橋的工作電壓t/。一定時，電橋的輸出電壓(向薄
膜體聲波振蕩器輸出)隨溫度變化的系數(shù)。
所述的電橋由等效的四個電阻構(gòu)成，四個電阻中第一電阻、第二電阻、 第四電阻和第三電阻依次首尾相接成環(huán)，第 一 電阻和第三電阻相接端點接 所述的直流穩(wěn)壓源的正極，第二電阻和第四電阻相接端點接所述的直流穩(wěn) 壓源的負極，第 一 電阻和第二電阻相接端點通過所述的第 一 高阻抗電阻器 接到薄膜體聲波振蕩器的上電極，第三電阻和第四電阻相接端點通過所述 的第二高阻抗電阻器接到薄膜體聲波振蕩器的下電極。
所述的電橋在溫度為常溫r。時輸出偏置電壓r。=o，在溫度為r時輸出
的偏置電壓r為
F = [/i 2(i + A2Ar)___i 4(i + 24Ar)
一 0 i ,(i + ;i,Ar) + i 2(i + ;i2Ar) i 3(i + /i3Ar) + i 4(i + ;i4Ar)
其中
f/。為電橋直流供電電壓； △r = r - r。為溫度變化量；
i ,、 &、 t 3、 A分別為電橋中第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四 電阻的阻值；
A、 A2、 4、義4分別為第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的 的溫度系數(shù)，且至少有一個不為0。作為4尤選，所述的^=/ 2 = 7 3=/ 4 , /1, =—A = —A3 =/14 = A-0 。 本發(fā)明還提供了 一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償電路，所述的
流穩(wěn)壓源構(gòu)成，所述的電橋的兩個輸出端分別通過第一高阻抗電阻器和第 二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的上電極和下電極，其中薄膜體聲 波振蕩器的頻率溫度系數(shù)"與頻率電壓系數(shù)P之比為f/。/i，其中t/。為所述 的直流穩(wěn)壓源的直流電壓，義為電橋的電阻溫度系數(shù)參考值，其正負極性
與所應(yīng)用于的FBAR的頻率電壓系數(shù)的正負極性有關(guān)。
所述的電橋由等效的四個電阻構(gòu)成，四個電阻中第一電阻、第二電阻、 第四電阻和第三電阻依次首尾相接成環(huán)，第 一電阻和第三電阻相接端點接 所述的直流穩(wěn)壓源的正極，第二電阻和第四電阻相接端點接所述的直流穩(wěn) 壓源的負極，第 一 電阻和第二電阻相接端點通過所述的第 一 高阻抗電阻器 接到薄膜體聲波振蕩器的上電極，第三電阻和第四電阻相接端點通過所述 的第二高阻抗電阻器接到薄膜體聲波振蕩器的下電極。
所述的電橋在溫度為常溫r。時輸出偏置電壓K(^0,在溫度為r時輸出 的偏置電壓r為
—0 、 (i +義,Ar) + (i +義2厶r) — / 3 (i +義3厶r) + (i +義4厶r)
其巾 (9)
—i (i + ;la:t) + _義Ar) i (i — /1Ar) + +義Ar)
簡化得
r 仏/iAr (10)綜合(2)、 (10)計算得
2 = "0;i (11) 々
選擇電橋直流供電電壓t/。，電橋中各等效電阻及對應(yīng)溫度系數(shù)滿足以 上等式，即可實現(xiàn)FBAR振蕩器的無偏溫度補償。 一般情況下，F(xiàn)BAR的 頻率溫度系數(shù)為負，電橋供電電壓t/。為正。所以，若補償電路所應(yīng)用的 FBAR頻率電壓系數(shù)為正，則電橋的電阻溫度系數(shù)參考值;i為負；反之， 若補償電路所應(yīng)用的FBAR頻率電壓系數(shù)為負，則電橋的電阻溫度系數(shù)參 考值/l為正。電橋中各電阻所選溫度系數(shù)可據(jù)此得出。
本發(fā)明薄膜體聲波振蕩器(FBAR)的溫度漂移補償方法及電路，可 以應(yīng)用于無線通信、質(zhì)量傳感等多種領(lǐng)域，而無線通信射頻前端的雙工器、 振蕩器、諧振器及其他頻率相關(guān)組件常常由一組FBAR構(gòu)成，因此該本發(fā) 明振蕩電路還包括可操作地連接的兩個或多個所述薄膜體聲波諧振器。單 一 FBAR振蕩器的實現(xiàn)方式有多種，比如，Colpitts結(jié)構(gòu)，共基極結(jié)構(gòu)， 電流重利用交叉耦合結(jié)構(gòu)等等。
本發(fā)明具備的有益效果在于對薄膜體聲波振蕩器(FBAR)由于溫 度引起的頻率偏差進行了有效補償，也可以達到完全的無偏補償，從而克 服由于溫度變化引起的各種系統(tǒng)誤差的問題，提高了 FBAR在無線通信和 質(zhì)量傳感方面的應(yīng)用效果和產(chǎn)品生產(chǎn)率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方式靈活。
圖1是本發(fā)明接入FBAR正反饋振蕩器的溫度漂移補償電路示意圖2是溫度導(dǎo)致的FBAR頻率漂移示意圖3是DC偏壓導(dǎo)致的FBAR頻率漂移示意圖4是對FBAR進行溫度補償過后的頻率漂移示意圖。
ii
具體實施例方式
薄膜體聲波振蕩器(FBAR)是一個由壓電薄膜層和上、下極板構(gòu)成 的三明治結(jié)構(gòu)，可被用作振蕩器、濾波器、質(zhì)量傳感器等。
FBAR振蕩電路一般包括FBAR裝置和射頻電壓源。射頻電壓源向 FBAR的上電極和下電極施加RF電壓，F(xiàn)BAR即產(chǎn)生振蕩，其諧振頻率 由壓電薄膜的厚度確定，計算公式為
, 丄 (1) 2d
其中F為FBAR諧振頻率，
v為壓電層的聲速，
d為壓電層的厚度。
圖1以一個FBAR的簡單振蕩電路20為例，整體上由未加溫度補償 電路時的FBAR振蕩電路14、溫度補償電路15以及為溫度補償電路15 供電的直流電源7構(gòu)成。
FBAR振蕩電路14由放大器11,耦合電容12和薄膜體聲波振蕩器 IO構(gòu)成，溫度補償電路15部分為由第一電阻1、第二電阻2、第四電阻4 和第三電阻3依次首尾相接構(gòu)成一個電源對稱電橋，其中第一電阻1和第 三電阻3相接端點接直流穩(wěn)壓源7正極，第二電阻2和第四電阻4相接端 點接直流電源7負極，第一電阻1和第二電阻2相接于端點5,然后通過 第一高阻抗電阻器8接到FBAR IO的上電極，第四電阻4和第三電阻3 相接于端點6，然后通過第二高阻抗電阻器9接到FBAR 10的下電極。
本實施例中，
薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度系數(shù)"為-18ppm廠C 薄膜體聲波振蕩器的頻率電壓系數(shù)p為Wppm/V直流穩(wěn)壓源的直流電壓f/。為25V
電橋的電阻溫度系數(shù);i為-i x io'2;
第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的阻值^、 / 2、 i 3、及4分 別為5K(這里電阻越大，偏置電路的能耗越小，^旦電路面積也會相應(yīng)增 大，所以根據(jù)經(jīng)驗權(quán)衡)
第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的的溫度系數(shù)4、 ^、 4、 義4分別為-1 x 10-2、 1 x l(T2、 lxio-2、 -lxio-2;
薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度系數(shù)"與頻率電壓系數(shù)/ 之比為f/。義， 通過對薄膜體聲波振蕩器施加DC偏壓提供相反方向的頻率漂移，以補償 溫度變化導(dǎo)致薄膜體聲波振蕩器的頻率漂移。若溫度升高，則FBAR頻率 降低，為了補償頻率隨溫度的漂移，加在FBAR兩端的直流補償電壓應(yīng)該 減小；反之，應(yīng)該增力口。
參見圖2、 3， FBAR具有負的頻率溫度系數(shù)，對于工作在8.5GHz 左右的基于A1N壓電薄膜的FBAR,其頻率溫度系數(shù)大約為-18ppm廠C。 圖2圖解溫度對FBAR諧振頻率的影響。由圖可見，在溫度10。C到9(TC 之間，頻率隨溫度的升高而降低，大概成一個線性關(guān)系。
對于工作在8.5GHz左右的基于A1N壓電薄膜的FBAR，頻率電壓系 數(shù)約為72ppm/V。圖3圖解偏壓對FBAR諧振頻率的影響。由圖可見，在 40V到40V的直流電壓范圍內(nèi)，頻率隨電壓的升高而線性升高。
參見圖4,采用本發(fā)明方法對薄膜體聲波振蕩器進行溫度漂移補償， 0 90度范圍內(nèi)，薄膜體聲波振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化減小，進行溫 度漂移補償后振蕩電路的頻率溫度系數(shù)約為-1.5ppm廠C,有了明顯改善， 保證了電路的穩(wěn)定工作。
1權(quán)利要求
1、一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法，其特征在于，設(shè)置一含溫度敏感電阻的電橋以及為所述的電橋供電的直流穩(wěn)壓源，所述的電橋的兩個輸出端分別通過第一高阻抗電阻器和第二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的上電極和下電極，其中薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度系數(shù)α與頻率電壓系數(shù)β之比為U0λ，其中U0為所述的直流穩(wěn)壓源的直流電壓，λ為電橋的電阻溫度系數(shù)參考值。
2、 如權(quán)利要求1所述的溫度漂移補償方法，其特征在于，所述的電 橋由等效的四個電阻構(gòu)成，四個電阻中第一電阻、第二電阻、第四電阻和 第三電阻依次首尾相接成環(huán)，第 一電阻和第三電阻相接端點接所述的直流 穩(wěn)壓源的正極，第二電阻和第四電阻相接端點接所述的直流穩(wěn)壓源的負 極，第 一電阻和第二電阻相接端點通過所述的第 一高阻抗電阻器接到薄膜 體聲波振蕩器的上電極，第三電阻和第四電阻相接端點通過所述的第二高 阻抗電阻器接到薄膜體聲波振蕩器的下電極。
3、 如權(quán)利要求2所述的溫度漂移補償方法，其特征在于，所述的電橋在溫度為常溫r。時輸出偏置電壓r廣o,在溫度為r時輸出的偏置電壓r 為k = u r i 2(i + a2Ar)___i 4(i + A4Ar)—0 、(l + ;i,Ar) + i 2(i +義2Ar) w3(i + /L3Ar) + i 4(i + ;i4Ar)其中t/Q為電橋直流供電電壓； Ar:r-ro為溫度變化量；i ,、 w2、 i 3、 ^分別為電橋中第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四 電阻的阻值；A、 ^、義4分別為第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的 的溫度系數(shù)，且至少有一個不為0。
4、 如權(quán)利要求3所述的溫度漂移補償方法，其特征在于，所述的i i-及2-7 3-及4 ， A,=—義2 =—義3 =;i4 =;i#o。
5、 一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償電路，其特征在于，所述直流穩(wěn)壓源構(gòu)成，所述的電橋的兩個輸出端分別通過第 一 高阻抗電阻器和 第二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的上電極和下電極，其中薄膜體 聲波振蕩器的頻率溫度系數(shù)"與頻率電壓系數(shù)p之比為"。/i,其中"。為所 述的直流穩(wěn)壓源的直流電壓，/1為電橋的電阻溫度系數(shù)參考值。
6、 如權(quán)利要求5所述的溫度漂移補償電路，其特征在于，所述的電 橋由等效的四個電阻構(gòu)成，四個電阻中第一電阻、第二電阻、第四電阻和 第三電阻依次首尾相接成環(huán)，第 一電阻和第三電阻相接端點接所述的直流 穩(wěn)壓源的正極，第二電阻和第四電阻相接端點接所述的直流穩(wěn)壓源的負 極，第 一電阻和第二電阻相接端點通過所述的第 一 高阻抗電阻器接到薄膜 體聲波振蕩器的上電極，第三電阻和第四電阻相接端點通過所述的第二高 阻抗電阻器接到薄膜體聲波振蕩器的下電極。
7、 如權(quán)利要求6所述的溫度漂移補償電路，其特征在于，所述的電橋在溫度為常溫r。時輸出偏置電壓^=0，在溫度為r時輸出的偏置電壓r 為<formula>formula see original document page 3</formula>其中C/Q為電4喬直法b供電電壓； △『=r-7;為溫度變化量；i 2、 i 3、及4分別為電橋中第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四 電阻的阻值；4、 ^、 4、義4分別為第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的 的溫度系數(shù)，且至少有一個不為0。
8、如權(quán)利要求7所述的溫度漂移補償電路，其特征在于，所述的《m ， & =—義,=-h;l#o。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法及電路，主要是設(shè)置一含溫度敏感電阻的電橋以及為所述的電橋供電的直流穩(wěn)壓源，所述的電橋的兩個輸出端分別通過第一高阻抗電阻器和第二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的上電極和下電極，其中薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度系數(shù)α與頻率電壓系數(shù)β之比為U<sub>0</sub>λ，其中U<sub>0</sub>為所述的直流穩(wěn)壓源的直流電壓，λ為電橋的電阻溫度系數(shù)參考值。本發(fā)明對薄膜體聲波振蕩器(FBAR)由于溫度引起的頻率偏差進行了有效補償，也可以達到完全的無偏補償，從而克服由于溫度變化引起的各種系統(tǒng)誤差的問題，提高了FBAR在無線通信和質(zhì)量傳感方面的應(yīng)用效果和產(chǎn)品生產(chǎn)率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方式靈活。
文檔編號H03H9/60GK101594140SQ20091009955
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者張慧金, 程維維, 董樹榮, 趙士恒, 雁 韓 申請人:浙江大學(xué)